基于虛擬仿真技術(shù)的民族景觀建筑實驗教學(xué)探索

梅駿翔 孫雅沄

【摘 要】當(dāng)前民族景觀建筑實驗教學(xué)過程面臨不直觀、不可逆、成本高等問題，通過構(gòu)件基于傾斜攝影和unity三維仿真技術(shù)的廣西侗族特色建筑風(fēng)雨橋虛擬仿真實驗系統(tǒng)，實現(xiàn)民族景觀建筑認(rèn)知由傳統(tǒng)的文字、圖片插畫等靜態(tài)展示教學(xué)向可漫游、可交互的虛擬三維立體式教學(xué)的轉(zhuǎn)變，學(xué)生使用三大功能模塊實現(xiàn)對風(fēng)雨橋的建筑外部形制和內(nèi)部結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，特別是對重要傳統(tǒng)榫卯技術(shù)穿斗式結(jié)構(gòu)的認(rèn)知和實踐運用能力。具有教學(xué)方法、評價方式和表現(xiàn)形式上的創(chuàng)新。

【關(guān)鍵詞】虛擬仿真實驗;民族景觀建筑;高校教育

1、實驗背景與目的

侗族特色景觀建——筑風(fēng)雨橋多為年代久遠(yuǎn)的文物保護建筑，且多位于交通不便的偏遠(yuǎn)地區(qū)，當(dāng)前在對其認(rèn)知教學(xué)過程中面臨著一旦遭受破壞便不可逆、學(xué)生集體外出成本高昂等難題[1]。同時傳統(tǒng)的靜態(tài)展示無法讓學(xué)生接觸到風(fēng)雨橋建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)和裝配施工的真實場景，限制了學(xué)生對該類民族景觀特色建筑的理解和掌握[2]，從而使風(fēng)景園林類、土木類專業(yè)大學(xué)生對這些未來工作需要的施工技術(shù)缺乏基本技能訓(xùn)練和切身體會，難以支撐專業(yè)人才培養(yǎng)目標(biāo)的實現(xiàn)。

基于此情況，桂林理工大學(xué)發(fā)揮地處西南民族地區(qū)的地域優(yōu)勢，依托區(qū)域一流學(xué)科風(fēng)景園林專業(yè)的發(fā)展建設(shè)，嘗試搭建一套廣西侗族特色風(fēng)雨橋虛擬仿真建構(gòu)實驗教學(xué)系統(tǒng)，借助虛擬仿真技術(shù)讓學(xué)生體驗風(fēng)雨橋建筑的三維虛擬實景，使學(xué)生感受到身臨其境的沉浸感[3]。該項目以高精度風(fēng)雨橋建筑虛擬模型為載體，完整再現(xiàn)了建筑外觀形制、內(nèi)部構(gòu)造和裝配搭建流程的全過程，有效克服了傳統(tǒng)圖文靜態(tài)展示帶來的實習(xí)實驗教學(xué)瓶頸，學(xué)生通過人機交互實驗學(xué)習(xí)感知風(fēng)雨橋建筑的內(nèi)外構(gòu)成和裝配過程，能夠快速實現(xiàn)對建筑的全面理解，還能對相關(guān)的理論知識進行鞏固和應(yīng)用實踐，實現(xiàn)理論知識和工程實際相結(jié)合，真實工程和虛擬建筑相結(jié)合，綜合了培養(yǎng)學(xué)生的信息獲取能力，自主學(xué)習(xí)能力以及創(chuàng)新創(chuàng)造能力[4]。

2、實驗儀器與設(shè)備

（1）硬件設(shè)備：數(shù)據(jù)服務(wù)器、液晶拼接顯示器、工作站、交換機、個人客戶端等;手機及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境;APP、電腦及網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

（2）軟件系統(tǒng)：Unity WebView插件、網(wǎng)絡(luò)版實驗教學(xué)軟件、高精度三維虛擬模型、穿斗式結(jié)構(gòu)三維虛擬模型、風(fēng)雨橋裝配三維虛擬模型。

3、實驗原理及內(nèi)容

本實驗項目依托傾斜攝影三維建模技術(shù)，采集風(fēng)雨橋建筑外部紋理和內(nèi)部結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，然后導(dǎo)入unity軟件中進行實驗交互步驟設(shè)計，最后整合為一套集認(rèn)知學(xué)習(xí)、互動操作和在線考核評價的綜合型虛擬仿真實驗教學(xué)系統(tǒng)。學(xué)生通過上機實踐對高精度建筑模型進行鍵鼠交互操作，實現(xiàn)對建筑各重要構(gòu)件的多維綜合認(rèn)知學(xué)習(xí)，同時通過風(fēng)雨橋建筑的搭建組裝流程的交互化和可視化，增強學(xué)生對少數(shù)民族傳統(tǒng)建筑設(shè)計思想與營造技藝的理解，從在線認(rèn)知學(xué)習(xí)、認(rèn)知考核以及建造學(xué)習(xí)等多方面綜合培養(yǎng)學(xué)生專業(yè)能力[5]。具體包括以下三大功能模塊：

（1）建筑基本結(jié)構(gòu)環(huán)繞觀察模塊：以感官認(rèn)知為主，通過選擇橋墩、基座、橋身和亭廊等基本結(jié)構(gòu)組件，學(xué)生可進行點擊查看和自主漫游，實現(xiàn)對建筑模型的整體環(huán)繞觀察、基本結(jié)構(gòu)觀察和透視結(jié)構(gòu)觀察。

（2）穿斗式構(gòu)件認(rèn)知學(xué)習(xí)模塊：選取橋身的一個局部切面進行放大，了解其內(nèi)部榫卯結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)。該切面包含5個建筑構(gòu)件，分別為：立柱、穿枋、瓜柱、檁和椽。學(xué)生通過觀察和選擇具體構(gòu)件，實現(xiàn)構(gòu)件拆解、構(gòu)件認(rèn)知和一鍵還原等仿真效果。

（3）風(fēng)雨橋裝配組裝學(xué)習(xí)模塊：進入該模塊后，視角窗口重置至可觀察模型整體的視角。此時模型整體呈半透明狀態(tài)，點擊“開始裝配”按鈕，在畫面左側(cè)出現(xiàn)“組件工具箱”，工具箱中有模塊一、二中編好組的各個組件，根據(jù)出現(xiàn)的文字提示，分步在工具箱中選中對應(yīng)組件并拖放至指定的半透明高亮位置，完成整體風(fēng)雨橋模型的搭建。

4、實驗教學(xué)具體方法

（1）多媒體講授教學(xué)法：1、實驗概述：介紹本次實驗教學(xué)目的、意義、教學(xué)大綱。說明應(yīng)遵守的實驗規(guī)程和操作細(xì)則，并確定實驗的成果要求和進度時間節(jié)點。2、理論和知識點講授：首先介紹侗族風(fēng)雨橋建筑相關(guān)背景知識，虛擬仿真技術(shù)在建筑營建研究中的作用和趨勢，使學(xué)生建立起民族景觀建筑設(shè)計的主要技術(shù)框架。

（2）實踐指導(dǎo)互動教學(xué)：1、下發(fā)實驗指導(dǎo)書，學(xué)生在提示指導(dǎo)下對建筑模型進行簡單操作，遇到模型卡頓、視角無法縮放移動、渲染超載等易發(fā)問題以及相對應(yīng)的處理方法。2、觀看相關(guān)操作演示視頻后，幫助學(xué)生理解建筑外部形制和內(nèi)部結(jié)構(gòu)要點，對容易出差錯的穿斗式建筑結(jié)構(gòu)拆解和整體模型拼裝等具體問題進行指導(dǎo)，使學(xué)生能夠根據(jù)系統(tǒng)提示自主完成建筑模型的交互操作。

（3）多維教學(xué)評價：豐富實驗結(jié)果評價體系，學(xué)生實驗成績除在虛擬仿真實驗系統(tǒng)中完成指定操作外，還包括配套習(xí)題訓(xùn)練、課后分組討論和經(jīng)驗心得匯報，確定同學(xué)的最終實驗教學(xué)成績。通過多維教學(xué)評價使參與實驗的同學(xué)綜合掌握理論知識和動手實操能力，匯報環(huán)節(jié)鍛煉了參與實驗同學(xué)的口頭表達能力和匯報邏輯思維變被動接受為主動學(xué)習(xí)，提升專業(yè)整體學(xué)習(xí)效果。

5、實驗創(chuàng)新與亮點

（1）教學(xué)方法創(chuàng)新：本虛擬實驗改變了傳統(tǒng)講課式的教學(xué)方法，采用任務(wù)驅(qū)動式、項目案例式及討論啟發(fā)式等現(xiàn)代化教學(xué)手段進行教學(xué)，改變以往“以教師為主體”的教學(xué)模式，強調(diào)“以學(xué)生為中心”的實驗教學(xué)理念，在實驗教學(xué)過程中，老師對整個實驗前、中、后全過程加以指導(dǎo)和引導(dǎo)，通過任務(wù)驅(qū)動的方式來激發(fā)學(xué)生對實驗內(nèi)容的學(xué)習(xí)興趣，通過啟發(fā)討論方式激勵同學(xué)們充分發(fā)揮想象，對風(fēng)雨橋建筑的構(gòu)造提出新的思考和見解。

（2）表現(xiàn)形式創(chuàng)新：本實驗教學(xué)項目采用生動、逼真、立體的表現(xiàn)形式，將抽象的實驗過程用形象逼真的動畫來展示，使學(xué)習(xí)者體驗置身其中的沉浸感，能夠?qū)崿F(xiàn)人機交互，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主學(xué)習(xí)創(chuàng)新的動力，極大提高了學(xué)生的實驗操作技能，是對傳統(tǒng)實驗教學(xué)的極大延伸和拓展。此外，本項目還為學(xué)生提供了一個不同時間、不同空間以及不同維度的學(xué)習(xí)空間，為學(xué)生提供了更為廣泛的信息資源，具有信息獲取更加便利，學(xué)習(xí)環(huán)境更具安全性，實驗過程綠色環(huán)保的特點。

（3）評價體系創(chuàng)新：本實驗采用綜合評價法對學(xué)生進行實驗效果考核。主要考核指標(biāo)有實驗預(yù)習(xí)，實驗操作，實驗報告以及知識考核，注重對實驗的過程性評價，提高評價的公正性。該評價體系對實驗預(yù)習(xí)，實驗操作，實驗報告、知識考核各部分的具體考核點進行了詳細(xì)劃分，并賦予不同的權(quán)重，整個評價體系更注重學(xué)生實際處理問題的能力和創(chuàng)新創(chuàng)造能力的考核。

【參考文獻】

[1]張千. 廣西三江侗族木構(gòu)建筑的符號學(xué)研究[D].廣西大學(xué)，2018.

[2]鄧夢帆，李舒陽，陳曉婷.虛擬現(xiàn)實建筑場景中距離認(rèn)知還原度研究[J].中外建筑，2019（04）：40-43.

[3]趙曉松. 基于Untiy3D的可視化虛擬仿真實驗平臺的設(shè)計與開發(fā)[D].西安電子科技大學(xué)，2017.

[4]石堅韌.建筑與城市設(shè)計專業(yè)的虛擬仿真教學(xué)模式探索[J].高等建筑教育，2009，18（01）：123-125.

[5]李虹江.基于VR技術(shù)的藝術(shù)類虛擬仿真實驗教學(xué)平臺構(gòu)建探討[J].大眾文藝，2019（10）：227-229.

作者簡介：梅駿翔（1991-），男，講師，碩士，研究方向為風(fēng)景旅游規(guī)劃設(shè)計。

通訊作者：孫雅沄（1991-），女，助教，碩士，研究方向為景觀設(shè)計。

基金項目：桂林理工大學(xué)教改項目（2017B28）;廣西旅游產(chǎn)業(yè)研究院開放基金項目（GXTA201706Q）;廣西中青年教師基礎(chǔ)能力提升項目（2019KY0276）。