基于“VR虛擬構(gòu)造實驗室”的建筑技術(shù)類課程實踐教學(xué)研究
——以《建筑構(gòu)造》課程為例

冷浩然 曹芳源 王婉霓

（江西師范大學(xué)城市建設(shè)學(xué)院 江西·南昌 330022）

0 引言

在教育部印發(fā)的“2021教育部工作要點”中明確提出“積極推進教育信息化建設(shè)，加快推進教育信息化高質(zhì)量發(fā)展”[1]的戰(zhàn)略構(gòu)想?！癡R虛擬實驗室”正是充分利用各種現(xiàn)代信息技術(shù)，將傳統(tǒng)實驗移植到計算機虛擬實驗室中，逐漸成為實驗實踐教學(xué)的重要補充方式。《建筑構(gòu)造》作為建筑學(xué)專業(yè)的技術(shù)類基礎(chǔ)課程，知識涉及廣，實踐性強，但在其傳統(tǒng)實踐教學(xué)中存在諸多困境：校內(nèi)實驗室教學(xué)場地不足、構(gòu)件品種展示不全；校外施工現(xiàn)場實踐教學(xué)安全隱患大、施工進度與教學(xué)計劃難匹配等。因此，基于“VR虛擬構(gòu)造實驗室”的建筑構(gòu)造課程實踐教學(xué)模式研究順應(yīng)了時代的需求，是對“信息+教育”理念的有益探索，并可為今后其他建筑專業(yè)技術(shù)類課程信息化提供借鑒參考，具有一定的理論和現(xiàn)實意義。

1 基于“VR虛擬構(gòu)造實驗室”的《建筑構(gòu)造》教學(xué)改革的可行性

1.1 VR虛擬實驗室的起源

虛擬實驗室(VirtualLaboratory)，可以追溯到威廉·沃爾夫教授提出的“合作實驗室”(Collaboratory)，即利用計算機建立網(wǎng)絡(luò)化的虛擬實驗室環(huán)境，旨在打破空間的限制，進行合作性實驗研究，具有高仿真、開放共享、可擴展性、重復(fù)使用性以及安全性高等優(yōu)點[2]。VR虛擬實驗室是充分利用VR技術(shù)的“3I”特性，即沉浸性（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination）[3]，保留虛擬實驗室優(yōu)點的同時，增強了使用者臨場感和沉浸感，體驗的真實性和直觀性進一步被加強，屬虛擬實驗室目前發(fā)展的高級階段。

1.2 VR虛擬構(gòu)造實驗室的概念

本文探索的創(chuàng)新性教學(xué)模式中的核心載體──“VR虛擬構(gòu)造實驗室”，指的是通過VR虛擬現(xiàn)實、計算機、三維建模等數(shù)字技術(shù)構(gòu)建的虛擬現(xiàn)實世界中的建筑構(gòu)造實驗室，使用VR頭盔顯示器或VR頭盔+投影設(shè)備讓學(xué)生體驗觀察甚至拼裝虛擬構(gòu)造實驗室中的各種建筑構(gòu)造構(gòu)件或組件。這種只存在虛擬世界中的實驗室在物質(zhì)形態(tài)層面上，與客觀真實存在的傳統(tǒng)實體構(gòu)造實驗室具有本質(zhì)區(qū)別。

1.3 VR虛擬構(gòu)造實驗室的優(yōu)勢特點

1.3.1 內(nèi)容豐富、更新便捷

《建筑構(gòu)造》課程理解難度大，需配合實踐教學(xué)加深認知。而傳統(tǒng)實體構(gòu)造實驗室展示內(nèi)容受場地限制，通常無法全面展示建筑各種構(gòu)造做法。且伴隨著材料科技和施工技術(shù)的不斷發(fā)展，建筑構(gòu)造做法也需更新?lián)Q代，實體實驗室因更新成本高和周期長，往往造成學(xué)校教學(xué)與現(xiàn)行技術(shù)脫節(jié)的嚴重后果。而 VR虛擬構(gòu)造實驗室能不受時空限制，可以展示所有需要的建筑構(gòu)件類型及其構(gòu)造做法，且可根據(jù)建筑行業(yè)的技術(shù)變革，在大大節(jié)省時間和資金成本的前提下，及時更新實驗室內(nèi)的實踐教學(xué)資源。

1.3.2 沉浸交互、學(xué)做一體

傳統(tǒng)實體構(gòu)造實驗室的建筑構(gòu)造做法通常為靜態(tài)的構(gòu)造組成的展示，學(xué)生無法直觀了解構(gòu)造中包含的工藝流程和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。雖然《建筑構(gòu)造》課程實踐教學(xué)可以通過施工現(xiàn)場的實踐教學(xué)解決此類問題，但鑒于校外施工現(xiàn)場實踐點穩(wěn)定性差、施工進度與教學(xué)進度難匹配，施工現(xiàn)場操作不可逆，且存在較大安全隱患等因素，造成施工現(xiàn)場教學(xué)機會非常有限，無法保障正常的實踐教學(xué)需求。而在VR虛擬構(gòu)造實驗室中，學(xué)生可通過對構(gòu)件的移動、旋轉(zhuǎn)、縮放等操作，進行全景觀察、虛擬裝配等動態(tài)交互學(xué)習(xí)，全面直觀了解構(gòu)造組成和施工標(biāo)準(zhǔn)流程。

1.3.3 自主開放、線上共享

在傳統(tǒng)的構(gòu)造實驗室中，按課程既定的教學(xué)進度，教師對靜態(tài)的建筑構(gòu)件進行現(xiàn)場講授，讓學(xué)生理解展示構(gòu)件外在形態(tài)構(gòu)成和內(nèi)在構(gòu)造邏輯。離開了教師生動形象的現(xiàn)場講解，學(xué)生無法真正領(lǐng)悟傳統(tǒng)實驗中的大部分構(gòu)件組成，這種傳統(tǒng)的實驗室教學(xué)方式使得學(xué)生無法進行自主學(xué)習(xí)。而在VR虛擬構(gòu)造實驗室中，學(xué)生在虛擬仿真實驗室登錄實驗系統(tǒng)后，即可按自己的需求選擇構(gòu)件進行交互學(xué)習(xí)，實驗平臺設(shè)有伴學(xué)提示系統(tǒng)，很大程度上能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生對實驗室內(nèi)資源的自主開放學(xué)習(xí)。同時，VR虛擬構(gòu)造實驗室系統(tǒng)未來還可通過互聯(lián)網(wǎng)，打破了傳統(tǒng)構(gòu)造實驗室的地域局限，實現(xiàn)對校內(nèi)其他學(xué)院相關(guān)專業(yè)甚至是其他高校開放使用，實現(xiàn)教育資源的線上共享。

2 基于“VR虛擬構(gòu)造實驗室”的《建筑構(gòu)造》課程實踐教學(xué)改革

本文中的《建筑構(gòu)造》課程創(chuàng)新教學(xué)體系，是圍繞“VR虛擬構(gòu)造實驗室”核心概念開展的實踐教學(xué)改革。具體從“VR虛擬構(gòu)造實驗室”的實踐教學(xué)資源建設(shè)、實踐教學(xué)模式制定及實踐教學(xué)評價與反饋三個方面出發(fā)，探索科學(xué)可行的教學(xué)改革策略（見圖1）。

2.1 建設(shè)與“VR虛擬構(gòu)造實驗室”相契合的課程實踐教學(xué)資源

“VR虛擬構(gòu)造實驗室”內(nèi)的實踐教學(xué)資源開發(fā)需遵循定位明確、形式合理、全面系統(tǒng)的原則。首選課程中的重點、難點內(nèi)容建設(shè)開發(fā)配套的實踐教學(xué)資源，并封裝植入到“VR虛擬構(gòu)造實驗室”中，做到內(nèi)容選擇目標(biāo)清晰、定位準(zhǔn)確。其次，針對構(gòu)造內(nèi)容和VR技術(shù)的特點，綜合考慮開發(fā)合適的VR實踐教學(xué)形式。根據(jù)VR實踐教學(xué)最終的呈現(xiàn)效果可分為360°展示型和交互組裝型兩類實踐教學(xué)資源。其中，前者適合用于整體展示中大型尺度的建筑構(gòu)件，如樓梯、樓蓋體系等，屬于對建筑構(gòu)件進行宏觀層面的整體認知；后者更多用于動態(tài)交互展示工業(yè)化程度比較高的建筑組合件的構(gòu)造組成和拼裝順序，以及施工工藝流程要求較高的構(gòu)造做法，如鋁合金玻璃幕墻屬于第一種，又如平屋頂防水構(gòu)造做法則隸屬于第二種，二者都屬于對構(gòu)造細部層面的深入學(xué)習(xí)。最后，對建筑構(gòu)件的正確認知規(guī)律通常為先整體后細部，先宏觀后細觀。因此為了使學(xué)生對建筑構(gòu)造學(xué)習(xí)能夠遵循合理的學(xué)習(xí)規(guī)則，在開發(fā)“VR虛擬構(gòu)造實驗室”教學(xué)資源時，應(yīng)全面系統(tǒng)安排360°展示型和交互組裝型兩種類型與理論內(nèi)容對應(yīng)的數(shù)量、順序?qū)?yīng)關(guān)系，真正起到理論與實踐相輔相成的良好互動關(guān)系。

2.2 制定與“VR虛擬構(gòu)造實驗室”相融合的課程實踐教學(xué)模式

“VR虛擬構(gòu)造實驗室”中的實踐教學(xué)資源開發(fā)完成后，第二步是思考如何將其融合進正常的日常教學(xué)活動，以發(fā)揮實踐教學(xué)的強大作用。根據(jù)360°展示型和交互組裝型實踐教學(xué)資源的交互性強弱不同，本著使用方便、完善教學(xué)的原則，合理設(shè)計了兩種與之對應(yīng)的課程實踐教學(xué)模式──多媒體基礎(chǔ)教學(xué)和仿真實驗室教學(xué)雙模式。多媒體基礎(chǔ)教學(xué)模式具體為：每次請一名學(xué)生佩戴VR頭戴一體機，并通過多媒體教室的投影設(shè)備同步顯示頭盔中的內(nèi)容，配合老師完成使用“VR虛擬構(gòu)造實驗室”中的教學(xué)資源，向其他在座的同學(xué)動態(tài)全景展示講解本堂課中的重難點構(gòu)件。因構(gòu)件尺度偏大，對沉浸感和交互性要求不高，此模式能夠滿足學(xué)生認知理解需求。而仿真實驗室教學(xué)模式為：課程在實體仿真實驗室進行，學(xué)生將每人配備VR頭盔設(shè)備，登錄“VR虛擬構(gòu)造實驗室”教學(xué)管理平臺，每位學(xué)生均可開展沉浸式自主交互學(xué)習(xí)，老師起到輔助講解和引導(dǎo)作用。同時，傳統(tǒng)實體構(gòu)造實驗室仍可以作為“VR虛擬構(gòu)造實驗室”的補充，繼續(xù)發(fā)揮其應(yīng)有的作用，為學(xué)生提供建筑構(gòu)件制作材料的真實質(zhì)感體驗。

2.3 構(gòu)建與“VR虛擬實驗室”相匹配的課程實踐教學(xué)考核體系

傳統(tǒng)構(gòu)造課程的實踐教學(xué)，因形式單一、實施受限，一直處于輔助地位，更無法談對其評價考核，整個課程的評價體系不夠完善。隨著“VR虛擬構(gòu)造實驗室”引入，尤其是在仿真實驗室教學(xué)模式中，實驗系統(tǒng)加入步驟AI評價和記分功能，為實踐教學(xué)量化評估提供全新的方式，徹底改變了理論課程多為“一考定音”的傳統(tǒng)考核方式，提高了課程評價考核的全面性、客觀性、完整性。構(gòu)造課程新的考核評價體系分為平時成績，筆試成績、虛擬實踐三部分，分值占比依次為20%、40%、40%。同時，實驗系統(tǒng)還具有留言功能，為學(xué)生提供了對課程教學(xué)進行反饋的新渠道，從而有利于教師團隊對課程進行下一步的完善改進。

3 基于“VR虛擬構(gòu)造實驗室”的課堂實踐教學(xué)案例簡介──以“隱框玻璃幕墻”為例

隱框玻璃幕墻建筑中常見的一種玻璃幕墻形式，通透輕盈，極富現(xiàn)代感。玻璃幕墻是構(gòu)造課程高層建筑章節(jié)中重點內(nèi)容，但構(gòu)造復(fù)雜、工業(yè)體系化高，學(xué)生通常難以理解透徹其構(gòu)造組成，非常適合使用“VR虛擬構(gòu)造實驗室”進行實踐教學(xué)。

本案例的實踐教學(xué)資源屬于交互組裝型，教學(xué)模式采用仿真實驗室教學(xué)模式，學(xué)生在實體實驗室進行課堂實踐教學(xué)。整個課程可以分為三個階段，首先教師使用多媒體進行玻璃幕墻的理論講授，介紹玻璃幕墻的基本概念、發(fā)展概況、構(gòu)造類型及組成等。接著，教師使用“VR虛擬構(gòu)造實驗室”平臺，通過頭盔顯示系統(tǒng)，在虛擬世界的構(gòu)造實驗室中沉浸式介紹隱框玻璃幕墻的拼裝順序和工藝要點。最后，學(xué)生登錄實驗考核模塊，自主學(xué)習(xí)后再進行幕墻構(gòu)件認知和組裝實踐考核。

4 基于“VR虛擬構(gòu)造實驗室”的課堂實踐教學(xué)的改革效果

經(jīng)過一個學(xué)期的教學(xué)改革實踐，通過引入“VR虛擬構(gòu)造實驗室”作為虛擬實踐教學(xué)手段，豐富了教學(xué)方法，提高了學(xué)生成績。上述改革成效可以從以下兩個層面得到印證：首先就客觀層面而言，在傳統(tǒng)模式教學(xué)下，該課程平均分數(shù)在75-80分，而教學(xué)改革后，該課程平均分數(shù)提升至80-85分。其次，從主觀層面來說，通過對學(xué)生發(fā)放問卷調(diào)查，90%以上的學(xué)生認為“VR虛擬構(gòu)造實驗室”這類先進的教學(xué)技術(shù)進入課堂，符合當(dāng)代大學(xué)生的學(xué)習(xí)方式，學(xué)生非常樂意參與到教學(xué)改革之中。同時寓教于樂的虛擬實驗室教學(xué)系統(tǒng)，使學(xué)生參與教學(xué)活動的積極性大大提高，教學(xué)效果也更加高效，師生互動更加頻繁。

5 結(jié)語

綜上所述，將VR虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于《建筑構(gòu)造》實踐教學(xué)，符合當(dāng)下信息時代對高等教育變革的訴求，具有十分重要的理論與現(xiàn)實意義。基于“VR虛擬構(gòu)造實驗室”的創(chuàng)新實踐教學(xué)改革極具發(fā)展?jié)摿?，不僅可以延伸《建筑構(gòu)造》課程的教學(xué)深度和廣度，還可以同時保持課程在專業(yè)技術(shù)層面與時俱進。但是，如何將信息技術(shù)優(yōu)勢貫穿教學(xué)實踐的全環(huán)節(jié)，及如何拓展構(gòu)建全面的具有信息技術(shù)優(yōu)勢的建筑技術(shù)類課程，我們?nèi)沃氐肋h，仍需砥礪前行。