混合現(xiàn)實技術(shù)在建筑室內(nèi)設(shè)計專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用
——以“裝飾材料與施工工藝”課程為例

魏 莎

（湖南環(huán)境生物職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽，421000）

建筑室內(nèi)設(shè)計是我國高職土木建筑大類的重要組成專業(yè)，涉及藝術(shù)、歷史、生態(tài)、建筑、管理等多個知識領(lǐng)域，其跨學(xué)科、重實踐、抽象化的專業(yè)特點，給課程教學(xué)帶來了極大的挑戰(zhàn)，而混合現(xiàn)實(Mixed Reality，簡稱MR)技術(shù)的出現(xiàn)為該課程教學(xué)帶來了全新的思路。

一、MR技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀

MR借助先進的計算機圖像處理、人機交互技術(shù)和顯示設(shè)備，在現(xiàn)實世界、虛擬世界與用戶之間搭起一個能夠進行交互反饋的信息回路[1]，生成一個新的具有真實性、互動性的可視化環(huán)境，實現(xiàn)了現(xiàn)實與虛擬的完美融合。MR技術(shù)在建筑領(lǐng)域的發(fā)展迅速，自2016年天寶導(dǎo)航（Trimble）開發(fā)出Windows Store中第一個可擴展的微軟HoloLands商業(yè)應(yīng)用程序SketchUp Viewer，實現(xiàn)了MR技術(shù)在建筑設(shè)計與方案表現(xiàn)上的革新，到2017年我國中建一局利用MR技術(shù)建成世界首座匈奴歷史博物館——昭君博物館，實現(xiàn)了MR技術(shù)在中國工程建設(shè)領(lǐng)域的首次應(yīng)用，短短數(shù)年，MR技術(shù)憑借其在建筑方案可視化、設(shè)計協(xié)同化、施工標準化、監(jiān)管透明化以及運維高效化等方面的顯著優(yōu)勢，席卷全球建筑領(lǐng)域[2-4]。MR技術(shù)同樣受到了教育領(lǐng)域的青睞，尤其是在醫(yī)學(xué)教育方面，大量的教學(xué)實踐案例充分證明，MR技術(shù)在提升醫(yī)學(xué)生的空間感知和手眼協(xié)調(diào)能力等方面具有無可比擬的優(yōu)勢。[5]然而，MR技術(shù)在建筑室內(nèi)設(shè)計專業(yè)教學(xué)方面的應(yīng)用案例較少，還需不斷進行實踐探索。

二、MR技術(shù)在建筑室內(nèi)設(shè)計專業(yè)教學(xué)中的優(yōu)勢

（一）真實的空間體驗與強大的實時交互優(yōu)勢

“空間規(guī)劃”是室內(nèi)設(shè)計的核心，如何打破空間限制讓學(xué)生體驗真實的比例與尺度，一直困擾著專業(yè)教師。此外，受方案呈現(xiàn)方式的限制，無論是二維圖紙表現(xiàn)、三維空間建模，還是小型模型制作，都無法實現(xiàn)抽象設(shè)計信息的高效溝通。而借助MR技術(shù)，師生可以針對空間全息圖進行方案的闡述與調(diào)整，還可以置身于1∶1尺度的設(shè)計方案三維模型中，以自然、沉浸的方式進行設(shè)計信息的實時交流。MR技術(shù)構(gòu)建的混合現(xiàn)實環(huán)境是當(dāng)前師生之間進行復(fù)雜空間設(shè)計信息傳達與溝通的最佳方式。

（二）豐富的場景資源與復(fù)雜的細節(jié)展示優(yōu)勢

從神秘的古埃及金字塔到莊嚴的北京故宮，從陜北的窯洞到湖南的吊腳樓，從鄉(xiāng)土的民居到現(xiàn)代的高層樓宇，從溫馨的住宅到快節(jié)奏的辦公室，古今中外，不同傳統(tǒng)、功能、空間構(gòu)成了復(fù)雜而龐大的建筑室內(nèi)設(shè)計基礎(chǔ)。教師可以借助MR豐富的場景資源，在課堂上進行虛擬場景的快速切換，也可以將虛擬場景中的某一結(jié)構(gòu)細節(jié)進行放大、剖切、分解，學(xué)生可以旋轉(zhuǎn)觀察場景模型的任一切面和組成構(gòu)件，甚至可以動手進行構(gòu)件的組裝。這極大地豐富了教學(xué)內(nèi)容，使教學(xué)變得更加有趣，復(fù)雜構(gòu)造和工藝步驟也變得直觀而易懂，從而降低了學(xué)習(xí)的難度，提升了學(xué)生的主動性；同時，在教室內(nèi)進行虛擬場景的構(gòu)建與切換，也為一體化教學(xué)的實施提供了極大的便利。

（三）安全的訓(xùn)練環(huán)境和直觀的技能輔導(dǎo)優(yōu)勢

實訓(xùn)環(huán)境與操作過程的安全性是開展實訓(xùn)教學(xué)的前提，對于如何在保障學(xué)生人身安全的前提下，盡可能還原施工現(xiàn)場情境、提供更加全面的技能訓(xùn)練模塊，并進行實時操作指導(dǎo)與糾正，MR技術(shù)提供了最佳的解決方案。它可以將工藝技術(shù)信息疊加到現(xiàn)實場景材料、工具上，指導(dǎo)學(xué)生按照規(guī)范的工藝步驟進行操作；還可以在實訓(xùn)室中構(gòu)建全息的施工現(xiàn)場情境，運用虛擬材料或工具進行操作訓(xùn)練，用于完成存在安全隱患或體量過大不易實施的訓(xùn)練項目。

三、MR技術(shù)在“裝飾材料與施工工藝”課程中的教學(xué)實踐

“裝飾材料與施工工藝”是建筑室內(nèi)設(shè)計專業(yè)一門代表性的核心課程，該課程致力于培養(yǎng)具備相關(guān)專業(yè)知識以及建筑裝飾材料選擇與施工指導(dǎo)實踐能力的高素質(zhì)技術(shù)技能型人才?，F(xiàn)以該課程為例，探討MR技術(shù)在建筑室內(nèi)設(shè)計專業(yè)課程教學(xué)中的優(yōu)勢與實現(xiàn)途徑。

（一）當(dāng)前課程教學(xué)存在的問題

1.授課模式傳統(tǒng)，不利于專業(yè)知識掌握

融合文字、圖片、視頻資料的PPT講解是當(dāng)前該課程最為常見的授課模式，教師絞盡腦汁提升課程的趣味性與實踐性，例如：運用高清材料圖片，表現(xiàn)建筑材料的質(zhì)感；借助3ds MAX、SU等建模軟件，展示結(jié)構(gòu)內(nèi)部細節(jié)；播放施工現(xiàn)場視頻，貼合實際工藝流程。然而，以上形式仍舊沒有突破傳統(tǒng)灌輸式教學(xué)的禁錮，單通道輸出的教學(xué)模式無法真正提升學(xué)生學(xué)習(xí)的主觀能動性，尤其是面對龐雜的裝飾材料和工藝，學(xué)生更是覺得晦澀難懂。

2.實訓(xùn)條件限制，不利于一體化教學(xué)開展

借助校內(nèi)外實訓(xùn)基地，以項目為載體進行課程一體化教學(xué)是當(dāng)前提升學(xué)生專業(yè)技能，使其快速掌握理論知識的最佳方式，然而在實際教學(xué)過程中，卻存在著許多的困難。一方面，高校校內(nèi)實訓(xùn)室受現(xiàn)有場地和經(jīng)費投入的限制，很難實現(xiàn)不同建筑結(jié)構(gòu)、裝飾風(fēng)格、功能空間、節(jié)點細節(jié)的全方位展示和實時更新，而校外實訓(xùn)室具有距離劣勢，只能開展短期集訓(xùn)。此外，較多的施工實操訓(xùn)練，需借助大量裝飾材料與電動工具，涉及水、電，存在很大的安全隱患，不利于實際的操作培訓(xùn)和反復(fù)的試錯訓(xùn)練，從而極大限制了學(xué)生專業(yè)技能的提升。

（二）基于MR技術(shù)的課程設(shè)計與實施

1.課程整體設(shè)計

基于地方專業(yè)特色，本課程以某鄉(xiāng)村民宿的裝飾施工項目為載體，針對臥室、餐廳包間、小型娛樂室三個空間場景的五個施工任務(wù)展開教學(xué)。課程設(shè)置打破了傳統(tǒng)理實分設(shè)的方式，采取“教、學(xué)、做”一體化的教學(xué)模式，以學(xué)生為主導(dǎo)，教師為輔助，以綜合素質(zhì)培養(yǎng)為目標，借助MR技術(shù)優(yōu)勢進行課程的整體設(shè)計。為便于MR技術(shù)應(yīng)用效果分析，在五個施工任務(wù)中，各選取兩個難度相近的子任務(wù)進行兩種教學(xué)形式的實施效果比較（見表1）。

表1 采取不同教學(xué)形式的子任務(wù)對照表

2.課程實施條件

授課場地建議為校內(nèi)一體化教室，面積約240 m2，提供30個工位。一體化教室劃分為項目討論和施工操作兩個區(qū)域。項目討論區(qū)約占100 m2，在該區(qū)域教師通過MR技術(shù)將空間場景全息圖展現(xiàn)在真實環(huán)境中，并針對虛擬模型利用局部放大、剖切、分解等操作進行工藝細節(jié)講解。學(xué)生佩戴混合現(xiàn)實雙目MR全息智能眼鏡，通過觀察場景模型進行專業(yè)知識的學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)過程中可借助文字或視頻提示，通過手部簡單操作，對場景模型進行旋轉(zhuǎn)、移動、分解、組合進而加深對知識的理解。施工操作區(qū)約占140 m2，配備常用的施工工具、裝飾材料等。在該區(qū)域通過MR技術(shù)創(chuàng)建1∶1的全息虛擬空間場景，還可以將虛擬模型疊加到真實的材料、工具上，進行施工操作指導(dǎo)或者全虛擬模型施工操作訓(xùn)練。此外，需進行該課程MR全息教學(xué)資源素材包的開發(fā)，針對三個空間場景、五個施工結(jié)構(gòu)模型以及相應(yīng)的文字提示和示范視頻進行研發(fā)，便于學(xué)生通過凝視、語音、手勢等交互方式進行檢索、調(diào)取素材資源和觀摩學(xué)習(xí)。

3.課程實施過程

課程實施分為五個步驟，即任務(wù)下達、學(xué)生分組、任務(wù)實施、完成評價、后期總結(jié)。但在具體教學(xué)形式上，針對不同的子任務(wù)分別采取傳統(tǒng)教學(xué)和MR技術(shù)應(yīng)用教學(xué)兩種形式，方便教學(xué)效果比較?，F(xiàn)以頂棚工程施工任務(wù)為例，進行具體說明：教師將任務(wù)書下發(fā)給各小組，并對任務(wù)內(nèi)容進行說明。在木龍骨吊頂施工子任務(wù)中，教師按照傳統(tǒng)的授課方式，以文字、圖片、視頻形式向?qū)W生講解任務(wù)相關(guān)專業(yè)知識，學(xué)生根據(jù)任務(wù)要求分組討論，依照人員分工，進行木龍骨結(jié)構(gòu)與施工工藝設(shè)計，并通過PPT的形式進行小組成果展示，根據(jù)展示情況，教師、學(xué)生、小組三方進行評價和考核，最后根據(jù)評價結(jié)果進行成果完善；而在輕鋼龍骨吊頂施工子任務(wù)中，教師借助MR技術(shù)進行教學(xué)，將小型娛樂室的場景全息圖展現(xiàn)在一體化教室中，師生佩戴MR全息智能眼鏡針對場景中頂棚的輕鋼龍骨吊頂結(jié)構(gòu)、技術(shù)要點與施工流程進行互動交流，小組成員分工合作完成全息場景中輕鋼龍骨吊頂?shù)脑O(shè)計與施工操作，根據(jù)操作規(guī)范性與用時時長進行系統(tǒng)評分，后期根據(jù)系統(tǒng)提示針對錯誤和不熟練的操作步驟進行反復(fù)練習(xí)。

四、實施效果分析

課程實施后，通過學(xué)生問卷調(diào)查對兩種教學(xué)方式進行比較，結(jié)果顯示：與傳統(tǒng)教學(xué)形式相比，MR技術(shù)應(yīng)用教學(xué)形式在趣味性、易掌握性、知識豐富性三個方面優(yōu)勢明顯，極大提升了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動性，有利于專業(yè)能力培養(yǎng)，但受限于現(xiàn)有MR技術(shù)水平，其教學(xué)應(yīng)用優(yōu)勢還未得到充分發(fā)揮。未來，隨著專業(yè)素材資源和硬件操作流暢性的提升，其應(yīng)用效果將會更加凸顯，值得在土木建筑類課程教學(xué)中推廣。