虚拟现实技术在古建筑设计实践教学中的应用

2017-03-09赵军霞

河北传媒研究 2017年1期

关键词：古建筑虚拟现实专业

张晓赵军霞贾燕

（河北传媒学院，河北石家庄 051430）

虚拟现实技术在古建筑设计实践教学中的应用

张晓赵军霞贾燕

（河北传媒学院，河北石家庄 051430）

虚拟现实技术被应用到古建筑设计实践教学环节中，可大大提高实践教学的质量与效率，但当前运用虚拟现实技术开展实践教学存在硬件设备低端化、程序语言算法难、虚拟场景效果有偏差，以及教师对运用模拟现实技术开展实践教学存在认识偏差、组织不到位等不足。须采取如下措施：增强硬件对实践教学的适应度；加强虚拟现实技术系统软件开发，提高软件与实践教学的贴合度；强化师资队伍对虚拟现实技术的研究和运用。

虚拟现实技术；古建筑设计；实践教学

虚拟现实技术是采用以计算机技术为核心的现代高科技，生成逼真的三维视觉、听觉、触觉或嗅觉等一体化的虚拟环境，用户借助必要设备（如传感头盔、数据手套等）以自然的方式与虚拟世界中的物体交互，从而产生亲临真实环境的感受和体验[1]。虚拟现实技术应用范围很广，人们熟知的影视艺术、影视广告、建筑室内外环境设计、园林规划设计、军事、房地产、游戏设计等都有所使用。随着虚拟现实技术的发展，它被逐步引入高校专业实践教学的环节中，让更多的学生得到虚拟互动技术的实惠。具体到古建筑设计专业的实践教学，目前虚拟现实技术虽有所运用，但运用的广度和深度都尚欠缺，没有太多的经验可寻可鉴，故笔者将其列为课题作粗浅的探讨。

一、虚拟现实技术在古建筑设计实践教学中的优势

古建筑设计专业实践教学在引入虚拟现实技术之前，传统的实践教学有四种常见方式：一是阶段实践考察，二是定岗实习，三是校企合作实习，四是实训室实践。这些实践教学方式对提高古建筑设计专业学生的实践能力发挥过重要作用，即使虚拟现实技术成为今天古建筑设计专业实践教学的主要方式，上述传统的实践教学方式也仍然没有完全退出教学舞台。但是，传统的古建筑设计专业实践教学方式所固有的弊端，随着实践教学力度的加大愈加凸显出来。如阶段考察实践教学方式存在对古建筑结构、古建筑构件的衔接方式的实践内容不连贯，导致学生片段式了解而不能系统地学习掌握；定岗实习实践教学方式是由教师择优推荐参加实践的学生，无法满足所有学生参加实践的需求；校企合作实践教学方式则过于商业化，实践过程中容易造成学生的设计思路被禁锢在一定的范围之内，影响设计创新；实训室实践制作周期相对较长、效率不高等。

虚拟现实技术的引入，可以显著地改善古建筑设计传统实践教学环节中的弊端和不足。一是使学生可以无限次地重复实践一个教学内容直到牢记于心、娴熟于体；二是可以打破传统实践教学中因受实践场所规模、容量对实践人数的限制，分组分批地照顾到所有的学生；三是可以拓展课题的内容，将课程中的每种古建筑结构形式都练习到，使每个教学知识点衔接得更紧凑；四是只要技术人员定期充实古建筑虚拟系统中的模型库，不需要长期地定制实体模型，能够有效摆脱实验实训材料更新慢的弊端等等。

总之，充分利用虚拟现实技术使学生能够在虚拟的学习环境中全身心的投入，非常有利于均衡的技能训练。它所营造的特殊的自主学习环境使学生通过自身与信息环境的相互交换获得知识、技能。形象化的三维模式更易接受和掌握，为学生提供了古建筑设计领域里的无限虚拟体验，主动地交互能够显著增强学生的探究兴趣，提高学习能动性，有利于培养学生自主探索问题的能力和创新能力。

二、虚拟现实技术在古建筑设计实践教学中面临的问题

虚拟现实技术在古建筑设计实践教学使用过程中虽然具有很多优势，但作为一项新教学改革行为，必然会碰到矛盾和问题。这些矛盾和问题有硬件设备方面的，也有软件开发方面的，还有使用主体本身的一些观念、目的、方法方面的，如果不及时解决就会影响虚拟现实技术在实践教学中优势的发挥。

（一）虚拟现实技术运用存在的问题

一是硬件方面不能满足实践教学的需要。从现实情况看，主要反映在两个方面。

首先，设备低端化，导致软件不能正常运行。虚拟现实技术使用过程中，如果计算机综合硬件配置较低，处理大量三维数据时就会出现速度跟不上、数据存储性能不足等缺陷。这种情况在民办院校中比较突出。一方面，由于资金来源相对紧张，投入周期长，不能及时地更新计算机设备；另一方面，系统软件的更新频率却较快。在现有的条件下，就容易造成计算机配置不能满足虚拟现实技术运行要求，导致实际交互使用过程中出现卡顿不流畅，甚至卡死的现象，影响了古建筑设计专业实践教学的顺利实施。

其次，体验设备数量过少，增加了实践教学的时间成本。虚拟现实技术属于沉浸式的一种视觉体验，需要借助相关硬件设备来实现，如眼镜、头盔等设备终端。同样因为资金投入不足等原因，不少院校体验设备数量有限，学生在使用过程中不得不分期分批地进行，其结果，或拉长了实践教学的过程，或缩短学生机上实践的时间。无论哪种情况都会削弱运用虚拟现实技术开展古建筑设计专业实践教学的效果。

二是软件运用还不能尽如人意。也面临着两个方面的困扰。

首先，交互系统计算语言算法难。运用虚拟现实技术开展古建筑设计专业实践教学，其软件系统的专业化程度要求很高。这种软件系统的编写制作，最理想的状态，是由具有丰富古建筑设计专业教学经验的教师来做。因为他们了解实践教学的整体过程和每一处细节的要求，懂得怎样的系统才能更有利于学生实践能力的形成和提高。但虚拟现实技术交互软件打包过程中，需要将所有的三维模型，按照使用者的需求，将所有涉及三维交互内容的程序全部写入系统，再通过三维交互引擎渲染输出给各种现代化终端设备，这对并不精通此类计算机语言编写的古建筑设计专业教师来说，无疑是个越不过去的难关。因此，各院校普遍采用将此类软件外包给专门的软件公司制作的方法。但这种方法也存在软件公司因不懂古建筑设计专业因而不能深入了解其专业细节要求的弊端，制作出来的软件让专业教师和学生使用起来有不尽如人意的感觉，达不到实践教学的理想状态。

其次，虚拟环境场景呈现的真实效果有偏差。创建的虚拟环境须符合人的理解特点和生活经验，包括物理真实感、时间真实感、行为真实感。但是古建筑设计实践环节的虚拟现实交互系统中，场景设计只注重几何图形的表现，而忽略了逼真的物理模型、行为模型，尤其是在视觉方面，还原真实环境的效果大打折扣。

（二）教师在虚拟现实技术应用过程中存在的问题

一是部分教师观念守旧，对虚拟现实技术应用有抵触心理。古建筑设计专业的实践环节，以往都是通过手工制作1∶25的古建筑模型的形式来进行。在制作过程中，教师一边讲一边做，口传手授地将理论知识点融入操作中，多年来已经形成了一种实践教学的习惯和模式。而虚拟现实技术的引入，打破了以往实践教学的习惯和模式，如教师往往须先作讲解，其后才能让学生动手实践。一时不能适应这种改变的教师不免觉得不太合理，从而对虚拟现实技术的运用产生排斥心理，认为虚拟现实技术只是单纯地迎合了学生的好奇心理，有哗众取宠之嫌；担心时间一长，学生的新鲜劲过了，也就不会感兴趣了。在这部分教师眼中，还是手工制作开展教学实践得到的乐趣多，而且学生可以一边制作一边和教师沟通，发现问题处理起来的更便捷、更及时。

二是教学模型设计贪多求全，主次不分。目前，古建筑设计专业培养方案中古建筑样式重点定位在明清时期的建筑，所以在选择前期系统模型制作时，须适应这一定位，根据培养方案有目的地进行选择。然而，目前部分古建筑设计专业为教学实践设计制作中存在着贪多求全、主次不分、眉毛胡子一把抓的现象，力图把各个时代的古建筑模型都塞进系统里。作为基本建设，多搜集和反映古建筑模型似乎无可厚非，但必须认识到，古建筑模型的形式非常多，而且样式繁杂，尤其是施工工艺、卯榫结构形式、屋面搭建样式、基座样式、雕梁画栋等非常的繁琐和复杂，将各个时期的建筑样式进行模型制作需要大量资金和精力，企图面面俱到往往会适得其反。

三是数据搜集整理滞后，影响系统改进和完善。支持古建筑设计专业实践教学的虚拟现实技术系统应当是一个开放的系统，能够不断地改进和完善。每一次的古建筑设计专业实践过程中，教师、学生都会碰到新问题、获得新体验、得出新结论，既有硬件方面的，也有软件方面的。同时，随着古建筑设计专业理论和实践的不断发展，以及虚拟现实技术的发展，会产生许多新的数据。只有把这些新的信息和数据及时反馈到系统中，才能使系统不断得到完善，从而更加有力地支持古建筑设计专业实践教学的开展，促进实践教学质量的提高。但是，目前的实践教学中，不少古建筑设计专业教师往往注重了对虚拟现实技术的运用，却忽略了新的教学数据的搜集、整理，并及时地反馈到系统中。有些教师在指导学生教学实践中处理了大量的具体问题，获得了许多宝贵的数据和信息，但在完成实践教学任务后，这些数据和信息就被搁置一旁，并不能对系统的完善和升级产生应有的作用。

三、充分发挥虚拟现实技术在古建筑设计实践教学中优势的对策

在古建筑设计实践教学过程中，虚拟现实技术在不断地和实践教学进行磨合，使用中出现的上述问题，需要在不断摸索和研究中找到较合适的方式方法应对，以求能在有限的实践教学条件中发挥虚拟现实技术的最大化使用效果。

（一）软硬兼施，增强硬件对实践教学的适应度

所谓软硬兼施，是指从硬件设备和软件运行两个维度，解决古建筑设计专业虚拟现实系统运行不够流畅的问题。

从硬件角度讲，应及时更新计算机设备。计算机设备是虚拟现实技术运用最基础的硬件条件。众所周知，计算机设备硬件技术更新换代的速度非常之快，而院校特别是民办高校在更新计算机设备上却存在明显的滞后性。有的教学单位计算机更新一次后，五六年不再全面更新。作为教学使用单位，必须及时向学校相关管理部门提出更新计算机设备的申请，阐明更新的理由，引起重视，促使学校作必要的投资。当然，作为教学使用单位，也应有大局观念，顾及计算机技术更新快与学校经费困难的矛盾，在更新计算机硬件方面采取更为经济化的策略。比如，计算机可逐次更新，在一个教学单位内，使计算机多代并存，既能保证最新虚拟现实技术在本单位及时运用，又不致因一次更新计算机经费量过大而难以实现申请意图。

除了硬件更新及时使用计算机新技术外，还可以在古建筑专业虚拟现实技术系统软件的科学使用上下工夫。比如用“次时代图形技术”优化系统软件，以克服设备低端化带来的实践教学困境。虚拟现实技术需要后台的支持来完成互动的环节，也就是三维实时互动，采用“次时代图形技术”可以将古建筑的模型面数降到最低，但不会影响质量，保证系统中的模型旋转、移动、拉伸的时候不会出现撕裂、变形、失真的情况。这一点，可在平时的3dmax课程中，通过重点改变教学任务来完成，除了教授学生建模的方法，还要强调制作流程。通过VRP虚拟现实编辑器（三维场景编辑器）、二次开发工具包、3D互联网平台、虚拟社区系统、虚拟旅游平台、虚拟展馆、数字城市平台、粒子特效编辑器、物理引擎系统、立体投影软件融合系统、工业仿真平台等[2]，进行下一步的开发、合成、输出、运行。优化以后的系统可以在相对低端的硬件设备上运行，能够有效地避免出现卡顿、闪退、死机的现象。

（二）加强虚拟现实技术系统软件开发，提高软件与实践教学的贴合度

运用虚拟现实技术开展古建筑设计专业实践教学，专业软件的优劣即与实践教学要求的贴合度高低，对实践教学的效果有着至关重要的影响。在软件开发制作上必须下大工夫提高其与实践教学的贴合度。

提高贴合度，当前须解决的问题，在于细化场景设定，促进虚拟场景真实度更符合教学要求。为使学生在虚拟现实场景中更好地体验古建筑搭建，可将环境设定为可更换的选项，学生可以选择在自己喜欢的环境中完成古建筑搭建。所以前期场景设定一定要真实，人和环境的交互更舒适更人性化，设定需要互动的部分保证完整性和独立性[3]。古建筑场景的设定，需要根据环境制作不同的背景模块、辅助模块，如摄影机机位（平视、仰视、俯视、鸟瞰、360度环视）、观察者路线、园林设计元素（假山、水体、植物、辅助设施）、建筑结构观察角度（平面图、剖面图、结构图、细部图）等，都需要进行分镜头画面的绘制，为后台程序设计提供镜头设定依据。人性化的沉浸环境可以调动学生学习的主动性和积极性，既能达到动手实践的目的，又能提高学习效率。

与实践教学贴合度高的软件的开发制作，一方面，须依托专业的软件公司，同时也应充分地、合理地利用本校的教学资源。目前许多高校都设置有计算机信息专业，其中不乏软件编程的行家里手。充分整合本校的计算机信息专业人才资源，古建筑设计专业与计算机信息专业鼎力合作开发古建筑设计虚拟现实技术软件，是一个可以操作的选择。具体办法是针对实践教学的需要，古建筑设计专业与计算机信息专业联合立项，完成某些实践教学软件。在现有条件下，应将合作研究的重点放在虚拟现实技术的前期软件编程部分。这种联合开发，既可以降低古建筑设计专业实践教学的成本，又可以锻炼、提高古建筑设计专业教师的软件开发能力，还可促进计算机专业为本校教学服务，真可谓一举三得。

（三）强化师资队伍对虚拟现实技术的研究和运用，促进实践教学效果的最大化

首先，引导教师正确认识虚拟现实技术的作用，确立实践教学用科技的观念。一方面，古建筑设计专业教学单位应有针对性地组织教师学习、研究虚拟现实技术的相关概念、技术特点、发展现状和未来趋势，让教师们充分了解虚拟现实技术的强大功能，以及对现代社会的巨大影响；认识虚拟现实技术被应用于古建筑设计专业实践教学，是信息化时代发展的必然结果，是古建筑设计专业实践教学的必然选择，它的出现是为了更好地适应实践教学要求。通过学习和研究，使教师们认识到，作为高校教师应时刻保持探索的精神、锐意进取，适应现代信息技术发展的要求，不断更新观念，做到与时俱进，在教学改革中乐于接纳、勇于尝试虚拟现实技术。另一方面，组织教师深入学习、研究虚拟现实技术在实践教学中优势。让教师们在与自己专业的结合中更深入、更具体地了解虚拟现实技术的优点、操作方法等，感性地把握虚拟现实技术在古建筑设计专业实践教学环节中的优势，消除陌生感，拉近与虚拟现实技术的距离，从而增强教师学习、运用虚拟现实技术的兴趣，提高在实践教学中运用虚拟现实技术的自觉性、主动性。

其次，教师对古建筑模型的选择须突出重点，以点带面地引导学生展开教学实践。

中国古代建筑源远流长，各个时代有各自的特点，但是，明清时代的建筑设计是最具代表性的古建筑，既荟萃、传承了中国各个历史时期古建筑的特点、突出的装饰效果，又有自己的鲜明风格，是中国古建筑的最后一个高峰期。在有限的教学课时内引导学生切实掌握明清时期的建筑相关问题，就可以实现专业上的承上启下、举一反三的效果。因此，教师们在理论教学上应该遵循这一原则，实践教学也应坚持这一原则。在系统中设定古建筑模型的时候，教师应始终头脑清醒地突出明清古建筑这一重点，坚决克服贪多求全、面面俱到的倾向，防止学生学习中的消化不良。

当然，突出重点也要适当兼顾次重点。可以设计一定数量其他朝代的建筑模型，为学有余力的学生提供拓展的空间。

再次，教师应自觉为系统的完善做好数据搜集整理工作。

虚拟现实技术参与的古建筑设计实践教学活动应该是一个设计、使用、数据搜集从而不断完善的完整链条。作为一名古建筑设计专业教师，参与前期设计是为了系统更好地适应教学，而使用的过程是引导学生将理论付诸实践。但是使用并不是最后的环节。整个系统应该是开放的，是不断充实完善的。唯有如此，系统才能随着实践教学的持续进行而不断升级到更高层次。而这种升级与使用系统的每位教师相关，需要使用者持续地将使用过程中产生的大量数据反馈到系统中，才能使系统更加适应实践教学的需要。根据数据的特征可以将其分类为建模、贴图、灯光、渲染、数据输出等，因此，教学单位应引导教师认识自己在完善系统中的责任和使命，并明确地赋予每位教师搜集使用数据的任务，制定数据反馈的相关制度，要求对每次使用过程中出现的问题等数据进行整理，为系统完善提供有力的数据支持。