基于虚拟现实技术的《房屋建筑学》课程教学改革探究

张欣宇 王毅 贵州师范大学教育科学学院

一、引言

《房屋建筑学》课程是高等学校土木建筑类相关专业开设的一门基础必修课程，是各个工程技术类专业，如土木工程，安全工程等专业的主干课程，对于此类专业的学习具有重要意义与作用。由于该门课程的学习内容较为广泛，不仅有内容繁杂的建筑设计规范，又有抽象的设计理念及多样的改造方式，导致学生出现无从下手的现象，近年来，受到学时减少、教材陈旧及生源质量欠佳的影响，教师的教学压力不断加大。[1]

当前，随着教育教学逐渐呈现现代化、信息化的趋势，虚拟现实技术在信息和通信技术行业中出现得非常频繁，虚拟现实技术是计算机图形学、数字图像处理、多媒体技术和信息技术其他分支交叉融合产生的新技术，它已经出现在娱乐、建筑、测量、制造、医疗等多个行业。在教育行业，虚拟现实技术的沉浸感、交互性、想象性三大特征极大地克服了传统教学环境的限制，有利于激发学习者的学习动机，增强学习体验，实现情境学习和知识迁移。[2]不仅打破了传统书本和教师单一授课的方式，且通过虚拟现实技术可以将抽象的内容转为具体的图像，如表现空间主体化的知识，机械运动的三维系统等能使学生更好的理解，以及在高校建立虚拟现实实验基地突破时间与空间的限制，可以说，虚拟现实技术对教育的发展起到了极大地促进作用。因此，本文将《房屋建筑学》课程教学与虚拟现实技术相结合，通过运用虚拟现实技术融入《房屋建筑学》课程教学，针对目前《房屋建筑学》课程教学中存在的诸多问题，提出可行性建议，促进教学效果提升。

二、虚拟现实技术简介

（一）虚拟现实技术的内涵解读

虚拟现实理论（Virtual Reality）首次出现于1963年，“计算机图形之父”Ivan Sutherland在他的博士论文中提出。计算机技术是虚拟现实技术的基础，虚拟现实是仿真技术的一个重要方向;它集仿真技术和计算机图形学，人机界面交互技术，多媒体技术，传感技术，网络技术等技术于一体。

虚拟现实技术的3I特性于1994年由Burdea提出，即沉浸性（immersion）、交互性（interaction）和构想性（imagination），这三者相互影响并构成了虚拟现实技术三角形。但不同研究领域的学者各自对虚拟现实进行了定义，谢尔曼和贾金斯用五个“I”为虚拟现实下了定义：“Intensive(集中的)，Interactive(交互的)，Immersive(沉浸的)，Illustrative(例证的)，and Intuitive(直观的)”。[3]本文研究主要结合虚拟现实技术的3I特性，在《房屋建筑学》课程教学与虚拟现实技术的结合中，虚拟现实技术的3I特性的体现使学生在学习的过程中身临其境，对于建筑的了解更加充分且深刻。

（二）虚拟现实技术对教育教学的优势分析

虚拟现实技术主要包括仿真环境，感知，自然技能和传感设备等。在《房屋建筑学》课程教学中可通过计算机生成实时动态的三维仿真建筑图像与施工现场，构建《房屋建筑学》课程所需要的模拟环境；感知则指的是在虚拟现实技术的应用中应具有一切或是大部分人本身所具有的感知，除构造出的模拟建筑物环境所生成的三维立体仿真图像带来的视觉感知外，还应该存在诸如听觉，触觉，力和运动之类的感知。例如建筑物中不同墙壁结构的纹理，不同的建筑材料的触感以及感受其材料硬度时的力觉等；而自然技能与传感设备则是学生在虚拟现实环境中进行课程学习时由计算机处理的其人体行为动作的数据并作出反馈与响应，即三维交互。

三、《房屋建筑学》课程当前存在的问题分析

（一）理论课教学过于抽象，学生难以理解

《房屋建筑学》课程中房屋以及建筑各方面理论的学习是进行后续建筑设计、施工实践以及高年级专业课学习的基础，而理论知识点繁多又冗杂，不仅涉及建筑平立剖面设计等需要空间想象的种种理论，且涉及墙体、楼地层构造、变形缝等建筑构造，在传统的教师教、学生学的课堂教学模式中难以让学生直观感受体会，只能依赖于学生的空间想象能力。因此，理论课的教学效果根据学生空间想象能力的不同，导致同样的授课教师，同样的授课学时下，学生们对于《房屋建筑学》课程理论知识的接受与理解程度参差不齐，理论课教学效果难以控制、多数学生对于《房屋建筑学》中的各理论知识点接受程度较低。

（二）实践课教学难以达到实际运用的教学目的

《房屋建筑学》课程教学中的实践环节一般包括课程设计和现场实习两个部分。课程设计环节使学生得到工程实践的实际练习，旨在提升学生动手能力以及对于教材中学习到的理论知识进行综合应用的能力。但由于课程内容中的知识点庞杂以及学生对知识点的接受程度较低，在学生做课程设计时问题往往较多甚至常出现平立剖面图相互矛盾的情况。因此在整个过程中，对老师的依赖程度较高。而现场实习环节中，因为《房屋建筑学》课程中各章节内容多数处于一个建筑施工的不同阶段，但由于课时以及实习场地资源等多方面因素的限制，高校无法找到多个不同施工阶段的建筑工地进行《房屋建筑学》课程实践环节的现场实习。因此现场实习环节往往只有建筑环境的情境，但并没有可以让学生结合自身在课堂中所学习的理论来解决问题或是研究理论原理的一个具体情境。因而并未达到真正意义上实习的目的，难以实现提高学生在施工现场以及建筑实践中发现问题、运用所学理论知识解决实际问题的能力。

（三）学生对于课程的学习多为应试目的

《房屋建筑学》课程内容涵盖民用建筑设计理论以及建筑构造两大部分。对于土木工程及其相关专业毕业后多数从事工程施工岗位的学生而言，此门课程不仅在工程施工领域具有指导作用，并且是此类专业学生学习后续专业课的基础。只有对于建筑从平立剖面设计到构造做法有了一定程度的了解，才能更好地去学习和理解后续各个专业课内容。《房屋建筑学》在土木工程及其相关专业学生专业课的学习中虽然有着承上启下的关键作用，但各个专业的学生却多数存在着因为非本专业重要专业课而对《房屋建筑学》课程未重视的情况。《房屋建筑学》课程中的知识点繁多又冗杂，而学时却又不断压缩。且在上述情况的基础上，当前多数开设《房屋建筑学》课程的高校，依然在教师围绕课本、学生围绕考试的传统模式下进行授课，缺乏对学生学习兴趣的激发，使课程变得枯燥乏味，导致学生逐渐对课程失去兴趣，最终让学生进入以应付考试为目的的“突击式”、“快餐式”学习状态中，并未真正掌握《房屋建筑学》的理论知识以及实践技能。

四、虚拟现实技术在《房屋建筑学》课程教学中的应用

《教育信息化2.0》行动计划中指出：“主要发达国家均已意识到新形势下教育变革势在必行，从国家层面发布教育创新战略，设计教育改革发展蓝图，积极探索新模式、开发新产品、推进新技术支持下的教育教学创新。”[4]因此，合理的运用虚拟现实技术与《房屋建筑学》课程教学相结合，既符合当前时代发展以及国家政策中对于教育教学创新的要求，又能解决当前课程教学中存在的种种问题。

（一）理论教学中——融入沉浸式体验，增强知识的直观性

由于《房屋建筑学》课程中的知识内容范围广泛，图形复杂多样，构造方式繁杂，而传统的教学方法难以从多个角度去反映建筑物之间的空间关系，因此，在理论课教学中融入沉浸式体验教学能使教学中的建筑图形更为直观，使教学更加形象生动，增强了教学内容的直观性与立体感，能极大调动学生的学习积极性，激发学习兴趣。

1.运用虚拟现实技术构建建筑材料三维模型

在《房屋建筑学》课程中的墙体、楼地层构造、屋顶、门窗等多个章节均涉及到建筑材料的介绍与使用，但多数传统教学的重点已经脱离时代的步伐。运用虚拟现实技术构建的三维模型建筑材料模型，将使学生通过沉浸式体验学习拥有更直观，更细致的观察和体验。并且由于虚拟现实技术是基于计算机技术进行开发和设计的，因此运用虚拟现实技术构建建筑材料的三维模型，更有利于更新课程内容，脱离教材限制。当下科技产业发展迅猛，对于新材料新产品的研发速度将远远高于《房屋建筑学》教材的更新速度，授课教师在课堂上运用传统的PPT授课所展示的内容有限，学生接受和记忆程度较低，而运用虚拟现实技术构建建筑材料的三维模型，不仅可以通过电脑数据更新到最新或是最常用的建筑材料模型，紧跟时代的步伐，且在虚拟现实技术环境中，学生对种种建筑材料的认识、观察、交互、甚至触感力感的体验对于学生更好地接受和理解课程内容有着极大的帮助。由此来看，运用虚拟现实技术构建建筑材料三维模型一定程度上解决了《房屋建筑学》课程教材内容存在滞后性的问题。

2.运用虚拟现实技术构建整体建筑结构

《房屋建筑学》课程教学内容的重点之一在于让学生了解和掌握建筑物整体与各部分的结构构造。根据教材版本不同，开设《房屋建筑学》课程的高校不同，其教材内容中建筑物构造部分的侧重点也有所不同，当下，大部分高校《房屋建筑学》课程现用教材中均有民用建筑、工业建筑、厂房等建筑的构造章节。因此，运用虚拟现实技术构建建筑环境存在必要性。运用虚拟现实技术构建多种建筑环境，并在所构建的建筑环境中，不仅能够使学生得到沉浸式、交互式体验、构想式学习，还能构建出民用建筑、商用建筑、工业建筑等多种建筑物内部以及整体的构造，为了让学生在学习课程内容的过程中更加直观真实，激发学生学习兴趣，还可以运用虚拟现实技术构建出某种类型的建筑物的局部构造。在虚拟现实技术的条件下，可以解放授课空间、节省授课时间并使教学脱离空间和时间的限制。如在进行变形缝章节授课时，运用虚拟现实技术构建出伸缩缝在建筑物因受温度变化的影响而产生热胀冷缩时伸缩缝部位的变化；在建筑物各部分不均匀沉降时沉降缝部位的变化；并可模拟在地震时防震缝部位的作用。使学生充分理解每种变形缝在建筑中的作用以及设置部位等知识点。

（二）实践教学中——创设情境，引入体验式教学

1.建筑构造设计，利用建筑模型创设情境

建筑模型可以立体直观地反映房屋及其构件的真实构造，能反映构件的连接关系，利用建筑模型创设教学情境是对其他教学方式的有益补充。[5]因此，运用虚拟现实技术构建模拟实验室，并依托课程设计，让学习者自己动手制作建筑物的模型，能够促进学生对建筑的结构组成、建筑知识的了解，且加深对专业知识的认知。

2.建筑课程设计，通过案例启发创设情境

在《房屋建筑学》课程中的基础和地下室、墙体、楼地层构造、变形缝等章节均涉及建筑施工技术。运用虚拟现实技术构建基础施工、墙体施工、楼地层施工、屋顶施工、变形缝施工等多种建筑施工现场场景，结合授课章节阶段，在沉浸式虚拟环境下，观察各种阶段的施工技术方法以及施工条件，配合授课老师讲解，既能解决传统老师授课时需要花费大量学时在学生脑海中构建场景的问题，又能展现出传统现场实习中无法兼顾的多种施工阶段的场景。

（三）通过虚拟现实技术的应用，激发学生学习兴趣和潜能

我国教育部于2018年10月18日印发了“新时代高教40条”相关文件，决定实施“六卓越一拔尖”计划2.0。其中便有“围绕激发学生学习兴趣和潜能深化教学改革”的若干意见。而将虚拟现实技术融入《房屋建筑学》的课程教学中正是激发学生兴趣和潜能的一种方式。

而将虚拟现实技术融入课堂教学，以沉浸式的学习方式配合任课教师的即时讲解，从教学开始时便调动了学生的好奇心和探索欲，其认知过程由被动至主动，学习状态由消极至积极。因此，要将虚拟现实技术融入到课堂教学改革中，如此既能激发学生的学习兴趣又能提升学生的综合素质。

（四）以沉浸式学习体验，改革《房屋建筑学》课程教学

理论教学中开发VR课程资源，建立健全虚拟现实设备教室，运用VR眼镜等虚拟现实设备，改革传统课堂讲授法的理论教学，使学生获得沉浸式学习体验。不仅令学生理论知识的学习更加直观且具有趣味性，且教师在教授难以用语言准确描述的理论知识时，可以基于虚拟现实构建的虚拟环境给予学生更加精确和细致的讲解。实践教学中，改革实践课程授课方式、解放原有实践课程场地，教师在虚拟空间内对学生进行现场教学，改变传统的学习氛围，提高学生学习兴趣。

五、结语

长期以来，由于传统的教学方式及教学环境的限制，使《房屋建筑学》课程呈现了重艺轻技的局面，因此，如何将繁杂的教学内容与恰当的教学方式合理结合，加强技术在教育教学中的应用是值得深入探究的问题。从已有的研究来看，随着时代的发展进步，虚拟现实技术在教育课程领域的应用将呈现多元化的发展趋势，而将虚拟现实技术与课程教学结合的优势是明显的。对于提高教育技术水平、改善教学环境、丰富教学资源、优化教学过程，培养个性化、创新型的人才具有重要作用。[6]目前，虚拟现实技术在教育中的应用水平呈上升趋势，高等学校工科相关专业教学手段匮乏，难以与时俱进，为适应现代化发展、响应国家相关政策，高等教育应该走向多元化、信息化道路。如何将虚拟现实技术运用于《房屋建筑学》课程教学中，可以作为土木工程相关专业的一个切入点，带动其专业相关科目教学加快信息化、现代化步伐。如何通过虚拟现实技术更好的解决教学中的复杂问题，还有待在日后的教学与实践中不断探索、完善与创新。