基于VR的虚拟仿真实验教学项目设计与探索

2021-12-14李建张杰

中国教育信息化·基础教育 2021年11期

李建张杰

摘要：由于虚拟现实技术的3I特征，使得基于VR的虚拟仿真实验教学能够呈现高度仿真的三维虚拟实验环境和实验对象，学生在三维虚拟环境中开展实验，有利于实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，有利于培养环境设计类专业学生的空间感知、思维和想象能力。文章结合申报制作的“景观视觉空间分析虚拟仿真实验教学项目”，阐述了项目设计的思想和必要性，详细介绍了项目的相关理论、实现技术和实验方法，探讨了虚拟仿真实验教学的过程和教学方法，并对现有技术条件下虚拟仿真实验教学的困境及对策进行了研究分析。

关键词：VR;视觉空间;金课;虚拟仿真实验

中图分类号：G434;TP391.9 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2021）22-0042-07

一、引言

虚拟仿真实验教学项目是高等教育信息化建設的重要内容之一。2017年发布的《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》[1]和2018年发布的《教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》[2]等文件均对项目建设提出明确要求，并于2019年在《教育部关于一流本科课程建设的实施意见》[3]中将虚拟仿真实验教学项目认定为今后重点建设的一流本科课程，即5类“金课”之一。

虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）是伴随计算机图形学、传感技术和人机接口等技术快速发展起来的新一代信息技术，是以计算机技术为核心，生成在视、听、触感等方面与真实环境近似的数字化环境。其具有3I特征：既沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和想象性（Imagination）。它是人类在探索自然的过程中创造产生、逐步形成的一种用于认识自然、模拟自然，进而更好地适应和利用自然的科学方法和技术。使用者借助必要的设备进行交互操作，可获得身临其境的体验和感受[4]。

为实现有关目标和要求，我们组成了由艺术设计学院、计算机学院、土木工程学院师生，以及省城乡规划设计研究总院和一些公司的企业工程师为成员的联合团队。采用项目驱动、企业协同的方式，充分发挥团队中不同学院师生的专业优势和特长，设计制作了基于VR的“景观视觉空间分析虚拟仿真实验教学项目”并获得立项。在项目设计与制作中，依据上述文件精神和教育部“金课”的“两性一度”标准，坚持问题导向和需求导向，力求体现教学内容和形式的先进性和互动性，使教学过程具有探究性和个性化[3]，从而培养了学生良好的三维空间视觉分析能力、空间思维能力及景观设计中解决复杂问题的综合能力。

二、文献综述观点

2000年以来，国内外已有不少学者及相关研究机构在实践和探索基于VR的教学和实验，这些研究揭示了VR在促进学生学习上的巨大优势及不足。如哈佛大学的River City、北卡罗莱纳州立大学的Wolf Den[5]和林登实验室的 Second Life 项目等[6]。美国的Jungwoo等创设了一个与信息安全课程相关的游戏化三维虚拟学习环境，来帮助提高他们的学习效果[7]。

我国学者李小平等从用户、技术、资源及服务四个维度构建了AR/VR学习情境设计模型，分析了AR/VR学习情境中学习悬念和学习交互的设计方法，并在实践的基础上提出了学习体验评价的实现方法[8]。彭建磊将任务驱动教学法引入到三维虚拟环境的教学当中，构建了三维虚拟环境中基于任务驱动的学习活动模型[9]。钟正、陈卫东提出了基于虚拟现实的体验式学习环境设计策略，探讨了体验式学习环境的设计原则、要素、交互设计等[10]。

周榕、李世瑾的研究表明，VR 技术对多个学科的学习成效都有积极的影响，VR 技术通过个体与知识、情境的动态交互，帮助学生实现知识的构建和迁移[11]。丁楠、汪亚珉等对基于VR技术的教学项目研究发现，虚拟现实环境下的学习体验对学生学习具有较大的促进与辅助作用。在VR技术支持下的教学活动对于学习者的学习动机和学习参与度有显著的正向影响[12]。对于景观设计、环境设计、建筑设计教学中培养学生视觉空间分析能力方面，VR技术的3I特征可以极大地提升学习者的学习兴趣和动机，增强原有教学方式的教学效果[13]。

2000年以来的相关文献对基于VR的仿真实验教学的基本理论和教学方法进行了较为充分的研究和探索。然而，对于虚拟仿真实验教学项目的设计与实现过程，以及现有技术条件下基于VR的仿真实验教学中存在的问题和对策探讨的较少。

三、项目设计的必要性

视觉是人类最主要的感官之一。一个观者的视觉反应，是评价景观和审美价值质量与视觉效果最为直接的媒介。在很大程度上，视觉设计的重要作用，就是抓住人们的眼球，从心灵上引领人们的审美方向[14]。人在复杂的空间中，需要对自身所处的空间定位，即空间的方位、结构和含义，从而获得心理上的安全感和归属感。因此，人与环境之间的精神认知和交互影响，成为现代景观设计的主流趋势和未来发展方向。对于环境设计类专业来说，空间思维能力、感知能力和想象能力的强弱，将对学生的创作能力及专业发展水平有较大影响[15]。

环境设计通常需要对不同的绿地类型与不同尺度的城乡空间进行测量和数据分析，具有实际运行困难，涉及高危和极端环境、高风险、高消耗等特点。这些特点决定了在真实系统运行环境中进行景观设计人才培养的风险性、局限性和不可实现性，这使得虚拟仿真实验项目的建设和应用成为设计专业人才培养的一种重要手段。基于VR的虚拟仿真实验教学项目，通过构建逼真的实验场景，使学生在自主、开放、交互的虚拟环境中开展经济、安全的实验，进而达到真实实验不具备或难以实现的教学效果，具有传统实验教学所无法比拟的优势[16]。

四、基本理论与项目规划

依据有关教学理论及景观设计原则，我们首先明确，本仿真实验教学项目主要是利用虚拟现实技术、图形图像处理技术、智能控制技术等，进行三维立体的展示与分析，以辅助景观设计、室内设计、建筑设计类专业的教学和科研工作，实现人机实时交互的体验式教学系统和实验平台，满足学校的教学、科研及产学研合作的需求。

项目所涉及的空间是指物理空间，由基面和三维边界组成，因此项目要考虑视域的开敞性（水平方向）及视线的连续性（垂直方向）[17]。其主要包含以下几个方面的内容：①认知各种类型和尺度的景观视觉空间，包括：空间的类型、界面以及景观视觉空间界面、建筑空间界面和空间形式属性等。②掌握静态视线的构成：视点、视距和视域;通过视点分析、视距分析和视域分析，掌握景观静态视线分析方法。③掌握动态视线的构成：站点、景面和路径;通过路径间距分析和路径通透性分析，掌握景观动态视线分析方法。④掌握景观视觉空间中的视觉影响定量评价方法。⑤根据景观空间的视觉化设计仿真和景观空间的视觉秩序仿真，不断强化景观中视觉空间的设计实践与应用。

其实验原理涵盖的知识点有以下三大类12个：

一是空间设计尺度控制原理，包括4个知识点：千尺为势，百尺为形;拓扑同构关系;空间句法;芦原义信的外部空間设计理论。

二是景观视觉空间认知仿真实验原理，包括以下4个知识点：认知景观视觉空间类型;认知建筑空间界面;认知景观视觉空间界面;认知景观视觉空间形式属性。如图1所示。

三是景观视觉空间分析仿真实验原理，包括以下4个知识点：视点设置、设定并测定视距、视域;视觉景观容量测定及视觉敏感度的评价;动态视线的分析;视觉化设计和视觉秩序的综合评价。如图2所示。

五、项目开发流程及技术实现

1.项目开发流程

我们将其分为四个部分：选题、沟通和形成方案、项目开发与测试、项目成品。每一步都环环相扣、相辅相成。

（1）选题主要依据是否具有专业特色，是否有较好的推广价值及应用案例，特别是要坚持“能实不虚”的原则以及是否符合“三高一类”的要求，即高成本、高难度、高危险和现实不可及。在某个专业课程中，一般可以依据教学大纲和实训计划，选取部分满足上述原则的知识点，进行虚拟仿真实验教学项目的设计和开发。

（2）在沟通和形成方案环节，先由专业课教师给出项目整体构思与功能需求，然后由团队成员研讨给出初步的实验项目制作关键点的解决方案，然后不断细化脚本方案，由技术人员制作出基本的DEMO，再进行反复推敲完善修改脚本和实验方案，推出初步的项目成品。

（3）在测试环节，技术人员对项目进行全方位、立体化测试，包括Bug、稳定性、加载时长、服务器负载性能、并发数测试等。然后根据需求进行校内校外部署，组织公网、教育网分别进行测试。

（4）最后根据测试数据进行调整和修正，形成项目成品。

2.景观视觉分析实验教学操作过程设计

首先，使学生通过学习视点、视距、视域、景观容量、视觉敏感度等相关知识，了解实验所需要的理论工具及其所包含的支撑理论。其次，在实验过程中，通过对虚拟场地进行线上视点的设置并测定其视距和视域，借助虚拟现实技术手段对场地所产生的景观感受，即视觉景观容量和视觉敏感度进行标记，并构建满足相关规范的景观场景，然后总结和验证。最后，实验结束后，基于前期的实验数据和实验原理，为视觉化设计和视觉秩序的综合评价提供重要的实证论据和评价。

实验前学生可以通过网站或手机App预约或登录，在学习实验操作手册和实验引导视频后进行VR实验操作，然后完成相应习题。具体操作步骤和实验选项如表1所示。

3.项目的技术实现

仿真实验首先由3Ds Max、SU等软件建立三维模型，再使用UE4、Mars等软件进行场景编辑和制作。实验过程可以方便地生成多种不同的时空场景，追踪全天每一时刻光线变化情况，并生成全景图及实验过程记录视频。其操作界面如图3所示。

Mars是一款基于UE4引擎的VR设计制作软件，使设计师能够在三维可视化环境下，快速设计并生成VR场景，让方案能够被沉浸式地体验和推敲，并实时渲染出动画和效果。Mars可直接对接设计师常用的3Ds Max、CINEMA 4D、Sketchup等软件，使设计师快速地布局和设计出虚拟的场景和空间，以趋于真实的视角体验场景的尺度、光影和材质。

在实验教学中，我们通过VR头盔等交互式设备，便可以身临其境地走进自己设计的建筑及环境空间中，直观地体会到空间尺度和效果。系统的物理引擎能够模仿出现实世界的光影环境、材质细节，实现逼真的时空变化和天气变化的模拟。体验者还可以在VR模式下进行模型搭建、场景编辑、材质编辑、交互控制等。

4.项目简介视频及操作引导视频制作

根据有关文件要求，从2019年开始，虚拟仿真实验教学项目的申报需要制作项目简介视频和操作引导视频。项目简介视频是评审专家了解项目整体情况的重要渠道，务必高度重视并高质量地制作。视频通常先介绍学校和相关学院的基本情况，然后介绍项目的必要性和特色、项目实现的技术手段和应用情况以及未来规划和展望。通过视频对所申报实验项目的真实反映，激发使用者的参与愿望。视频时长要求控制在3分钟以内。

操作引导视频内容应重点介绍实验教学项目的基本情况，包括实验的名称、目的、环境，以及实验内容、实验要求、实验方法、实验步骤、实验操作流程、实验注意事项等，以便使用者通过视频引导可自主操作实验。项目操作引导视频时长控制在8分钟以内。其中，视频解说应采用标准普通话配音。分辨率应为1920×1080 25P或以上;编码为H.264、H.264/AVC High Profile Level 4.2或以上;封装格式为MP4;码流为不小于2Mbps。另外，视频文件应不超过500MB[18]。音频格式要求为：混合立体声;编码为：AAC、MP3;码流为：不低于128kbps，采样率48000Hz。字幕要求直接压制在介质上[18]。

5.项目网站设计

如果项目被评审为国家级的虚拟仿真实验教学项目，教育部将统一提供资源共享平台“实验空间”[18]，因此需要按照“国家虚拟仿真实验教学项目工作网申报系统操作手册”和“国家虚拟仿真实验教学项目技术接口规范（2018版）”[18][19]进行相关资料的上传和管理。但在省级虚拟仿真实验教学项目申报时，需要事先准备相应申报网站，并在评审期间保持网站和实验项目的正常运行，否则将被一票否决。

申报网站可以采用目前流行的各种网站制作技术来实现，没有具体要求。制作时主要是对网站的板块进行规划和设计，以较好地展示项目特色和内容。通常申报网站的栏目包括：项目团队、项目描述、网络要求、技术架构、项目特色等，一般会在首页上放置项目简介视频的播放，并设置实验学生的登录入口。

我们的申报网站设计的一级栏目有：项目简介、项目特色、项目团队、虚拟仿真实验、实验教学方法、项目引导视频和资源下载等，还设计了学习测试、在线考试栏目。在网站首页醒目位置进行项目简介视频播放，另外提供了教学实践活动的照片等。申报网站的首页如图4所示。

六、虚拟仿真实验教学的实施及思考

通过本项目的实施以及对“工业机器人运维实验”“煤矿综采机械及工艺”等多个虚拟仿真实验教学项目的调研，我们对基于VR的虚拟仿真实验教学项目的优势与不足有了更深入的认识，也探索了一些行之有效的教学方法。

1.适合虚拟仿真实验教学的方法探索

虚拟仿真实验教学中，教师在传统的设计方法教学基础上將二维平面媒介的授课方式，升级为基于虚拟现实技术的沉浸式三维体验式教学，以数字课件的形式让学生通过PC、VR头盔等交互设备进入虚拟仿真空间中，快速通过虚拟空间中的建筑及环境体验，理解设计理论知识，掌握设计方法。其教学过程和组织与传统教学有较大差异，需要选择适合新的设备和场景的教学方式。

文献[9]将任务驱动教学法引入到三维虚拟环境的教育应用当中，文献[10]基于VR的体验式学习教学方法，均对我们的实验教学起到了较好的启示和指导作用。我们在虚拟仿真的实验教学中，注重学生的情感体验，关注学生的经验和兴趣，让学生在虚拟仿真实验中主动参与、主动思考，积极探索和动手操作。通过“体验—反思—形成概念—验证概念”的循环学习，实现对相关知识的主动建构和内化。

在教师的引导下，学生主要以探索和体验为主，学生沉浸在三维虚拟空间中漫游，进行交互感知，从多种维度和角度观察对象。教学活动中，学生以观察感知、认识反思、讨论分享和操作练习为主。最后，通过设计操作、知识测验、作品分析等活动，检验获得的知识，巩固学到的概念。具体的教学活动场景如图5所示。

教师在实验教学中的主要作用是协助学习者体验情境，适时引导与交流，帮助学习者进行反思与总结。在实验过程中，学生是学习的主体，教学过程应当尽量弱化教师的角色，以突出学生的主体性，充分发挥学习者主体的作用，切忌越俎代庖[10]。

2.虚拟仿真实验教学中的交互设计

与传统的鼠标、键盘、触控面板等不同的是，VR将用户和系统视为一个整体，利用多样的传感器设备，使人机交互模式发生了较大的变革，使用者可以采取更加自然的方式进行人机交流。因此，VR能帮助学习者克服交流时的心理障碍，更加自然地理解、使用和接受信息，从而提高学习效率。所以，基于VR的实验项目中交互设计尤为重要。交互是学习过程中不可或缺的环节，交互具有沟通信息、情感交流、诊断反馈、促使反思等作用，是一种心理需求及自我实现。

基于VR的交互方式一般可以设计为显式或隐式两种。其中显式交互是指实验者在实验过程中能够直接看到交互元素或信息，例如场景中的高亮度显示或者反差明显的颜色、闪烁显示的指示牌等，以便实验者交互操作。隐式交互是指在场景中交互的元素不是一直存在，只有当实验者到达某个区域时才会出现，离开这个区域交互元素或信息则自动消失，其目的是进行临时提示或引导，以便使实验者能够无障碍地操作[10]。另外，还应充分考虑VR系统特有的设备与交互技术，比如采用“操作手柄”“语音交互”“动作捕捉”等多种技术实现自然交互，有助于增加沉浸感。

3.现有技术条件下基于VR的虚拟仿真实验教学困境与应对方案

基于VR的虚拟仿真实验教学项目在很大程度上依赖虚拟呈现技术，但虚拟现实呈现技术在现有条件下仍然存在着较为明显的缺陷：一是头戴式显示设备的供电以及数据传输仍然未能很好地解决，目前Oculus、HTC、三星等主流头盔仍然需要一直拖着连接主机的“大辫子”，转身和行走都不方便，沉浸式体验效果受到较大影响。二是现有虚拟现实系统对体验者动作的追踪与捕捉有赖于红外摄像头等设备来实现，这使得使用者的活动自由度和区域受到限制，且目前的显示技术难以克服用户在体验中的眩晕感觉[12]。三是现有网络及实验教学环境，难以满足大面积在线实验教学的需求。

虽然随着5G及虚拟现实技术的进一步发展，以上现象和困境将会得到较好地解决或缓解，但在目前条件下，我们仍需要采取一定的措施和手段，以达到预期的效果。

（1）三维虚拟全景漫游技术的应用

实验内容的呈现，除了基于VR头盔的交互式实验以外，还可以采用三维虚拟全景漫游的模式。例如，我们在经典景观视觉空间案例分析中，采用了虚拟全景漫游的形式，使体验者在园林景观虚拟漫游的路线中，聆听教师对园林布局和造园理法等知识点的讲解。

对于现有景观或建筑的呈现，可以采取全景拍摄的技术，即将像机拍摄的水平方向360度，垂直方向180度的若干张照片拼接成一幅全景图像，然后利用三维全景制作技术构建出虚拟三维全景空间，让使用者既能头戴VR头盔体验，也能用鼠标或键盘控制浏览的方向，可左可右、可上可下720度全方位地观看物体或场景，具有较好的现场感和沉浸感。

这种三维全景制作仅需要一些基本的拍摄设备和制作软件，具有技术实现简单方便、数据量小、对系统要求低等优点，可以在电脑甚至手机、iPad等移动终端上浏览。同时，由于三维全景制作拍摄的是真实场景的图像，因此比采用三维建模技术构建的场景更具真实感。正是由于三维全景的这些优点，使其在数字城市、虚拟展示、地图导航等领域都有着较为广泛的应用，成为近年来快速流行的虚拟现实技术。

对于已经不复存在的历史景观或经典建筑等，则可以通过三维建模及U3d、UE4、Mars等虚拟现实平台制作后，导出为虚拟三维全景的模式浏览，其操作及应用方式与上述步骤相同。

（2）增强现实技术的应用

增强现实（Augmented Reality，简称AR）是借助计算机图像处理和可视化技术产生现实环境中不存在的虚拟对象，并通过计算机显示技术将虚拟对象准确“放置”在真实环境中，使虚拟对象叠加在真实环境中，呈现给体验者一个感官效果逼真的新环境。因此增强现实系统具有虚实结合、实时交互、三维定向的特点[4]。

由于AR的内容可以方便地通过手机、iPad等移动设备扫描识别卡呈现，因此近年来AR技术得到了广泛的应用。我们在经典作品赏析模块中设计的App小程序包括：景观的文本介绍、视频介绍、空间结构、平面图、立面图、刨面图等模块，通过手机扫描识别图片，该景观的三维立体模型就会浮现在屏幕上方，学生可以通过触摸手机屏幕即可360度旋转，从而全方位、多角度地观察和理解，如图6所示。

（3）项目建设应适当考虑移动客户端使用需求

在当前互联网条件下，学生接受教学的方式发生了很大的变化，越来越多的信息倾向于从移动终端获得。因此，虚拟教学资源和平台的建设应适当考虑移动设备的使用，实验的管理界面、登录界面等都应该易于在智能手机及 iPad上操作，便于学生随时随地登录，提出问题和发布问题，也便于教师和学生随时交流、讨论和解决问题[20]。学生可随时随地访问虚拟教学资源，也有利于实现虚拟教学资源的开放和共享，成为开放程度高、移动式的虚拟仿真实验教学资源。

七、结语

基于VR的虚拟仿真实验教学能够呈现逼真的三维虚拟实验环境和对象，学生在三维虚拟环境中开展实验，有利于实现真实实验不具备或难以完成的教学功能，有利于培养环境设计类专业学生的空间感知、思维和想象能力，对于突破教学的难点和重点，调动学生的积极性，培养学生的实践能力都将起到积极的作用。

在传统的景观设计教学中，由于空间思维能力等因素，学生从美术到设计的思维转变和设计基础在后续设计应用中遇到的问题，一直是教学中的难点。这使得部分学生在后续设计中难以建立良好的三维空间思维能力，难以发现、分析和总结问题，无法快速地找到设计本质和目标[21]。而虚拟现实学习环境的三维仿真场景，能够很好地促进学生对学科中景观及物体内部结构和空间关系概念的理解，提高学生的学习动机，调动学生学习的积极性，更有助于培养学生空间思维能力，提高教学质量和效率。

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