混合现实技术在建筑室内设计专业教学中的应用——以“装饰材料与施工工艺”课程为例

魏 莎

（湖南环境生物职业技术学院，湖南 衡阳，421000）

建筑室内设计是我国高职土木建筑大类的重要组成专业，涉及艺术、历史、生态、建筑、管理等多个知识领域，其跨学科、重实践、抽象化的专业特点，给课程教学带来了极大的挑战，而混合现实(Mixed Reality，简称MR)技术的出现为该课程教学带来了全新的思路。

一、MR技术的应用现状

MR借助先进的计算机图像处理、人机交互技术和显示设备，在现实世界、虚拟世界与用户之间搭起一个能够进行交互反馈的信息回路[1]，生成一个新的具有真实性、互动性的可视化环境，实现了现实与虚拟的完美融合。MR技术在建筑领域的发展迅速，自2016年天宝导航（Trimble）开发出Windows Store中第一个可扩展的微软HoloLands商业应用程序SketchUp Viewer，实现了MR技术在建筑设计与方案表现上的革新，到2017年我国中建一局利用MR技术建成世界首座匈奴历史博物馆——昭君博物馆，实现了MR技术在中国工程建设领域的首次应用，短短数年，MR技术凭借其在建筑方案可视化、设计协同化、施工标准化、监管透明化以及运维高效化等方面的显著优势，席卷全球建筑领域[2-4]。MR技术同样受到了教育领域的青睐，尤其是在医学教育方面，大量的教学实践案例充分证明，MR技术在提升医学生的空间感知和手眼协调能力等方面具有无可比拟的优势。[5]然而，MR技术在建筑室内设计专业教学方面的应用案例较少，还需不断进行实践探索。

二、MR技术在建筑室内设计专业教学中的优势

（一）真实的空间体验与强大的实时交互优势

“空间规划”是室内设计的核心，如何打破空间限制让学生体验真实的比例与尺度，一直困扰着专业教师。此外，受方案呈现方式的限制，无论是二维图纸表现、三维空间建模，还是小型模型制作，都无法实现抽象设计信息的高效沟通。而借助MR技术，师生可以针对空间全息图进行方案的阐述与调整，还可以置身于1∶1尺度的设计方案三维模型中，以自然、沉浸的方式进行设计信息的实时交流。MR技术构建的混合现实环境是当前师生之间进行复杂空间设计信息传达与沟通的最佳方式。

（二）丰富的场景资源与复杂的细节展示优势

从神秘的古埃及金字塔到庄严的北京故宫，从陕北的窑洞到湖南的吊脚楼，从乡土的民居到现代的高层楼宇，从温馨的住宅到快节奏的办公室，古今中外，不同传统、功能、空间构成了复杂而庞大的建筑室内设计基础。教师可以借助MR丰富的场景资源，在课堂上进行虚拟场景的快速切换，也可以将虚拟场景中的某一结构细节进行放大、剖切、分解，学生可以旋转观察场景模型的任一切面和组成构件，甚至可以动手进行构件的组装。这极大地丰富了教学内容，使教学变得更加有趣，复杂构造和工艺步骤也变得直观而易懂，从而降低了学习的难度，提升了学生的主动性；同时，在教室内进行虚拟场景的构建与切换，也为一体化教学的实施提供了极大的便利。

（三）安全的训练环境和直观的技能辅导优势

实训环境与操作过程的安全性是开展实训教学的前提，对于如何在保障学生人身安全的前提下，尽可能还原施工现场情境、提供更加全面的技能训练模块，并进行实时操作指导与纠正，MR技术提供了最佳的解决方案。它可以将工艺技术信息叠加到现实场景材料、工具上，指导学生按照规范的工艺步骤进行操作；还可以在实训室中构建全息的施工现场情境，运用虚拟材料或工具进行操作训练，用于完成存在安全隐患或体量过大不易实施的训练项目。

三、MR技术在“装饰材料与施工工艺”课程中的教学实践

“装饰材料与施工工艺”是建筑室内设计专业一门代表性的核心课程，该课程致力于培养具备相关专业知识以及建筑装饰材料选择与施工指导实践能力的高素质技术技能型人才。现以该课程为例，探讨MR技术在建筑室内设计专业课程教学中的优势与实现途径。

（一）当前课程教学存在的问题

1.授课模式传统，不利于专业知识掌握

融合文字、图片、视频资料的PPT讲解是当前该课程最为常见的授课模式，教师绞尽脑汁提升课程的趣味性与实践性，例如：运用高清材料图片，表现建筑材料的质感；借助3ds MAX、SU等建模软件，展示结构内部细节；播放施工现场视频，贴合实际工艺流程。然而，以上形式仍旧没有突破传统灌输式教学的禁锢，单通道输出的教学模式无法真正提升学生学习的主观能动性，尤其是面对庞杂的装饰材料和工艺，学生更是觉得晦涩难懂。

2.实训条件限制，不利于一体化教学开展

借助校内外实训基地，以项目为载体进行课程一体化教学是当前提升学生专业技能，使其快速掌握理论知识的最佳方式，然而在实际教学过程中，却存在着许多的困难。一方面，高校校内实训室受现有场地和经费投入的限制，很难实现不同建筑结构、装饰风格、功能空间、节点细节的全方位展示和实时更新，而校外实训室具有距离劣势，只能开展短期集训。此外，较多的施工实操训练，需借助大量装饰材料与电动工具，涉及水、电，存在很大的安全隐患，不利于实际的操作培训和反复的试错训练，从而极大限制了学生专业技能的提升。

（二）基于MR技术的课程设计与实施

1.课程整体设计

基于地方专业特色，本课程以某乡村民宿的装饰施工项目为载体，针对卧室、餐厅包间、小型娱乐室三个空间场景的五个施工任务展开教学。课程设置打破了传统理实分设的方式，采取“教、学、做”一体化的教学模式，以学生为主导，教师为辅助，以综合素质培养为目标，借助MR技术优势进行课程的整体设计。为便于MR技术应用效果分析，在五个施工任务中，各选取两个难度相近的子任务进行两种教学形式的实施效果比较（见表1）。

表1 采取不同教学形式的子任务对照表

2.课程实施条件

授课场地建议为校内一体化教室，面积约240 m2，提供30个工位。一体化教室划分为项目讨论和施工操作两个区域。项目讨论区约占100 m2，在该区域教师通过MR技术将空间场景全息图展现在真实环境中，并针对虚拟模型利用局部放大、剖切、分解等操作进行工艺细节讲解。学生佩戴混合现实双目MR全息智能眼镜，通过观察场景模型进行专业知识的学习，学习过程中可借助文字或视频提示，通过手部简单操作，对场景模型进行旋转、移动、分解、组合进而加深对知识的理解。施工操作区约占140 m2，配备常用的施工工具、装饰材料等。在该区域通过MR技术创建1∶1的全息虚拟空间场景，还可以将虚拟模型叠加到真实的材料、工具上，进行施工操作指导或者全虚拟模型施工操作训练。此外，需进行该课程MR全息教学资源素材包的开发，针对三个空间场景、五个施工结构模型以及相应的文字提示和示范视频进行研发，便于学生通过凝视、语音、手势等交互方式进行检索、调取素材资源和观摩学习。

3.课程实施过程

课程实施分为五个步骤，即任务下达、学生分组、任务实施、完成评价、后期总结。但在具体教学形式上，针对不同的子任务分别采取传统教学和MR技术应用教学两种形式，方便教学效果比较。现以顶棚工程施工任务为例，进行具体说明：教师将任务书下发给各小组，并对任务内容进行说明。在木龙骨吊顶施工子任务中，教师按照传统的授课方式，以文字、图片、视频形式向学生讲解任务相关专业知识，学生根据任务要求分组讨论，依照人员分工，进行木龙骨结构与施工工艺设计，并通过PPT的形式进行小组成果展示，根据展示情况，教师、学生、小组三方进行评价和考核，最后根据评价结果进行成果完善；而在轻钢龙骨吊顶施工子任务中，教师借助MR技术进行教学，将小型娱乐室的场景全息图展现在一体化教室中，师生佩戴MR全息智能眼镜针对场景中顶棚的轻钢龙骨吊顶结构、技术要点与施工流程进行互动交流，小组成员分工合作完成全息场景中轻钢龙骨吊顶的设计与施工操作，根据操作规范性与用时时长进行系统评分，后期根据系统提示针对错误和不熟练的操作步骤进行反复练习。

四、实施效果分析

课程实施后，通过学生问卷调查对两种教学方式进行比较，结果显示：与传统教学形式相比，MR技术应用教学形式在趣味性、易掌握性、知识丰富性三个方面优势明显，极大提升了学生的学习兴趣和主观能动性，有利于专业能力培养，但受限于现有MR技术水平，其教学应用优势还未得到充分发挥。未来，随着专业素材资源和硬件操作流畅性的提升，其应用效果将会更加凸显，值得在土木建筑类课程教学中推广。