虚拟仿真实验资源在空间设计教学中的应用探究

王琨　薛思寒

［摘 要］文章以空间设计教学为研究对象，从组织建设、教学运用以及应用评价方面探究引入虚拟仿真实验资源的过程和方法。在组织建设方面，构建模块化虚拟仿真实验教学体系和平台；在教学运用方面，改进教学模式，转换师生角色，提高教师的引导和组织作用，创建多样化实验教学场景；在应用评价方面，兼顾“教”与“学”两方面，实现对学生设计成果的全过程、多方位评价，并建立一套对虚拟仿真实验资源应用的评价反馈体系和质量控制系统。

［关键词］虚拟仿真实验资源；空间设计课程；教学应用

［中图分类号］ G642.0 ［文献标识码］ A ［文章编号］ 2095-3437（2023）14-0074-03

虚拟现实技术是一种供人们将现实中的客观空间在计算机虚拟世界中进行仿真、创建的系统，能够从不同方面模拟、反映现实空间环境，具有较强的代入感和真实性，为人们提供沉浸式的感受和体验[1]。近年来，将虚拟仿真技术融入日常实验教学，优化课程资源，推动课程创新改革，受到越来越多教育群体的认同和推广[2]。

空间环境设计涉及城市规划、建筑学、环境设计等多个专业领域，是相关专业的核心教学内容。原有的空间设计课程多以设计师的经验传授为主导，多为定性判断，较为感性。随着知识经济、科技和产业革命的蓬勃发展，空间设计逐渐向以空间中人的行为、生态环境、社会心理等方面的理性、定量判断为基础转变，向精细化、标准化、智能化方向发展[3]。以往对学生设计方案的评价大多以教师的经验判断为主，无法给出定量的判断标准和依据，但计算机和信息技术的发展让虚拟仿真技术引入空间设计实验教学成为现实。设计方案在虚拟环境中建成，让学生能够真实感受、体验，并通过仿真模拟，从声光热物理环境、人的心理行为等方面对方案进行客观评价，能够解决空间设计方案因建设成本高且不可逆而造成的无法准确评价的问题。

一、虚拟仿真实验资源在空间设计教学中的组织与建设

空间设计课程以满足新时代行业发展需求、符合新工科人才培养理念为导向，结合各教学环节特点和要求，探索组织、建设有利于空间设计课程开展和评价的虚拟仿真实验资源，以推动空间设计课程的教学方法、教学过程以及教学目标的优化。

（一）结合现有教学系统结构，搭建模块化虚拟仿真实验教学体系

现有的空间设计教学系统主要分为理论认知学习、空间调研分析、方案设计评价三大部分，依托现有教学系统结构，突出学习过程的递进性和层次性，构建“理论学习模块+空间分析模块+方案设计模块”的虚拟仿真实验教学体系[4]。在理论学习模块，通过引入相关的视频、音频、图片等教学资源，能够提高理论知识学习的时间灵活性、内容丰富性以及知识延展性。在空间分析模块，利用VR、大数据分析、声光热环境模拟等虚拟仿真技术，增强学生对空间现状的认知和分析能力，使现场调研更加便捷，环境认知更加准确、客观。在方案设计模块，运用BIM、参数化建模、建成环境分析等仿真软件，将设计方案在虚拟环境中进行建构、分析、评价、推敲，使设计过程更加高效，使设计成果的获得更加真实。

（二）优化现有教学环节及内容，构建空间设计虚拟仿真实验教学平台

空间设计教学环节通常按照“理论讲授—场地调研—现状分析—方案生成—成果評价”的逻辑逐步进行，并针对不同教学环节不断丰富完善相关教学资源[5]，搭建空间设计虚拟仿真实验教学平台（见图1）。在理论讲授环节，搜集、录制相关知识点的微课、微视频，利用在线虚拟仿真实验资源展现理论知识内容，形成沉浸式虚拟课堂平台。在场地调研环节，利用虚拟现实技术、地理信息系统技术等，构建空间场景虚拟平台及周边环境数据资料库，增加调研的广度，缩短时间的跨度，提高调研的效率。在现状分析环节，利用地理分析模型、物理环境仿真模拟、空间场景语义分割等技术，构建场地空间分析平台，对任务场地现状进行客观、量化分析。在方案生成环节，要求学生掌握Revit、Sketchup、BIM等绘图建模软件，创建仿真交互设计平台，为学生比较、推敲、修改方案提供条件。在成果评价环节，利用空间场景虚拟平台和场地空间分析平台，真实还原设计方案，并从不同角度对其进行定量分析，使师生都能够客观参与设计成果评价。

二、虚拟仿真实验资源在空间设计教学过程中的运用与教学模式改进

传统的空间设计教学主要通过教师的知识讲授、图纸批改进行，属于“言传身教”的知识传授方式[6]，忽视调动学生的自主能动性。将虚拟仿真实验资源引入空间设计教学过程中，需要改进原有教学模式，从单向输出变为双向互动。

（一）转换课堂师生角色，创造“体验式学习”过程

教师要坚持“以学生为中心”，改善课堂学习体验，注重学生的参与、互动和体验感，使学生的学习过程从“被动接受”向“主动思考”转变。要充分利用虚拟仿真实验教学资源，增加课中、课后自主学习时间的灵活性和内容的延展性，形成具体案例体验、项目反思观察、设计概念抽象以及成果主动检验的“体验式学习”循环教学模式。在空间设计课程中引入虚拟仿真实验教学资源，使教师从知识输出者向引导者的角色转变[7]。教师通过指导学生使用虚拟仿真实验教学资源，使其主动从相应的资源中获取、掌握、内化知识和技能，从而由知识的接收者转变为知识的发掘者。虚拟仿真实验资源使学生在实践操作中进一步巩固理论知识，实现理论教学与设计实践的无缝衔接，极大地调动了学生的积极性，拓宽了教学维度。

（二）增强教师的引导和组织作用，优化课堂教学方式

虚拟仿真实验教学的引入，要求教师将更多精力用于对学生思维的引导，充分发挥课堂引导者和组织者的作用。在设计操作过程中，教师应以解决实际设计问题为导向，引导学生利用虚拟仿真实验教学资源进行方案推敲、修改以及体验评价，组织学生对设计方案进行阶段性的展示、汇报及交流评价，对于有针对性和共识性的问题，要与学生进行沟通，启发学生进行深度学习和思考。这就要求教师一方面要对所讲授的内容有精深的理解，准确、精炼地概括主要内容，并为学生预留充足的自主探索的空间；另一方面，要充分掌握学生自主学习的实际能力和不同个体间的学习水平和习惯等差异，为学生设计与其实际能力相适应的学习任务，避免出现难度太低或太高而导致学生丧失学习动力和兴趣的情况。

（三）改善教学环境，创建多样化的实验教学场景

搭建虚拟仿真教学平台，为空间设计教学开展虚拟仿真实验营造了良好的环境，并辅以各类三维建模工具、仿真模拟软件、智能数据采集设备以及网络云平台等软、硬件配套设备，打造多样化的空间设计体验式教学新环境。多样化实验教学场景的创建，为学生从不同方面开展空间设计、设计方案推敲及评价提供条件，设计成果方案可转变为虚拟条件下的真实三维空间，供学生体验、感受和分析，增强了课程教学的互动性和趣味性。虚拟仿真实验教学资源的开发与建立，能够进一步为融合线上和线下教学提供条件，拓展了学生学习的时间灵活性和空间延展性，很大程度上解决了因高危、高成本以及不可逆而造成的空间设计实验无法进行的问题，使空间设计课程的教学内容更加丰富、全面，提高了学生的动手实践能力。

（四）融合多种教学手段，挖掘虚拟仿真实验教学价值

在空间设计教学中运用虚拟仿真实验资源，应当拓展应用范围，从单一场景、单一实验和单一课程向多场景、多实验以及课程群转变，形成空间设计实践教学体系[5]。在课堂教学过程中，要从不同角度挖掘虚拟仿真实验教学资源的使用价值。如结合对分课堂、翻转课堂的教学模式，组织学生分组对设定的教学目标和教学内容展开讨论，让学生共同协作完成任务，进一步加深学生对专业知识的思考和理解。再者，结合OBE和CDIO教学理念，将设计实践项目内容引入课程，加深学生对空间设计实际问题的理解，使学生自觉将理论知识与实践操作相结合，更好地对接设计市场。同时，除了课堂教学外，还应该鼓励学生利用虚拟仿真实验资源预习、巩固所学知识，积极参与各项学科设计竞赛、创新创业大赛以及设计工作坊，通过多种形式深化理解、应用以及提高专业知识技能，实现人才培养目标。

三、虚拟仿真实验资源在空间设计教学中的应用评价

从“教”和“学”两方面对虚拟仿真实验教学资源进行应用评价。一方面，通过虚拟仿真技术从多方位建立对学生设计成果客观、量化的评价体系；另一方面，从不同角度对虚拟仿真实验教学资源的应用情况进行评价，完善机制。

（一）实现全过程、多方位的空间设计方案评价

对学生的设计成果进行客观、全面的评价，有助于激发师生对课程投入的积极性，提高课程教学改革的动力。在对设计成果进行评价的过程中，应当融合多学科，从空间视觉感知、声光热物理环境、人体行为模式等方面，对方案进行量化测评。设计成果的评价不应局限于学生的最终设计方案，而应该综合评价设计开展的各阶段情况，强调评价其全过程性和动态性。同时，对学生的评价还应该从理论知识、设计方法、实践技能、空间认知、成果汇报等能力素质方面进行，体现评价的全面性和综合性。通过全过程、多方位的设计方案评价，教师可以及时了解学生的学习情况、个体差异，并对教学过程及时做出调整，制订个性化的教学指导方案；此外，学生通过评价结果，能充分了解自身的学习程度，以此总结经验，找出差距，优化学习方法，进而提高学习效率。

（二）建立一套评价反馈体系、质量控制系统

虚拟仿真实验教学资源的引入，需要任课教师、教学管理者就课程的教学目的、教学进度、教学方法以及学生的学习状态、学习感受、学习效果等方面进行沟通协调，进而形成一套评价反馈体系、教学质量控制系统。质量控制系统是将实际教学质量进行标准量化，并与预期的教学质量进行对比，找出差距并分析产生偏差的原因，然后制定相关纠正计划与措施。建立评价反馈体系与质量控制系统需要关注三方面内容，一是根据教学实施计划有针对性地选择对教学质量有显著影响的关键控制因素；二是制定相关指标，将教学目标和质量进行量化，找出具体偏差；三是通过学生评价、问卷调查、同行观摩以及课堂观察等方式，收集反馈信息，建立信息反馈系统。

四、结语

在空间设计教学中引入虚拟仿真实验教学资源，应当从资源的建设、应用以及评价等方面入手，更新、转变教学理念和组织模式，促使虚拟仿真实验教学资源平台处于动态开放和循环调整的状态，使其发挥最大的教学功效，充分拓展设计教学工作的空间延展性和时间灵活性。开放、多元的虚拟仿真实验教学资源能够促进学生的自主学习、师生的互动交流以及教学成果的全方位评价，从而推动空间设计教学向多学科融合、信息共享方向转变。

［ 参 考 文 献 ］

[1] 周忠，周颐，肖江剑.虚拟现实增强技术综述[J].中国科学：信息科学，2015，45（2）：157-180.

[2] 兰国帅，郭倩，张怡，等.影响未来高等教育教学的宏观趋势、技术实践和未来场景：《2020年EDUCAUSE地平线报告（教学版）》要点与思考[J].开放教育研究，2020，26（2）：27-39.

[3] 赵亮，吴越，刘晨阳，等.学科交叉融合下的城市设计培养体系架构研究[J].城市规划，2019，43（5）：113-120.

[4] 刘振峰，郭为忠.虚拟仿真实验教学课程资源设计及教学过程的改革与探索：以上海交通大学“设计与制造Ⅱ”课程为例[J].教育理论与实践，2022，42（9）：51-54.

[5] 张广媚.基于虚拟现实技术的建筑学专业实践教学体系改革研究[J].城市建筑，2022，19（17）：107-110.

[6] 李艳菊.数字化虚拟现实技术时代的建筑设计教学模式变革[J].生态经济，2012（4）：196-199.

[7] 罗国亮，车仝，王睿，等.虛拟现实技术在高等教育中的应用研究：以《操作系统》课程为例[J].中国教育信息化，2021（12）：37-42.

［责任编辑：黄紧德］