VR交互技术的建筑空间感知教学模式探析

VR交互技术的建筑空间感知教学模式探析

吕迪华

吕迪华

浙江树人大学

摘要：建筑空间感知是以认知为基础，传授空间的创造和建造的知识。虚拟现实技术为建筑空间认知的训练开辟了新途径。在建筑设计的基础教学中，基于MARS虚拟仿真软件，利用VR头盔沉浸式的体验建筑大师作品，有利于学生深度理解大师作品的设计内涵；采用曼恒搭载DVS3D的CAVE系统，师生多人协同式的推敲设计方案，有利于学生推敲方案与掌握空间设计方法。因此，虚拟现实等实验教学环节与专业课程体系高度匹配，是提高专业人才培养模式对未来社会与市场需求的适应能力的有效途径。

关键词：建筑空间感知；VR；教学模式

一、什么是VR技术

（一）VR是VirtualReality的缩写，中文的意思就是虚拟现实，虚拟现实技术是一种能够创建和体验虚拟世界的计算机仿真技术，它利用计算机生成一种交互式的三维动态视景，其实体行为的仿真系统能够使用户沉浸到该环境中。

虚拟现实技术是一种可以创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，它利用计算机生成一种模拟环境，是一种多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真使用户沉浸到该环境中。

该艺术形式的主要特点是超文本性和交互性，虚拟现实技术总共带有四个特征：1.多感知性2.存在感3.交互性4.自主性。理想的VR应该具有一切人所具备的感知。艺术家可以借用VR将虚拟世界和真实世界结合在一起，塑造出更具沉浸感的艺术环境，同时也更加方便观察和欣赏。

（二）VR交互技术的特征

VR的交互性，是指用户对虚拟现实中对象的可操作程度和从虚拟现实中得到反馈的自然程度，包括实时性。主要借助于专用设备（如操作手柄、数据手套等）产生，以自然的方式，如手势、身体姿势、语言等技能，如同在真实世界中一样操作虚拟现实中的对象。

正如同平面图形交互在不同的场景下有着不同的方式，VR交互同样不会存在一种通用的交互手段，同时，由于VR的多维特点注定了它的交互要比平面图形交互拥有更加丰富的形式。目前，VR交互仍在探索和研究中，与各种高科技的结合，将会使VR交互产生无限可能。交互技术利用：“动作捕捉”“触觉反馈”“眼球追踪”“肌电模拟”“手势跟踪”“方向追踪”“语音交互”“传感器”“一个真实场地”等多种方式。

二、虚拟实验的特点及影响

（一）特点

虚拟实验是指借助于多媒体、仿真和虚拟现实（又称VR）等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验各操作环节的相关软硬件操作环境，实验者可以像在真实的环境中一样完成各种实验项目，所取得的实验效果等价于甚至优于在真实环境中所取得的效果。虚拟实验建立在一个虚拟的实验环境（平台仿真）之上，而注重的是实验操作的交互性和实验结果的仿真性。

（二）虚拟实验室给教学应用带来的影响。

1.学校发挥学科专业优势，开展实验教学。

虚拟现实技术实验是为本科教学而设计和实现的。虚拟仿真实验教学依托虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和实验对象，学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲所要求的教学效果。

结合特色专业和开设课程，发挥学校学科专业优势，积极利用企业的开发实力和支持服务能力，充分整合学校信息化实验教学资源，以培养学生综合设计和创新能力为出发点，创造性地建设与应用高水平软件共享虚拟实验、仪器共享虚拟实验和远程控制虚拟实验等教学资源，丰富教学内容，拓展实践领域，提高教学能力，降低成本和风险，开展绿色实验教学。

2.院校教学科研。

建设教学、科研、技术人员结构合理的虚拟仿真实验教学团队，形成一支教育理念先进，学术水平高，教学科研能力强，实践经验丰富，勇于创新的虚拟仿真实验教学和管理队伍。

虚拟仿真实验教学是高等教育信息化建设和实验教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物。虚拟仿真实验教学建设工作坚持“科学规划、共享资源、突出重点、提高效益、持续发展”的指导思想，以全面提高高校学生创新精神和实践能力为宗旨，以共享优质实验教学资源为核心，以建设信息化实验教学资源为重点，分年度建设一批具有示范、引领作用的虚拟实验室，持续推进实验教学信息化建设，推动高等学校实验教学改革与创新。

三、虚拟现实技术在空间感知教学中的应用

虚拟现实在空间感知教学中的应用潜力巨大、前景广阔，主要体现在运用虚拟现实有激发学习动机、创设学习情境、增强学习体验、感受心理沉浸、跨越时空界限、动感交互穿越和跨界知识融合等多方面的优势。能够为教育工作者提供全新的教学工具，同时，能激发学生学习新知识的兴趣，让学生在动手体验中迸发出创新的火花。因此虚拟现实应用于教育行业是教育技术发展的一个新的飞跃，它营造了自主学习环境，由传统的“以教促学”的学习方式演变为学生通过新型信息化环境和工具来获取知识和技能的新型学习方式，符合新一轮的教学改革的教育理念，有助于学生核心素养的培养。虚拟现实设备有多种，这里分别介绍各种设备在教学中的具体应用。

（一）头戴式虚拟现实设备在教学中的应用

头戴式虚拟现实设备一般包含头戴式显示器、位置跟踪器、数据手套和其他设备等，分为移动虚拟现实头盔和分体式虚拟现实头盔。国外有脸谱、谷歌、微软、三星等公司的虚拟现实头盔产品，国内有微视酷、蚁视、暴风魔镜、中兴、乐视、华为、小米等100多种虚拟现实头盔产品。结合国内外的研究报告以及目前虚拟现实教育实践情况，虚拟现实技术在建筑空间感知教学中均可应用。

（二）桌面式虚拟现实设备在空间感知教学中的应用

桌面式虚拟现实与增强现实设备具有代表性的产品是美国zSpace公司的虚拟现实教育一体机，美国从2013年开始使用，现在使用的zSpaceZ300为第三代产品。根据美国最新的《新一代科学教育标准》，zSpace开发出了包含2～12年级多门学科的课件，课件分布在六款软件之中，教师可采用系统平台自带课件实施教学计划，也可创造性地自主开发新课件。zSpace不仅可以成为教学工具，还为学生、老师提供了丰富的素材资源。

（三）手持式虚拟现实设备在空间感知教学中的应用

手持式增强现实设备多采用移动设备与APP软件相结合的方式。APP有视+AR、AR、4D书城、幻视、视视AR、尼奥照照等，另外有多种增强现实图书都有相配套的APP增强现实特效非常逼真，利用这些APP进行空间感知的学习，学习过程具有真实感、体验感、沉浸感，增强了学生学习知识的兴趣，可以达到寓教于乐的教学效果。

四、虚拟现实技术在空间感知教学中应用的优势分析

（一）为学生自主学习提供了有利条件

虚拟现实教学资源存在形式多种多样，根据采用的设备不同，可以将教学资源保存在网络运营平台、桌面式设备、移动设备和纸质图书里，学生可以在不同的地方采用不同的设备调用虚拟现实和增强现实教学资源进行随时随地的自主学习。如果学生在课堂上有些知识点未能掌握，可以重新学习一遍，增加对知识的巩固和理解，有时学生因为特殊原因未能在课堂上学习，也可以课后弥补，有助于传统教学方式的变革。

（二）为学生提供更加真实的情景

在传统的教学课堂上，知识的传输主要通过文字、图片、声音、动画和视频的形式呈现。遇到比较复杂的情况，教师用语言很难把这些知识点表达得非常清晰，同时由于每个学生的理解力不同，教学效果也会因人而异，甚至初次学习这些知识的学生会得到“盲人摸象”般的感受。而采用虚拟现实技术组织教学，三维立体效果的呈现可以弥补这样的缺憾，能够把知识立体化，把难以想象的东西直接以三维形式呈现出来，让学生直观感受到文字所表达不出来的知识，真实的情景可以帮助学生对知识的理解和记忆，使学生的想象变得更加丰富。

（三）提高学生的学习兴趣

由于虚拟现实技术具有视觉、听觉和触觉一体化的感知效果，学生具有真实情境体验、跨越时空界限、动感交互穿越的感受，能身临其境般在书海里遨游，可触摸、可互动、可感知。身临其境的感受和自然丰富的交互体验不仅极大地激发了学习者的学习动机，更给学习者提供了大量亲身观察、操作以及与他人合作学习的机会，促进了学生的认知加工过程及知识建构过程，有利于实现深层次理解。

五、虚拟现实技术在空间感知教学模式应用中的前景展望

（一）虚拟现实技术发展对未来教学形式的影响

随着科学技术的迅猛发展，在云计算、雾计算、物联网、“互联网+”、大数据、人工智能突飞猛进的新时代背景下，虚拟现实和增强现实技术与人工智能、大数据和物联网融合，将会让虚拟现实和增强现实技术应用如虎添翼。根据国际数据公司的预测，未来一年里，在以消费者为导向的全球2000强公司中，预计有30%的企业将在营销活动中试验虚拟现实和增强现实技术。2021年时，虚拟现实技术将获得大规模应用，全球会有超过10亿人通过虚拟现实平台经常访问应用程序、内容和数据。

随着虚拟现实软硬件设备的性能提升和价格降低，会有更多的教育投资公司开发出更加丰富多彩的教学资源，让虚拟现实技术在教学中大面积应用普及。依托其具有的沉浸性、交互性、构想性、虚实结合、实时交互和三维配准等超级体验感的优势，教师的教学方式和学生的学习方式都将会发生改变。虚拟现实实技术在教学中的应用普及将会颠覆传统的教育方法和教学形式，具有巨大的应用潜力与应用前景。

（二）虚拟现实技术发展对未来教学效率的提升

提高未来课堂的教学效率。因为传统教学模式是教师面向全班同学以灌输式、无差异的方式组织教学，而采用虚拟现实技术教学将使课堂教学采用个性化、自主式、体验式的方式组织教学，通过因材施教，每一位学生都可以在虚拟环境中，个性化地听老师为自己讲课，还能与虚拟环境中的老师互动交流。传统课堂为一人讲多人听，而虚拟现实课堂则相当于每个学生面前都有一位自己的老师。帮助学生理解和识记抽象的概念。虚拟现实作为教育工具应用在课堂上，将为学生展现一个能够交流互动的虚拟世界，既能满足学生的体验感和好奇心，又能以创新的方式传授知识，从而可以大大提升教师的教学效果、激发学生的学习兴趣、提高学生的学习效率。

（三）虚拟现实发展对未来教学的创新

虚拟现实技术能为学生提供多种形式的数字内容和虚实结合的情景化的学习环境，增强了学生在学习中的存在感和沉浸感。通过虚拟现实技术能够将虚拟场景与现实世界相结合，通过穿越时空的方式进行交流互动，增强了学生的动手操作能力，提升了学生的感性认识和真实体验，激发了学生的创新意识和创新思维，培养了学生自主探究和自主学习的能力。虚拟现实多种先进技术是的应用和多学科知识的汇聚与融合，将虚拟现实和增强现实技术应用于教学中，为学生的创客学习创造了条件，学生在创客空间里利用虚拟现实技术通过主动探索、动手实践、创新设计、跨界融合来学习新知识和掌握新技能，利用先进的虚拟现实为载体开展创客教育和STEAM教育，学生在虚拟与现实交互和时空穿越的过程中通过“玩中做”“做中学”“学中做”“做中创”[17]，能够拓展发散性思维，迸发出更加丰富的创新火花，创意“智”造出更加丰富的创客作品。新一轮教学改革已经到来，“中国学生发展核心素养”总体框架正式发布，其中实践创新作为六大综合表现之一被提出。而虚拟现实技术在教学中的应用正是一种教学模式的创新，将有助于推动教学改革的进程，有助于创客教育和STEAM教育普及，有助于学生核心素养的培养。

结束语：

随着建筑业越来越多的公司应用VR工具，实物或实物的虚拟景象将会更好地呈现在我们的眼前，而未来进行项目设想和想象的需求也可能会消失。

关键词：

[1]高媛，刘德建，黄真真，黄荣怀.虚拟现实技术促进学习的核心要素及其挑战[J].电化教育研究，2016，（10）：77-87，103.

[2]张建武，孔红菊.虚拟现实技术在实践实训教学中的应用[J].电化教育研究，2010，（4）：109-112.

[3]蒋中望.增强现实教育游戏的开发[D].上海：华东师范大学，2012：2-6.