建筑學專業實踐教學體系改革探究

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摘要:本文以高校本科建筑學專業實踐教學體系為研究對象，以虛擬現實技術為核心，對實踐課程體系里無法在現實環境中實現的教學內容進行仿真模擬。從專業培養計劃中的兩個實踐環節——“集中實踐”和“理論課程中的實踐”分別進行改革并整合，形成虛擬仿真實踐教學體系，建立多層次、模塊化、立體化的虛擬仿真實踐教學系統平臺，為學生創新能力培養提供了一條有效途徑。該平臺系統依托互聯網教育平臺搭建，并可多終端使用。其引入了學生主動式學習的思想，能夠與線下理論課程相融合，構建了混合式學習、動態式跟蹤、智能化評價、數字化管理的新型實踐教學模式，以解決傳統實踐教學模式的弊端和不足，并具有在相關專業中推廣的應用價值。

關鍵詞:虛擬現實技術；建筑學專業；實踐教學體系

1引言

虛擬現實技術融合了多種先進技術，包括數字圖像處理、多媒體和人工智能等。通過應用虛擬現實技術，利用計算機生成一個可以反映真實情景的虛擬情景，通過人機交互，能夠讓用戶有身臨其境之感。因為這種特點，虛擬現實技術獲得了廣泛的應用，包括影視娛樂、航空、醫學、軍事、設計及教學等多個領域。虛擬現實技術以獨特的全沉浸式和交互性特點,為創建教學情境提供了有力的支持,極大地改變了學生的學習方式。在高等本科教學體系中，實踐教學是一項重要內容，能夠有效地提升學生動手操作和解決實際問題的能力。通過將虛擬現實技術應用到實踐教學之中，可以解決傳統實踐教學與當今應用創新型人才培養之間的一些主要矛盾。構建多層次及立體化的實踐教學體系，能夠覆蓋整個實踐性教學環節，根據教學大綱、人才培養方案、教學方法、教學內容的要求，對每一環節進行恰當的分類匯總，開拓實踐教學思路，創新實踐教學理念，培養學生解決實際問題的能力，進而對提高就業競爭力有著很大的幫助，可進一步推動對高層次創新型人才的培養。從當前國內高校教學中虛擬現實應用技術的實際情況來看，主要應用于單一場景構建、單一課程設計和單一實驗項目模擬等方面，應用范圍較為狹窄，沒有建立起能夠參考的融合實踐教育指導，以及可供直接遷移應用的融合策略，在高等本科教學中沒有形成訓練目標全面精準、應用性廣泛的實踐教學體系。綜上所述，高校實踐教學體系的改革需要同時著重于學生創新能力的培養與開發，建立高校本科虛擬仿真實踐教學系統平臺顯得十分必要。

2研究內容

本文從“集中實踐”和“理論課中的實踐”兩個教學環節全面進行改革，構建多層次、模塊化、立體化的實踐教學體系，以建立建筑學專業虛擬仿真實踐教學系統平臺(見圖1）。

2.1集中實踐環節改革

2.1.1實驗實操——虛擬實驗室

通過應用虛擬現實技術能夠構建具有開放性的構造、物理、設備、結構和測繪等虛擬實驗室，由于其具有開放性的特點，使得實驗室可以不受時間和空間的限制，從而使學生可以自由切入虛擬實驗室，通過人機交互，可以有身臨其境的感覺，進行認知學習和試驗，有效地提高學生的學習效果，提高教學質量，進一步提升學生的實踐能力。同時，應用虛擬現實技術還可以構建綜合網絡平臺，構建不同難度的關卡，使學生在網絡游戲平臺以闖關的形式來一步一步走向成功，通過這樣的方式來獲取學分、證書等，這樣能夠提高教學的娛樂性，從而激發學生的學習興趣，有效的提升教學效果。（1）構造實驗室施工圖的識讀和繪制對于學生的空間想象力有著比較高的要求，但是當前學生空間想象力差的問題比較常見，尤其是比較復雜的構造詳圖，學生在識讀和繪制時會面臨比較大的困難。在傳統的教學模式下，教師通常采用圖片展示和讓學生參觀學校構造展示室的方式來進行教學，教學效果較為一般。通過應用虛擬現實技術，可以讓學生身臨其境地進行學習，在虛擬現實實驗室內，學生可以在虛擬施工現場分解各個構件，還可以進行各種構造的反復操作，從而對各個細部節點的構造做法和施工過程等進行細致的觀察，讓學生更加深入地了解構造原理，提高學生對復雜構造詳圖的識讀和繪制的能力。（2）測繪實驗室對于建筑學專業的學生而言，需要很多的實踐機會來將所學的知識應用到測繪實踐中，從而提升測繪實踐的水平。但是在實際的教學工作中，高校受到經費和資源等因素的限制，常常無法為學生提供足夠的實踐機會，難以對學生的測繪實踐能力進行良好的培養。通過引入虛擬現實技術，可以對測繪工程中所需要的設備進行虛擬構建，并且模擬出測繪設備的操作流程，從而使學生能夠通過虛擬測繪設備來進行實踐，為學生提供充足的真實實踐機會，提高其測繪性能。（3）物理實驗室建立虛擬物理實驗室，能夠為學生提供通風、采光和日照等物理環境，讓學生對這些物理環境進行分析。以風環境為例，設計者可以在電腦中設計出模擬建筑物，然后基于真實環境的氣候條件，構建模擬氣流，進行模擬實驗。學生通過應用虛擬現實技術來感受氣流情況，使學生真實地感受到氣流對人的影響。通過應用虛擬現實技術，還能夠對建筑物模型和氣流走向、強度等參數進行實時的修改，使學生對氣流影響有更深入的認識。學生通過應用計算機對實時的數據指標進行統計，根據數據對建筑通風設計進行優化，改進通風條件，提高設計方案的合理性，滿足綠色生態的設計要求。（4）設備實驗室通過虛擬現實技術，能夠構建設備實驗室，在設備實驗室內學生可以進行設備的安裝、性能測試等訓練，這樣不僅不存在危險性，不會導致設備損壞，同時還能夠不限制次數地進行實驗，學生可以實現直接學習和完全掌握技能。由于這樣不會造成設備損壞，學生可以更加大膽地進行嘗試，提高學習效果。通過這樣的教學方式，能夠節約時間，節省經濟成本，提高實驗效果。通過虛擬場景，學生可以對虛擬場景內是否存在死角進行判定，對設計的科學性和合理性進行判斷，從而提高設計的科學性和合理性。（5）結構實驗室在傳統的實驗教學工作中，通常只能實現對建筑物的某些結構構件的某些性能進行測試，這樣不能完全將專業課程中涉及的知識呈現出來。對于結構實驗而言，存在實驗準備時間長、費用高、勞動強度大等問題，而且實驗結束后大部分試件都會報廢，造成資源的浪費。學生由于普遍缺乏經驗，容易因操作問題而導致實驗失敗，浪費時間和實驗資源。通過應用虛擬現實技術，構建虛擬結構實驗室，可以對實踐課程中涉及的實驗內容開展虛擬仿真實踐教學，使學生在較低試驗成本下快速、重復地進行實驗，對專業基礎知識進行拓展，提高學生的實踐能力，以提升教學效果。

2.1.2設計實操——虛擬設計室

設計類實踐課程教學在虛擬現實技術的支持下，將實現教學內容實操化、教學環境虛擬化、教學過程交互化、教學評價客觀化，培養學生的學習興趣和創新能力。（1）中國傳統設計室建立中國傳統虛擬設計室，對遼寧省教育廳倡導的課程結合思政的教學改革是十分必要的。設計室不僅可以永久保留建筑遺產所攜帶的歷史信息，也將每一屆的學生研究成果記錄在案，起到了弘揚傳統文化的積極作用。按照《營造法式》中的描述來建立建筑構建模型群或營建小型官式廳堂模型，學生通過模型進行學習，對古代建筑的營建過程可以有更詳細、深入的理解。通過這樣的方式，教師的教學過程可以擺脫實木模型的限制，教學的重點不會局限于個別建筑構件，而是讓學生可以對建筑木構架的整體構建方式有全面和整體的認識。在實際的教學中，教師還可以利用虛擬模型和傳統教學輔助教學的方式，解決學生學習過程中遇到的問題。在虛擬模型中，能夠建立梁、柱等一系列預制原型配件，學生能夠對原型配件進行組合，完成個別單元的構建，然后根據組合法則，建構單元組成建筑物。建立的原配件虛擬模型越多，就可以構建出越多傳統建筑組合模型，從而使學生可以對建筑組件的系統性有全面的了解。（2）創新創業設計室學生接觸先進的、前沿的虛擬現實技術，為其參加國家級、省級虛擬創新學科競賽奠定基礎。學生可通過創新創業項目實例全過程學習掌握Revit、Sketchup、VDP等繪圖軟件，讓學生體驗從識圖、建模、渲染、動畫、虛擬仿真交互，到完成整個設計動畫解說和展示視頻，提高學生的創新創業能力，為其今后的工作奠定較好的基礎，（3）本科課程設計室課程設計是建筑類專業學生的核心課程。在虛擬課程設計室中，學生可以實現建筑要素的自行拆解和重建，對建筑要素進行修改、比較和對比等，對案例進行更加全面、詳細的分析，可以對不同的建筑方案進行實時的切換，實現多方面的比選。還可以針對不同的建筑方案，設定相同的觀察點或者序列，進行觀察和比對，從而能夠更加清晰地比較不同方案的優缺點，為決策提供依據。此外，還能夠對建筑局部進行實時的方案比選，若存在不滿意的地方，應用虛擬編輯工具就能夠對各空間要素進行修改和替換，這種修改方式可以更好地讓學生比較、判斷不同設計方案的優劣。

2.2理論課程中的實踐環節

通過應用虛擬現實技術，將理論課程的實踐環節作為教學演示，使學生對理論知識有更加深入的了解，并且通過教學實驗和認知學習等，提高課堂教學的結果。教師可以讓學生進行虛擬仿真模型體驗和虛擬交互演示等活動，通過將知識點融入方針教學中，讓學生對課程學習更有興趣，使學生能夠更加主動地學習，激發學生的創新思維，從而使學生對所學知識有更深的理解。在“教、學、做、練”過程中讓學生領悟知識點，實現理論實踐一體化教學。

2.2.1全沉浸式虛擬課堂

全沉浸式虛擬課堂是利用虛擬現實技術的全沉浸式特點，應用虛擬仿真實踐教學體統平臺中的可視化數字資源庫的資源案例，采用模型案例分析、視頻案例分析、動畫案例分析等方式進行授課的教學模式，具有情景構造搭建和項目策劃分析兩種應用模式。（1）情景構造搭建理論課程中的案例教學應用虛擬現實技術能夠搭設逼真的虛擬智能工程環境，并且具備相對真實的場景感，學生能夠自由地進入項目的各個角落，對各個環節進行深入的觀察，從而讓學生對項目有更深的理解，使學生產生更深的興趣。通過在各個虛擬案例中進行漫游，從真實的角度或非常規的角度來進行觀察，提高判斷能力，發現創造的方法。這可以幫助學生發現問題，得到構思靈感，準確地理解、掌握教學內容和概念。（2）項目策劃分析從設計教學結構來看，在前期需要由教師帶領學生分析項目的具體結構，包括地形地勢、地理位置和環境信息等。對項目設計的優劣勢進行總結，最終確定方案是否可以進行。在實際的項目分析中，要進入實地進行考察，會受到時間、成本和距離等多方面因素的限制，因此通常只能夠在課堂上進行大部分項目結構分析的教學，學生通過教師傳達的信息來對項目的具體情況進行判斷。這種教學活動過于表面化，學生無法結合實際情況進行判斷，學習效果差。通過應用虛擬現實技術可以有效地解決這一問題，應用輔助設備可以讓學生對項目案例進行全面的檢查，對項目的各種結構進行全面的分析，深入了解地形地勢、周邊環境等因素對于設計的影響，提高教學效果。

2.2.2交互式動態課堂

交互式虛擬課堂是利用虛擬現實技術的交互式特點，應用虛擬仿真實踐教學體統平臺中的虛擬現實工程體驗館的資源案例，采用虛擬模型感知、實景案例感知、全景案例感知等方式進行授課的教學模式，具有多維體驗設計和行為交流互動兩種應用模式。（1）多維體驗設計在設計的項目進行具體落實之前，需要對整體方案進行規劃，學生要對項目進行定量、定位的判斷，包括平面圖、立體圖、剖面圖、效果圖的設計等，在方案中需要將設計的細節展現出來。通過應用虛擬現實技術，學生能夠深入項目內部，實現多維體驗，對布局、裝飾、色彩和結構等之間的關系進行真實的感受，然后對設計布局進行優化。對于提高學生的創新能力、培養其審美意識具有重要的意義。（2）行為交流互動在傳統的教學模式下，教師通過采用PPT和視頻講解等方式來進行經典案例的分析和講授，師生之間在案例探討過程中的交流是單向的。而通過應用虛擬仿真實踐教學系統平臺構建虛擬場景，學生和教師在虛擬空間中進行雙向討論，全方位地交流，尤其是教師在空間尺度和場所的講授過程中，更加具有場所感。在結構選型和表皮材料的研究時，沉浸式空間可以時時感受不同結構、不同材料的變化，使教學講解更加生動，這種良好的教與學的互動方式不僅能及時評價學生的學習情況，而且能使學習更加生動、主動。

2.3多元化智能評價體系和動態更新機制

客觀、科學、全面、有效地進行教學評價是實踐課程體系改革的直接動力，因此虛擬仿真實踐教學系統需要構建相應的學習評價體系，來評估學生學習的效果，應該包括對知識、技能、方法、情感、認知力、價值觀、態度等多方面的評價。多元化智能評價體系是具體教學實施的關鍵構成，其應強調動態性、生成性和互動性評價，從而使師生雙方都可以對學習成果進行檢測，分別完成“教”和“學”的任務。一方面，教師應對學生的學習進行全程的跟蹤和評價，在評價過程中，信息素養、實踐操作等能力的權重應得到提升。通過收集、整理和分析相關數據，對學生的知識水平和學習風格差異進行全方位的了解，根據結果設計個性化的教學和輔導方案。同時，分析結果還可以作為平時成績以及綜合評價的重要參考依據。另一方面，學生可以根據測評標準，更加全面地了解自身的學習情況和不足，根據自測結果來對學習方法進行優化和改進，反思自身不足，總結經驗，從而更好地提高學習效果。虛擬仿真實踐教學系統平臺的建設，需要逐步形成規范的教學更新制度建設，將思政改革和其他相關專業的實踐教學內容、教學手段逐步納入更新體系，形成一個全面并且層次化、立體化的實踐實訓平臺，能夠服務于更多專業的學生，為教師提供科研平臺，推動學校的轉型建設發展。

3結語

對于虛擬仿真實踐教學系統平臺的建設，筆者課題組已開展了相關的研究工作，依托HTML5和3D數據引擎技術，完成了建筑學專業的虛擬仿真實踐教學系統平臺的初步構建（見圖2、圖3），以建筑測繪課程為對象，建立了虛擬仿真的測繪實驗教學測試系統（見圖4、圖5），并對如何開展新型教學模式進行了初步的探索和研究，形成了一定的認識，將新的教學模式在小范圍內進行了測試，積累了一定的研究成果和經驗。虛擬仿真實踐教學系統平臺建成后，在新的實踐平臺運營模式和建設理念下，實踐平臺將處于動態的開放性狀態，在不斷與外界進行信息交換并優化的過程中，整體水平得到了提升，可以實現校內分享、校際交流和各方聯動。開放性實踐教學系統可以面向多學科、多專業和多學院，實現信息共享，從而使實踐平臺的作用得到充分發揮。

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作者:張廣媚 單位:大連理工大學城市學院