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        基于個人沉浸式虛擬環(huán)境的模擬建造再評估
        ——以浙江寧波保國寺為例

        2018-10-15 12:23:06許迪瓊孫澄宇
        關(guān)鍵詞:建筑實驗教學(xué)

        許迪瓊,孫澄宇

        (同濟(jì)大學(xué) 建筑與城市規(guī)劃學(xué)院,上海 200092)

        1 研究背景

        隨著世界范圍內(nèi)“慕課(MOOC)”等在線教育資源在各個專業(yè)領(lǐng)域的蓬勃發(fā)展,傳統(tǒng)的建筑教育也迎來了“在線”時代。如何應(yīng)用虛擬技術(shù),構(gòu)建起在線的虛擬實驗課件,彌補(bǔ)那些在傳統(tǒng)建筑實驗教學(xué)中難以開展的教學(xué)過程,來提高教學(xué)成效?這是目前上述在線資源建設(shè)者們面臨的重要問題之一?!霸诰€虛擬實驗”由國外學(xué)者于20世紀(jì)末提出[1],并在MIT等頂尖高校初具發(fā)展[2]。它可以輕易地實現(xiàn)真實世界中,由于距離遠(yuǎn)、操作危險、成本高昂、空間局促、或者根本不可能開展的各種實驗,是建筑教育中對傳統(tǒng)實驗教學(xué)的重要補(bǔ)充,亦為部分傳統(tǒng)實驗走向“在線”提供了途徑。

        自2015年起,同濟(jì)大學(xué)建筑規(guī)劃景觀虛擬仿真實驗教學(xué)中心圍繞“三橫六縱”的在線虛擬實驗建設(shè)計劃,已有多個在線虛擬實驗?zāi)K上線運(yùn)行。繼2016年對《虛擬建筑認(rèn)知與建造模擬實驗系列(中國古建筑I)》即保國寺模擬建造PC版展開的教學(xué)成效評估實驗后,本研究將對原有技術(shù)應(yīng)用方案存在的問題予以優(yōu)化,基于個人沉浸式虛擬環(huán)境的模擬建造進(jìn)行再評估。

        2 相關(guān)工作

        2.1 古建筑模擬建造實驗的建設(shè)

        虛擬現(xiàn)實技術(shù)在古建筑模擬建造中的應(yīng)用最初可追溯到1995年在英國巴斯舉行的虛擬遺產(chǎn)會議(Virtual Heritage’95)[3]清華大學(xué)周寧等選擇圓明園為對象開發(fā)了虛擬重建系統(tǒng),為使用者提供了自由漫游、受限漫游、導(dǎo)游漫游三種漫游方式[4];東南大學(xué)杜嶸強(qiáng)調(diào)虛擬遺產(chǎn)的概念,他開發(fā)了南京明城墻視覺化信息系統(tǒng),讓使用者不到南京亦可領(lǐng)略經(jīng)歷600多年風(fēng)霜的城墻原貌[3],這類建設(shè)更多地關(guān)注對建筑復(fù)原結(jié)構(gòu)的保存和展示方式的探索。

        為在教學(xué)過程中增強(qiáng)初學(xué)者對古建筑建造過程學(xué)習(xí)的互動性,嚴(yán)鈞以斗栱作為教學(xué)對象,運(yùn)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)編制多媒體課件《中國古代木構(gòu)建筑特征與演變:大木作——斗拱》供教師上課的演示和講解外、還創(chuàng)建了“虛擬實驗”,讓學(xué)生進(jìn)行互動搭建,彌補(bǔ)了傳統(tǒng)教學(xué)方法中僅依靠二維圖像就要讓學(xué)生掌握晦澀的構(gòu)件名稱和層疊的結(jié)構(gòu)關(guān)系的不足[5],使教學(xué)效果得到很大提高。

        2.2 第一輪成效評估

        由同濟(jì)大學(xué)湯眾老師設(shè)計,并用于李楨教授《中國營造法》課程中的保國寺模擬建造PC版課件包括:構(gòu)件認(rèn)知、建造過程認(rèn)知兩大功能,并且預(yù)留了構(gòu)件監(jiān)測觀察接口以進(jìn)一步深入開發(fā)完善。該虛擬仿真課件是為讓學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)快速掌握中國古建筑的特點,學(xué)習(xí)中國古代木構(gòu)建筑各個主要構(gòu)件的名稱、位置和形象,了解其建造過程。

        國外學(xué)者早有研究表明,教學(xué)中的互動環(huán)節(jié)可以提高學(xué)習(xí)成效,為驗證擅長互動的虛擬技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)有積極作用,實驗抽取150名建筑類專業(yè)本科生進(jìn)行分組實驗,通過五種的不同的教學(xué)經(jīng)歷讓其進(jìn)行對保國寺構(gòu)件名稱和建造過程兩部分內(nèi)容的學(xué)習(xí),最終以考核及問卷調(diào)查的方式對比不同方法的學(xué)習(xí)成效。

        根據(jù)以上實驗結(jié)果表明基于現(xiàn)有技術(shù)“有限”應(yīng)用方案建成的在線虛擬實驗,相較于傳統(tǒng)教學(xué)方式及其各種衍生形式,在建筑類專業(yè)的對象認(rèn)知類學(xué)習(xí)中能夠明顯提高教學(xué)成效,而在過程認(rèn)知類學(xué)習(xí)中,暫時沒有看到明顯的效果[6]。

        3 優(yōu)化策略

        在對已建成保國寺模擬建造PC版課件進(jìn)行的教學(xué)成效評估中,作為“有限”應(yīng)用策略中“實驗內(nèi)容設(shè)計優(yōu)化——教學(xué)成效評估反饋”迭代式建設(shè)的第一輪評估,這里發(fā)現(xiàn)既有技術(shù)應(yīng)用方案存在的問題——該課件對虛擬建造過程的互動認(rèn)知學(xué)習(xí)存在“時序控制類型”上的設(shè)計缺陷。由于目前課件的時序控制采取了“定序延緩”的形式(見表1),即學(xué)生雖然可以通過互動操作變換畫面的視角(從不同方向觀看建造過程),但就建造序列的互動參與程度而言,學(xué)生只能夠在觸發(fā)“下一步”與“上一步”之間做出選擇(構(gòu)件間的匹配關(guān)系與裝配先后為固有設(shè)定),并沒有充分發(fā)揮虛擬技術(shù)中互動技術(shù)的潛力——如讓學(xué)生三維操作一個自選構(gòu)件至另一個構(gòu)件以完成虛擬裝配,即通過互動操作加深學(xué)生對構(gòu)件間的匹配關(guān)系與裝配先后的認(rèn)知。所以,第一輪評估結(jié)果會顯示出該模塊對“過程認(rèn)知類知識”的學(xué)習(xí)成效平平。

        表1 "基因圖譜"中的虛擬技術(shù)應(yīng)用方案

        在后續(xù)建設(shè)中,我們根據(jù)虛擬技術(shù)的“基因圖譜”嘗試了更高級別的時序互動控制技術(shù)(見表1),開發(fā)出基于HTCvive虛擬現(xiàn)實環(huán)境下的保國寺模擬建造PC版。該環(huán)境下將保國寺模擬建造PC版課件中保國寺的四百多個構(gòu)件進(jìn)行適當(dāng)組合,分為基座、柱網(wǎng)層、額串枋及內(nèi)柱鋪作、斗栱、轉(zhuǎn)角及柱頭鋪作、補(bǔ)間鋪作、屋頂草架共7個場景,保證學(xué)生可在短時間內(nèi)邏輯清晰地記憶保國寺的建造過程(見圖1)。其中第四個場景為以中國古建結(jié)構(gòu)體系中最難描述的核心知識:斗栱進(jìn)行的單獨裝配過程余為自下而上的整體裝配。

        在操作過程中還可調(diào)整人體比例尺度、控制環(huán)境有無、改變行動方式:步行/瞬移/飛行,選擇操作方式:握模式/代理模式。其中握模式為手柄獲取構(gòu)件后跟隨手腕轉(zhuǎn)動的操作方式;代理模式為可通過X、Y、Z軸遠(yuǎn)程旋轉(zhuǎn)或移動構(gòu)件的操作模式。多種控制方式的設(shè)定為后續(xù)實驗提供了多選項性,有利于對保國寺模擬建造VR版進(jìn)行縱向評估分析(見圖2-圖4)。

        圖1 保國寺模擬建造VR版7個場景

        圖2 代理模式下的構(gòu)件裝配

        圖3 1∶1比例下的空間畫面

        圖4 斗栱裝配

        4 教學(xué)成效再評估

        為推動虛擬技術(shù)“有限”應(yīng)用策略下的內(nèi)容進(jìn)化,并檢驗其效果,本次再評估實驗將通過橫向比較分析法和縱向比較分析法,針對基于個人沉浸式虛擬環(huán)境的模擬建造實驗對于古建筑構(gòu)件認(rèn)知類知識和建造過程認(rèn)知類知識的教學(xué)成效進(jìn)行定量分析。

        4.1 學(xué)生群體的基本特征

        參與本虛擬模擬建造實驗的150位建筑類專業(yè)的本科低年級學(xué)生,他們均接受過中國傳統(tǒng)木構(gòu)建筑的基礎(chǔ)知識教學(xué),但對寧波保國寺建筑并無了解。其中,30人需參與保國寺模擬建造VR版的全過程搭建,剩余120人參與2-3個場景的建造任務(wù)。實驗練習(xí)過程均在同濟(jì)大學(xué)建筑規(guī)劃景觀虛擬仿真實驗教學(xué)中心的兩套HTC設(shè)備上完成,由于周期較長,目前實驗仍在開展過程中,因此后文中所用部分?jǐn)?shù)據(jù)為不完全統(tǒng)計。

        4.2 橫向比較分析

        在第一輪針對PC平臺上的虛擬認(rèn)知與建造教學(xué)效果評估中發(fā)現(xiàn),該平臺對建筑對象認(rèn)知類學(xué)習(xí)能夠起到明顯的積極作用,而對過程認(rèn)知類學(xué)習(xí)則效果不明顯。本輪再評估實驗將針對改進(jìn)后的保國寺模擬建造VR版與第一輪的成效評估進(jìn)行橫向比較。

        第一論評估實驗是讓五組同學(xué)在1 h內(nèi)通過五種不同的教學(xué)方式進(jìn)行保國寺的構(gòu)件認(rèn)知和建造過程的學(xué)習(xí)(共150人,每組30人),包括通過課堂教師傳授,教師利用傳統(tǒng)的平、立、剖二維圖紙向同學(xué)解釋保國寺的構(gòu)件名稱和建造過程(第一組);通過紙質(zhì)的書本材料自學(xué)保國寺的兩部分內(nèi)容,沒有老師指導(dǎo)(第二組);利用課后時間在沒有紙質(zhì)材料和老師講解的情況下用在線虛擬實驗軟件自學(xué)(第三組);在課堂接受教師使用在線虛擬實驗軟件進(jìn)行展示傳授,但課后無自學(xué)時間;第五組采用混合式的實驗方式(第四組):老師簡單詮釋關(guān)于保國寺的規(guī)律性知識15 min,剩余45 min都由學(xué)生操作在線虛擬實驗軟件自學(xué)完成(第五組)。在經(jīng)歷與第一輪評估實驗中五組同學(xué)相同學(xué)習(xí)時間的前提下,增添30名第六組同學(xué)利用課后時間在沒有紙質(zhì)材料和老師講解的情況下用HTC模擬建造實驗平臺進(jìn)行自學(xué)(見圖5)。在學(xué)習(xí)后同樣花10 min時間來完成一份與之前五組相同的紙質(zhì)考卷學(xué)習(xí)后的考核,考卷內(nèi)容分對象認(rèn)知類知識考核(記憶建筑構(gòu)件的形式與名稱22題)與過程認(rèn)知類知識考核(記憶建筑建造的過程8題)兩部分,共30題(見圖6)。

        根據(jù)6種經(jīng)歷不同教學(xué)過程的小組實驗的數(shù)據(jù)橫向比較分析發(fā)現(xiàn)(見圖7),在基于HTC模擬建造實驗平臺下進(jìn)行學(xué)習(xí)的第六小組學(xué)習(xí)成效不論對于對象認(rèn)知類知識還是過程認(rèn)知類知識的平均正確率都明顯高于其他組,彌補(bǔ)了原有教學(xué)技術(shù)應(yīng)用方案中對建造過程類認(rèn)知的欠缺。由此說明了對原有技術(shù)應(yīng)用方案所提出的質(zhì)疑和實驗內(nèi)容設(shè)計優(yōu)化是非常有必要的,現(xiàn)有的技術(shù)“有限”應(yīng)用方案v2.0,相較傳統(tǒng)教學(xué)方式及其各種衍生形式以及技術(shù)“有限”應(yīng)用方案v1.0,在建筑類專業(yè)的對象認(rèn)知類學(xué)習(xí)和建造過程認(rèn)知類學(xué)習(xí)中都能夠明顯提高教學(xué)成效。

        圖5 HTC保國寺虛擬建造

        圖6 紙質(zhì)考核

        圖7 6組過程認(rèn)知類答題平均正確率比對

        4.3 縱向比較分析

        在明確現(xiàn)有的技術(shù)應(yīng)用方案相較原有技術(shù)應(yīng)用方案有更為積極的教學(xué)成效后,為探索同一教學(xué)技術(shù)應(yīng)用方案之下,不同的操作控制方式所能帶來的不同教學(xué)效果,本實驗又針對保國寺模擬建造VR版中現(xiàn)有的各控制方式選擇對教學(xué)成效的影響進(jìn)行縱向?qū)Ρ确治?,為后續(xù)教案的設(shè)計者在內(nèi)容建設(shè)方面提供參考。

        實驗過程及時間分配為5 min熟悉環(huán)境,20 min練習(xí)以及15 min考核 (共40 min),練習(xí)和考核都在HTC環(huán)境下完成,內(nèi)容均為保國寺的構(gòu)件裝配。由于設(shè)備數(shù)量有限,搭建全過程的時間過長,先將搭建內(nèi)容均分為搭建數(shù)量平均的三部分,第一部分為基座、柱網(wǎng)層、額串枋及內(nèi)柱鋪作3個場景;第二部分為斗栱、轉(zhuǎn)角及柱頭鋪作2個場景;第三部分補(bǔ)間鋪作、屋頂草架2個場景,確保每位同學(xué)在規(guī)定時間內(nèi)完成其中一個部分內(nèi)容的搭建練習(xí)和考核,(總共120人,每部分40人)。在三部分搭建內(nèi)容下,又將各拆分成A、B、C、D四組(每組10人),使其操作環(huán)境的控制方式各不相同。組A的控制項為比例選擇1∶1,有環(huán)境;組B的控制項為比例選擇1∶1,無環(huán)境;組C的控制項為比例任意,有環(huán)境;組D的控制項為比例任意,無環(huán)境。另外移動方式(步行/瞬移/飛行)以及操作方式(握模式/代理模式)在操作過程中都可任意選擇。

        最終從操作速度、完成率和平均正確率三方面評判各控制項選擇對教學(xué)成效的相關(guān)性影響(見表2)。代理模式、比例過大或過小對速度、完成率和正確率均呈現(xiàn)明顯負(fù)相關(guān),移動方式中的飛行模式以及環(huán)境的有無對速度和平均正確率稍有負(fù)面影響,而比例1:10對于建造過程正確率的提高顯示出明顯的積極效果。從學(xué)生練習(xí)和考核的過程操作中歸納出產(chǎn)生這些數(shù)據(jù)結(jié)果的原因:

        第一,在比例調(diào)節(jié)上,只能使用1∶1真實比例或1∶5比例的同學(xué),構(gòu)件體量過大,導(dǎo)致在搭建過程中因調(diào)節(jié)構(gòu)件位置而耗費的時間過長;在任意比例下選擇1∶20比例的同學(xué)擺放雖然相對方便快速,但由于構(gòu)件過于小而無法辨認(rèn),導(dǎo)致效果不佳;只有比例1∶10的同學(xué),建筑尺度相較人體尺度稍小,既便于擺放,又可處于俯視,對建筑全貌的記憶有明顯優(yōu)勢。

        第二,在操作模式的選擇上,構(gòu)件尺度較大或構(gòu)件位置較高的同學(xué)會更傾向于使用代理模式,而非握模式。但代理模式通過控制旋轉(zhuǎn)軸和移動軸的方式又往往沒有通過直接轉(zhuǎn)動手腕來控制構(gòu)件方向的握模式來的便捷快速,因而導(dǎo)致學(xué)生操作速度和完成率的下降,進(jìn)而使其在規(guī)定時間內(nèi)難以完成任務(wù),正確率就隨之降低。

        第三,在移動方式上,構(gòu)件尺度較大或搭建高空構(gòu)件的部分同學(xué)同樣傾向于使用飛行模式來提高自己的站位。但飛行時間過長容易使人產(chǎn)生暈眩,從而導(dǎo)致身體上的不舒適和情緒上的不愉悅。適當(dāng)?shù)娘w行則并不會給結(jié)果帶來明顯的消極影響。

        第四,在環(huán)境的有無上。由于構(gòu)件絕大多數(shù)是根據(jù)方位來命名,有建筑周邊環(huán)境的參考會相對使學(xué)生更好的判斷方位。

        由上數(shù)據(jù)可總結(jié)出,在同一技術(shù)應(yīng)用方案之下,操作控制方式的不同會對教學(xué)成效產(chǎn)生不同的影響。設(shè)計者應(yīng)更多的關(guān)注內(nèi)容建設(shè),不斷進(jìn)行“實驗內(nèi)容設(shè)計優(yōu)化——教學(xué)成效評估反饋”的迭代,從而才能使與教學(xué)需求相匹配的技術(shù)應(yīng)用方案發(fā)揮出更大的功效。

        表2 各控制項對速度、完成率、平均正確率的相關(guān)性分析

        5 結(jié)論

        隨著“在線”時代的來臨,同濟(jì)大學(xué)建筑類專業(yè)的在線虛擬實驗課件建設(shè)正在緊鑼密鼓地開展。建設(shè)團(tuán)隊針對高校教育的實際需要,提出了在虛擬技術(shù)應(yīng)用上的“有限”策略,旨在立足大規(guī)模教學(xué)的實際情況,將有限的資源投入到“內(nèi)容建設(shè)”中。同時,為了檢驗建設(shè)的效果,推動“實驗內(nèi)容設(shè)計優(yōu)化——教學(xué)成效評估反饋”的迭代,針對原有教學(xué)技術(shù)應(yīng)用方案對建造過程類知識的教學(xué)成效無積極影響,在優(yōu)化后進(jìn)行了教學(xué)成效再評估。

        評估的結(jié)果為以下:

        第一,基于HTC虛擬設(shè)備的模擬建造環(huán)境相較于傳統(tǒng)教學(xué)方式及其各種衍生形式和基于PC平臺的模擬建造環(huán)境,在建筑類專業(yè)的對象認(rèn)知類學(xué)習(xí)和過程認(rèn)知類學(xué)習(xí)中均能夠明顯提高教學(xué)成效;

        第二,設(shè)計者在內(nèi)容建設(shè)方面,應(yīng)根據(jù)不同的課程應(yīng)用需求和特質(zhì),來選擇與之對應(yīng)的教學(xué)應(yīng)用技術(shù)方案。

        第三,同一教學(xué)技術(shù)應(yīng)用方案之下,不同的操作控制方式也會帶來不同的教學(xué)效果,需設(shè)計者不斷推敲優(yōu)化。

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