張欣宇 王毅 貴州師范大學(xué)教育科學(xué)學(xué)院

一、引言

《房屋建筑學(xué)》課程是高等學(xué)校土木建筑類相關(guān)專業(yè)開設(shè)的一門基礎(chǔ)必修課程，是各個(gè)工程技術(shù)類專業(yè)，如土木工程，安全工程等專業(yè)的主干課程，對(duì)于此類專業(yè)的學(xué)習(xí)具有重要意義與作用。由于該門課程的學(xué)習(xí)內(nèi)容較為廣泛，不僅有內(nèi)容繁雜的建筑設(shè)計(jì)規(guī)范，又有抽象的設(shè)計(jì)理念及多樣的改造方式，導(dǎo)致學(xué)生出現(xiàn)無從下手的現(xiàn)象，近年來，受到學(xué)時(shí)減少、教材陳舊及生源質(zhì)量欠佳的影響，教師的教學(xué)壓力不斷加大。[1]

當(dāng)前，隨著教育教學(xué)逐漸呈現(xiàn)現(xiàn)代化、信息化的趨勢，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在信息和通信技術(shù)行業(yè)中出現(xiàn)得非常頻繁，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、數(shù)字圖像處理、多媒體技術(shù)和信息技術(shù)其他分支交叉融合產(chǎn)生的新技術(shù)，它已經(jīng)出現(xiàn)在娛樂、建筑、測量、制造、醫(yī)療等多個(gè)行業(yè)。在教育行業(yè)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸感、交互性、想象性三大特征極大地克服了傳統(tǒng)教學(xué)環(huán)境的限制，有利于激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)情境學(xué)習(xí)和知識(shí)遷移。[2]不僅打破了傳統(tǒng)書本和教師單一授課的方式，且通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將抽象的內(nèi)容轉(zhuǎn)為具體的圖像，如表現(xiàn)空間主體化的知識(shí)，機(jī)械運(yùn)動(dòng)的三維系統(tǒng)等能使學(xué)生更好的理解，以及在高校建立虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)基地突破時(shí)間與空間的限制，可以說，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)教育的發(fā)展起到了極大地促進(jìn)作用。因此，本文將《房屋建筑學(xué)》課程教學(xué)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相結(jié)合，通過運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入《房屋建筑學(xué)》課程教學(xué)，針對(duì)目前《房屋建筑學(xué)》課程教學(xué)中存在的諸多問題，提出可行性建議，促進(jìn)教學(xué)效果提升。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡介

（一）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的內(nèi)涵解讀

虛擬現(xiàn)實(shí)理論（Virtual Reality）首次出現(xiàn)于1963年，“計(jì)算機(jī)圖形之父”Ivan Sutherland在他的博士論文中提出。計(jì)算機(jī)技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的基礎(chǔ)，虛擬現(xiàn)實(shí)是仿真技術(shù)的一個(gè)重要方向;它集仿真技術(shù)和計(jì)算機(jī)圖形學(xué)，人機(jī)界面交互技術(shù)，多媒體技術(shù)，傳感技術(shù)，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等技術(shù)于一體。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的3I特性于1994年由Burdea提出，即沉浸性（immersion）、交互性（interaction）和構(gòu)想性（imagination），這三者相互影響并構(gòu)成了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)三角形。但不同研究領(lǐng)域的學(xué)者各自對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行了定義，謝爾曼和賈金斯用五個(gè)“I”為虛擬現(xiàn)實(shí)下了定義：“Intensive(集中的)，Interactive(交互的)，Immersive(沉浸的)，Illustrative(例證的)，and Intuitive(直觀的)”。[3]本文研究主要結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的3I特性，在《房屋建筑學(xué)》課程教學(xué)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的3I特性的體現(xiàn)使學(xué)生在學(xué)習(xí)的過程中身臨其境，對(duì)于建筑的了解更加充分且深刻。

（二）虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)教育教學(xué)的優(yōu)勢分析

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要包括仿真環(huán)境，感知，自然技能和傳感設(shè)備等。在《房屋建筑學(xué)》課程教學(xué)中可通過計(jì)算機(jī)生成實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)的三維仿真建筑圖像與施工現(xiàn)場，構(gòu)建《房屋建筑學(xué)》課程所需要的模擬環(huán)境；感知?jiǎng)t指的是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用中應(yīng)具有一切或是大部分人本身所具有的感知，除構(gòu)造出的模擬建筑物環(huán)境所生成的三維立體仿真圖像帶來的視覺感知外，還應(yīng)該存在諸如聽覺，觸覺，力和運(yùn)動(dòng)之類的感知。例如建筑物中不同墻壁結(jié)構(gòu)的紋理，不同的建筑材料的觸感以及感受其材料硬度時(shí)的力覺等；而自然技能與傳感設(shè)備則是學(xué)生在虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行課程學(xué)習(xí)時(shí)由計(jì)算機(jī)處理的其人體行為動(dòng)作的數(shù)據(jù)并作出反饋與響應(yīng)，即三維交互。

三、《房屋建筑學(xué)》課程當(dāng)前存在的問題分析

（一）理論課教學(xué)過于抽象，學(xué)生難以理解

《房屋建筑學(xué)》課程中房屋以及建筑各方面理論的學(xué)習(xí)是進(jìn)行后續(xù)建筑設(shè)計(jì)、施工實(shí)踐以及高年級(jí)專業(yè)課學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，而理論知識(shí)點(diǎn)繁多又冗雜，不僅涉及建筑平立剖面設(shè)計(jì)等需要空間想象的種種理論，且涉及墻體、樓地層構(gòu)造、變形縫等建筑構(gòu)造，在傳統(tǒng)的教師教、學(xué)生學(xué)的課堂教學(xué)模式中難以讓學(xué)生直觀感受體會(huì)，只能依賴于學(xué)生的空間想象能力。因此，理論課的教學(xué)效果根據(jù)學(xué)生空間想象能力的不同，導(dǎo)致同樣的授課教師，同樣的授課學(xué)時(shí)下，學(xué)生們對(duì)于《房屋建筑學(xué)》課程理論知識(shí)的接受與理解程度參差不齊，理論課教學(xué)效果難以控制、多數(shù)學(xué)生對(duì)于《房屋建筑學(xué)》中的各理論知識(shí)點(diǎn)接受程度較低。

（二）實(shí)踐課教學(xué)難以達(dá)到實(shí)際運(yùn)用的教學(xué)目的

《房屋建筑學(xué)》課程教學(xué)中的實(shí)踐環(huán)節(jié)一般包括課程設(shè)計(jì)和現(xiàn)場實(shí)習(xí)兩個(gè)部分。課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)使學(xué)生得到工程實(shí)踐的實(shí)際練習(xí)，旨在提升學(xué)生動(dòng)手能力以及對(duì)于教材中學(xué)習(xí)到的理論知識(shí)進(jìn)行綜合應(yīng)用的能力。但由于課程內(nèi)容中的知識(shí)點(diǎn)龐雜以及學(xué)生對(duì)知識(shí)點(diǎn)的接受程度較低，在學(xué)生做課程設(shè)計(jì)時(shí)問題往往較多甚至常出現(xiàn)平立剖面圖相互矛盾的情況。因此在整個(gè)過程中，對(duì)老師的依賴程度較高。而現(xiàn)場實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)中，因?yàn)椤斗课萁ㄖW(xué)》課程中各章節(jié)內(nèi)容多數(shù)處于一個(gè)建筑施工的不同階段，但由于課時(shí)以及實(shí)習(xí)場地資源等多方面因素的限制，高校無法找到多個(gè)不同施工階段的建筑工地進(jìn)行《房屋建筑學(xué)》課程實(shí)踐環(huán)節(jié)的現(xiàn)場實(shí)習(xí)。因此現(xiàn)場實(shí)習(xí)環(huán)節(jié)往往只有建筑環(huán)境的情境，但并沒有可以讓學(xué)生結(jié)合自身在課堂中所學(xué)習(xí)的理論來解決問題或是研究理論原理的一個(gè)具體情境。因而并未達(dá)到真正意義上實(shí)習(xí)的目的，難以實(shí)現(xiàn)提高學(xué)生在施工現(xiàn)場以及建筑實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)問題、運(yùn)用所學(xué)理論知識(shí)解決實(shí)際問題的能力。

（三）學(xué)生對(duì)于課程的學(xué)習(xí)多為應(yīng)試目的

《房屋建筑學(xué)》課程內(nèi)容涵蓋民用建筑設(shè)計(jì)理論以及建筑構(gòu)造兩大部分。對(duì)于土木工程及其相關(guān)專業(yè)畢業(yè)后多數(shù)從事工程施工崗位的學(xué)生而言，此門課程不僅在工程施工領(lǐng)域具有指導(dǎo)作用，并且是此類專業(yè)學(xué)生學(xué)習(xí)后續(xù)專業(yè)課的基礎(chǔ)。只有對(duì)于建筑從平立剖面設(shè)計(jì)到構(gòu)造做法有了一定程度的了解，才能更好地去學(xué)習(xí)和理解后續(xù)各個(gè)專業(yè)課內(nèi)容。《房屋建筑學(xué)》在土木工程及其相關(guān)專業(yè)學(xué)生專業(yè)課的學(xué)習(xí)中雖然有著承上啟下的關(guān)鍵作用，但各個(gè)專業(yè)的學(xué)生卻多數(shù)存在著因?yàn)榉潜緦I(yè)重要專業(yè)課而對(duì)《房屋建筑學(xué)》課程未重視的情況。《房屋建筑學(xué)》課程中的知識(shí)點(diǎn)繁多又冗雜，而學(xué)時(shí)卻又不斷壓縮。且在上述情況的基礎(chǔ)上，當(dāng)前多數(shù)開設(shè)《房屋建筑學(xué)》課程的高校，依然在教師圍繞課本、學(xué)生圍繞考試的傳統(tǒng)模式下進(jìn)行授課，缺乏對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣的激發(fā)，使課程變得枯燥乏味，導(dǎo)致學(xué)生逐漸對(duì)課程失去興趣，最終讓學(xué)生進(jìn)入以應(yīng)付考試為目的的“突擊式”、“快餐式”學(xué)習(xí)狀態(tài)中，并未真正掌握《房屋建筑學(xué)》的理論知識(shí)以及實(shí)踐技能。

四、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在《房屋建筑學(xué)》課程教學(xué)中的應(yīng)用

《教育信息化2.0》行動(dòng)計(jì)劃中指出：“主要發(fā)達(dá)國家均已意識(shí)到新形勢下教育變革勢在必行，從國家層面發(fā)布教育創(chuàng)新戰(zhàn)略，設(shè)計(jì)教育改革發(fā)展藍(lán)圖，積極探索新模式、開發(fā)新產(chǎn)品、推進(jìn)新技術(shù)支持下的教育教學(xué)創(chuàng)新?！盵4]因此，合理的運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與《房屋建筑學(xué)》課程教學(xué)相結(jié)合，既符合當(dāng)前時(shí)代發(fā)展以及國家政策中對(duì)于教育教學(xué)創(chuàng)新的要求，又能解決當(dāng)前課程教學(xué)中存在的種種問題。

（一）理論教學(xué)中——融入沉浸式體驗(yàn)，增強(qiáng)知識(shí)的直觀性

由于《房屋建筑學(xué)》課程中的知識(shí)內(nèi)容范圍廣泛，圖形復(fù)雜多樣，構(gòu)造方式繁雜，而傳統(tǒng)的教學(xué)方法難以從多個(gè)角度去反映建筑物之間的空間關(guān)系，因此，在理論課教學(xué)中融入沉浸式體驗(yàn)教學(xué)能使教學(xué)中的建筑圖形更為直觀，使教學(xué)更加形象生動(dòng)，增強(qiáng)了教學(xué)內(nèi)容的直觀性與立體感，能極大調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。

1.運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建建筑材料三維模型

在《房屋建筑學(xué)》課程中的墻體、樓地層構(gòu)造、屋頂、門窗等多個(gè)章節(jié)均涉及到建筑材料的介紹與使用，但多數(shù)傳統(tǒng)教學(xué)的重點(diǎn)已經(jīng)脫離時(shí)代的步伐。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的三維模型建筑材料模型，將使學(xué)生通過沉浸式體驗(yàn)學(xué)習(xí)擁有更直觀，更細(xì)致的觀察和體驗(yàn)。并且由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是基于計(jì)算機(jī)技術(shù)進(jìn)行開發(fā)和設(shè)計(jì)的，因此運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建建筑材料的三維模型，更有利于更新課程內(nèi)容，脫離教材限制。當(dāng)下科技產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，對(duì)于新材料新產(chǎn)品的研發(fā)速度將遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于《房屋建筑學(xué)》教材的更新速度，授課教師在課堂上運(yùn)用傳統(tǒng)的PPT授課所展示的內(nèi)容有限，學(xué)生接受和記憶程度較低，而運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建建筑材料的三維模型，不僅可以通過電腦數(shù)據(jù)更新到最新或是最常用的建筑材料模型，緊跟時(shí)代的步伐，且在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)環(huán)境中，學(xué)生對(duì)種種建筑材料的認(rèn)識(shí)、觀察、交互、甚至觸感力感的體驗(yàn)對(duì)于學(xué)生更好地接受和理解課程內(nèi)容有著極大的幫助。由此來看，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建建筑材料三維模型一定程度上解決了《房屋建筑學(xué)》課程教材內(nèi)容存在滯后性的問題。

2.運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建整體建筑結(jié)構(gòu)

《房屋建筑學(xué)》課程教學(xué)內(nèi)容的重點(diǎn)之一在于讓學(xué)生了解和掌握建筑物整體與各部分的結(jié)構(gòu)構(gòu)造。根據(jù)教材版本不同，開設(shè)《房屋建筑學(xué)》課程的高校不同，其教材內(nèi)容中建筑物構(gòu)造部分的側(cè)重點(diǎn)也有所不同，當(dāng)下，大部分高?！斗课萁ㄖW(xué)》課程現(xiàn)用教材中均有民用建筑、工業(yè)建筑、廠房等建筑的構(gòu)造章節(jié)。因此，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建建筑環(huán)境存在必要性。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建多種建筑環(huán)境，并在所構(gòu)建的建筑環(huán)境中，不僅能夠使學(xué)生得到沉浸式、交互式體驗(yàn)、構(gòu)想式學(xué)習(xí)，還能構(gòu)建出民用建筑、商用建筑、工業(yè)建筑等多種建筑物內(nèi)部以及整體的構(gòu)造，為了讓學(xué)生在學(xué)習(xí)課程內(nèi)容的過程中更加直觀真實(shí)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，還可以運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建出某種類型的建筑物的局部構(gòu)造。在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的條件下，可以解放授課空間、節(jié)省授課時(shí)間并使教學(xué)脫離空間和時(shí)間的限制。如在進(jìn)行變形縫章節(jié)授課時(shí)，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建出伸縮縫在建筑物因受溫度變化的影響而產(chǎn)生熱脹冷縮時(shí)伸縮縫部位的變化；在建筑物各部分不均勻沉降時(shí)沉降縫部位的變化；并可模擬在地震時(shí)防震縫部位的作用。使學(xué)生充分理解每種變形縫在建筑中的作用以及設(shè)置部位等知識(shí)點(diǎn)。

（二）實(shí)踐教學(xué)中——?jiǎng)?chuàng)設(shè)情境，引入體驗(yàn)式教學(xué)

1.建筑構(gòu)造設(shè)計(jì)，利用建筑模型創(chuàng)設(shè)情境

建筑模型可以立體直觀地反映房屋及其構(gòu)件的真實(shí)構(gòu)造，能反映構(gòu)件的連接關(guān)系，利用建筑模型創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境是對(duì)其他教學(xué)方式的有益補(bǔ)充。[5]因此，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建模擬實(shí)驗(yàn)室，并依托課程設(shè)計(jì)，讓學(xué)習(xí)者自己動(dòng)手制作建筑物的模型，能夠促進(jìn)學(xué)生對(duì)建筑的結(jié)構(gòu)組成、建筑知識(shí)的了解，且加深對(duì)專業(yè)知識(shí)的認(rèn)知。

2.建筑課程設(shè)計(jì)，通過案例啟發(fā)創(chuàng)設(shè)情境

在《房屋建筑學(xué)》課程中的基礎(chǔ)和地下室、墻體、樓地層構(gòu)造、變形縫等章節(jié)均涉及建筑施工技術(shù)。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建基礎(chǔ)施工、墻體施工、樓地層施工、屋頂施工、變形縫施工等多種建筑施工現(xiàn)場場景，結(jié)合授課章節(jié)階段，在沉浸式虛擬環(huán)境下，觀察各種階段的施工技術(shù)方法以及施工條件，配合授課老師講解，既能解決傳統(tǒng)老師授課時(shí)需要花費(fèi)大量學(xué)時(shí)在學(xué)生腦海中構(gòu)建場景的問題，又能展現(xiàn)出傳統(tǒng)現(xiàn)場實(shí)習(xí)中無法兼顧的多種施工階段的場景。

（三）通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和潛能

我國教育部于2018年10月18日印發(fā)了“新時(shí)代高教40條”相關(guān)文件，決定實(shí)施“六卓越一拔尖”計(jì)劃2.0。其中便有“圍繞激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和潛能深化教學(xué)改革”的若干意見。而將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入《房屋建筑學(xué)》的課程教學(xué)中正是激發(fā)學(xué)生興趣和潛能的一種方式。

而將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入課堂教學(xué)，以沉浸式的學(xué)習(xí)方式配合任課教師的即時(shí)講解，從教學(xué)開始時(shí)便調(diào)動(dòng)了學(xué)生的好奇心和探索欲，其認(rèn)知過程由被動(dòng)至主動(dòng)，學(xué)習(xí)狀態(tài)由消極至積極。因此，要將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入到課堂教學(xué)改革中，如此既能激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣又能提升學(xué)生的綜合素質(zhì)。

（四）以沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)，改革《房屋建筑學(xué)》課程教學(xué)

理論教學(xué)中開發(fā)VR課程資源，建立健全虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備教室，運(yùn)用VR眼鏡等虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備，改革傳統(tǒng)課堂講授法的理論教學(xué)，使學(xué)生獲得沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)。不僅令學(xué)生理論知識(shí)的學(xué)習(xí)更加直觀且具有趣味性，且教師在教授難以用語言準(zhǔn)確描述的理論知識(shí)時(shí)，可以基于虛擬現(xiàn)實(shí)構(gòu)建的虛擬環(huán)境給予學(xué)生更加精確和細(xì)致的講解。實(shí)踐教學(xué)中，改革實(shí)踐課程授課方式、解放原有實(shí)踐課程場地，教師在虛擬空間內(nèi)對(duì)學(xué)生進(jìn)行現(xiàn)場教學(xué)，改變傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)氛圍，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

五、結(jié)語

長期以來，由于傳統(tǒng)的教學(xué)方式及教學(xué)環(huán)境的限制，使《房屋建筑學(xué)》課程呈現(xiàn)了重藝輕技的局面，因此，如何將繁雜的教學(xué)內(nèi)容與恰當(dāng)?shù)慕虒W(xué)方式合理結(jié)合，加強(qiáng)技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用是值得深入探究的問題。從已有的研究來看，隨著時(shí)代的發(fā)展進(jìn)步，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育課程領(lǐng)域的應(yīng)用將呈現(xiàn)多元化的發(fā)展趨勢，而將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與課程教學(xué)結(jié)合的優(yōu)勢是明顯的。對(duì)于提高教育技術(shù)水平、改善教學(xué)環(huán)境、豐富教學(xué)資源、優(yōu)化教學(xué)過程，培養(yǎng)個(gè)性化、創(chuàng)新型的人才具有重要作用。[6]目前，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用水平呈上升趨勢，高等學(xué)校工科相關(guān)專業(yè)教學(xué)手段匱乏，難以與時(shí)俱進(jìn)，為適應(yīng)現(xiàn)代化發(fā)展、響應(yīng)國家相關(guān)政策，高等教育應(yīng)該走向多元化、信息化道路。如何將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于《房屋建筑學(xué)》課程教學(xué)中，可以作為土木工程相關(guān)專業(yè)的一個(gè)切入點(diǎn)，帶動(dòng)其專業(yè)相關(guān)科目教學(xué)加快信息化、現(xiàn)代化步伐。如何通過虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)更好的解決教學(xué)中的復(fù)雜問題，還有待在日后的教學(xué)與實(shí)踐中不斷探索、完善與創(chuàng)新。