劉容宇，蘇 瑀

（北京城市學(xué)院城市建設(shè)學(xué)部，北京 101309）

實踐教學(xué)既是加深理論知識，增強理論認(rèn)識的重要環(huán)節(jié)，也是培養(yǎng)學(xué)生掌握科學(xué)方法和提高動手能力的重要平臺。同時，在高校教學(xué)過程中，更是理論聯(lián)系實際不可或缺的一部分，為培養(yǎng)具有創(chuàng)新意識的高素質(zhì)人才而奠定實踐基礎(chǔ)。然而，對于城建類各專業(yè)而言，隨著行業(yè)的不斷發(fā)展，新技術(shù)不斷涌現(xiàn)，傳統(tǒng)的實踐教學(xué)就顯得“獨木難支”了。為適應(yīng)時代的變化，迎合市場的需求，這就對學(xué)生的培養(yǎng)提出了更高的要求。那么，如何培養(yǎng)？怎樣培養(yǎng)？就是首要解決的問題。為了改變北京城市學(xué)院“城建類”各專業(yè)的傳統(tǒng)實踐教學(xué)方式，發(fā)掘新思路、尋求新發(fā)展、開創(chuàng)新局面，便思考將現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)與實踐教學(xué)相結(jié)合，特別是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的引進(jìn)與應(yīng)用，正可謂是“吐故納新”的最佳詮釋了。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR），也稱為靈境、幻真、賽博空間等，是一種可以創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)，可以形成一種“人既可沉浸其中又可超越其上、進(jìn)出自如、互相交互的多維信息空間”。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是利用計算機模擬產(chǎn)生一個多維信息空間的虛擬世界，為體驗者創(chuàng)造了視覺、嗅覺、觸覺、聽覺、味覺等多方面、多維度、多感受的感官模擬場景，讓體驗者如身臨其境一般，可以實時、自如地在虛擬環(huán)境中進(jìn)行全方位的感知體驗[1-2]?，F(xiàn)如今，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已在各行、各領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。

2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在國內(nèi)外的應(yīng)用與發(fā)展

虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)明于美國，最早是面向軍事領(lǐng)域，開展了諸多航空、航天領(lǐng)域產(chǎn)品的研發(fā)和宇航員、飛行員、維修人員的各種模擬訓(xùn)練系統(tǒng)的研究開發(fā)[3-5]。現(xiàn)如今，已經(jīng)建成了空間站、航空、衛(wèi)星維護的虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練系統(tǒng)，建立了可供全國使用的虛擬現(xiàn)實教育系統(tǒng)[6-7]。此外，在一些比較發(fā)達(dá)的國家，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域中被研究與應(yīng)用。譬如，在建筑仿真、醫(yī)學(xué)仿真、分子建模、航空駕駛、工業(yè)設(shè)計等實踐教學(xué)中虛擬現(xiàn)實技術(shù)均發(fā)揮著重要作用[8-11]。

中國對于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究雖然與國外一些較為發(fā)達(dá)的國家相比，仍有一定的差距，但隨著計算機系統(tǒng)工程以及計算機圖形學(xué)等技術(shù)的迅猛發(fā)展，中國各界人士對虛擬現(xiàn)實技術(shù)也越來越重視，并且積極進(jìn)行著虛擬現(xiàn)實環(huán)境的創(chuàng)建及虛擬現(xiàn)實場景分布式系統(tǒng)的開發(fā)[12]。國內(nèi)諸多高校和研究機構(gòu)也在積極進(jìn)行虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究及應(yīng)用，同時也取得了一定的成果。目前在所知范圍內(nèi)，已經(jīng)在飛行員虛擬現(xiàn)實訓(xùn)練、實用純交互式汽車模擬駕駛培訓(xùn)、虛擬體育仿真、數(shù)字文化遺產(chǎn)保護、果樹栽培技能等各方面、各專業(yè)中實現(xiàn)了廣泛應(yīng)用，并收獲了令人滿意的效果[13-16]。

3 北京城市學(xué)院引進(jìn)虛擬現(xiàn)實技術(shù)的背景

城市建設(shè)行業(yè)涉及經(jīng)濟社會發(fā)展的各個領(lǐng)域，中國城市化進(jìn)程的加快，首都“世界城市”建設(shè)以及京津冀經(jīng)濟圈建設(shè)的展開，各地城市格局的調(diào)整和功能提升，帶動了大規(guī)模的城市建設(shè)，而城市化面臨的生態(tài)失衡、資源浪費、特色消失、能源消耗、環(huán)境惡化、城市災(zāi)害頻發(fā)等現(xiàn)實問題，則亟需依靠現(xiàn)代化科技加以解決。進(jìn)而，這就對城建類相關(guān)學(xué)科專業(yè)人才培養(yǎng)提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)及要求，包括城市（鄉(xiāng)、鎮(zhèn)）規(guī)劃、設(shè)計、建設(shè)及后期運維管理。在基于不破壞自然地形的前提下，進(jìn)行區(qū)域的合理劃分；最大程度提升人們生活環(huán)境質(zhì)量及幸福指數(shù)；高標(biāo)準(zhǔn)還原與修護古建筑以延續(xù)歷史文化；全面普及城市安全管理應(yīng)急教育，以充分保證規(guī)劃設(shè)計的合理性及有效性。這就要求在本科培養(yǎng)階段，不但要注重理論知識的傳授，同時還需借助現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)讓學(xué)生切身去感受，只有感受才能有更深刻的理解與領(lǐng)悟。因此，北京城市學(xué)院“城建類”各專業(yè)在教學(xué)中融入虛擬現(xiàn)實技術(shù)并進(jìn)行實踐應(yīng)用。各專業(yè)充分運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)以此來增強學(xué)生的尺度感、空間感、參與感以及體驗感，讓學(xué)生更加生動、靈活、自由地感受規(guī)劃、設(shè)計、管理等方面的實踐精髓。此外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)不僅為學(xué)生提供了跨越時空的虛擬世界、人機自然的實時交互以及身臨其境的感官體驗，同時虛擬現(xiàn)實技術(shù)與城建類各專業(yè)實踐教學(xué)相結(jié)合的創(chuàng)新方法，使得學(xué)生可在虛擬的世界中不斷探索、相互交流、創(chuàng)新設(shè)計、強化學(xué)識，進(jìn)而實現(xiàn)了在實踐教學(xué)環(huán)節(jié)中，內(nèi)容的可視性、環(huán)境的虛擬性、過程的交互性以及評價的客觀性。

4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在“城建類”專業(yè)實踐教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為新興的教學(xué)媒介，與以往的傳統(tǒng)教育方式有很大區(qū)別。它極大改變了以教師、書本、課堂為中心的古板、守舊、單一的傳統(tǒng)教育模式，打破了傳統(tǒng)實踐教學(xué)的局限與束縛，教師將新技術(shù)應(yīng)用于實踐課堂之中，徹底轉(zhuǎn)變了傳統(tǒng)教學(xué)觀念，提高了教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效果。

北京城市學(xué)院城建類專業(yè)主要分為2大類，即建筑類和土建類，涵蓋了初期規(guī)劃設(shè)計、中期工程建設(shè)以及后期運維管理的3個階段領(lǐng)域人才培養(yǎng)模式，以構(gòu)建“規(guī)劃—設(shè)計—建造—運營維護”能力為一體的全生命周期高端應(yīng)用型人才的培養(yǎng)體系，如圖1所示。

圖1 北京城市學(xué)院城建類培養(yǎng)體系構(gòu)建

在完整的培養(yǎng)過程中，除了必要的理論知識學(xué)習(xí)以外，實踐教學(xué)成了讓學(xué)生直觀地理解專業(yè)、檢驗理論運用能力的必要環(huán)節(jié)。但是以往的實踐教學(xué)，大都是教師帶領(lǐng)學(xué)生外出進(jìn)行實地調(diào)研、參觀、測繪等活動，在人流擁擠或周圍環(huán)境嘈雜時，就需要教師聲嘶力竭、費勁心思地去為每一位學(xué)生講解實際設(shè)計、施工所需注意的要點，而這樣傳統(tǒng)的教學(xué)方式不僅學(xué)生的注意力極易被干擾，同時教師的精力也容易被分散，進(jìn)而導(dǎo)致實踐教學(xué)效果不佳。此外，對于土木工程等專業(yè)而言，帶學(xué)生到實際施工場地進(jìn)行參觀、學(xué)習(xí)是實踐教學(xué)過程中必不可少的一環(huán)，但學(xué)生外出的安全就成為了每一位教師和家長最為擔(dān)憂的問題，即使到現(xiàn)場遵照要求正確佩戴了安全帽，做以萬全的防護，也不敢有片刻的疏忽和松懈。雖常言道：“讀萬卷書不如行萬里路”，可事實上，面對行萬里路的長遠(yuǎn)路途，對于現(xiàn)今的實踐教學(xué)來說，未必受用，有時不一定必須實際達(dá)到，在空間、時間以及金錢等方面造成阻礙時，也可以借用現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)來進(jìn)行現(xiàn)場教學(xué)，完成實踐教學(xué)的目的。虛擬現(xiàn)實技術(shù)就可以幫助城建類各專業(yè)實現(xiàn)這一目的。

4.1 規(guī)劃設(shè)計類專業(yè)應(yīng)用

學(xué)生的實踐水平和操作能力是依靠實踐教學(xué)、實訓(xùn)練習(xí)逐步培養(yǎng)起來的，在傳統(tǒng)的設(shè)計課程中，大多以教師口授為主，PPT教學(xué)為輔，利用已有的圖片或場景視頻為學(xué)生講授設(shè)計意義、設(shè)計理念、設(shè)計原理以及設(shè)計上的重難點。這種教學(xué)方法，猶如紙上談兵，缺少實際感知，學(xué)生僅是憑借二維圖形在腦海中構(gòu)建場景，無法形成立體圖像，特別是對立體感知較弱的學(xué)生而言，單是依靠二維圖形自行想象三維圖像，就會顯得尤為吃力，進(jìn)而導(dǎo)致學(xué)生對設(shè)計課程產(chǎn)生抵觸情緒與負(fù)面影響，長此以往影響學(xué)生的專業(yè)學(xué)習(xí)與身心健康。事實上，設(shè)計課程本身就是三維空間的藝術(shù)創(chuàng)造，為了提高每一位學(xué)生對空間尺度的把握能力，提升每一位學(xué)生對空間形態(tài)設(shè)計的理解，充分發(fā)揮虛擬現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢特點，并將其與設(shè)計類課程相結(jié)合。首先，學(xué)生可以在圖紙上將自己的設(shè)計進(jìn)行草圖繪制，通過教師的多次指導(dǎo)修正，再將其用建模軟件構(gòu)建而成；其次，通過虛擬現(xiàn)實軟件將所建模型轉(zhuǎn)化為三維立體形式，實現(xiàn)模型從“平面式”轉(zhuǎn)為“立體式”；最后，利用虛擬現(xiàn)實外部設(shè)備（頭顯及操作手柄）進(jìn)入到自己所創(chuàng)建的虛擬場景當(dāng)中，身臨其境地去感受自己所設(shè)計、所打造的虛擬世界，在三維的虛擬空間內(nèi)，學(xué)生可以多角度、多方位地去觀察、發(fā)現(xiàn)自己設(shè)計中的不足，例如道路寬度、建筑高度、植物配置等，甚至是整體的空間圍合形式，是否符合實際，是否達(dá)到了預(yù)期效果，都可以通過虛擬場景的體驗，給予設(shè)計者最直觀的反饋。

定義一個設(shè)計方案的優(yōu)劣，不單是要看設(shè)計理念、設(shè)計創(chuàng)新，更重要的是其是否符合實際要求，是否具有可實施性。無論是工程設(shè)計亦或是建筑設(shè)計，設(shè)計永遠(yuǎn)不可以脫離實際，但學(xué)生由于缺少實踐經(jīng)驗，考慮問題不夠充分、全面，加之設(shè)計專業(yè)需要投入大量的人力、物力、財力，若將學(xué)生的作品進(jìn)行實際創(chuàng)建必然會造成不可恢復(fù)的資源浪費，這也使得實踐教學(xué)陷入了進(jìn)退兩難的困境之中。為了培養(yǎng)與鍛煉學(xué)生全面發(fā)展的能力，同時也為了節(jié)約資源、降低消耗，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用就顯得尤為重要，它不僅為學(xué)生設(shè)計方案的可行性和經(jīng)濟性提供了較為可靠的依據(jù)，而且學(xué)生也可得到更為準(zhǔn)確的工程造價參考信息。

此外，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也打破了師生間交流的屏障，不論是教師還是學(xué)生，都可以同時置身于三維空間之內(nèi)，對于所創(chuàng)建的虛擬場景師生可以進(jìn)行實時、精準(zhǔn)地溝通與交流，有效地避免了師生在紙面上溝通方案設(shè)計時的理解偏差，對于內(nèi)部空間組合、整體設(shè)計等問題，教師可以對場景內(nèi)的物體進(jìn)行直接拾取與移動，給予學(xué)生最清晰、明了的講解與演示，學(xué)生也會記憶更加深刻、理解更加到位。

現(xiàn)如今，虛擬現(xiàn)實技術(shù)不單可滿足城建類各專業(yè)的日常實踐教學(xué)需求，它還被用于學(xué)生畢業(yè)設(shè)計方案展示、講解時使用。

4.2 技術(shù)管理類專業(yè)應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)除了可以在規(guī)劃設(shè)計上起關(guān)鍵作用外，在技術(shù)操作、運維管理方面同樣能發(fā)揮余熱。特別是對無人機操控實踐課程來說，在無人機單價昂貴且數(shù)量有限的情況下，為了培養(yǎng)學(xué)生對無人機的操控能力，虛擬現(xiàn)實無人機操作系統(tǒng)就顯得尤為重要。學(xué)生可以先在虛擬場景內(nèi)熟悉無人機的整體構(gòu)造，并練習(xí)無人機的正確拆裝，然后再使用虛擬操作系統(tǒng)，練習(xí)無人機各類型飛行路線的實際操控方法，不僅鍛煉了學(xué)生的實操能力，也為實際操控?zé)o人機以及后期想要考取相關(guān)證書的學(xué)生奠定了扎實的實操基礎(chǔ)。

與此同時，在城市安全管理專業(yè)的學(xué)生培養(yǎng)方面，積極采用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，依托虛擬安全場景，以構(gòu)建一個城市安全管理的虛擬實踐課堂，學(xué)生可在預(yù)設(shè)的虛擬環(huán)境中，進(jìn)行安全隱患的排查及修正練習(xí)，其中每個隱患點均配有練習(xí)題和相對應(yīng)的法律規(guī)范，學(xué)生通過實操、答題的方式來加深對理論知識的理解，鞏固教學(xué)重難點，從而達(dá)到追求實景訓(xùn)練的教學(xué)目的。虛擬現(xiàn)實技術(shù)在城建類專業(yè)應(yīng)用后的優(yōu)劣對比如圖2所示。

圖2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在城建類專業(yè)應(yīng)用后的優(yōu)劣對比

現(xiàn)如今，無論是使用Sketchup、3D Max、Revit，還是無人機數(shù)據(jù)采集、GIS（GeographicInformation System）等軟件所建模型均可轉(zhuǎn)化成虛擬現(xiàn)實場景，再利用虛擬現(xiàn)實編輯軟件，對內(nèi)部物體進(jìn)行交互設(shè)計，從而增強操作性及互動性。

5 結(jié)論

經(jīng)實踐后可得，虛擬現(xiàn)實技術(shù)已逐步融入到了城建類專業(yè)實踐教學(xué)之中，并且發(fā)揮它獨有的優(yōu)勢來輔助著教學(xué)。如果單純從教學(xué)角度考慮，它確實為傳統(tǒng)教學(xué)注入了新鮮血液，為實踐教學(xué)提供了另一種可能性。但凡事均有兩面性，虛擬現(xiàn)實技術(shù)其實也存有其自身的局限性，復(fù)雜的制作方式、固定的實驗場地、高昂的特殊設(shè)備等，無論缺少哪一環(huán)，都不能達(dá)到真正的虛擬現(xiàn)實體驗，而這一缺點是不可忽視的，也是無法避免的。因此，如何突破限定，以展現(xiàn)更佳的虛實相結(jié)合的教學(xué)方法，就成為下一階段需要深入思考的問題了。

總而言之，虛擬現(xiàn)實技術(shù)雖然現(xiàn)在仍屬于新生事物，但隨著日后科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)將逐步趨于成熟化。在未來的高校實踐教學(xué)中，它將起到舉足輕重的作用，也勢必會成為整個教學(xué)過程中不可或缺的重要組成部分。