建筑學(xué)專業(yè)實踐教學(xué)體系改革探究

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摘要:本文以高校本科建筑學(xué)專業(yè)實踐教學(xué)體系為研究對象，以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為核心，對實踐課程體系里無法在現(xiàn)實環(huán)境中實現(xiàn)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行仿真模擬。從專業(yè)培養(yǎng)計劃中的兩個實踐環(huán)節(jié)——“集中實踐”和“理論課程中的實踐”分別進(jìn)行改革并整合，形成虛擬仿真實踐教學(xué)體系，建立多層次、模塊化、立體化的虛擬仿真實踐教學(xué)系統(tǒng)平臺，為學(xué)生創(chuàng)新能力培養(yǎng)提供了一條有效途徑。該平臺系統(tǒng)依托互聯(lián)網(wǎng)教育平臺搭建，并可多終端使用。其引入了學(xué)生主動式學(xué)習(xí)的思想，能夠與線下理論課程相融合，構(gòu)建了混合式學(xué)習(xí)、動態(tài)式跟蹤、智能化評價、數(shù)字化管理的新型實踐教學(xué)模式，以解決傳統(tǒng)實踐教學(xué)模式的弊端和不足，并具有在相關(guān)專業(yè)中推廣的應(yīng)用價值。

關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)實技術(shù)；建筑學(xué)專業(yè)；實踐教學(xué)體系

1引言

虛擬現(xiàn)實技術(shù)融合了多種先進(jìn)技術(shù)，包括數(shù)字圖像處理、多媒體和人工智能等。通過應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，利用計算機(jī)生成一個可以反映真實情景的虛擬情景，通過人機(jī)交互，能夠讓用戶有身臨其境之感。因為這種特點，虛擬現(xiàn)實技術(shù)獲得了廣泛的應(yīng)用，包括影視娛樂、航空、醫(yī)學(xué)、軍事、設(shè)計及教學(xué)等多個領(lǐng)域。虛擬現(xiàn)實技術(shù)以獨特的全沉浸式和交互性特點,為創(chuàng)建教學(xué)情境提供了有力的支持,極大地改變了學(xué)生的學(xué)習(xí)方式。在高等本科教學(xué)體系中，實踐教學(xué)是一項重要內(nèi)容，能夠有效地提升學(xué)生動手操作和解決實際問題的能力。通過將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到實踐教學(xué)之中，可以解決傳統(tǒng)實踐教學(xué)與當(dāng)今應(yīng)用創(chuàng)新型人才培養(yǎng)之間的一些主要矛盾。構(gòu)建多層次及立體化的實踐教學(xué)體系，能夠覆蓋整個實踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，根據(jù)教學(xué)大綱、人才培養(yǎng)方案、教學(xué)方法、教學(xué)內(nèi)容的要求，對每一環(huán)節(jié)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)姆诸悈R總，開拓實踐教學(xué)思路，創(chuàng)新實踐教學(xué)理念，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力，進(jìn)而對提高就業(yè)競爭力有著很大的幫助，可進(jìn)一步推動對高層次創(chuàng)新型人才的培養(yǎng)。從當(dāng)前國內(nèi)高校教學(xué)中虛擬現(xiàn)實應(yīng)用技術(shù)的實際情況來看，主要應(yīng)用于單一場景構(gòu)建、單一課程設(shè)計和單一實驗項目模擬等方面，應(yīng)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(dǎo)，以及可供直接遷移應(yīng)用的融合策略，在高等本科教學(xué)中沒有形成訓(xùn)練目標(biāo)全面精準(zhǔn)、應(yīng)用性廣泛的實踐教學(xué)體系。綜上所述，高校實踐教學(xué)體系的改革需要同時著重于學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)與開發(fā)，建立高校本科虛擬仿真實踐教學(xué)系統(tǒng)平臺顯得十分必要。

2研究內(nèi)容

本文從“集中實踐”和“理論課中的實踐”兩個教學(xué)環(huán)節(jié)全面進(jìn)行改革，構(gòu)建多層次、模塊化、立體化的實踐教學(xué)體系，以建立建筑學(xué)專業(yè)虛擬仿真實踐教學(xué)系統(tǒng)平臺(見圖1）。

2.1集中實踐環(huán)節(jié)改革

2.1.1實驗實操——虛擬實驗室

通過應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠構(gòu)建具有開放性的構(gòu)造、物理、設(shè)備、結(jié)構(gòu)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(xué)生可以自由切入虛擬實驗室，通過人機(jī)交互，可以有身臨其境的感覺，進(jìn)行認(rèn)知學(xué)習(xí)和試驗，有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果，提高教學(xué)質(zhì)量，進(jìn)一步提升學(xué)生的實踐能力。同時，應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)還可以構(gòu)建綜合網(wǎng)絡(luò)平臺，構(gòu)建不同難度的關(guān)卡，使學(xué)生在網(wǎng)絡(luò)游戲平臺以闖關(guān)的形式來一步一步走向成功，通過這樣的方式來獲取學(xué)分、證書等，這樣能夠提高教學(xué)的娛樂性，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，有效的提升教學(xué)效果。（1）構(gòu)造實驗室施工圖的識讀和繪制對于學(xué)生的空間想象力有著比較高的要求，但是當(dāng)前學(xué)生空間想象力差的問題比較常見，尤其是比較復(fù)雜的構(gòu)造詳圖，學(xué)生在識讀和繪制時會面臨比較大的困難。在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，教師通常采用圖片展示和讓學(xué)生參觀學(xué)校構(gòu)造展示室的方式來進(jìn)行教學(xué)，教學(xué)效果較為一般。通過應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以讓學(xué)生身臨其境地進(jìn)行學(xué)習(xí)，在虛擬現(xiàn)實實驗室內(nèi)，學(xué)生可以在虛擬施工現(xiàn)場分解各個構(gòu)件，還可以進(jìn)行各種構(gòu)造的反復(fù)操作，從而對各個細(xì)部節(jié)點的構(gòu)造做法和施工過程等進(jìn)行細(xì)致的觀察，讓學(xué)生更加深入地了解構(gòu)造原理，提高學(xué)生對復(fù)雜構(gòu)造詳圖的識讀和繪制的能力。（2）測繪實驗室對于建筑學(xué)專業(yè)的學(xué)生而言，需要很多的實踐機(jī)會來將所學(xué)的知識應(yīng)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(xué)工作中，高校受到經(jīng)費和資源等因素的限制，常常無法為學(xué)生提供足夠的實踐機(jī)會，難以對學(xué)生的測繪實踐能力進(jìn)行良好的培養(yǎng)。通過引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以對測繪工程中所需要的設(shè)備進(jìn)行虛擬構(gòu)建，并且模擬出測繪設(shè)備的操作流程，從而使學(xué)生能夠通過虛擬測繪設(shè)備來進(jìn)行實踐，為學(xué)生提供充足的真實實踐機(jī)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(xué)生提供通風(fēng)、采光和日照等物理環(huán)境，讓學(xué)生對這些物理環(huán)境進(jìn)行分析。以風(fēng)環(huán)境為例，設(shè)計者可以在電腦中設(shè)計出模擬建筑物，然后基于真實環(huán)境的氣候條件，構(gòu)建模擬氣流，進(jìn)行模擬實驗。學(xué)生通過應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來感受氣流情況，使學(xué)生真實地感受到氣流對人的影響。通過應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，還能夠?qū)ㄖ锬Ｐ秃蜌饬髯呦颉?qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行實時的修改，使學(xué)生對氣流影響有更深入的認(rèn)識。學(xué)生通過應(yīng)用計算機(jī)對實時的數(shù)據(jù)指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計，根據(jù)數(shù)據(jù)對建筑通風(fēng)設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，改進(jìn)通風(fēng)條件，提高設(shè)計方案的合理性，滿足綠色生態(tài)的設(shè)計要求。（4）設(shè)備實驗室通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，能夠構(gòu)建設(shè)備實驗室，在設(shè)備實驗室內(nèi)學(xué)生可以進(jìn)行設(shè)備的安裝、性能測試等訓(xùn)練，這樣不僅不存在危險性，不會導(dǎo)致設(shè)備損壞，同時還能夠不限制次數(shù)地進(jìn)行實驗，學(xué)生可以實現(xiàn)直接學(xué)習(xí)和完全掌握技能。由于這樣不會造成設(shè)備損壞，學(xué)生可以更加大膽地進(jìn)行嘗試，提高學(xué)習(xí)效果。通過這樣的教學(xué)方式，能夠節(jié)約時間，節(jié)省經(jīng)濟(jì)成本，提高實驗效果。通過虛擬場景，學(xué)生可以對虛擬場景內(nèi)是否存在死角進(jìn)行判定，對設(shè)計的科學(xué)性和合理性進(jìn)行判斷，從而提高設(shè)計的科學(xué)性和合理性。（5）結(jié)構(gòu)實驗室在傳統(tǒng)的實驗教學(xué)工作中，通常只能實現(xiàn)對建筑物的某些結(jié)構(gòu)構(gòu)件的某些性能進(jìn)行測試，這樣不能完全將專業(yè)課程中涉及的知識呈現(xiàn)出來。對于結(jié)構(gòu)實驗而言，存在實驗準(zhǔn)備時間長、費用高、勞動強(qiáng)度大等問題，而且實驗結(jié)束后大部分試件都會報廢，造成資源的浪費。學(xué)生由于普遍缺乏經(jīng)驗，容易因操作問題而導(dǎo)致實驗失敗，浪費時間和實驗資源。通過應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，構(gòu)建虛擬結(jié)構(gòu)實驗室，可以對實踐課程中涉及的實驗內(nèi)容開展虛擬仿真實踐教學(xué)，使學(xué)生在較低試驗成本下快速、重復(fù)地進(jìn)行實驗，對專業(yè)基礎(chǔ)知識進(jìn)行拓展，提高學(xué)生的實踐能力，以提升教學(xué)效果。

2.1.2設(shè)計實操——虛擬設(shè)計室

設(shè)計類實踐課程教學(xué)在虛擬現(xiàn)實技術(shù)的支持下，將實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容實操化、教學(xué)環(huán)境虛擬化、教學(xué)過程交互化、教學(xué)評價客觀化，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)新能力。（1）中國傳統(tǒng)設(shè)計室建立中國傳統(tǒng)虛擬設(shè)計室，對遼寧省教育廳倡導(dǎo)的課程結(jié)合思政的教學(xué)改革是十分必要的。設(shè)計室不僅可以永久保留建筑遺產(chǎn)所攜帶的歷史信息，也將每一屆的學(xué)生研究成果記錄在案，起到了弘揚傳統(tǒng)文化的積極作用。按照《營造法式》中的描述來建立建筑構(gòu)建模型群或營建小型官式廳堂模型，學(xué)生通過模型進(jìn)行學(xué)習(xí)，對古代建筑的營建過程可以有更詳細(xì)、深入的理解。通過這樣的方式，教師的教學(xué)過程可以擺脫實木模型的限制，教學(xué)的重點不會局限于個別建筑構(gòu)件，而是讓學(xué)生可以對建筑木構(gòu)架的整體構(gòu)建方式有全面和整體的認(rèn)識。在實際的教學(xué)中，教師還可以利用虛擬模型和傳統(tǒng)教學(xué)輔助教學(xué)的方式，解決學(xué)生學(xué)習(xí)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(yù)制原型配件，學(xué)生能夠?qū)υ团浼M(jìn)行組合，完成個別單元的構(gòu)建，然后根據(jù)組合法則，建構(gòu)單元組成建筑物。建立的原配件虛擬模型越多，就可以構(gòu)建出越多傳統(tǒng)建筑組合模型，從而使學(xué)生可以對建筑組件的系統(tǒng)性有全面的了解。（2）創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)設(shè)計室學(xué)生接觸先進(jìn)的、前沿的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，為其參加國家級、省級虛擬創(chuàng)新學(xué)科競賽奠定基礎(chǔ)。學(xué)生可通過創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)項目實例全過程學(xué)習(xí)掌握Revit、Sketchup、VDP等繪圖軟件，讓學(xué)生體驗從識圖、建模、渲染、動畫、虛擬仿真交互，到完成整個設(shè)計動畫解說和展示視頻，提高學(xué)生的創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)能力，為其今后的工作奠定較好的基礎(chǔ)，（3）本科課程設(shè)計室課程設(shè)計是建筑類專業(yè)學(xué)生的核心課程。在虛擬課程設(shè)計室中，學(xué)生可以實現(xiàn)建筑要素的自行拆解和重建，對建筑要素進(jìn)行修改、比較和對比等，對案例進(jìn)行更加全面、詳細(xì)的分析，可以對不同的建筑方案進(jìn)行實時的切換，實現(xiàn)多方面的比選。還可以針對不同的建筑方案，設(shè)定相同的觀察點或者序列，進(jìn)行觀察和比對，從而能夠更加清晰地比較不同方案的優(yōu)缺點，為決策提供依據(jù)。此外，還能夠?qū)ㄖ植窟M(jìn)行實時的方案比選，若存在不滿意的地方，應(yīng)用虛擬編輯工具就能夠?qū)Ω骺臻g要素進(jìn)行修改和替換，這種修改方式可以更好地讓學(xué)生比較、判斷不同設(shè)計方案的優(yōu)劣。

2.2理論課程中的實踐環(huán)節(jié)

通過應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，將理論課程的實踐環(huán)節(jié)作為教學(xué)演示，使學(xué)生對理論知識有更加深入的了解，并且通過教學(xué)實驗和認(rèn)知學(xué)習(xí)等，提高課堂教學(xué)的結(jié)果。教師可以讓學(xué)生進(jìn)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(xué)中，讓學(xué)生對課程學(xué)習(xí)更有興趣，使學(xué)生能夠更加主動地學(xué)習(xí)，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，從而使學(xué)生對所學(xué)知識有更深的理解。在“教、學(xué)、做、練”過程中讓學(xué)生領(lǐng)悟知識點，實現(xiàn)理論實踐一體化教學(xué)。

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(xiàn)實技術(shù)的全沉浸式特點，應(yīng)用虛擬仿真實踐教學(xué)體統(tǒng)平臺中的可視化數(shù)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(jìn)行授課的教學(xué)模式，具有情景構(gòu)造搭建和項目策劃分析兩種應(yīng)用模式。（1）情景構(gòu)造搭建理論課程中的案例教學(xué)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠搭設(shè)逼真的虛擬智能工程環(huán)境，并且具備相對真實的場景感，學(xué)生能夠自由地進(jìn)入項目的各個角落，對各個環(huán)節(jié)進(jìn)行深入的觀察，從而讓學(xué)生對項目有更深的理解，使學(xué)生產(chǎn)生更深的興趣。通過在各個虛擬案例中進(jìn)行漫游，從真實的角度或非常規(guī)的角度來進(jìn)行觀察，提高判斷能力，發(fā)現(xiàn)創(chuàng)造的方法。這可以幫助學(xué)生發(fā)現(xiàn)問題，得到構(gòu)思靈感，準(zhǔn)確地理解、掌握教學(xué)內(nèi)容和概念。（2）項目策劃分析從設(shè)計教學(xué)結(jié)構(gòu)來看，在前期需要由教師帶領(lǐng)學(xué)生分析項目的具體結(jié)構(gòu)，包括地形地勢、地理位置和環(huán)境信息等。對項目設(shè)計的優(yōu)劣勢進(jìn)行總結(jié)，最終確定方案是否可以進(jìn)行。在實際的項目分析中，要進(jìn)入實地進(jìn)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(jìn)行大部分項目結(jié)構(gòu)分析的教學(xué)，學(xué)生通過教師傳達(dá)的信息來對項目的具體情況進(jìn)行判斷。這種教學(xué)活動過于表面化，學(xué)生無法結(jié)合實際情況進(jìn)行判斷，學(xué)習(xí)效果差。通過應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以有效地解決這一問題，應(yīng)用輔助設(shè)備可以讓學(xué)生對項目案例進(jìn)行全面的檢查，對項目的各種結(jié)構(gòu)進(jìn)行全面的分析，深入了解地形地勢、周邊環(huán)境等因素對于設(shè)計的影響，提高教學(xué)效果。

2.2.2交互式動態(tài)課堂

交互式虛擬課堂是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的交互式特點，應(yīng)用虛擬仿真實踐教學(xué)體統(tǒng)平臺中的虛擬現(xiàn)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(jìn)行授課的教學(xué)模式，具有多維體驗設(shè)計和行為交流互動兩種應(yīng)用模式。（1）多維體驗設(shè)計在設(shè)計的項目進(jìn)行具體落實之前，需要對整體方案進(jìn)行規(guī)劃，學(xué)生要對項目進(jìn)行定量、定位的判斷，包括平面圖、立體圖、剖面圖、效果圖的設(shè)計等，在方案中需要將設(shè)計的細(xì)節(jié)展現(xiàn)出來。通過應(yīng)用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，學(xué)生能夠深入項目內(nèi)部，實現(xiàn)多維體驗，對布局、裝飾、色彩和結(jié)構(gòu)等之間的關(guān)系進(jìn)行真實的感受，然后對設(shè)計布局進(jìn)行優(yōu)化。對于提高學(xué)生的創(chuàng)新能力、培養(yǎng)其審美意識具有重要的意義。（2）行為交流互動在傳統(tǒng)的教學(xué)模式下，教師通過采用PPT和視頻講解等方式來進(jìn)行經(jīng)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(yīng)用虛擬仿真實踐教學(xué)系統(tǒng)平臺構(gòu)建虛擬場景，學(xué)生和教師在虛擬空間中進(jìn)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)、不同材料的變化，使教學(xué)講解更加生動，這種良好的教與學(xué)的互動方式不僅能及時評價學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，而且能使學(xué)習(xí)更加生動、主動。

2.3多元化智能評價體系和動態(tài)更新機(jī)制

客觀、科學(xué)、全面、有效地進(jìn)行教學(xué)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(xué)系統(tǒng)需要構(gòu)建相應(yīng)的學(xué)習(xí)評價體系，來評估學(xué)生學(xué)習(xí)的效果，應(yīng)該包括對知識、技能、方法、情感、認(rèn)知力、價值觀、態(tài)度等多方面的評價。多元化智能評價體系是具體教學(xué)實施的關(guān)鍵構(gòu)成，其應(yīng)強(qiáng)調(diào)動態(tài)性、生成性和互動性評價，從而使師生雙方都可以對學(xué)習(xí)成果進(jìn)行檢測，分別完成“教”和“學(xué)”的任務(wù)。一方面，教師應(yīng)對學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行全程的跟蹤和評價，在評價過程中，信息素養(yǎng)、實踐操作等能力的權(quán)重應(yīng)得到提升。通過收集、整理和分析相關(guān)數(shù)據(jù)，對學(xué)生的知識水平和學(xué)習(xí)風(fēng)格差異進(jìn)行全方位的了解，根據(jù)結(jié)果設(shè)計個性化的教學(xué)和輔導(dǎo)方案。同時，分析結(jié)果還可以作為平時成績以及綜合評價的重要參考依據(jù)。另一方面，學(xué)生可以根據(jù)測評標(biāo)準(zhǔn)，更加全面地了解自身的學(xué)習(xí)情況和不足，根據(jù)自測結(jié)果來對學(xué)習(xí)方法進(jìn)行優(yōu)化和改進(jìn)，反思自身不足，總結(jié)經(jīng)驗，從而更好地提高學(xué)習(xí)效果。虛擬仿真實踐教學(xué)系統(tǒng)平臺的建設(shè)，需要逐步形成規(guī)范的教學(xué)更新制度建設(shè)，將思政改革和其他相關(guān)專業(yè)的實踐教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)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(xùn)平臺，能夠服務(wù)于更多專業(yè)的學(xué)生，為教師提供科研平臺，推動學(xué)校的轉(zhuǎn)型建設(shè)發(fā)展。

3結(jié)語

對于虛擬仿真實踐教學(xué)系統(tǒng)平臺的建設(shè)，筆者課題組已開展了相關(guān)的研究工作，依托HTML5和3D數(shù)據(jù)引擎技術(shù)，完成了建筑學(xué)專業(yè)的虛擬仿真實踐教學(xué)系統(tǒng)平臺的初步構(gòu)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(xué)測試系統(tǒng)（見圖4、圖5），并對如何開展新型教學(xué)模式進(jìn)行了初步的探索和研究，形成了一定的認(rèn)識，將新的教學(xué)模式在小范圍內(nèi)進(jìn)行了測試，積累了一定的研究成果和經(jīng)驗。虛擬仿真實踐教學(xué)系統(tǒng)平臺建成后，在新的實踐平臺運營模式和建設(shè)理念下，實踐平臺將處于動態(tài)的開放性狀態(tài)，在不斷與外界進(jìn)行信息交換并優(yōu)化的過程中，整體水平得到了提升，可以實現(xiàn)校內(nèi)分享、校際交流和各方聯(lián)動。開放性實踐教學(xué)系統(tǒng)可以面向多學(xué)科、多專業(yè)和多學(xué)院，實現(xiàn)信息共享，從而使實踐平臺的作用得到充分發(fā)揮。

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作者:張廣媚 單位:大連理工大學(xué)城市學(xué)院