基于虚拟仿真技术的民族景观建筑实验教学探索

梅骏翔 孙雅沄

【摘 要】当前民族景观建筑实验教学过程面临不直观、不可逆、成本高等问题，通过构件基于倾斜摄影和unity三维仿真技术的广西侗族特色建筑风雨桥虚拟仿真实验系统，实现民族景观建筑认知由传统的文字、图片插画等静态展示教学向可漫游、可交互的虚拟三维立体式教学的转变，学生使用三大功能模块实现对风雨桥的建筑外部形制和内部结构的学习，特别是对重要传统榫卯技术穿斗式结构的认知和实践运用能力。具有教学方法、评价方式和表现形式上的创新。

【关键词】虚拟仿真实验;民族景观建筑;高校教育

1、实验背景与目的

侗族特色景观建——筑风雨桥多为年代久远的文物保护建筑，且多位于交通不便的偏远地区，当前在对其认知教学过程中面临着一旦遭受破坏便不可逆、学生集体外出成本高昂等难题[1]。同时传统的静态展示无法让学生接触到风雨桥建筑内部结构和装配施工的真实场景，限制了学生对该类民族景观特色建筑的理解和掌握[2]，从而使风景园林类、土木类专业大学生对这些未来工作需要的施工技术缺乏基本技能训练和切身体会，难以支撑专业人才培养目标的实现。

基于此情况，桂林理工大学发挥地处西南民族地区的地域优势，依托区域一流学科风景园林专业的发展建设，尝试搭建一套广西侗族特色风雨桥虚拟仿真建构实验教学系统，借助虚拟仿真技术让学生体验风雨桥建筑的三维虚拟实景，使学生感受到身临其境的沉浸感[3]。该项目以高精度风雨桥建筑虚拟模型为载体，完整再现了建筑外观形制、内部构造和装配搭建流程的全过程，有效克服了传统图文静态展示带来的实习实验教学瓶颈，学生通过人机交互实验学习感知风雨桥建筑的内外构成和装配过程，能够快速实现对建筑的全面理解，还能对相关的理论知识进行巩固和应用实践，实现理论知识和工程实际相结合，真实工程和虚拟建筑相结合，综合了培养学生的信息获取能力，自主学习能力以及创新创造能力[4]。

2、实验仪器与设备

（1）硬件设备：数据服务器、液晶拼接显示器、工作站、交换机、个人客户端等;手机及网络环境;APP、电脑及网络环境。

（2）软件系统：Unity WebView插件、网络版实验教学软件、高精度三维虚拟模型、穿斗式结构三维虚拟模型、风雨桥装配三维虚拟模型。

3、实验原理及内容

本实验项目依托倾斜摄影三维建模技术，采集风雨桥建筑外部纹理和内部结构数据，然后导入unity软件中进行实验交互步骤设计，最后整合为一套集认知学习、互动操作和在线考核评价的综合型虚拟仿真实验教学系统。学生通过上机实践对高精度建筑模型进行键鼠交互操作，实现对建筑各重要构件的多维综合认知学习，同时通过风雨桥建筑的搭建组装流程的交互化和可视化，增强学生对少数民族传统建筑设计思想与营造技艺的理解，从在线认知学习、认知考核以及建造学习等多方面综合培养学生专业能力[5]。具体包括以下三大功能模块：

（1）建筑基本结构环绕观察模块：以感官认知为主，通过选择桥墩、基座、桥身和亭廊等基本结构组件，学生可进行点击查看和自主漫游，实现对建筑模型的整体环绕观察、基本结构观察和透视结构观察。

（2）穿斗式构件认知学习模块：选取桥身的一个局部切面进行放大，了解其内部榫卯结构细节。该切面包含5个建筑构件，分别为：立柱、穿枋、瓜柱、檩和椽。学生通过观察和选择具体构件，实现构件拆解、构件认知和一键还原等仿真效果。

（3）风雨桥装配组装学习模块：进入该模块后，视角窗口重置至可观察模型整体的视角。此时模型整体呈半透明状态，点击“开始装配”按钮，在画面左侧出现“组件工具箱”，工具箱中有模块一、二中编好组的各个组件，根据出现的文字提示，分步在工具箱中选中对应组件并拖放至指定的半透明高亮位置，完成整体风雨桥模型的搭建。

4、实验教学具体方法

（1）多媒体讲授教学法：1、实验概述：介绍本次实验教学目的、意义、教学大纲。说明应遵守的实验规程和操作细则，并确定实验的成果要求和进度时间节点。2、理论和知识点讲授：首先介绍侗族风雨桥建筑相关背景知识，虚拟仿真技术在建筑营建研究中的作用和趋势，使学生建立起民族景观建筑设计的主要技术框架。

（2）实践指导互动教学：1、下发实验指导书，学生在提示指导下对建筑模型进行简单操作，遇到模型卡顿、视角无法缩放移动、渲染超载等易发问题以及相对应的处理方法。2、观看相关操作演示视频后，帮助学生理解建筑外部形制和内部结构要点，对容易出差错的穿斗式建筑结构拆解和整体模型拼装等具體问题进行指导，使学生能够根据系统提示自主完成建筑模型的交互操作。

（3）多维教学评价：丰富实验结果评价体系，学生实验成绩除在虚拟仿真实验系统中完成指定操作外，还包括配套习题训练、课后分组讨论和经验心得汇报，确定同学的最终实验教学成绩。通过多维教学评价使参与实验的同学综合掌握理论知识和动手实操能力，汇报环节锻炼了参与实验同学的口头表达能力和汇报逻辑思维变被动接受为主动学习，提升专业整体学习效果。

5、实验创新与亮点

（1）教学方法创新：本虚拟实验改变了传统讲课式的教学方法，采用任务驱动式、项目案例式及讨论启发式等现代化教学手段进行教学，改变以往“以教师为主体”的教学模式，强调“以学生为中心”的实验教学理念，在实验教学过程中，老师对整个实验前、中、后全过程加以指导和引导，通过任务驱动的方式来激发学生对实验内容的学习兴趣，通过启发讨论方式激励同学们充分发挥想象，对风雨桥建筑的构造提出新的思考和见解。

（2）表现形式创新：本实验教学项目采用生动、逼真、立体的表现形式，将抽象的实验过程用形象逼真的动画来展示，使学习者体验置身其中的沉浸感，能够实现人机交互，激发学生的学习兴趣和自主学习创新的动力，极大提高了学生的实验操作技能，是对传统实验教学的极大延伸和拓展。此外，本项目还为学生提供了一个不同时间、不同空间以及不同维度的学习空间，为学生提供了更为广泛的信息资源，具有信息获取更加便利，学习环境更具安全性，实验过程绿色环保的特点。

（3）评价体系创新：本实验采用综合评价法对学生进行实验效果考核。主要考核指标有实验预习，实验操作，实验报告以及知识考核，注重对实验的过程性评价，提高评价的公正性。该评价体系对实验预习，实验操作，实验报告、知识考核各部分的具体考核点进行了详细划分，并赋予不同的权重，整个评价体系更注重学生实际处理问题的能力和创新创造能力的考核。

【参考文献】

[1]张千. 广西三江侗族木构建筑的符号学研究[D].广西大学，2018.

[2]邓梦帆，李舒阳，陈晓婷.虚拟现实建筑场景中距离认知还原度研究[J].中外建筑，2019（04）：40-43.

[3]赵晓松. 基于Untiy3D的可视化虚拟仿真实验平台的设计与开发[D].西安电子科技大学，2017.

[4]石坚韧.建筑与城市设计专业的虚拟仿真教学模式探索[J].高等建筑教育，2009，18（01）：123-125.

[5]李虹江.基于VR技术的艺术类虚拟仿真实验教学平台构建探讨[J].大众文艺，2019（10）：227-229.

作者简介：梅骏翔（1991-），男，讲师，硕士，研究方向为风景旅游规划设计。

通讯作者：孙雅沄（1991-），女，助教，硕士，研究方向为景观设计。

基金项目：桂林理工大学教改项目（2017B28）;广西旅游产业研究院开放基金项目（GXTA201706Q）;广西中青年教师基础能力提升项目（2019KY0276）。