交互體驗式建筑構造虛擬實驗教學軟件的創新研究

◆姚 玨 張林文君

(浙江理工大學藝術與設計學院)

交互體驗式建筑構造虛擬實驗教學軟件的創新研究

◆姚 玨 張林文君

(浙江理工大學藝術與設計學院)

隨著多媒體技術的發展，虛擬實驗教學已成為加強藝術類實踐教學、提高教學質量的重要手段。本文通過介紹2011年第十屆浙江省大學生多媒體作品設計競賽的參賽作品“虛擬建構實驗”教學軟件的研發與制作過程，嘗試探索虛擬實驗教學與高等藝術教育、藝術實踐教學結合的全新模式。

虛擬實驗 藝術實踐 建筑 構造

隨著計算機輔助教學CAI在藝術類高校教學中的深入實踐，運用多媒體制作課件在藝術教學或實驗中亦越來越廣泛。以往傳統藝術教學課件的形式大致有:黑板粉筆板書、透明幻燈片投影、教學掛圖等。近年來，多媒體制作技術的極大發展促進了藝術教學課件走向可視化、網絡化、互動化，徹底顛覆了傳統意義上的教學內容、教學形式和教學效果。

1 高等藝術實踐教學中虛擬實驗平臺的創新

虛擬實驗以現代教育理論為基礎，運用計算機仿真技術、虛擬現實多媒體技術來模擬真實的實驗環境與過程，以達到實驗目的的教學平臺，這是一種新型的網絡化計算機實踐教學模式。虛擬實驗平臺的教學環境能提供學生自由配置、連接、調節和使用實驗儀器沒備來進行實驗，它具有網絡教學建沒速度快、更新率高的優勢，并有使用方便、成本低、易于拓展等特點。現階段，虛擬實驗教學推廣有限，大都集中運用在在理工類學科領域，如數字電路實驗、機械傳動類實驗、物理化工實驗等。

我國2000余所高等院校有70%設置藝術設計專業，在校生達150萬，每年約15萬人畢業，中國的藝術設計教育規模占全球第一。但藝術設計還是新興學科，存在院校之間學科體系雷同、課件保守陳舊、實踐教學模式、內容雷同，課程整合聯動性差、教學資源管理粗放等問題。以虛擬實驗教學軟件的研發與使用為切入點，探索高等藝術教育實踐教學模式的改革和創新，并利用計算機、多媒體及網絡技術來實現藝術教學虛擬實驗情景，不僅可以有效地改善藝術類高校實驗教學資源嚴重短缺和分布不均的現狀，而且可以激發學生學習的動機、增強學習興趣。針對虛擬實驗軟件研發多學科交叉的特點，結合藝術設計的圖形表達、用戶界面設計和人機交互技術，研究虛擬實驗軟件的對象建模和表現技術，開發藝術設計虛擬實驗教學資源信息的安裝平臺，建立開放式、網絡化的藝術虛擬實驗教學平臺，支持多用戶多虛擬實驗環境的交叉反饋與協同。從根本上解決網絡遠程教育中藝術實驗教學無法實施的關鍵問題。

2 “虛擬建筑構造實驗”教學軟件的設計思路

2.1 軟件介紹及制作目的

以環境藝術設計專業課程《建筑構造》為主題研發“虛擬建筑構造實驗”教學軟件為例，展開虛擬實驗系統在藝術學實踐教學改革的構成與實現。“虛擬建構實驗”教學軟件是2011年第十屆浙江省大學生多媒體作品設計競賽的參賽作品，并獲得了優異成績。

建筑構造是環境藝術專業學生接觸的第一門專業課程，是專業學習的入門課。針對建筑構造課傳統理論教學手法單一、知識枯燥、抽象的三維空間難以理解、理論與實際脫節等教學弊端，尤其重點解決學生對真實的建筑物結構施工過程了解的不足和傳統實踐教學中學生對施工現場認知的匱乏，通過“虛擬建構實驗”教學軟件可以使學生們足不出戶即可身臨其境地感知各種建筑物的實際施工過程與其結構關系。并且學生必須能靈活運用所學知識進行虛擬搭建實驗，在虛擬實驗環境中進行自由構思和設計，這種全新的實踐教學模式將激發學生學習的興趣，提高學生的動手能力和創新能力。

虛擬建筑構造實驗教學軟件采用了Flash、SketchUp、3D max、Photoshop等軟件技術進行研發制作，使用了大量的動畫影片和交互元素，發揮了虛擬實驗任務的可操作性和可控制性。軟件研發的核心技術應用了Action Script程序語言技術和3D max三維建模技術，提高虛擬實驗的逼真度，形成多維交互的教學平臺。

2.2 軟件研發的重點和亮點

(1)基于三維圖形的虛擬實驗對象建模與表現技術

①通過虛擬平臺實現文字教學、視頻認知、全景漫游、實驗搭建等強大的功能集成化。

②智能一鍵導航的創作靈感來自汽車導航儀，方便快捷的操作減少了很多選擇菜單的麻煩。軟件中強大的智能導航鍵能根據場景的不同轉換功能，能夠在任何界面下滿足各類需求。用戶可以使用鍵盤方向鍵切換教學內容、轉換虛擬漫游視角、切換分類界面等。相比PowerPoint課件，雖然也能使用方向鍵進行頁面切換，但是沒有其他功能性。本課件中一直使用右方向鍵可以按照預定教學順序瀏覽界面。現有的虛擬實驗教學軟件中，應用導航鍵設計的案例幾乎處于空白。

③全景平臺背景。全景模式能夠較好的滿足視覺需求。平臺背景與全景體驗教學使用的是同一種技術，動態的背景比普通的單一背景更顯生動。

④智能助手模式。小助手實時出現在虛擬實驗場景中提供學生實驗所需的提示，軟件使用感覺交互性強、親近感良好。現有的虛擬實驗中應用助手的案例也極少。

⑤優美視覺感受。軟件所有控件都進行了美化，符合現代審美需求。外觀風格緊緊圍繞建筑設計中主流的現代風格，在給人以大氣感受的同時還能激發創新靈感。

⑥典雅背景音樂。背景音樂采用了門德爾松的小提琴協奏曲，在不同功能場景下自動切換樂章。典雅的音樂體現建筑的內涵與精神，令人回味無窮。

(2)虛擬環境的漫游教學和人機交互技術

①虛擬漫游教學模式是通過學生能自由切換視角及點擊知識點學習來實現的。學生能在全景漫游中真實感知虛擬場景中的建筑結構、構造細部等知識，是虛擬實驗的主流模式。學生可以根據需要隨意選擇視角來觀察虛擬環境并點擊場景中的預備知識點。只需點擊就能直接鏈接相關知識，有效地解決了學生集體外出考察時間、天氣、地點等限制的弊端。虛擬漫游教學模式的技術是重點和難點，必須解決用戶能夠舒適的漫游體驗虛擬場景這個關鍵問題。所以，利用360o全景技術取景攝制場景照片，容易出現照片高度不齊或透視角度變形等情況，必須反復拍攝并后期處理。另一難點是如何讓用戶掌控視角?只有在反復研究嘗試之后才實現了合理的視角和即時互動的設計，最后結合導航鍵功能使即時互動變得操作簡便。

②虛擬搭建實驗是該虛擬實驗軟件的核心。用戶可以在虛擬實驗的功能平臺上自由搭建或按照實驗規定操作。該模塊的開發應用了較多的軟件技術，從3DMAX建模到Photoshop照片修整，以及FLASH中Action Script語言的應用，每一項都包含著巨大的技術知識量。在3DMAX建模中，必須根據開發的背景貼好材質，并且要保證建模渲染圖的視角在正交模式下一致。Photoshop對渲染圖做細節修整，確保所有組件的三維效果基本一致。FLASH中Action Script代碼編寫技術實現構件的正常拖拽和復制，用戶可以根據需要建立新構件，并且在Action Script技術支持下，建筑構造虛擬實驗軟件的組件面板、輔助網格、坐標提示等經過長期設計制作而成，飽含了人機工程學的原理。

(3)3D影片制作

3D影片的制作主要依托Autodesk 3D MAX 2011。制作影片的難點在于如何簡化模塊讓用戶看得更加簡潔明了，在制作每一段影片之前都需查閱大量書籍仔細構思，精簡內容。在3D MAX中建三維模塊并且賦予材質，然后根據需要設定好時間軸，以出現動畫搭建效果。在渲染之前還需要對速度進行調整，確保用戶觀看的舒適性并滿足教學需要。在渲染生成AVI影片后，需要使用Win MPG、Video Convert等軟件進行格式轉化，然后在FLASH中使用播放組件鏈接影片播放。

2.3 虛擬實驗模塊分類

“虛擬建筑構造實驗”教學平臺基于由淺至深的梯度化教學，包括基礎知識概念、全景漫游認知、虛擬建構實驗、創新搭建平臺四大模塊。

①基礎知識概念。根據建筑構造教學大綱以及知識鏈邏輯關系，分為八部分內容:建筑基本構造、地基基礎。墻體砌筑、樓板地面等，其中每一級知識鏈都有下一層的細分內容，層次分明，節點完整。

②全景漫游認知。以虛擬全景認知代替傳統的現場課，在真實場景的選擇上堅持原創、持續更新和貼近生活的準則，拍攝建筑物各階段各部分的全景照片，幫助學生在虛擬實驗漫游環境中進一步認知。

③虛擬實驗實驗。實驗搭建平臺是該軟件的主體部分，是學生自主完成題庫中實驗題的過程。學生首先根據題目要求進行實驗分析，然后從界面右側的構件欄中選擇構件進行搭建實驗，完成后點擊［檢查］按鈕，平臺最后會根據學生的虛擬搭建過程與結果給出評價和提示。

④創新搭建平臺。創新搭建平臺是將是該虛擬實驗平臺的無限拓展，是藝術設計實踐教學自由創新的要求。該平臺提供正交視角，用戶可以自主選取構件進行搭建。構件無需像3D MAX或Sketch Up軟件般輸入數據。用戶只需將預制的構件從面板中拖出即可使用。

3 軟件制作核心技術的研究與開發

①界面設計與組件制作

良好的操作界面能給用戶更深刻和舒適的體驗，虛擬建構實驗的操作界面主要分為三大塊:搭建界面、構件面板、導航按鈕。搭建用戶界面設計選用Photoshop和Coreldraw軟件技術，用戶能根據二維的圖形體驗到三維的虛擬效果。構建面板中主要內容為各建筑構造的構件和材料放置區。構件使用3DS MAX進行制作然后導成平面圖形后插入FLASH中的構件板中。構件面板色調采用深淺相間的形式，能使構建更清晰展示和用戶的更便捷選取。材料放置區主要為用戶提供一個臨時放置構件或放置廢棄構建的場所，該區域中用戶可隨心所欲的將構件拖入或拖出拼搭界面。不同大小的構件可通過基本構件多次拼接實現，視覺感官體驗感強，用戶點擊場景中構件即可使其置頂。構建面板是建筑構造的構件和材料放置區。導航欄主要與建筑構造虛擬實驗教學平臺主模塊相銜接，功能與使用方法都與主模塊中相同。導航欄主要起到返回主模塊的作用，用戶在任意一題情況下，點擊“返回”即可進入主模塊中。

②AS代碼編寫

虛擬建構實驗教學軟件主要使用AS代碼編寫，虛擬搭建場景需編寫復制命令，如下:

編寫構件代碼可復制命令，主要利用新建影片剪輯的技術，當點擊構件后，可激活在拼搭場景內的復制命令，復制新影片剪輯:

輔助功能是提示板和小助手。提示板功能是顯示實驗題和實驗結果的評價，該功能通過制作影片剪輯構件實現。小助手實時提示使用方法，拖動小助手可使其移動位置。

4 結語

隨著多媒體網絡技術的發展，虛擬實驗教學已成為加強藝術類實踐教學、提高教學質量的重要手段，它在一定程度上代替傳統的實驗教學，克服傳統實驗的各種制約和弊端，有效地解決目前藝術教育實驗教學中存在的諸多問題，達到教育資源的優化、教學質量的提高。通過藝術設計及技術研發，制作了建筑構造虛擬實驗教學軟件，并以基于真實場景的虛擬全景漫游為載體，進行了網絡虛擬建構實驗平臺的架構，推動了我校藝術設計各專業實驗教學網絡化、信息化的進程。但該軟件建設還處于探索和實踐階段，引用拓展方面仍有局限性，交互體驗式建筑構造虛擬實驗教學軟件是藝術設計實踐教學改革的一次全新探索。

中國紡織工業協會教育教學改革重點項目:創新性藝術設計實踐教學模式的改革與實踐(編號FZJG1115)。