VR技術下建筑類學生空間認知教學實驗

毛超　金貴琳　宋曉宇

摘要：空間認知作為建筑設計教學的重點和難點，越來越受到國內外院校的重視。虛擬現實（VR）技術能生成三維動態視景，為用戶提供1∶1的虛擬沉浸體驗。對建筑類學生而言，VR技術帶來全新的設計視角。為證明VR對學生空間認知的積極作用，對比VR和幾種傳統的建筑設計方式，并在不同階段開展問卷調查，進行深入訪談。研究結果表明，VR設計方式下，學生對空間尺寸和比例等的把控更為準確，其空間認知和設計理解能力有顯著提升。

關鍵詞：VR技術;建筑設計;空間認知;教學實驗

中圖分類號：G642.0;TU2 文獻標志碼：A 文章編號：1005-2909（2020）06-0144-09

空間復雜性的表達是建筑設計中的一大挑戰。對于建筑領域的學生和設計師而言，設計簡單的空間或建筑均依賴于良好的空間認知及想象能力[1]。隨著數字技術的發展，建筑設計教學也逐漸由二維模式向三維模式轉變[2]。除CAD、SU、3DMAX和BIM等三維模型的運用外，建筑設計類專業還常用小規模實體模型[3]，但實體模型因成本及時間的限制，不利于在教學中大量應用。傳統的二維圖像和三維模型對提升學生空間認知能力的影響有限，動畫和模型并不能完美表現建筑空間和提供建筑空間真實的尺度感受[4]。

VR（Virtual Reality）是以計算機技術為核心，結合相關科學技術，在視、聽、觸感等方面生成與真實環境高度近似的數字化環境，用戶借助必要的裝備與數字化環境中的對象進行交互作用、相互影響，可以產生親臨真實環境的感受和體驗[5]。VR技術的3I特征（沉浸-交互-想象：Immersion-Interaction-Imagination）使之成為有效的建筑設計工具之一。VR技術將帶來一場全新的建筑學空間認知革命，建筑空間需要體驗，在體驗中能更清晰地認知空間，VR是理解物質空間的新方法。VR的多維可交互表現與表達更直觀，三維空間信息傳遞減少信息的衰減，提高溝通交流的效率，學生在VR體驗中能更好地認知空間，不再為難以想象的剖面發愁。VR在一定程度上解決傳統建筑設計過程中的空間認知困境，VR技術作為新技術促進建筑設計思維邏輯與理論方法的迭代更新，可為建筑類專業教學提供新的思路，VR的交互能幫助學生理解構造原理部分的內容，且學生可通過自主設計空間的方式在VR中親身體驗自己的設計。

近年來，越來越多的高校重視VR在建筑學上的應用，部分高校已建立VR建筑實驗室及實訓基地，為建筑學專業學生開啟新的認識空間技術手段。文章以建筑設計領域的學生為研究對象，設計二維手繪、三維SU建模和VR設計3種方式的教學實驗。教學實驗選用的是光輝城市公司開發的VR建筑設計工具Mars軟件， Mars從2017年發布至今，已成為國內建筑業最受歡迎的“3D/VR”技術軟件之一。文章旨在通過VR設計方式研究提升學生空間認知能力，探究VR設計與二維手繪、三維SU建模教學模式的差異及可行性。

一、VR在建筑教學領域的研究現狀

部分國外學者針對VR技術在空間認知方面的運用進行了研究。Werner和Schindler[6]研究了空間參考系架構不對齊對空間記憶、空間認知和建筑設計工作的影響。Kuliga[7]等研究表明，VR可作為實證研究工具，在建筑研究和實踐中開展可行性研究及入住前建筑評估。Fogarty[8]等研究發現，虛擬現實可幫助學生理解結構工程中復雜的空間布局。Messner[9]等指出VR技術最顯著的優勢是讓學生在全尺寸（1∶1）的虛擬空間內獲得“存在感”和真實感，增強空間認知學習能力。Schneider[10]等研究了VR應用于建筑教育的潛力，在早期設計階段為學生提供使用者視角體驗。多數學者的研究表明，VR技術對空間認知具有一定積極影響，但在VR設計方式與傳統設計方式的對比實踐研究方面存在不足。

伴隨VR熱潮，國內的部分機構和高校開展了VR技術在教育領域的應用研究。杜穎[11]認為VR教學能提高學生的聽課效率，對學校、教師、家長和學生具有積極影響（如圖1）。VR的沉浸感優勢可以讓設計者身臨其境全方位審視設計效果，契合可視化學科設計和圖像化教學[12-13]，而且利用VR技術能幫助學生將二維圖紙三維實物化[14-15]。陸海燕[16]等研究BIM與VR技術在土木工程施工教學中的應用，發現通過VR沉浸式體驗，學生不但體驗虛擬現實中的場景，而且能發現施工方案的優點與不足。張杰[17]等設計虛擬仿真軟件以復原斗拱搭建的過程，將新型教育技術應用于古建筑教育領域。將VR技術運用于建筑教學可以呈現建筑物的立體化信息，學生易于通過自身與信息環境的相互作用來獲取知識和技能，升級傳統“以教促學”的建筑教學方式[18]。

VR設計方法所帶來的設計方式變革，可以媲美CAD問世所產生的影響。相比國外VR技術在教育領域的應用和研究，國內仍處于探索階段。目前，VR技術在建筑類的教學研究未考慮VR技術對學生空間認知和設計能力的影響。尤其在二維模式、三維建模和VR設計3種不同模式下，關于學生空間認知能力的量化研究相對較少，且缺乏系統性及完整性。

二、實驗方案設計

（一）實驗方案

實驗總體設計如圖2所示。針對2D、3D（SU）、VR 3種建筑設計模式，統計和測量學生在不同模式下設計的書報亭面積、窗地比和空間大小，并結合問卷和訪談方式，調查記錄學生對不同設計方式的差異評價和選擇偏好等感受評價。根據實驗結果對比分析3種設計方式教學實驗后學生空間認知能力的變化。

（二）實驗參與對象

此次實驗以重慶建筑工程職業學院建筑專業一年級的26名學生為對象，參加實驗的學生基本上掌握畫法幾何、建筑制圖和計算機輔助技術（CAD）等基礎知識，但未系統學習建筑設計的專業課。因學生存在較大的個體差異，實驗各階段的參與對象為同一班級學生，為避免不同教學方式對學生學習能力的影響，選取同一教師團隊進行指導。

（三）實驗任務

實驗任務標準化。考慮到實驗難度和可行性，將任務設定為固定空間的建筑設計。為提高實驗數據的真實性，選取不易從網上獲取空間尺寸的書報亭作為實驗任務。以書報亭空間為例，要求學生設計一個符合人體工程學的最優尺寸。實驗分為4個階段：

（1）實驗前初步空間認知測試，問卷調查和訪談。要求學生在10 min內獨立完成問卷。

（2）2D手繪模式測試，采用傳統圖紙進行方案設計。要求學生以1∶50的比例畫出理想的書報亭平面圖、正立面圖、與立面圖垂直的剖面圖、軸測圖，并在內部放置一個開放式貨架。

（3）3D建模測試，采用三維建模軟件Sketch Up進行設計。要求學生搭建一個理想的書報亭，在內部放置一個開放式貨架，其余細節自由發揮。

（4）VR設計測試，采用VR設計工具Mars輔助設計。要求學生在VR端進行組裝與編輯，設計一個理想的書報亭，測量其面寬、進深、凈高及開窗面積。同時，要求學生將上一階段搭建的SU模型導入Mars進行VR體驗，讓學生在虛擬環境中體驗其用SU設計的書報亭空間大小、開窗比例和材質等。

在各個階段實驗結束后，統計3種不同設計方式下的書報亭平面面積（x，y）、空間層高（z）、空間大小（x， y， z）和窗地面積比4個變量。在實驗每個階段作問卷調查和深入訪談，考察和統計學生在使用不同設計方式前后建筑空間認知能力和設計能力的變化。各階段問卷及訪談問題設置如表1所示。

三、結果與討論

篩選26份實驗數據，過濾異常和無效數據，最終得到有效樣本數量21份。采用比較研究方法描述樣本的特征、行為分析，比較頻數分布情況，逐個分析各測試階段單一變量（平面面積、凈高、空間大小、采光）的變化情況，對比分析各組分布特點。

（一）平面面積

根據人體工程學設計理論，滿足人體基本需求的書報亭標準平面面積為3～6 m2[19]。結果表明，VR設計一定程度上提高了學生實際設計時對空間平面的認知能力

，具體結果如圖3所示。在初步空間測試、手繪設計測試、SU建模設計測試及VR設計測試4種不同模式下，學生設計的書報亭平面面積在標準面積范圍的占比分別為47.6%、14.3%、9.6%和57.3%。如圖3（a）所示，由于對空間認知的偏差，約有42.9%的學生初步空間認知測試時高估面積，其中，認為面積為9 m2的學生人數最多，而在經過手繪設計測試后，高估面積的學生上升至80.9%，認為面積為8 m2、9 m2和24 m2的學生最多。在SU建模設計測試過程中，90.4%的學生設計出的面積超出標準范圍，在經過VR設計測試后，面積超出標準范圍的學生下降至42.7%。從實驗結果來看，對于設計基礎薄弱的學生來說，各階段的實驗中普遍存在高估報亭平面面積的現象。但從整體上看，VR設計相較于手繪設計和SU設計的書報亭平面面積更符合人體基本需求的設計標準。

（二）凈高

滿足人體基本需求的書報亭標準凈高為2.1～3.0 m[19]，而根據實驗結果，VR設計比認知測試、手繪設計和SU設計的書報亭凈高更符合人體基本需求的設計標準，較大程度提高了學生實際設計時對空間高度的認知能力，結果如圖4所示。在4種不同模式下，學生設計的書報亭凈高在標準凈高范圍內的占比分別為52.5%、33.4%、62.0%和90.5%。同樣，在每種模式測試下，大部分學生都會高估書報亭凈高，但對于手繪設計測試、SU建模設計測試及VR設計測試而言，學生的總體空間認知能力逐漸提升。

（三）空間采光

滿足人體基本需求的書報亭標準窗地比一般來說大于或等于0.25[20]。研究表明，VR設計模式下書報亭的窗地比相較于其他兩種設計模式更加合理，在空間采光設計上更具優勢，如圖5所示。在不同模式測試下，學生設計的書報亭窗地面積比在0.25及以上的占比分別為57.2%、62.3%、66.9%、76.4%，這說明在4種模式測試下，學生對書報亭窗地面積比的總體把控能力逐漸提升。

（四）空間大小綜合分析

為探究VR設計對學生空間認知和設計能力的影響，利用三維散點圖進行綜合分析。其中，x為面寬，y為進深，z為凈高;Ai（i=1，2…21）點為學生設計的實驗數據，Bj（j=1，2…8）點代表滿足人體需求的基本書報亭空間的標準大小范圍，M點是標準范圍值構成的立方體的體心。通過比較Ai點落在Bj點所構成的立方體內或附近的數量衡量學生的空間認知和設計能力。通過計算空間點Ai與M的距離總和L來直觀比較不同設計方式對學生空間認知能力的影響。計算公式如式1所示。

根據圖6及表2中不同階段測試下書報亭空間大小綜合分析的結果，VR設計模式對學生的空間認知能力有一定的提升效果，手繪設計和SU建模設計的效果相當。從圖6中可以直觀看出VR設計模式下的測試結果更多在標準大小范圍附近波動。測試空間點Ai與標準范圍中間點M的距離總和L4

在VR設計測試實驗后，要求學生將自己搭建的SU模型導入Mars中進行VR體驗。大多數學生反饋在VR體驗自己搭建的書報亭SU模型后，直觀發現其中存在的問題與不足，VR設計方式加強了自己對空間的認知和對建筑設計的體會。

實驗測試后的問卷調查和訪談結果也進一步證實了VR設計模式對建筑設計課程的促進作用。學生普遍認為VR設計方式更加吸引人，增加了學習興趣和動力，而且可在VR虛擬環境中自如行走，把自身作為比例尺，衡量空間的尺度，設計的同時能直觀看到虛擬的設計效果。總的來說，VR彌補和完善了建筑設計類專業學生的空間認知缺陷，培養學生的空間想象力和設計能力，也為建筑教育者解決了一系列的教學難題。

四、結語

以重慶建工學院建筑專業一年級學生為例，設計了手繪設計、SU建模設計和VR設計3種模式的教學實驗，研究學生在不同設計模式下空間認知能力的變化。通過實驗探索了VR技術與建筑設計教學相結合的設計過程，明確VR設計的優勢，特別是在提升學生空間認知方面，研究結果如下：

（1）VR設計方式提高了學生的建筑空間認知能力和設計能力。VR對空間形體的直觀呈現培養了學生對復雜空間關系的認知能力;VR實時的形體表達提高學生對空間想象和表達的協調度及效率;VR輔助功能表述想象、形體、空間關系、感覺，培養學生語言和空間之間的轉化能力;VR空間體驗使學生感知并記憶不同情況下的空間體量值，培養學生空間感知的精確度。

（2）VR沉浸式的設計相較于傳統模式2D和3D-SU設計存在很多優勢。最基本的優勢是虛擬環境帶來的視覺沖擊提升學生的學習興趣、設計能力及聽課效率，對學生空間能力的培養也有極大的促進作用，提升學生設計表達力。VR技術幫助教師傳授設計知識，輔助學生表現設計想法，在交互過程中可以幫助學生發現設計作品中的問題，總結經驗，提升設計相關的綜合能力。

VR技術在建筑設計教學領域有很好的應用前景，把VR技術運用于建筑設計類專業教學是建筑設計教學對信息時代的適應，也是建筑教學領域發展的需要。

參考文獻：

[1]唐任杰.建筑專業學生空間能力測評及培養研究[D].北京：清華大學，2011.

[2]徐輝.建筑制圖教學中學生空間想象力的培養[J].科技信息，2008 （28）： 613.

[3]沈禾.現代建筑設計的典型形式流程解析[D].南京：東南大學，2005.

[4]湯眾.復雜空間認知研究中的虛擬現實技術應用[J].實驗室研究與探索，2007，26（9）： 9-11.

[5]趙沁平.虛擬現實綜述[J].中國科學： 信息科學，2009，39（1）： 2-46.

[6]Werner S，Schindler L E.The role of spatial reference frames in architecture： Misalignment impairs way-finding performance[J].Environment and Behavior，2004，36（4）： 461-482.

[7]Kuliga S F，Thrash T，Dalton R C，et al.Virtual reality as an empirical research tool—Exploring user experience in a real building and a corresponding virtual model[J].Computers，Environment and Urban Systems，2015，54： 363-375.

[8]Fogarty J，McCormick J，El-Tawil S.Improving student understanding of complex spatial arrangements with virtual reality[J].Journal of Professional Issues in Engineering Education and Practice，2017，144（2）： 04017013.

[9]Messner J I，Yerrapathruni S C M，Baratta A J，et al.Using virtual reality to improve construction engineering education[C]//American Society for Engineering Education Annual Conference & Exposition，2003.

[10]Schneider S，Kuliga S，Hlscher C，et al.Educating Architecture Students to Design Buildings from the Inside Out[C]//Proceedings of the 9th International Space Syntax Symposium，Seoul，Korea，2013.

[11]杜穎.VR+ 教育： 可視化學習的未來[M].北京：清華大學出版社，2018.

[12]羅小華.虛擬現實技術應用于建筑設計類課程教學初探[J].高等建筑教育，2009，18（6）： 146-149.

[13]王莉，楊明輝.虛擬現實時代：智能革命如何改變商業和生活[M].北京：機械工業出版社，2016.

[14]張衛，向遙.虛擬全景在建筑教學中的應用研究與實現[J].高等建筑教育，2005，14（2）： 96-98.

[15]許曉莉.房屋建筑虛擬教學系統的設計與實現[D].成都：四川師范大學，2011.

[16]陸海燕，鮑文博，寧寶寬，等.BIM 與 VR 技術在土木工程施工教學改革中的探索與實踐[J].高等建筑教育，2018，27（5）： 127-131.

[17]張杰，陳恒鑫，王家輝.虛擬現實技術在中國古建筑教育的應用——斗拱文化體驗式教學軟件的設計與實現[J].高等建筑教育，2018，28（4）： 139-146.

[18]董春華，趙昆明，胡建平，等.虛擬現實技術在建筑類課程教學中的研究與應用[J].中國輕工教育，2015（4）： 93-96.

[19]劉濤，周唯.人體工程學[M].北京：中國輕工業出版社，2017.

[20]楊柳，朱新榮，劉大龍，等.建筑物理[M].北京：中國建材工業出版社，2014.

Abstract： As the key and difficult point of architectural design teaching， spatial cognition has been paid more and more attention by domestic and foreign universities. Virtual reality （VR） technology can generate 3D dynamic vision to provide users with a 1：1 virtual immersion experience. For architectural students， VR technology brings a new design perspective. In order to prove that VR has a positive effect on students spatial cognition， this paper conducts teaching experiments on VR and several traditional architectural design methods， and conducts questionnaire surveys and in-depth interviews at different stages. The research results show that under the VR design mode， students have more accurate control over spatial size and proportion， and their ability to understand spatial cognition and design has been significantly improved. At the same time， it also provides certain practical value for the application of VR technology in the field of architectural design teaching.

Key words： VR technology; architectural design; space cognition; teaching experiment

（責任編輯 周 沫）