虛擬現實技術在高校城建類專業實踐教學中的應用

劉容宇，蘇 瑀

（北京城市學院城市建設學部，北京 101309）

實踐教學既是加深理論知識，增強理論認識的重要環節，也是培養學生掌握科學方法和提高動手能力的重要平臺。同時，在高校教學過程中，更是理論聯系實際不可或缺的一部分，為培養具有創新意識的高素質人才而奠定實踐基礎。然而，對于城建類各專業而言，隨著行業的不斷發展，新技術不斷涌現，傳統的實踐教學就顯得“獨木難支”了。為適應時代的變化，迎合市場的需求，這就對學生的培養提出了更高的要求。那么，如何培養？怎樣培養？就是首要解決的問題。為了改變北京城市學院“城建類”各專業的傳統實踐教學方式，發掘新思路、尋求新發展、開創新局面，便思考將現代科學技術與實踐教學相結合，特別是虛擬現實技術的引進與應用，正可謂是“吐故納新”的最佳詮釋了。

1 虛擬現實技術概述

虛擬現實（Virtual Reality，VR），也稱為靈境、幻真、賽博空間等，是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機系統，可以形成一種“人既可沉浸其中又可超越其上、進出自如、互相交互的多維信息空間”。虛擬現實技術是利用計算機模擬產生一個多維信息空間的虛擬世界，為體驗者創造了視覺、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、自如地在虛擬環境中進行全方位的感知體驗[1-2]。現如今，虛擬現實技術已在各行、各領域中得到廣泛的應用。

2 虛擬現實技術在國內外的應用與發展

虛擬現實技術發明于美國，最早是面向軍事領域，開展了諸多航空、航天領域產品的研發和宇航員、飛行員、維修人員的各種模擬訓練系統的研究開發[3-5]。現如今，已經建成了空間站、航空、衛星維護的虛擬現實訓練系統，建立了可供全國使用的虛擬現實教育系統[6-7]。此外，在一些比較發達的國家，虛擬現實技術在教育領域中被研究與應用。譬如，在建筑仿真、醫學仿真、分子建模、航空駕駛、工業設計等實踐教學中虛擬現實技術均發揮著重要作用[8-11]。

中國對于虛擬現實技術的研究雖然與國外一些較為發達的國家相比，仍有一定的差距，但隨著計算機系統工程以及計算機圖形學等技術的迅猛發展，中國各界人士對虛擬現實技術也越來越重視，并且積極進行著虛擬現實環境的創建及虛擬現實場景分布式系統的開發[12]。國內諸多高校和研究機構也在積極進行虛擬現實技術的研究及應用，同時也取得了一定的成果。目前在所知范圍內，已經在飛行員虛擬現實訓練、實用純交互式汽車模擬駕駛培訓、虛擬體育仿真、數字文化遺產保護、果樹栽培技能等各方面、各專業中實現了廣泛應用，并收獲了令人滿意的效果[13-16]。

3 北京城市學院引進虛擬現實技術的背景

城市建設行業涉及經濟社會發展的各個領域，中國城市化進程的加快，首都“世界城市”建設以及京津冀經濟圈建設的展開，各地城市格局的調整和功能提升，帶動了大規模的城市建設，而城市化面臨的生態失衡、資源浪費、特色消失、能源消耗、環境惡化、城市災害頻發等現實問題，則亟需依靠現代化科技加以解決。進而，這就對城建類相關學科專業人才培養提出了更高的標準及要求，包括城市（鄉、鎮）規劃、設計、建設及后期運維管理。在基于不破壞自然地形的前提下，進行區域的合理劃分；最大程度提升人們生活環境質量及幸福指數；高標準還原與修護古建筑以延續歷史文化；全面普及城市安全管理應急教育，以充分保證規劃設計的合理性及有效性。這就要求在本科培養階段，不但要注重理論知識的傳授，同時還需借助現代科學技術讓學生切身去感受，只有感受才能有更深刻的理解與領悟。因此，北京城市學院“城建類”各專業在教學中融入虛擬現實技術并進行實踐應用。各專業充分運用虛擬現實技術以此來增強學生的尺度感、空間感、參與感以及體驗感，讓學生更加生動、靈活、自由地感受規劃、設計、管理等方面的實踐精髓。此外，虛擬現實技術不僅為學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，同時虛擬現實技術與城建類各專業實踐教學相結合的創新方法，使得學生可在虛擬的世界中不斷探索、相互交流、創新設計、強化學識，進而實現了在實踐教學環節中，內容的可視性、環境的虛擬性、過程的交互性以及評價的客觀性。

4 虛擬現實技術在“城建類”專業實踐教學中的應用

虛擬現實技術作為新興的教學媒介，與以往的傳統教育方式有很大區別。它極大改變了以教師、書本、課堂為中心的古板、守舊、單一的傳統教育模式，打破了傳統實踐教學的局限與束縛，教師將新技術應用于實踐課堂之中，徹底轉變了傳統教學觀念，提高了教學質量和教學效果。

北京城市學院城建類專業主要分為2大類，即建筑類和土建類，涵蓋了初期規劃設計、中期工程建設以及后期運維管理的3個階段領域人才培養模式，以構建“規劃—設計—建造—運營維護”能力為一體的全生命周期高端應用型人才的培養體系，如圖1所示。

圖1 北京城市學院城建類培養體系構建

在完整的培養過程中，除了必要的理論知識學習以外，實踐教學成了讓學生直觀地理解專業、檢驗理論運用能力的必要環節。但是以往的實踐教學，大都是教師帶領學生外出進行實地調研、參觀、測繪等活動，在人流擁擠或周圍環境嘈雜時，就需要教師聲嘶力竭、費勁心思地去為每一位學生講解實際設計、施工所需注意的要點，而這樣傳統的教學方式不僅學生的注意力極易被干擾，同時教師的精力也容易被分散，進而導致實踐教學效果不佳。此外，對于土木工程等專業而言，帶學生到實際施工場地進行參觀、學習是實踐教學過程中必不可少的一環，但學生外出的安全就成為了每一位教師和家長最為擔憂的問題，即使到現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路途，對于現今的實踐教學來說，未必受用，有時不一定必須實際達到，在空間、時間以及金錢等方面造成阻礙時，也可以借用現代科學技術來進行現場教學，完成實踐教學的目的。虛擬現實技術就可以幫助城建類各專業實現這一目的。

4.1 規劃設計類專業應用

學生的實踐水平和操作能力是依靠實踐教學、實訓練習逐步培養起來的，在傳統的設計課程中，大多以教師口授為主，PPT教學為輔，利用已有的圖片或場景視頻為學生講授設計意義、設計理念、設計原理以及設計上的重難點。這種教學方法，猶如紙上談兵，缺少實際感知，學生僅是憑借二維圖形在腦海中構建場景，無法形成立體圖像，特別是對立體感知較弱的學生而言，單是依靠二維圖形自行想象三維圖像，就會顯得尤為吃力，進而導致學生對設計課程產生抵觸情緒與負面影響，長此以往影響學生的專業學習與身心健康。事實上，設計課程本身就是三維空間的藝術創造，為了提高每一位學生對空間尺度的把握能力，提升每一位學生對空間形態設計的理解，充分發揮虛擬現實技術的優勢特點，并將其與設計類課程相結合。首先，學生可以在圖紙上將自己的設計進行草圖繪制，通過教師的多次指導修正，再將其用建模軟件構建而成；其次，通過虛擬現實軟件將所建模型轉化為三維立體形式，實現模型從“平面式”轉為“立體式”；最后，利用虛擬現實外部設備（頭顯及操作手柄）進入到自己所創建的虛擬場景當中，身臨其境地去感受自己所設計、所打造的虛擬世界，在三維的虛擬空間內，學生可以多角度、多方位地去觀察、發現自己設計中的不足，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，是否達到了預期效果，都可以通過虛擬場景的體驗，給予設計者最直觀的反饋。

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

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

現如今，虛擬現實技術不單可滿足城建類各專業的日常實踐教學需求，它還被用于學生畢業設計方案展示、講解時使用。

4.2 技術管理類專業應用

虛擬現實技術除了可以在規劃設計上起關鍵作用外，在技術操作、運維管理方面同樣能發揮余熱。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量有限的情況下，為了培養學生對無人機的操控能力，虛擬現實無人機操作系統就顯得尤為重要。學生可以先在虛擬場景內熟悉無人機的整體構造，并練習無人機的正確拆裝，然后再使用虛擬操作系統，練習無人機各類型飛行路線的實際操控方法，不僅鍛煉了學生的實操能力，也為實際操控無人機以及后期想要考取相關證書的學生奠定了扎實的實操基礎。

與此同時，在城市安全管理專業的學生培養方面，積極采用虛擬現實技術，依托虛擬安全場景，以構建一個城市安全管理的虛擬實踐課堂，學生可在預設的虛擬環境中，進行安全隱患的排查及修正練習，其中每個隱患點均配有練習題和相對應的法律規范，學生通過實操、答題的方式來加深對理論知識的理解，鞏固教學重難點，從而達到追求實景訓練的教學目的。虛擬現實技術在城建類專業應用后的優劣對比如圖2所示。

圖2 虛擬現實技術在城建類專業應用后的優劣對比

現如今，無論是使用Sketchup、3D Max、Revit，還是無人機數據采集、GIS（GeographicInformation System）等軟件所建模型均可轉化成虛擬現實場景，再利用虛擬現實編輯軟件，對內部物體進行交互設計，從而增強操作性及互動性。

5 結論

經實踐后可得，虛擬現實技術已逐步融入到了城建類專業實踐教學之中，并且發揮它獨有的優勢來輔助著教學。如果單純從教學角度考慮，它確實為傳統教學注入了新鮮血液，為實踐教學提供了另一種可能性。但凡事均有兩面性，虛擬現實技術其實也存有其自身的局限性，復雜的制作方式、固定的實驗場地、高昂的特殊設備等，無論缺少哪一環，都不能達到真正的虛擬現實體驗，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，以展現更佳的虛實相結合的教學方法，就成為下一階段需要深入思考的問題了。

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