虛擬現實技術在中國,古建筑教育的應用

材料，以木構架結構為主要的結構方式。古建筑是一種文化精神的載體，古建筑教育則是對古建筑最好的保護和傳承。中國古建筑有紛繁復雜、難以還原等特點，使相關課程的開展具有很高的難度，難以達到預期的效果。

山西五臺山佛光寺是全國重點文物保護單位，距今有近兩千年的歷史，是國內現存的唯一唐代木構建筑[1]。佛光寺大殿使用了大量復雜的斗拱結構。斗拱是中國古代建筑特有的形式，由方形的斗、升、拱、翹、昂組成，是較大建筑物的柱與屋頂之間的過渡部分[2]。佛光寺大殿的斗拱構造精巧、造型美觀，具有很高的藝術價值和研究價值，對了解唐代建筑有重要意義。斗拱種類很多，不同種類之間相似度高，形式和幾何關系復雜，因此，文字圖片形式的傳統教學達不到預期的效果，而動手實踐需要的材料和場地等費用又太過昂貴。

虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術作為一門新興技術，為教育領域提供了一個新的教育模式。如何利用這門新技術和媒介手段提升教學效果，是目前教育研究者重點關注的內容。為增加學生對中國傳統建筑技術的理解，設計虛擬仿真軟件來復原斗拱搭建的過程。相較于傳統的教學模式，虛擬現實技術在教學中的應用實現了真實環境的高度還原，具有高度可視化的優點，讓學生可親自動手搭建斗拱。這種新型教學方式不僅能激發學生的學習興趣，還減少了工程實踐所需開銷，同時也是將新型教育技術應用到古建筑教育領域的一個嘗試，探索虛擬現實

技術在教學中的應用對未來的教育模式優化具有重要意義。

一、虛擬現實技術在教育領域的應用

虛擬現實技術經過多年的發展，已廣泛應用到教育領域，有多種教育理論支撐虛擬現實教學，包括構建學習理論中的情景化教學[3-4]、游戲化學習模式[5]等。

虛擬現實教學的主要方式是構建一個虛擬學習環境，學生在這個環境中接受知識，與虛擬物體互動，實時參與學習過程。

建筑教育注重建筑設計的可視化，是虛擬現實技術應用的重要領域。在國內已有多個高校在這方面進行了探索研究，例如，同濟大學建筑規劃景觀虛擬仿真實驗教學中心提出了以技術“基因圖譜”來統一描述虛擬技術特征的方法和一套采用“有限”虛擬現實技術的應用方案[6]，探索如何利用有限的成本來建設符合教學內容和教學條件的虛擬實驗，并利用這套理論搭建了“虛擬建筑認知與建造模擬實驗系列（中國古建筑I）”，讓學生對寧波保國寺進行構建認識與虛擬建造。

虛擬現實技術通過開創全新的學習場景、構建虛實結合的教學方法、節約教育成本等方式來促進教學工作和提高教學質量。河北工程大學水電學院實現了河床式水電站虛擬仿真實驗[7]，利用虛擬現實技術讓學生進行虛擬實習，解決了學生在實習過程中不能多視角動態觀看水利樞紐、大壩、廠房等水利水電結構，無法親自動手參與電站運行、安裝和檢修的問題，是虛擬現實技術在教育領域的有效應用。

二、虛擬現實教學與傳統教學方式的結合

（一）將虛擬現實技術融入虛擬仿真實驗平臺

虛擬仿真實驗是學科專業與信息技術深度融合的產物，利用計算機系統來模擬一個真實的物理系統，解決教學過程中時間、空間、人力和物理的限制。各大高校在虛擬仿真實驗教學平臺建設、實驗教學資源建設和實驗教學隊伍建設及優質資源共享等方面開展了大量探索實踐[8]。從仿真實驗類型上看，演示型實驗和驗證型實驗較多，而真正的交互型實驗很少。虛擬現實技術的一大特征是具有虛實交互性，在虛擬仿真實驗中融入虛擬現實技術可增加交互性，達到虛實互補、虛實結合的教學目的。例如，北京交通大學建立了土木工程虛擬仿真實驗室，開發了隧道+地鐵典型施工工法的VR模塊、道路鐵道工程實習現場VR模塊[9]，是將虛擬現實技術融入虛擬仿真實驗平臺的典型代表。

（二）將虛擬現實技術作為多媒體教學的輔助手段

傳統多媒體教學方式經過多年的發展早已成熟，在教學資源的豐富度上相較于虛擬現實技術等新型教學方式更有優勢。但虛擬現實技術具有沉浸感強、趣味性高、可交互性強等優點，能激發學生的學習興趣，提高教學質量和效果。

以建筑信息化多媒體教學為例，除了傳統的文字圖片等教學內容的展示外，目前極具前景的方向是使用BIM（Building Information Modeling）技術作為多媒體教學的載體，其核心思想是通過建立虛擬的建筑三維模型，利用數字化技術為模型建立完整的建筑工程信息庫。建筑系學生在進行BIM軟件教學的同時，可以引入虛擬現實技術來增強建筑設計的可視化程度和三維空間感，對學生的學習效果有一定的提升。例如，沈陽工業大學自主研發了土建類專業BIM與VR仿真教學平臺系統[10]，在土木工程施工課教學中引入BIM與VR技術，通過VR技術的交互體驗增加學生在施工管理中的實踐能力和存在感，解決了新技術與傳統技術的結合問題，節省了教育資源。

三、斗拱體驗式虛擬現實軟件教學環節設計

建筑系學生在學習“中國古代建筑史”時，會學習斗拱的知識。目前通常采用“課本+多媒體”的方式進行教學，然而，多媒體教學只能展示教學內容，單向傳播知識，缺乏交互，導致在教學中缺乏動手實踐的過程。

對于中國古建筑教學來講，不僅要學習古建筑保護，更重要的是讓學生理解和傳承古建筑所承載的優秀傳統技術和文化。針對古建筑的虛擬現實教學應用寥寥無幾，因此，設計一個基于虛擬現實技術的教學軟件來復原斗拱的搭建過程，進行斗拱教學。

先從教學環節和體驗流程設計入手，遵循已有虛擬現實教學軟件設計的經驗，考慮虛擬現實軟件與傳統桌面軟件的不同之處，針對虛擬現實的特點進行設計。以UE4（Ueal Engine 4）引擎為平臺，創建高度擬真的虛擬學習環境，讓學生在使用時有身臨其境的感覺。

（一）前期設計要素

教學目的。為使學生充分了解佛光寺斗拱的特點，掌握中國古建筑的木質結構相關知識，軟件設計了學生參與斗拱搭建的場景。學生在使用過程中可以感受到中國古建筑的魅力，了解中國古建筑的特色構件——斗拱的搭建流程。

學習者特點。建筑類專業學生在學習古建筑時，往往會因為內容繁雜而缺乏學習興趣。學生對虛擬現實技術比較感興趣，在虛擬式的學習環境中學生會感到新穎，加入虛實互動的功能讓學生對知識的記憶更加深刻。

應用場合。學習中國古建筑史時，可以利用課余時間使用教學軟件輔助學習，熟悉斗拱的結構，鞏固知識點。沉浸式虛擬現實技術作為新型的教學手段還不夠成熟，處于發展階段，對硬件設備的要求也比較高，需要教師或其他學生指導實驗者使用設備。

（二）制定學習內容

軟件主要針對佛光寺東大殿的斗拱展開（圖1）。東大殿是佛光寺的正殿，在全寺最后的一重院落中，位置最高，是目前中國發現的最有份量的唐代建筑。

斗拱是學生學習相關古建筑的重點內容之一。為使學生更加輕松地了解斗拱的搭建流程、構件的形態與功能，使用虛擬現實技術來對文字、圖片、視頻等展示方式進行補充，發揮虛擬現實沉浸性、交互性、想象性的特點，使學生身臨其境地參與斗拱的搭建。將佛光寺斗拱部分分離出來放置在一個特殊的區域，學生在這個區域對斗拱進行拼裝學習，熟悉斗拱的搭建流程和各構件的形狀、功能。

此外，軟件還提供佛光寺東大殿漫游功能，學生可以進入佛光寺東大殿的虛擬場景漫游，熟悉佛光寺的整體布局，了解斗拱在佛光寺東大殿的位置和作用。

（三）體驗流程設計

圍繞斗拱搭建的過程，軟件設計的整個場景采用電梯模式，下層用于輸入姓名和相關信息，中間一層是詳細教程，學生在此可選擇是否漫游佛光寺場景，上層進入核心的斗拱搭建環節。搭建完成后，系統會顯示搭建用時和評分，供學生參考。體驗環節流程如圖2所示?？紤]到大多數學生對虛擬現實技術還比較陌生，沒有使用虛擬現實相關游戲或應用的經驗，故在教程環節中需要對運動控制器的使用、按鍵的詳細功能、斗拱搭建的基本步驟進行詳細說明，讓學生了解如何在虛擬環境中展開交互。

（四）基于虛擬現實教學的設計策略

軟件參考了文獻[11]的敘述進行設計，利用虛擬現實技術建立仿真學習環境，來實現體驗式學習。體驗式學習是以學習者為中心，通過真實或虛擬地經歷某一件事情或過程，并經過反思來獲得知識、發展能力、生成情感的學習方式。

體驗式學習相較于傳統課本或多媒體等學習方式，有利于激發學習動機、增加學習者的參與感，也有利于具體經驗向抽象概念轉化。虛擬現實軟件與傳統桌面軟件的不同之處是要求使用者實時參與其中，因此，提出以下用于設計虛擬現實軟件的原則。

1.適當真實性和抽象性原則

虛擬現實的一大優勢就是給使用者帶來強烈的沉浸感，要求虛擬現實環境具有較高的擬真度，對環境的渲染要求更高，對模型要求更精細。同時，虛擬現實環境可實現在真實環境中無法實現的功能，使單人搭建斗拱成為可能。在斗拱搭建的場景中，應將使用者放置在一個高度仿真的環境，提高用戶的沉浸度。將斗拱的構件按照一定比例縮小，在搭建過程中隨時拖放和旋轉已搭建好的部分，原地就可完成斗拱的搭建。

2.易于操作原則

沉浸式虛擬現實技術使學習環境與真實世界隔離開，在虛擬環境中使用運動控制器與周圍物體進行交互。交互設計不合理，易給學習者帶來很大的困擾，學習者不知道如何在虛擬空間中進行場景切換，影響其學習的興趣和積極性。在虛擬現實中，應采取最常用的操作方式，并在手柄按鍵處添加提示信息。在斗拱搭建環節，將限制用戶的移動，并添加一個教學過程，利用圖標和文字信息使用戶熟悉在虛擬環境中的操作。

3.短時間使用原則

由于虛擬現實技術的局限性，用戶長時間在一個虛擬、封閉的體驗式學習環境中，進行體驗、觀察和操作等學習活動，包括動腦、動手、肢體動作等，會產生一定的眩暈感和不適感。學習內容不宜太多和過于復雜，否則會給學習者帶來較大的心理負擔。模仿現實的搭建過程，不會給學習者帶來過多的學習時間成本。在搭建過程中，遇到不確定的步驟時，可以隨時查看提示，方便學習者操控。瀏覽漫游佛光寺東大殿為可選擇項，僅僅是對佛光寺的整體布局留下印象，不會有過多的互動內容讓學習者感到疲憊。

四、虛擬現實教學軟件的具體實現

根據設計的內容使用3DMax軟件完成主要的建模工作，然后利用UE4引擎作為軟件的實現平臺。UE4引擎是虛擬現實應用中最常用的軟件之一，優點是功能豐富、渲染能力強大，非常適合構建虛擬學習環境，同時該引擎支持C++編程語言，適合內容和功能擴展。硬件主要使用HTC vive頭戴顯示器及高性能PC。

（一）佛光寺東大殿場景及斗拱模型制作

文獻[12]以大覺寺的虛擬現實系統為例，詳細介紹了中國古建筑虛擬現實系統實現過程中的數據采集和處理，對虛擬現實教學軟件的數據收集有重要的參考意義。依照大覺寺虛擬現實系統的數據采集和貼圖處理步驟進行設計，根據UE4引擎的特點給予適當調整。

根據現存的佛光寺資料和佛光寺實地信息，在3DMax軟件中制作對應的模型，然后將模型文件導入UE4中，設計與實物對應的貼圖和材質（圖3）。在UE4中建造地形和佛光寺東大殿周圍的環境，添加光源進行烘焙，盡可能還原現實中的場景。

佛光寺的斗拱是佛光寺的特色部分，也是學生學習的重點對象。佛光寺斗拱共有7種，選取其中具有代表性的3種斗拱——外檐柱頭鋪作、外檐轉角鋪作、外檐補間鋪作。斗拱作為學生交互設計的主要對象，模型設計的質量直接影響學生的操作感受。佛光寺斗拱經長時間的風吹日曬，部分構件發生了一定的腐蝕。軟件著重于斗拱搭建過程，注重的是斗拱的形狀和結構關系，忽略因時間引起的腐蝕和晦暗。所有斗拱均由古建筑專家提供詳細資料，用于對每種構件建模和貼圖材質制作。

（二） 斗拱搭建邏輯的設計和實現

佛光寺東大殿的斗拱有多種類型，每種斗拱的搭建流程都不一樣。為了反映斗拱的正確搭建流程和構件之間的正確關系，方便在不同的斗拱之間進行擴展，用C++語言定義斗拱搭建過程中的各種邏輯關系，如圖4所示。通過程序建模，學生能在教學環節中自己動手搭建斗拱，并能通過相應的接口分辨搭建步驟的正確與否。

圖4中，BucketArch代表斗拱，Step代表搭建步驟，Aseemble代表兩個構件的關系。Location和Rotation分別用來表示構件的相對位置和相對旋轉角度。對于有對稱性的構件，采用多個相對旋轉角度來記錄構件之間的關系。同時，定義兩個枚舉類BAT（BucketArchType）、CT（ComponentType）來表示不同的斗拱類型和構件類型。學生在體驗時先通過枚舉類選擇對應的斗拱，在斗拱搭建過程中，從菜單中選出構件，調用compose接口判斷此構件是否為當前步驟所需。學生在放置構件時，通過compose接口判斷構件放置的位置是否正確。斗拱搭建過程比較復雜，學生在搭建過程中不知道如何放置構件而停滯不前，因此，添加提示信息相當有必要。在合適的地方存放了斗拱正確搭建過程的三維演示動畫，學生在遇到困難時可以隨時查看演示動畫，從而使搭建過程繼續下去。

（三）虛擬現實常用交互功能的實現

利用UE4引擎的藍圖可視化編程工具和C++相結合，對重要的功能和操作進行編程設計，包括斗拱的旋轉和拖拽、搭建用時和步驟的顯示、斗拱構件選擇菜單自動生成等，圖5展示了虛擬現實軟件中核心的斗拱搭建部分。在漫游佛光寺東大殿時，通過虛擬現實中常見的瞬移漫游方式，可有效減少學生在虛擬現實環境中發生眩暈的概率。

五、學生參與結果的調查分析

（一）調查目的和步驟

為驗證虛擬現實軟件對學生學習斗拱知識的教學效果，設計了一個對照傳統教學方式的調查實驗。

參與調查的學生共有25名，都是在讀研究生，其中18名為建筑類專業學生。這些學生沒有使用過或很少使用過虛擬現實設備。

學生佩戴好虛擬現實設備，按照相應的流程，先輸入姓名學號，查看具體的教程，再進入斗拱搭建環節，完成斗拱搭建，記憶每個斗拱構件的名字和位置等信息。完成實驗后，對每位學生進行問卷調查和知識檢測。使用問卷來調查學生對虛擬現實軟件的體驗感受和教學評價。知識檢測的內容分為兩類，一類是識別不同的構件，包括構件的名字和形狀，另一類是斗拱在搭建過程中所在步驟及與其他構件之間的相對關系。

按照傳統的多媒體教學方式設置對照組，利用紙質資料和斗拱搭建的演示動畫來進行教學。學生用相同的時間學習相關的斗拱知識，最后完成相同內容的知識檢測。

（二）調查結果反饋

大多數學生對虛擬現實教學方式的評價是積極的，相較于傳統方式有更濃的學習興趣。通過記錄答題正確次數和正確率（圖6、表1）來反映學生的學習效果，以單因素方差分析（表2）檢驗兩種教學方式在答題正確率上的差異，可知虛擬現實教學中學生的答題正確率顯著高于多媒體教學的正確率，驗證了虛擬現實技術對古建筑教育的推動作用。

六、結語

構思、設計用于中國古建筑教育的佛光寺斗拱搭建體驗式教學軟件，提供給建筑專業學生學習使用。軟件充分利用了虛擬現實在視覺效果和交互性上的優勢，構建了一個體驗式、沉浸式的學習環境。針對繁多的斗拱種類和復雜的拼接步驟和細節，設計了具有高還原度的斗拱搭建交互過程，使斗拱這一中國古建筑元素在虛擬現實環境下得以重現。在下一步的工作中，將軟件應用于一般類建筑，實現更多功能、更多角度的交互設計，設計一套科學的評分系統來輔助教學活動的開展，進行結果測評，使這個軟件成為建筑系仿真實驗教學的高度集成體。參考文獻：

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Application of virtual reality in Chinese ancient architecture education：

Design and implementation of experiential teaching soft of bucket arch culture

ZHANG Jie ， CHEN Hengxin， WANG Jiahui

（College of Computer Science， Chongqing University， Chongqing 400044， P. R. China）

Abstract：

In recent years， virtual reality technology has become increasingly mature and has gradually been applied in the field of education. In order to optimize the education mode and practice education reform， the article uses virtual reality technology to design and implement a bucket arch culture experiential teaching application for the famous ancient architecture Foguang Temple. The components of the bucket arch have the characteristics of high complexity and difficulty in distinguishing. Because of the immersive， interactive， and imaginative advantages of virtual reality， architectural students can participate in the process of bucket arch construction in the virtual environment. The results of student participation show that the bucket arch learning virtual reality platform is higher than the traditional learning mode in interest and knowledge retention. It reveals the effectiveness of virtual reality in the field of ancient architecture education and has positive significance for inheriting ancient Chinese architectural culture.

Key words：virtual reality;experiential teaching; ancient architecture; bucket arch construction