在線虛擬實驗在建筑教育中的技術應用方案討論與效果評估

孫澄宇, 許迪瓊, 湯 眾

(同濟大學 建筑與城市規劃學院, 上海 200092)

在線虛擬實驗在建筑教育中的技術應用方案討論與效果評估

孫澄宇, 許迪瓊, 湯 眾

(同濟大學 建筑與城市規劃學院, 上海 200092)

隨著我國的在線虛擬實驗建設工作正依托一批國家級虛擬仿真實驗教學中心積極展開，如何制定虛擬現實技術的應用方案是一個十分重要的問題。介紹了同濟大學建筑規劃景觀虛擬仿真實驗教學中心近1年多來的思考與探索，提出了以技術“基因圖譜”來統一描述虛擬技術特征的方法,緊緊圍繞自身教學環境的需要,在“輕硬件重內容”的建設思路指導下,提出了一套采用“有限”虛擬現實技術的應用方案。通過對基于該方案的3個建成實驗的系統化評估,顯示出了該方案積極的教學效果。

建筑教育； 在線實驗； 虛擬現實； 效果評估

1 研究課題的背景

在線教學(“慕課”)在當代教育中異軍突起，隨著其在全球的興起,越來越充滿個性化與自主化特色?；诨ヂ摼W且具有交互功能的開放式在線學習方式,顛覆性地變革了以往的“教”與“學”的方式,在激發了學習者更多興趣的同時,使全球各地不同人群能夠共享優質教育資源[1]。

其中,基于虛擬現實技術的在線虛擬實驗,極大地彌補了真實世界中傳統實驗教學的諸多難點。它發端于國外學者在20世紀末提出的“網絡虛擬實驗(web-based virtual experiment)”概念[2]。它可以輕易地實現真實世界中由于距離遠、操作危險、成本高昂、空間局促，或者根本不可能開展的各種實驗。隨著2015年虛擬現實行業的興起,它進入了快速發展期,國外著名的在線虛擬實驗室有:麻省理工學院的WebLab、卡耐基-梅隆大學的虛擬實驗室、加拿大的DRDC項目、牛津大學的虛擬化學實驗室、伊利諾伊大學芝加哥分校的Vicher系統、俄勒岡大學的虛擬物理實驗室等[3]。

國家在建筑類專業的教育中也大力投入,依托一批國家級虛擬仿真實驗教學中心,開始建設在線虛擬實驗資源。隨著國內學者對該趨勢的持續關注,國內高校也陸續在機電、航空、國防等專業先行開展了建設[4]。傳統的建筑類專業教育中,也存在著對相關的物理實驗、建造實驗、認知實驗中一些環節進行在線虛擬化改造的需求。近年來,教育部分別在同濟大學、華南理工大學、哈爾濱工業大學、浙江大學、中央美術學院、北京建筑大學等高校的建筑類專業,開始建設國家級虛擬仿真實驗教學中心,開展相關建設,逐步起到輻射全國的效果。

顯然,各單位投入大量人力物力開展在線虛擬實驗資源建設，一開始,就必須先選擇一套適宜的虛擬現實技術應用方案。由于知識背景的不同,建筑類專業的建設團隊,在面對琳瑯滿目的技術選項時,如何在有限的成本下,建設出符合教學內容與教學條件的在線資源,就成為了一個亟須探索的問題,而這也直接決定了國家投入的最終有效性。本文將介紹同濟大學團隊近一年來,在面向建筑類專業的在線虛擬實驗建設,制定虛擬現實技術應用方案過程中的各種思考與探索,及其相應的成效評估結果。

2 制定技術應用方案的思考與探索

2.1 技術多樣性及其選擇依據

目前,隨著各種硬件設備的商業化、小型化、微型化,大量的虛擬現實技術都走入了高校的視野,他們的實施價格可以相差近10萬倍,涉及的功能從視聽表現到互動控制,再到穿戴嵌入等,呈現出空前的豐富。所以,同濟大學團隊先建立了一個描述當下各種虛擬現實技術的“基因圖譜”,可以系統化地描述各種應用方案的技術特征,為后續多方案的比較與相互參考提供了一個通用的平臺。同時,針對這種技術多樣性,提出了在實踐中開展教育成效評估,才是進行各種技術應用方案選擇的主要依據。

2.1.1 描述技術特征的“基因圖譜”

雖然虛擬現實技術紛繁多樣,但都不同程度地支撐了它的“I3”特征,即“沉浸性(Immersion)”、“互動性(Interaction)”、“構想性(Imagination)”[5]。因此,這里通過大量分析國際建筑領域已應用的虛擬技術[6],構建描述現有各類虛擬現實技術的“基因圖譜”也從這3個特征入手,分別歸納了15種變量可選項,實現了對從技術特征到整個技術應用方案的系統化描述見表1。一般而言除該表中2個并列的有序任務可選項外,表中在同一行中的可選項從左到右,其實施代價與效果都呈上升趨勢。

表1 描述虛擬現實技術特征的“基因圖譜”

2.1.2 教學應用的制約與對成效評估的需求

在面對上述如此豐富的技術選擇時,非虛擬現實行業的高校建設團隊一般會盡可能地追求技術的“高精尖”,即把有限建設資源的大部分投入到能夠負擔的最新的技術與裝備上[2]。然而,在實際教學中,不得不受制于同時使用虛擬現實設備的學生數量、設備占用空間的大小、配套設施數量等因素。所以往往需要那種能夠結合學生的個人PC機,或者現有學生機房,就可以正常使用——采用“有限”虛擬現實技術的應用方案。

于是,在方案的制定過程中,就必須要在眾多由不同“有限”技術所組成的應用方案間比較它們的教學成效,最終在資源投入與成效產出間取得平衡。因此,針對特定教學內容與條件的在線虛擬實驗教學成效評估,成為技術選擇的主要依據。

對于先行的建設者只能通過預實驗、反復試用優化等環節來完成成效評估，而對于隨后的建設者,完全可以基于“基因圖譜”找到與建設對象相似的已有案例,通過參考它們的成效評估結論,對擬采用的技術應用方案做出判斷。因此,“基因圖譜”與“成效評估(借鑒)”是在線虛擬實驗技術應用方案制定的兩大基石。

2.2 同濟大學的建設探索

同濟大學建筑教育體系中的國家級虛擬仿真實驗教學中心成立于2015年上半年,它依托原有的優質教學資源,針對已有課程中亟待虛擬化的實驗環節,提出了一個“三橫六縱”的在線虛擬實驗建設計劃(見圖1)。截至2016年春季學期,已有3個在線虛擬實驗模塊上線運行,有近150名本科生完成了實驗教學任務。

圖1 同濟大學的“三橫六縱”在線虛擬實驗建設計劃

2.2.1 在線虛擬實驗模塊簡介

在建設計劃中的“仿真建造”與“專業基礎與創新實驗”的交匯處,首先完成建設并投入教學使用的是“虛擬建筑認知與建造模擬實驗系列(中國古建筑I)”(見圖2)。它由湯眾老師設計、李楨教授用于在“中國營造法”課程中,由學生對寧波保國寺分別進行構件認知與虛擬建造實驗。期間,這座逾千年的古剎,每一個建筑構件,每一條歷史信息,都在瞬間展示在學生眼前,通過互動,學生可以來到每一個神秘的構造節點面前,將其拆解組裝,實現對于傳統木構的深入學習——這是傳統建造實驗甚至現場測繪都無法達到的。

圖2 大殿木構構件認知

在建設計劃中的“虛擬體驗”與“專業基礎與創新實驗”的交匯處,首先完成建設并投入教學使用的是“虛擬建筑環境性能仿真實驗系列(聲)”(見圖3)。它由葉海、莫方朔老師設計,用于在“建筑物理(聲學)”課程中,由學生虛擬完成不同廳堂影響因素組合下混響時間的測定與體驗實驗。期間,學生需要虛擬完成測試設備的連接、測試的布點、調節不同廳堂裝飾材料等混響影響因素,最終測得并體驗混響時間的計算結果——這在現實實驗中,有礙于測試場地、設備、材料更替等因素,都是無法達到的。

圖3 廳堂混響時間測試的虛擬布點

在建設計劃中的“性能分析”與“專業基礎與創新實驗”的交匯處,首先完成建設并投入教學使用的是“虛擬住區性能模擬實驗系列(交通I)”(見圖4)。它由湯宇卿老師設計,用于在“城市道路與交通”課程中,由學生根據居住區道路計算理論,實驗獲得在給定條件(總戶數、時段等)下最佳的出行參數,包括:出行類型結構配比、道路寬度等——這在現實中,根本不可能存在可供學生調控的居住區來開展實驗。

圖4 出行參數變化下的路面情況模擬

2.2.2 技術應用方案的選擇

根據虛擬現實技術的“基因圖譜”,將上述3個在線虛擬實驗的技術應用方案一并描述(見表2)。由于建設團隊考慮到這些實驗是要讓所有的學生都能夠隨時隨地使用,所以確立了“輕硬件重內容”的技術應用方案制定思路,即把有限的人力物力更多地投入到對于虛擬實驗對象的刻畫與操作環節的設計上,而默認學生將在機房或者自己的計算機上進行實驗,所以除了常用的屏幕、鼠標、鍵盤外,并不依賴其他專門的硬件設備。由于在穩定的教學大綱指導下一個成熟的實驗內容變化會很小,而硬件卻不斷變得更快更便宜,所以隨著時間的推移,便更加關注“內容”的建設成果的可持續發展。

表2 已建成在線虛擬實驗的技術應用方案

表2中*號表示在3個實驗中均采用；1、2、3分別表示在第一個實驗、第二個實驗和第三個實驗中采用。

3 教學成效的評估

從上述“輕硬件重內容”的建設思路來看,先行的同濟大學建設團隊采取了一條較傳統實驗室建設明顯不同的發展道路。它在實際建筑教育中是否真正具有成效,沒有其他案例可以參考,必須通過系統化的成效評估進行檢驗。因此,參考了國內外學者對特定教法進行效果評估的基本方法[7-8],這里首先對學習的主體進行了群體特征分析,然后分別進行了多個指標的定量與定性評估。

3.1 學生群體的基本特征

建筑類專業150名本科生參加了問卷調研。他們平均年齡20歲,其中男生66名、女生84名,61.9%的男生與17.2%的女生平時經常玩PC機三維游戲,47.8%的男生與75.9%的女生在實驗過程中都曾主動與他人討論。同時,通過他們進行實驗的時空分布的調查結果(見圖5和圖6)，可以發現,他們確實利用了1周中的各個時段以及各種學習場所,其中以周末的宿舍為最多。

圖5 學生進行在線虛擬實驗的時間分布

圖6 學生進行在線虛擬實驗的空間分布

3.2 定量評估

為了對在線虛擬實驗的教學效果有一個客觀的評估,這里首先采取了針對所獲取知識的客觀定量評價方法,即在相等的學習時間內,比較學生在分別經歷5種不同的教學方法后所取得的知識量——即答題正確率,從而對比得到不同方法的學習效率[9]。

具體來講,實驗對象選擇了本科一、二年級中具備一定的中國木構建筑知識基礎,但又從未學習過寧波保國寺建筑的學生來進行分組實驗(總共5組,每組30人)。實驗分3個步驟:

第一個步驟：在1小時內,5組學生每組經歷一種不同的教學過程(見表3)。第一組是通過課堂教師傳授,教師利用傳統的平、立、剖二維圖紙向學生解釋保國寺的構件名稱和建造過程；第二組學生通過紙質的書本材料自學保國寺的2個部分內容,沒有教師指導；

第三組學生是利用課后時間在沒有紙質材料和教師講解的情況下用虛擬仿真軟件自學；第四組學在課堂接受教師使用虛擬軟件進行傳授,但課后無自學時間；第五組采用混合式的實驗方式:教師簡單詮釋關于保國寺的規律性知識15 min,剩余45 min都由學生操作虛擬軟件自學完成。

第二個步驟：學習后的考核。所有學生在60 min學習后,有10 min時間來完成一份相同的紙質考卷?？季韮热莘謱ο笳J知類知識考核(記憶建筑構件22題)與過程認知類知識考核(記憶建筑建造過程8題)2個部分,共30題。

第三個步驟實驗反饋。學生需在學習與考核完成后填寫一份調查問卷。第一步的學習過程中,第一、二組使用的傳統紙質書本材料(見圖7左側),第三至五組使用的學習材料(見圖7右側)，實驗現場見圖8。

表3 5個比對組的教學方式特征

圖7 學生學習所使用的二維抽象圖紙(左)或三維虛擬模型(右)

圖8 比對實驗過程現場(教師講解、學生自學、答題)

在對上述5組學生的答題得分做統計后(見圖9)可以發現,包含虛擬互動特征的第三、五組教學方式在平均總得分與對象認知類試題得分明顯高于其他三組,即在線虛擬實驗教學方式在這種情況下相較傳統及其衍生方式具有更好的教學效果,而對于過程認知類試題不具有任何優勢。

同時發現,對象認知類知識與過程認知類知識在面對不同教學方式時其學習效果具有顯著差異。進一步統計3種教學方式的特征(是否具有虛擬互動環節、是否具有教師的認知規律講授、是否具有三維對象表

達)所對應的平均答題正確率(見圖10)后,發現當面對對象認知類知識時,在線虛擬實驗所特有的虛擬互動環節(正確率遞增15.8%)與三維對象表達(正確率遞增10.8%)分別為教學效果的提高起到了明顯的提升作用——這完全符合互動環節可明顯提高學習效果的研究結論[10]。然而,當面對過程認知類知識時,3個特征的變化對應教學效果并沒有明顯的變化,甚至出現微弱的負面(5.7%以內)影響。分析其原因為由于各組學習時間總量相同,虛擬互動操作與聽取教師講授認知規律的時長間存在此消彼長的關系,所以聽取更多講授也就意味著減少互動操作的時長,當互動操作明顯有利于教學時,講授時間長也就與教學效果的提高出現了負相關的假象。

總之,根據上述定量化評估數據,基于現有技術應用方案的已建成在線虛擬實驗,相較于傳統教學方式及其各種衍生形式,在建筑類專業的對象認知類學習中能夠明顯提高教學效果,而在過程認知類學習中,暫時沒有看到明顯的效果。

圖9 5個小組答題得分比對

圖10 教學方式的3個特征對兩類知識的不同影響

3.3 定性評估

教學成效評估除了上述定量化的方法外,還需要使用問卷來評估學習者的主觀學習體驗。上述比對實驗的反饋統計后發現,無論是學習的愉悅程度,還是學習的興趣高低,5種教學方式的相互關系基本一致,即從高到底依次為:第五、三、四、一、二組(見圖11)。不難發現,不同程度應用了虛擬技術的教學方式包攬了前三甲,而完全面對書本的自學,體驗最差也理所應當——這與國外學者關于虛擬技術有助于提高建筑專業學習體驗的研究高度一致[11-13]。

圖11 5個小組教學方式的學習體驗反饋

此外,統計還發現,目前已建成的在線虛擬實驗模塊對于學生而言,操作的難點(見圖12)主要集中在根據理論課學習的知識來開展關于實驗參數的設定計算——這與教師的設計初衷十分吻合,即達到了實驗設計的目標。但同時,在模塊安裝、操作、觀測等其他方面也必須看到尚有人機互動不夠友好的地方,一定程度上影響了學習體驗。

圖12 已建成模塊的實驗操作難點分布

總之,從定性評價的結果來看,基于現有技術應用方案的已建成在線虛擬實驗,他們與更為積極正面的學習體驗相關聯,而目前在實驗設計方向正確的基礎上,應關注更多的人機界面問題,以進一步改善學習體驗。

4 結語

在近1年以來,同濟大學建筑類專業的在線虛擬實驗建設團隊,通過較為系統的技術調研與分析,針對國內外雨后春筍般的虛擬現實技術,提出了“基因圖譜”統一描述技術特征的方法,緊緊圍繞自身教學環境的需要,在“輕硬件重內容”的建設思路指導下,提出了一套采用“有限”虛擬現實技術的應用方案。

在對已建成并投入運行的3個模塊的評估后,發現目前的應用方案體現出積極的教學效果:第一,學生進行實驗的時空分布反映出了在線虛擬實驗所特有的隨時隨地特征,符合新時期教學的發展趨勢；

第二,在線虛擬實驗相較于傳統教學方式及其各種衍生形式,在建筑類專業的對象認知類學習中能夠明顯提高教學效果；

第三,在線虛擬實驗相較于傳統教學方式及其各種衍生形式,與更為積極正面的學習體驗相關聯。

當然,作為對一種全新的教學方式的探索,效果評估也反映出了現行建設中的問題:有待今后教學實踐中不斷研究和解決。

References)

[1] 梁林海,夏穎越. 美國高校在線教育:現狀、阻礙、動因與啟示[J].開放教育研究. 2016(2):27-36.

[2] 孫澄宇, 黃一如. 同濟大學虛擬仿真實驗教學2.0建設[J]. 城市建筑. 2015(28):43-45.

[3] 袁學倩, 鄔家煒.基于協作實驗模式的虛擬實驗系統研究[J]. 計算機與現代化. 2010(6):23-26.

[4] 江勇, 江文莉. 虛擬實驗室的架構原則與技術[J]. 濟南教育學院學報. 2004(3):56-57.

[5] 申蔚, 曾文琪.虛擬現實技術[M].北京:清華大學出版社.2009.

[6] Portman M E, Natapov A, Fisher-Gewirtzman D.To go where no man has gone before: Virtual reality in architecture, landscape architecture and environmental planning[J]. Computers, environment and urban systems. 2015(54):376-384.

[7] Gill L, Lange E, Morgan E, et al. An analysis of usage of different types of visualization media within a collaborative planning workshop environment[J]. Environment and Planning B: Planning and Design. 2013,40(4):742-754.

[8] 郝增明. 數字化學習過程評價的客觀指標[J]. 現代遠距離教育,2004(2):47-49.

[9] Ayer S K, Messner J I, Anumba C J. Augmented Reality Gaming in Sustainable Design Education[J].Journal of Architectural Engineering. 2016(1):04015012.

[10] Gantt P A. Maximizing multimedia for training purposes[EB/OL].2001.The Technology Source.Retrieved from http://horizon.unc.edu/ts/vision/.

[11] 黃鑫.基于VR技術的虛擬教學應用研究[D]. 武漢: 華中師范大學, 2005.

[12] Chen R, Wang X. Tangible augmented reality for design learning: An implementationframework[C]// In Proceedings of CAADRIA 2008 - the association for computer-aided architectural design research in Asia: beyond computer-aided design, 2008: 350-356.

[13] D’Souza N S, Yoon Y, Islam Z. Understanding design skills of the GenerationY: An exploration through the VR-KiDS project[J]. Design Studies. 2011,32(2):180-209.

Discussion on technology application program and performance evaluation of online virtual experiment applied in architectural education

Sun Chengyu, Xu Diqiong, Tang Zhong

(College of Architecture and Urban,Tongji University， Shanghai 200092, China)

With the booming development of MOOC, many web-based virtual experiments are being built by national virtual experimental teaching demonstration centers in China. How to adapt proper technologies in virtual reality applications becomes an important issue for keeping the investment worthy. This study introduces the consideration and exploration during the last year from a center of Tongji University. A concept of “Genes map” is used to describe the features of any specific technology in the virtual reality market, which can contribute to selecting a set of “bounded” technologies suitable for Tongji’s application according to its real demand and a guideline so-called “Focusing on contents rather than equipment.” Finally, three built experiments are proved positively through a systematic performance evaluation.

architectural education; online experiment; virtual reality; performance evaluation

10.16791/j.cnki.sjg.2017.01.003

2016-10-14

全國工程專業學位研究生教育自選研究課題(2016-ZX-171)；同濟大學“一拔尖、三卓越”特色項目國家級建筑規劃景觀虛擬仿真實驗教學中心資助

孫澄宇(1978—),男,上海,博士,副教授,博士生導師,主要研究方向為建筑設計方法.

E-mail:ibund@126.com

TP391.9;G482

A

1002-4956(2017)1-0010-06