董春華 趙昆明 胡建平 王 麗

（1.中國礦業(yè)大學（北京），北京 100083；2，天津城建大學，天津 300384）

一、引言

隨著信息社會的到來，實現(xiàn)教育的現(xiàn)代化，加強優(yōu)質(zhì)教育資源的開發(fā)、應(yīng)用及共享，已成為我國教育發(fā)展的目標。計算機輔助教學的引入，使得教學方式不再單純地依靠書本和教師授課的形式，多媒體改變了傳統(tǒng)的教學方式，網(wǎng)絡(luò)促進了網(wǎng)絡(luò)化遠程教育的發(fā)展，這些信息化技術(shù)彌補了傳統(tǒng)教學所不能及的諸多方面。但對于建筑學等實踐性較強的課程，仍然無法體現(xiàn)現(xiàn)實教學中的真實情景，致使授課效果打了折扣[1]。

建筑設(shè)計所需的創(chuàng)造力主要由三種能力構(gòu)成，即創(chuàng)造性思維能力、創(chuàng)造性想象力和想象的物化能力。在建筑設(shè)計學習中，創(chuàng)造力和想象力的挖掘培養(yǎng)是至關(guān)重要，將為未來建筑設(shè)計形成一個良好的思考習慣和堅實的表達能力[2]。因此，在有關(guān)空間與形體的教學中，如何幫助學生建立正確的空間感和形式感，如何培養(yǎng)學生的空間形體構(gòu)思能力，是建筑設(shè)計類課程的重點。建筑圖是建筑設(shè)計的最后成果的表達，是建筑師之間相互交流的圖示語言工具，構(gòu)思設(shè)計的過程也是以圖解思維方式來完成的。在建筑設(shè)計、建筑結(jié)構(gòu)、城市規(guī)劃與設(shè)計等專業(yè)課教學中主要以建筑圖作為教學媒介，這種方式對建筑信息的整體感表達存在一定局限性，難以滿足教學過程中的交互性及體驗性。

現(xiàn)代信息技術(shù)的進一步發(fā)展，促使學習環(huán)境呈智能化、互動化和虛擬化等多種方式發(fā)展[2]。作為一種有效創(chuàng)造力的手段，虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到教育領(lǐng)域當中。它是一種全新意義上的教學媒體，能夠促使教育形態(tài)、教育環(huán)境、教學過程的基本要素及相互關(guān)系發(fā)生重大變化，使教學過程中的教師、媒體、學生之間的關(guān)系形成一種新的結(jié)構(gòu)。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入到建筑教學之中，呈現(xiàn)建筑物的立體化信息，為學生提供生動、逼真的感性學習資源，有利于激發(fā)學生的創(chuàng)造性思維，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，使建筑教學由傳統(tǒng)的“以教促學”的學習方式升級為學生通過自身與信息環(huán)境的相互作用來得到知識、技能的新型學習方式。

目前虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑設(shè)計領(lǐng)域的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛。李文基于虛擬平臺EON對三維建筑模型進行了仿真及光照分析[3]，劉夕榕研究并實現(xiàn)了慢城寧海展示中心的虛擬漫游[4]，蘇陽利用虛擬現(xiàn)實軟件Unity3D實現(xiàn)了婺源徽派建筑的虛擬漫游[5]。在建筑遺產(chǎn)保護領(lǐng)域，章立基于虛擬現(xiàn)實平臺Virtools建立了建筑遺產(chǎn)的簡單交互系統(tǒng)[6]。這些研究為建筑設(shè)計提供了更好的發(fā)展空間，但如何將虛擬現(xiàn)實實時交互的優(yōu)勢充分運用到建筑類課程教學過程中仍有待進一步研究。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality）是一種綜合應(yīng)用各種現(xiàn)代信息技術(shù)，有效地模擬人在自然環(huán)境中的各種感知系統(tǒng)行為的高級人機交互技術(shù)，是當前教育技術(shù)中的前沿技術(shù)[7]。虛擬教學的三維展現(xiàn)形式能夠為學生提供逼真、生動的感性學習資源，使學習過程形象化，學生由知識的被動接受者變成虛擬環(huán)境中的一名參與者，這種學習方式對調(diào)動學生的學習積極性、培養(yǎng)學生的技能以及突破教學的難點、重點能夠起到積極作用[8]。

目前，用于虛擬現(xiàn)實制作和虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)開發(fā)的軟件非常多，其中Skyline是國內(nèi)制作真三維數(shù)字場景的首選軟件。作為成熟的三維網(wǎng)絡(luò)數(shù)字地球平臺軟件，Skyline能夠創(chuàng)建出具有實景照片效果的三維場景，并能夠?qū)崿F(xiàn)在三維場景中進行實時瀏覽、規(guī)劃和分析等各種應(yīng)用，實現(xiàn)了對幾乎所有空間對象的虛擬仿真、模擬顯示及各種分 析 。 Skyline 主 要 由 TerraBuilder、TerraGate 和TerraExplorer Pro三個產(chǎn)品組成。其中，TerraBuilder實現(xiàn)三維地形數(shù)據(jù)集的生成，TerraGate實現(xiàn)三維地形及空間數(shù)據(jù)的發(fā)布，TerraExplorer Pro實現(xiàn)三維場景的構(gòu)建和瀏覽功能，三者將不同的地理空間數(shù)據(jù)有效地組織起來，再結(jié)合具體的業(yè)務(wù)專題，構(gòu)建完整的虛擬GIS平臺[9]。

三、虛擬建筑教學系統(tǒng)的開發(fā)及應(yīng)用

1.虛擬建筑教學系統(tǒng)開發(fā)

為了探索虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑教學模式中的應(yīng)用，本文嘗試以天津市歷史風貌建筑為研究目標，基于虛擬現(xiàn)實平臺Skyline 6.0開發(fā)了基于B/S結(jié)構(gòu)的虛擬建筑教學系統(tǒng)，實現(xiàn)了建筑的內(nèi)部及外部造型特征的三維可視化展示，以及網(wǎng)絡(luò)虛擬環(huán)境下的信息查詢、量測以及日照分析、統(tǒng)計分析等功能，使學生在暢游三維虛擬環(huán)境的過程中與建筑學知識進行實時交互，激發(fā)學生的造性思維和空間形體構(gòu)思能力。系統(tǒng)實現(xiàn)流程如下。

（1）創(chuàng)建并發(fā)布三維地形場景

運用TerraBuilder將遙感影像與數(shù)字高程模型DEM融合疊加，生成一個現(xiàn)實影像的、帶地理參考的三維地形場景[9]。為實現(xiàn)多用戶實時共享三維地形數(shù)據(jù)，利用TerraGate將三維地形數(shù)據(jù)集進行網(wǎng)絡(luò)發(fā)布[10]。

（2）創(chuàng)建三維地物模型

地塊、道路、綠化景觀及建筑等地物模型是構(gòu)成三維場景不可或缺的要素之一。利用三維制作軟件3D Studio MAX創(chuàng)建三維幾何模型，使用圖像處理軟件Photoshop進行地物的紋理處理。建模過程包括處理紋理、導入CAD底圖、建立模型、映射貼圖以及數(shù)據(jù)導出[11]。模型建好后，導出為微軟的.x格式模型文件。

（3）創(chuàng)建三維場景

三維場景是虛擬系統(tǒng)的基礎(chǔ)和研究對象。利用TerraExplorer Pro將上述三維地形數(shù)據(jù)、地物模型、以及矢量數(shù)據(jù)、文本、圖片標注、多媒體信息等相關(guān)要素進行整合，創(chuàng)建并發(fā)布三維工程FLY文件，生成一個具有真實感的虛擬現(xiàn)實三維場景。

（4）空間分析功能開發(fā)

利用 Vistual Studio 2010、SQL Server2008數(shù)據(jù)庫和TerraExplorer Pro提供的二次開發(fā)API組件TerraDeveloper，實現(xiàn)三維場景漫游、導航、查詢、定位、量測等空間分析功能[12]。例如，導航功能如圖1所示，左下角的二維地圖與三維視圖實時聯(lián)動；查詢功能如圖2所示，通過信息樹模型列表和點擊模型兩種方式進行雙向信息查詢，點擊模型查詢目標建筑物，具體實現(xiàn)代碼如下。

圖1 建筑外部結(jié)構(gòu)

圖2 查詢功能

2.虛擬建筑教學系統(tǒng)應(yīng)用

天津是一座兼具中西文化交匯特點的、具有豐富歷史文化資源的大都市。天津的歷史風貌建筑凝固了天津城市的歷史與文化，記錄著這座城市的成長軌跡。其中，五大道歷史文化街區(qū)更是被譽為世界建筑博覽苑，英式、意式、法式、西班牙式、文藝復(fù)興式、古典主義以及中西合璧式等各種建筑風格匯集一處，成為建筑學者感受世界多元建筑文化的魅力、了解各國建筑藝術(shù)與特色的博物館。

天津五大道官網(wǎng)等多個網(wǎng)站對五大道街區(qū)進行了豐富詳細的圖片和視頻講解，虛擬建筑課程教學系統(tǒng)結(jié)合這些網(wǎng)站數(shù)據(jù)，以五大道歷史文化街區(qū)為研究區(qū)，以虛擬交互結(jié)合圖片、音頻、視頻等多種方式進行歷史風貌建筑信息的輔助教學。系統(tǒng)的應(yīng)用能夠打破傳統(tǒng)建筑教學的時間與空間的局限性，增強學生對學習對象的真實感受。

（1）虛擬五大道街區(qū)的格局與空間規(guī)劃藝術(shù)展示

建筑教學通常利用建筑設(shè)計圖、圖片及視頻等方式為學生展示建筑區(qū)或單體建筑的文化與風格特征。這種方式表達具有抽象性和片面性，難以直觀形象地展示整個區(qū)域或建筑單元的規(guī)劃與空間布局。虛擬教學系統(tǒng)的直觀性、真實模擬性等特點，可以實現(xiàn)區(qū)域局部與整體關(guān)系的展示，為城市規(guī)劃與設(shè)計、居住區(qū)規(guī)劃、外部空間設(shè)計等多門建筑教學課程提供了更好的教學手段。

建筑教學系統(tǒng)建立了虛擬五大道歷史街區(qū)，漫游在該虛擬環(huán)境中，學生能夠直觀地感受到五大道的街區(qū)格局與空間關(guān)系的和諧性。從高空俯視整個街區(qū)，由于街區(qū)被九國劃分各自建設(shè)，使得整個街區(qū)格局具有明顯的拼接特征，但近觀局部，各租界區(qū)域的規(guī)劃建設(shè)，尤其是英租界新區(qū)自成一體，體現(xiàn)了獨特的風格。街區(qū)道路組織整體呈方形均質(zhì)組織，南北向道路主要解決區(qū)域交通，東西向道路增加街坊間的聯(lián)系，加上單行道的限制，保證了交通的暢通。作為居住區(qū)，其功能的完整性和規(guī)劃布局的先進性仍值得借鑒和思考。

虛擬系統(tǒng)可以幫助學生快速了解整個區(qū)域的功能布局。利用虛擬環(huán)境中對虛擬對象的標注和信息查詢等多種功能，學生可識別居住區(qū)與周邊商業(yè)、教堂、醫(yī)院、體育館、音樂廳、公園綠地等公共設(shè)施的功能布局，整個區(qū)域功能的完整性及完善的公共設(shè)施組織一目了然，對學生理解和學習居住區(qū)的規(guī)劃有很好的指導意義。

（2）街區(qū)內(nèi)建筑與道路等的布局及空間關(guān)系展示

虛擬建筑教學系統(tǒng)能夠更好地表達建筑教學中區(qū)域布局的空間層次感，使人沉浸到區(qū)域環(huán)境中感受區(qū)域的舒適度。虛擬系統(tǒng)為學生提供了沉浸在街區(qū)街道上任意漫游的體驗功能，如同真實地走在林蔭街道上，學生能夠愜意地感受到街道的空間尺度與建筑布局的和諧。五大道歷史街區(qū)內(nèi)建筑多為2-3層，道路寬度多為12米左右，道路寬度與建筑高度的比例控制在1∶1以內(nèi)，尺度舒適宜人。建筑與院落、圍墻、街道之間形成較強的層次遞進感，學生通過虛擬建筑教學系統(tǒng)不僅能了解街區(qū)內(nèi)的各種空間尺度關(guān)系，而且透過茂密的樹叢可以隱約看到掩映的建筑，感受到深幽寂靜的五大道街市風格，這不僅為城市規(guī)劃調(diào)研、道路與交通規(guī)劃等課程塑造了便捷的體驗環(huán)境，同時對專業(yè)美術(shù)、景觀生態(tài)規(guī)劃等課程的教學也具有重要的美學啟示意義。

（3）歷史風貌建筑藝術(shù)特寫

五大道街區(qū)建筑形式多樣、中外風格兼容并蓄，包羅了穆勒、保羅·鮑爾蒂等著名建筑師的許多建筑作品，其設(shè)計水平和風格對現(xiàn)代建筑學者也很有啟迪意義。虛擬建筑教學系統(tǒng)對于建筑單元的展示比傳統(tǒng)方式更為直觀細膩，可分三個細節(jié)層次建模，從院落整體布局到建筑外觀結(jié)構(gòu)，再到建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)。對于特色的建筑造型，如巴洛克式的絞繩式立柱、意式的檐口和圓窗等，其建模尺度能夠細化到0.1米。如原文法樓建筑的外觀結(jié)構(gòu)呈飛機狀（圖1），張學銘故居畫室內(nèi)木制護墻板局部有木雕花飾（圖3）。學生能夠?qū)ㄖＰ瓦M行定位查詢（圖2），對特色結(jié)構(gòu)或興趣點進行量測分析（圖4），以及對區(qū)域進行二維和三維導航、日照分析和統(tǒng)計分析等。虛擬系統(tǒng)對歷史風貌建筑的多樣化展示，能幫助學生領(lǐng)略建筑藝術(shù)中內(nèi)容與形式、色彩與環(huán)境、造型與材質(zhì)、空間與結(jié)構(gòu)等各方面的美學價值和啟示，這使得建筑設(shè)計與建筑結(jié)構(gòu)等課程教學的教學效果更好、更有效，且易于被學生接受[13]，同時，也為學生學習歷史文化遺產(chǎn)保護、中外城市建設(shè)史、外國建筑史等課程提供了豐富的素材。

圖3 張學銘故居室內(nèi)模型

圖4 量測功能

（4）虛擬五大道街區(qū)的演變過程模擬

五大道歷經(jīng)百余年的戰(zhàn)爭、地震以及建設(shè)開發(fā)的影響，其周邊和內(nèi)部區(qū)域改造不同程度地改變了其原有的面貌。虛擬系統(tǒng)的動態(tài)模擬功能，能夠?qū)v史風貌街區(qū)歷年的變化進行動態(tài)模擬，還原各階段的細節(jié)特征，展示五大道歷史遺跡的演變歷程，為今后街區(qū)的保護、修繕和復(fù)原提供數(shù)據(jù)支持。

四、結(jié)論

利用Skyline建立了虛擬建筑教學系統(tǒng)，能夠使學生通過虛擬漫游、查詢、量測及統(tǒng)計等實時交互功能進行自主學習，感受虛擬環(huán)境中區(qū)域的整體規(guī)劃藝術(shù)和建筑設(shè)計的真實感，極大地提高了建筑類專業(yè)學生的學習興趣，有利于知識的建構(gòu)。同時，該系統(tǒng)還能展示天津的百年歷史文化底蘊和大都市的文化，能夠為歷史、旅游等專業(yè)的教學提供歷史風貌建筑導覽功能。運用虛擬建筑教學系統(tǒng)進行虛擬建筑教學具有形式多樣、教學資源容量大以及在教學中實時交互等特點，便于教學資源的更新與共享，能夠為建筑類專業(yè)的課程教學提供較好的補充和輔助作用。

[1]劉合榮，劉明濤，任旭輝.基于Cult3D技術(shù)的網(wǎng)絡(luò)化工程制圖虛擬模型室的研究[J].中國輕工教育，2010（6）：79-80.

[2]于幸澤.建筑造型基礎(chǔ)教學研究[D].北京：中央美術(shù)學院，2013.

[3]李文.基于EON的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用研究[D].西安：西安建筑科技大學，2012.

[4]劉夕榕.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑設(shè)計中的應(yīng)用與實現(xiàn)[D].濟南：山東大學，2010.

[5]蘇陽.江西婺源徽派建筑的虛擬漫游的設(shè)計與實現(xiàn)[D].北京：北京工業(yè)大學，2014.

[6]章立.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在建筑遺產(chǎn)保護中的應(yīng)用研究[D].無錫：江南大學，2009.

[7]胡杜澤.基于Flex的虛擬現(xiàn)實技術(shù)在教學中的研究與實現(xiàn)[D].廣州：華南理工大學，2011.

[8]徐東輝，徐先勤.基于VR+CDIO工程教育模式的電子類專業(yè)教學改革[J].中國輕工教育，2013（2）：68-70.

[9]向光.基于Skyline的麗江市三維地理信息系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].昆明：云南師范大學，2014.

[10]陶剛，池天河.基于Skyline的網(wǎng)絡(luò)三維GIS建設(shè)及應(yīng)用[J].測繪科學，2011，36（6）：11-13.

[11]史少維，姚鵬君，曹宏濤，等.基于Skyline的地質(zhì)模型屬性識別算法的研究與實現(xiàn)[J].測繪通報，2015（2）：88-91.

[12]王子啟，田靜，趙勝利，等.基于Skyline的海量三維模型網(wǎng)絡(luò)發(fā)布顯示[J].地理空間信息，2014，12（5）：54-67.

[13]趙仕芹.高校德育教育過程中歷史教育的邊緣化探析[J].中國輕工教育，2006（3）：25-27.