摘要：虚拟仿真技术具有安全、高效、高性价比、建设资源可拓展等优势，在我国加快数字化转型教育模式的背景下，虚拟仿真技术与教育相结合有了巨大的发展。环境设计专业“材料构造”课程立足课程特点，制定课程设计原则，将课程内容融入到虚拟仿真体验环节的模块中，为虚拟仿真技术与教育相结合提供了新的实例。

关键词：虚拟仿真；教学实践；应用研究；材料构造

一、引言

随着人类科技水平的不断提高，教育方式和教育方法也在不断地进步和发展。各种硬件设备的运算及显示性能大幅度提升，5G、人工智能、云计算等新的信息技术正在悄然改变着人类的学习过程。我们正在经历从基于多媒体教具的传统教学方式向以基于AR、VR、全息投影技术为代表的虚拟仿真教学方式的转变。教育部在《教育信息化2.0》中指出：“促进数字校园建设全面普及。……加强职业院校、高等学校虚拟仿真实训教学环境建设，……加快建设在线智能教室、智能实验室、虚拟工厂（医院）等智能学习空间。”在《教育部2022年工作要点》中也指出：“积极发展‘互联网+教育’，加快推进教育数字转型和智能升级。……创新数字资源供给模式，丰富数字教育资源和服务供给。”

虚拟仿真技术通过将视觉、听觉、触觉等多种感官反馈进行整合，利用专业仿真设备，使学习者在学习过程中产生真实的实践体验感受。虚拟学习环境能够显著提升学习者的效能感以及解决实际问题的能力（胡艺龄，2021）；有助于提升某项专业能力的考核成绩（杨敏，2021）；有助于提高学习者的学习、认知能力，提升核心素养（杨彦军，2021）；能够实现操作体验的直观感受，有效获得知识内容，促进知识向能力的转化，实现知识向思维的通达（胡翰林，2022）。可以说与传统教学方式相比，虚拟仿真实践教学具有巨大的优势。在现阶段下，开发和利用现有软硬件资源，加快虚拟仿真教学的研究和应用，形成成功案例和实践操作流程，总结经验，加大推广力度，对新时代教育的进步与发展，具有重大意义。

二、课程前置研究

（一）“材料构造”课程特点分析

“材料构造”课程是艺术设计学科环境设计专业中的重要实践类课程。课程针对室内外建筑材料、施工构造展开学习以及设计应用，引导学生掌握装饰材料构造的一般设计与施工规律，学习相关专业规范。通过实训培养学生在具体设计、创作时能正确选择使用相关装饰材料，掌握施工工艺相关应用性数据。能够按照建筑装饰材料与构造的要求，推算出大致准确的应用性数据或采取基本正确的措施来解决实际建筑装饰材料与施工构造问题。

通过以上的课程分析不难看出，如果想提升教学效果，辅导学生进行施工流程的实操演练是比较理想的。但建设体验较好的施工流程实操场地，对于普通的高等教育院校来说，相对困难。首先，耗费资金巨大，流程中重要的演示材料在进行一次实际操作后，很难重复利用；其次，因班级人数设置问题，难以实现全班同学同时练习操作，影响教学进度的推进；最后，很多装饰材料在施工过程中可能面临人身伤害、火灾等隐患，安全责任问题较为突出。因此，大多数院校还是采用以多媒体器材为媒介，采用照片材料展示、视频流程演示进行课程学习的传统模式。但这种方式在进行知识和施工技术的传授时，学生只能硬性地枯燥记忆、背诵材料种类和施工流程来完成知识构建。因学习被动，无法亲自实践整个材料施工流程，极大限制了学生的自主学习能力，严重的还可能陷入“知其然不知其所以然”的境况，影响艺术设计学科培养综合应用型高素质人才的培养目标。

（二）虚拟仿真技术与实践教学的结合

针对本课程的特点及对困难的分析，笔者认为本课程非常适合与虚拟仿真技术进行结合应用。采用VR虚拟仿真的方式进行模拟操作学习，直观、高效，能够加深学生的记忆，提升学习兴趣，性价比较高，可通过软件的发展不断扩展新内容，增加新知识，形成长期可持续发展；硬件设备一次性投入资金较少，能够满足多学生同时使用；设备使用较为安全，无伤害隐患。

具体操作中，首先利用三维建模软件（3DMAX）与虚拟现实场景制作软件（UE4）相结合制作室内外装饰材料与施工工艺的虚拟仿真程序，将其导入VR一体机设备。利用动态捕捉与配套手柄，实现学生在虚拟环境下对装饰材料的认知和施工工艺的操作，进而实现其对相关专业知识的学习和掌握。通过其操作过程和结果的监控，教师可以对学生学习的水平进行综合评价并反馈学习意见和建议。

通过虚拟现实仿真实践课程的开展，将调动学生学习专业知识的积极性和主动性，提高学生自主学习能力，提升学生吸收专业知识的质量，激发学生的创新能力和实践能力，培养学生利用专业知识解决未来设计工作中遇到的实际问题的能力，进一步提升其在专业工作中的团队合作能力。利用虚拟现实仿真技术，将环境设计专业学生在专业领域中必须理解和掌握的基础知识，更直观地带入到学习的过程中。引导学生动手操作、动脑思考，改变过往填鸭式的教学模式，在类似游戏的学习环境中，充分调动学生的学习主动性。实现装饰材料和工艺的操作流程规范可控，实现了将一次性巨大成本的实践过程转变为微小成本、反复实践、可持续开发的实践模式，实现安全、高效、可控的实践教学管理过程。同时，可以利用互联网传输技术，将虚拟仿真软件传输至有设备硬件的场地运行，为课程的网络资源建设、在线学习评价系统、学习资源社会化利用、精品课程资源共享、校际间学分互认等当今教学发展理念的实现打下良好基础。

三、课程设计与实施

（一）硬件条件

本课程硬件设备主要采用VR头盔为体验工具，教师端使用PC机作为虚拟仿真软件的运行及视角观察工具。现场需约30m2左右空旷场地作为学生体验者活动空间，在空间对角位置布置头盔及手柄动态捕捉器（图1）。同一间室内空间如需布置两组以上体验场地，应在中间使用遮光帘进行隔挡，以防止两组捕捉器之间产生信号干扰。PC机选用能够流畅运行3DMAX、UE4等虚拟仿真软件的型号，对CPU、显卡、内存等都有一定要求。除此之外，在实践场地建设时还应考虑提供适当的学生用课桌椅以及设备保管柜等辅助工具。

（二）课程设计原则

课程设计以建设高品质专业虚拟仿真实践项目为目标，努力对标国家级虚拟仿真实践项目标准。服务教学、提升学生实践学习效果，力争为学生的实践学习打造一个拟真、安全、高效的操作平台，满足学生在未来工作中可能涉及的真实实践场景的需要。

虚拟现实软件运行过程应尽量贴合现实中的实践操作环节，并以此为目标在实践建设及发展过程中不断完善操作流程及虚拟细节，并应在资金及制作时间方面留有足够的修改预算。虚拟仿真软件建设除模拟实践操作流程外，还将尽量抓取参与实践人员操作中的一些实践数据（如操作时间、操作顺序、操作精度等），为学生成绩评判、实践设计开发及科学研究项目提供数据支持。

虚拟仿真实践课程在建设过程中应注重开发及维护人员的培养及建设，与有能力制作虚拟仿真实践项目的公司制定长期的交流培养计划。实践项目开发阶段完成后应拥有一批能够独立开发及维护的实践人员。项目建成验收后应具备教学场地、配套空间、实践人员的对外开放能力以及可继续为其他相关专业开发虚拟仿真实践的能力。

（三）虚拟仿真流程模块

本课程虚拟仿真流程采用模块化设计原则，可根据教学需求进行选择性实施。内容包括1个硬件使用教学模块以及12个实践教学模块。在教学模块中1、2、9模块为场景体验学习模块，其他模块为VR手柄实操模块。每个模块含实践教师点评时间，教学时长约为10—15分钟（表1）。其中编号0模块为操作示范模块，供学生提前预习虚拟设备使用。编号1、2模块为PC机体验模块，供学生学习和辨识建筑材料构造的类型和种类使用。编号3、4、5、6、7、8为室内设计常见施工构造体验模块，为学生学习室内常见装修施工工艺流程使用。编号9、10、11为室外设计常见施工构造体验模块，为学生学习室外常见装修施工工艺流程使用。

（四）虚拟仿真实践模块通用内容

模块具体内容分为通用物品、通用互动，及模块专属物品和互动效果。

室内实践模块通用部分：人物（主视角下可见手部）、毛坯房间（为总建筑中的一间房间）、房间杂物（灯、窗、脚手架、一些不可互动的装修现场杂物等）、铁皮柜子（内放施工工具、服装、施工材料等）、施工服装（安全帽、上下装）、木桌子、图纸等室内装修物品。

室内实践模块互动环节通用部分：从大厅进入本环节房间（门进行互动）；走近铁皮柜子，点击衣物，屏幕变黑，一秒钟后变亮，手部戴上手套，柜子中衣物消失；走近木桌子，从上面拿起图纸，按“阅览”按钮，图纸全屏。按“退出”按钮，操作物体呈现可操作性预览（浅绿色透明）；本模块中出现的各种声音；操作时间、精度、顺序等参数的收集；任务提示（屏幕一角，学生考试时此功能将关闭）。

室外实践模块通用部分：人物（主视角下可见手部）、景观施工现场杂物、小型室外工棚、铁皮柜子（内放施工工具、服装、施工材料等）、施工服装（安全帽、上下装）、木桌子、图纸等物品。

室外实践模块互动环节通用内容：走近工棚，从铁皮柜子中点击衣物，屏幕变黑，一秒钟后变亮，手部戴上手套，柜子中衣物消失；从木桌子上面拿起图纸，按“阅览”按钮，图纸全屏。按“退出”按钮，操作对象呈现可操作性预览（浅绿色透明）；本模块中出现的各种声音；操作时间、精度、顺序等参数的收集；任务提示（屏幕一角，学生考试时此功能将关闭）。

（五）典型实践模块内容

下面就以编号3“操作室内隐蔽工程的制作工艺互动式场景”为例，进行典型实践模块内容表述。

建模部分：除前文所述室内实践模块通用部分外，需建模割槽机（割刀部分需可转动）、除尘机、堆料区（各型号线管，镀锌管、PVC管等，本环节互动为PVC电线穿管）、电线两盘（其中互动一盘，可从中拽出电线即可）、木桌子、图纸、水泥砂浆料桶、灰刀（抹灰用）、互动中出现的槽体及管道的真实与预览模型（浅绿色透明）。房间为混凝土墙地面、灰色防盗门、塑钢窗。

互动环节部分：除室内实践模块互动环节通用部分外，需制作主视角走近木桌子，从上面拿起图纸，按“阅览”按钮，图纸全屏（图2）；按“退出”按钮，墙体上出现开槽预览模型（浅绿色透明）；将除尘机放置在操作区域附近，打开除尘机，除尘机喷出水雾；从铁皮柜子中拿出割槽机，打开机器，刀头部位高速旋转，刀头接触墙体时尘土飞出；操作割槽机至开槽预览部位，随着操作移动割槽机，实体槽分段出现，预览槽分段消失，直至全部预览槽被实体槽代替（图3）；走近木桌子，从上面拿起图纸，按“阅览”按钮，图纸全屏。按“退出”按钮，墙体上开槽的位置出现管线预览模型（浅绿色透明）；去堆料区选择正确的线管型号（本环节为PVC电线穿管），拿起后，放入墙体中管线预览模型中，放入一根正确的管线，绿色透明预览管线消失一根，此部分大约共需放入5—7根，包括弯头；从两盘电线中选择正确的型号，用手拽出线头，顺入管线之中，以管线的另一侧出现线头为完成；走近水泥砂浆桶及铁皮柜子，左手拿起桶，右手拿起灰刀（在铁皮柜内），走回到操作墙面前，进行抹灰（图4）。墙体开槽部分将随操作过程分段变为已经抹灰的模型样式；全部操作完成后关闭除尘机，放回工具，屏幕提示本实践模块环节结束。

四、结语

虚拟仿真实践教学对于传统教学方式来说具有巨大的发展潜力，但我们也应同样认识到，任何事物在发展中都是机遇与挑战并存的。一些学者在研究中指出，虚拟仿真的教学形式可能会有认知负荷和生理不适等负面影响（胡艺龄，2021），需要在实践过程中引起足够的重视并提前制定预案。同时，继续深化虚拟仿真教学研究，在大量案例的基础上，将学生提升的学习效果量化为数据，帮助我们正确认识虚拟仿真实践教学与学习效果提升的机制，为未来虚拟仿真教育的应用与发展指明道路。

本文系2018年天津市虚拟仿真实验教学建设项目《室内外装饰材料与施工工艺虚拟仿真实验项目》阶段性研究成果。

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