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摘 要：城市地下空间开发逐渐成为发展与重塑现代城市的重要工具，其对相应人才的需求也日益紧迫。与此同时，计算机技术、数字化技术如虚拟现实技术正在不断发展。因此，在传统的城市地下空间开发课程将不再能继续满足教学在丰富性、直观性、实践性的要求的背景下，本文着力从教师课堂教学、学生课后自主学习、课程考核、疫情防控常态化等角度探讨基于虚拟现实技术的城市地下空间开发课程的探索性课改。
关键词：虚拟现实；城市地下空间开发；沉浸式教学
本文引用格式： 唐旭海，林洋 . 基于虚拟现实技术的城市地下空间开发课程探索性教改 [J]. 教育现代化 ,2021,8(39):5-8.Exploratory Teaching reform of urban underground Space development Course based on Virtual reality TechnologyTANG Xuhai，LIN Yang（School of Civil Architecture and Engineering, Wuhan University，Wuhan Hubei）
Abstract: the development of urban underground space has gradually become an important tool for the development and remodeling of modern cities, and its demand for corresponding talents is also increasingly urgent. At the same time, computer technology, digital technology such as virtual reality technology is developing. Therefore, under the background that the traditional urban underground space development course will no longer be able to meet the teaching requirements of richness, intuition and practicality, this paper focuses on the exploratory curriculum reform of urban underground space development course based on virtual reality technology from the perspectives of teachers' classroom teaching, students' autonomous learning after class, curriculum assessment, and normalization of epidemic prevention and control.
Keywords: virtual reality; Urban underground space development; immersion program
一 引言
21 世纪以来，数字化技术如虚拟现实蓬勃发展， 其相关行业随之发生较大革新。与此同时，我国城市化进程不断加速，在城市地面空间不断被开发的过程中，相关问题也不断涌现，如 : 交通堵塞、城市噪音和城市现有文化遗产保护等。由此，城市地下空间开发就变得尤为重要且急迫。故需要推动城市地下空间开发的教育发展，促进其现代化、数字化改革。增加学生的课程参与度，培养学生自主获取知识的能力，锻炼学生的课程实践能力和应用所学知识的能力。从这几点出发，我们认为：在传统的城市地下空间开发课程中加入虚拟现实技术的应用是完成上述几点目标的良好途径。
二 虚拟现实技术简介和教学方面的基本应用
虚拟现实（ 英语：virtual reality， 缩写 VR），简称虚拟技术，也称虚拟环境，是利用电脑模拟产生的一个三维空间的虚拟世界，提供给用户视觉等感官的体验模拟，让用户感觉仿佛身历其境，可以即时、没有限制地观察三维空间内的事物。该技术集成了电脑图形、电脑仿真 [1]、人工智能、感应、显示及网络并行处理等技术，是一种由电脑技术辅助生成的，软、硬件双向驱动发展的高技术模拟系统。
虚拟现实技术具有三个“i” 的特点：immersion- interaction-imagination 即沉浸、互动和想象。因此 , 在教育教学方面，虚拟现实技术能提高教学中教师教授教学内容的直观化程度、加强学生在学习中的沉浸式体验与学习兴趣并提升教师与学生的互动体验。在教学中，学生可以利用虚拟现实技术在三维立体空间中建立立体直角坐标系、可全角度全方位环绕观察的立体工程制图等。
三 城市地下空间开发专业课程的基本内容与传统授课形式所存在的问题
城市地下空间开发专业可追溯到地下建筑学专业，属于建筑大类。21 世纪是地下空间的世纪，本专业培养系统掌握城市地下空间开发的规划、设计、施工、管理等方面相关知识与技术，具有较强的实践能力和一定创新能力的高级专门人才。本专业的基本课程包括高等数学、工程制图、混泥土结构、地下空间规划与建筑、地下工程施工等。
在传统的城市地下空间开发课程中，长期以来教师不得不以抽象的概念来表示丰富的内容，如用平面图、剖面图、立面图等平面图形加一些规定的符号来表示三维的立体建筑，用比较抽象的图像和精炼的语言来描述复杂的场景 [2]。这就需要学生预先储备相应的知识架构并锻炼出一定的理解能力。
在课程引入 PowerPoint 等演示文稿之后，其授课直观程度有较大提升，但授课效率仍旧有提升空间。比如， 传统的教学方法缺少对学生感官的直接刺激，偏离了人对建筑的原生认知，缺乏直观性。下图 2、3 分别为学生进行规划设计学习时遇到较多的图纸和学生迁移至潜意识中对建筑的直观感受。
四 虚拟现实技术在城市地下空间开发课程的探索性应用
为探索虚拟现实技术在城市地下空间开发课程的应用，我们需要教师与学生的共同配合，需要课程体系的相应改革：将虚拟现实技术的基本应用课程加入至本课程的学习中，即教会学生基本的虚拟现实空间搭建、计算机虚拟物理模型的应用和虚拟现实硬件的基本原理与使用。在此基础上，我们将在下文探讨五种虚拟现实技术在传统城市地下空间开发课程的探索性应用。
（一） PowerPoint 等演示文稿与虚拟现实技术相结合
在传统的城市地下空间开发课程中，教师多用PowerPoint 等演示文稿对所讲内容进行展示。虽然PowerPoint 等演示文稿已可以完成二维平面内的三维立体图形构建，但仍旧需要学生有较强的空间想象力来满足课程的学习。此时教师可以将 PowerPoint等演示文稿与虚拟现实技术相结合，对课堂所演示图纸进行三维立体化呈现。在带给学生较强的视觉冲击的同时， 也提高了学生的课程参与度并极大提升了学生的学习趣味性。例如，在教授地铁换乘车站的设计时，遇到含有多条线路换乘的大型换乘站， 教师所呈现的二维工程设计图将会非常复杂，并且多视图所呈现出来的效果可能不尽人意。这时，将工程图纸三维立体化， 通过虚拟现实技术呈现给学生，势必会提升学生的直观的视觉体验，使学生最大化吸收所学知识。
（二） 学生的三维化设计学习
在城市地下空间开发的培养目标中，学生需要掌握地下空间开发的规划、设计、施工和管理等方面的知识。故通过实践的方式来学习是极为重要的。在传统的教学方法中，学生的规划与设计多使用传统的工程图纸，简单的平面三维制图。从这个角度出发， 尽管学生传统设计作业一般会提供简单的三维模型， 但这些模型往往集中于建筑外观的描绘，而且往往忽略建筑过程中具体的材质、空间设计和管线布置等问题，所以施工效果往往难以完全贯彻设计理念 [3]。
这样，学生的设计成果缺少直观性，难以全局观察。而且后续的施工模拟更是难以实现，更不用说工程管理。因此，我们不妨尝试在学生的设计作业中引入虚拟现实技术，并让这项技术融入其中。应用具体体现在两个方面。其一，规划与设计：依托数字孪生技术，利用现有城市的信息化大数据创造出一个虚拟地皮， 并利用这些大数据模拟真实的地理环境信息，建立模拟土地、水文、气候等的动态虚拟空间，让学生在此空间基础上加以城市地下空间的规划，并在虚拟现实中完成三维立体设计的全套流程； 其二，施工与后续运营：开发出相应的人工智能技术与相应的数学孪生模型模拟出简单的施工状况与后续的人流、车流等交付运营状况，让学生在自己的设计作业基础上加以模拟。由此，学生的三维设计作业既可以生成传统教学的工程视图，更可以在虚拟现实中演示出更加真实可感的设计成果。
例如，在学生的实践性的开发设计中，若要将开发设计落到实处，设计成果势必要符合城市规划管理对建设项目的规划控制体系，包括：土地使用、环境容量、建筑建造、城市设计引导、配套设施、行为活动六个方面。要真正在学生学习实践过程中落实这六个方面组成的管理体系， 便可以将上述虚拟现实技术在规划与设计和施工与后续运营的应用之中加入相应的数据，并实现相应的模拟。由此出发， 便可以基本实现与现实情况相似的开发实情。
（三） 通过虚拟空间增加学生实践性与容错率
传统的城市地下空间规划的重点考虑内容有：土力、结构与基础设施的限制，与现有地下设施的连接问题，消防安全，财政可行性（建设、营运和保养成本及投资回报期），业权及城市规划事宜，执行安排， 地下空间开发对地面设施与活动的影响， 在施工期间带来的交通及社会影响等。
在传统的城市地下空间开发课程中，由于过大的实践成本等因素，学生很难有机会依据相应资源对现有城市地下空间进行开发的规划与设计。由此出发，教师可以在授课过程中增加虚拟现实技术的应用：利用计算机开发的物理模型模拟现实中某区域的城市地下空间现状（地理状况、现有设施、财政预算等），并授予学生相应的虚拟现实技术的应用技能，让学生在此基础上在虚拟现实的空间中进行完整的城市地下空间开发的规划与设计。在设计完成之后，带入数字化孪生的现实模型，让计算机推演、运算，对现实进行模拟。同时查看上述考虑的重点内容是否符合规范，是否达成预期。由此，学生便有一定的实践体验，能较大幅度地增强学生对所学知识的掌握力度。同时，也在一定程度上增大了学生在设计过程中的容错率，提高了学习效率。
例如，在学生学习城市地下空间开发中的防灾设计时，将设计成果中套入基于虚拟现实技术模拟的灾害孪生模型，可以直观地进行地下建筑承重应力分析、洪水水压差分析等在纸面上较难实现的现实状况模拟。
（四） 课程考核的改革
一个优秀的考核方式才能真正检验出学生对知识点的掌握程度与实践能力，也才能在一定程度上体现出课程的教学效果。所以我们也将基于虚拟现实技术的探索性应用，提出城市地下空间开发的课程考核的新思路。其一，每节课程的考勤；其二， 课程的实践考试（由教师布置特定条件、特定场景下对特定开发内容的设计，学生在虚拟现实实验室现场作答并模拟施工运营，老师根据学生的完成情况打分）；其三，课程最终考试。以上三个部分所占成绩的比例分别为：10%、30%、60%。其中，第二部分需要考核学生对虚拟现实的软件应用能力和对其相关硬件设备的操作能力。同时，着重学生设计的实践性考核，充分评判其设计的可行性。其余两部分与以前基本一致。
（五） 疫情防控常态化背景下的远程教学
在防控工作已从应急状态转为常态化的背景下，利用虚拟现实技术，可以在传统线上课程的基础上加以革新。将传统的平面摄像头加语音的师生互动升级成三维立体的师生互动，将传统的二维平面场景演示革新成三维立体的交互式场景。同时， 能实现与相关专业团队的远程实时互动，并给予学生在传统城市地下空间开发的课程中不曾体验到的沉浸感。在满足个体化教学需求方面，不同教师可以依据自己不同的教学风格和教学内容确定自身教学过程中虚拟现实技术的运用方式和运用节点。通过良好稳定的技术融合方式来充分提升整体教学领域的教学质量，进而充分提升整体学生的学习积极性 [4]。
五 虚拟现实技术应用于城市地下空间开发课程的局限性
其一，由于虚拟现实技术的应用牵涉到对屏幕的长期使用，势必会对学生的视力造成影响。基于这一点，教师与学生需要合理安排使用时间，使其负面影响最小化。其二，虚拟现实动态迷失（VR motion sickness）。虚拟现实动态迷失是指： 大脑在运行过程中，同时接收到周围虚拟环境的动态变化信号和人体物理意义上的静态信号。这样大脑的认知平衡就会被打破，从而产生眩晕等症状 [5]。
对此， 教师与学生应合理地设计三维模型，让其大小合适， 使其能被轻松查看与更改，从而保护大脑。其三， 现阶段虚拟现实技术很好地结合了视觉、听觉，并在触觉方面有一定发展，想要实现与现实世界相似的体验，还需要嗅觉、力觉等方面的提升。于此， 在硬件上需要继续提升芯片算力并开发能触发相应感官的设施。同时增强头戴式设备的显示能力；在软件上需要开发者优化建模的开发引擎，从声、光等角度不断向现实世界的真实场景靠拢。
六 结束语
将虚拟现实技术应用于传统的城市地下空间开发的课程，能促进本科课程的现代化改革，同时也能反向促进以虚拟现实为代表的数字化技术的蓬勃发展。将城市地下空间开发课程中的 PowerPoint 等演示文稿与虚拟现实技术相结合，能增强教学的直观性和锻炼学生自主获取信息的能力。将学生的设计学习三维化，能提升学生设计作业的直观体验， 增强学生完成相应学习任务的成就感。以虚拟化空间与数字孪生模型增加学生设计过程中的实践性与容错率，能增强学生应用所学知识的能力。
而应用亦是本门课程学习的重要目标，由此便可在一定程度上大幅度提高本课程教育水平。在城市地下空间开发课程的考核中加入虚拟现实的应用，能在一定程度上将专业接轨新工科，扩展学生的学术眼界与新兴技术应用能力。在疫情防控常态化背景下，普及虚拟现实技术，能进一步控制疫情的传播与扩散。突破当今虚拟现实技术应用上的局限性，为未来城市地下空间开发课程增添更多亮点。21 世纪是人类走向信息化的一个世纪，探索并开展不同课程的信息化数字化应用已成为必须完成的任务。同时，对城市地下空间开发的需求不断增长，也需要相应高水平人才的补给。两个需求相互结合，驱动城市地下空间开发课程的探索性课改。在此过程中，我们仍需不断探索，完善技术，归纳总结，来追寻一个更加丰富多彩的教学新时代。
参考文献
[1]Jingjing Xu,Xuhai Tang,Zhengzhi Wang,Yufei Feng,Kang Bian. Investigating the softening of weak interlayers during landslides using nanoindentation experiments and simulations[J].
Engineering Geology,2020,277. 1
[2]董轶男 . 虚拟现实技术在地下工程中的应用 [J]. 四川建筑 ,2004,28(2):49-50.
[3]鲍荣富，王德彬 . BIM+VR：打造泛设计核心竞争力，开启建筑工业化新革命 [R]. 南京：华泰证券研究，2016:5.
[4]吕浩 . VR 虚拟现实技术在教育领域的应用前景研究 [J]. 计算机技术 ,2020(1):1.
[5]Sophie Thompson. Motion Sickness in VR: Why it happens and how to minimize it[R]. Virtual Speech,2020:1.
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