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【摘 要】研究发现传统《智能建筑》的课堂教学比较抽象，教师讲课难以做到生动、形象具体地展示教学内容，影响了教学效果。本文从虚拟现实技术的特点和应用出发，建立统一的师生互动交流虚拟技术平台，在《智能建筑》课堂教学中应用，改变了教学的方法和手段，丰富了教学内容，提高了《智能建筑》的教学效果和质量。
【关键词】虚拟现实技术；智能建筑；课堂教学；教学手段；实践
1. 引言
《智能建筑》课程是建筑环境与设备工程专业重要的专业课程，其教学内容包括了建筑物的结构、设备、服务和管理，它是集现代建筑、现代通信网络、现代控制网络、Internet/In-tranet和现代计算机于一体的教学整体。传统的《智能建筑》课程的教学手段就是依靠一块黑板，一支粉笔，加一本教科书，照本宣科，严重影响了教学效果，不能满足教学的要求。虚拟现实技术继多媒体技术之后，出现的一种新型教学媒体，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域，为各类工程的大规模数据可视化提供了新的描述方法。它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，从而大大推进了教学手段的发展。本研究的《智能建筑》课堂教学以计算机仿真和智能建筑技术为基础，利用计算机来模仿真实的智能建筑设备工作环境，将其应用于智能建筑技术的教学上，对抽象的教学内容形成具体形象动画，使学生加深对知识的理解，能够做到事半功倍的效果。
2. 虚拟现实技术
虚拟现实系统的基本类型。 根据教学的需要可把虚拟现实系统划分成四类：即桌面式虚拟现实系统、沉浸式虚拟现实系统、增强式虚拟现实系统和分布式虚拟现实系统组成。它们之间的关心见图1。
（1）计算机作为一种高效能的信息传播工具，在教育教学过程中得到越来越广泛的应用，将虚拟现实技术作为一种新兴的教学媒体应用到课堂教学中，这种崭新的技术会带给我们崭新的教育思维，解决我们以前无法解决的问题。虚拟现实技术在《智能建筑》课堂教学中的作用见图2。
（2）利用虚拟现实技术，可以彻底打破时空的限制，学生可以进入物体的内部进行观察，能够了解一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学生观察。能够为学习者提供了全新的学习场景，构造出开放性的教学环境。
（3）虚拟现实技术可以对学生学习过程中所提出的各种假设模型进行虚拟和虚物实化，通过虚拟系统便可直观地观察到这一假设所产生的结果或效果。可以使学生通过在虚拟场景的身临其境和自主控制的人机交互，由视、听、触、觉获取外界的反应，开展协作式教学。使学习者在具体情境中通过主动的探索获得知识，从而提高学习者的动力。
（4）应用虚拟现实技术，还可恰如其分地演示一些复杂的、抽象的、不宜直接观察的自然过程和现象，全方位、多角度地展示教学内容，创设所需要的某种虚拟情景，让学生进行模拟实验，从而极大丰富课堂的教学内容。同时虚拟各种实验设备、实训环境和操作过程，使大多数课程可以在虚拟实验室中进行，解决了教学中因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因而无法进行的教学实验，虚拟训练又可避免实验实训设备的损坏、训练材料的消耗等问题，从而有效节约教育成本。
4. 虚拟现实技术在智能建筑技术教学中的实践
采用计算机建模和仿真技术来模拟实际的智能建筑真实的环境，不仅可以节省大量的工程费用和降低风险，具有很高的实用性，而且提高了智能建筑技术的教学效果和教学质量。虚拟现实技术能够从以下二方面应用在智能建筑技术教学上。
（1）第一利用虚拟现实技术实现智能建筑教学仪器、设备、建筑环境的立体展示。在传统教学中，学生只有通过在书本上察看各种教学仪器设备的平面图形，或在现场观察实际的教学设备外形来获得各种感性认识。平面的图形限制了学生的空间想象能力，实际现场教学又增加了学校的投入。采用使用虚拟现实，我们可以构建一个与实物同样的三维物体，如采用Pro/E建模，将各种教学仪器、设备和产品进行实物虚化，将这些物体以立体形式存放在虚拟教室中，我们只要进入这个虚拟空间，就可随时随地地认识这些仪器设备，而且可观察到设备内部的结构，亲身体验建筑的现实环境效果，可辅助智能建筑技术教学的学习过程，增强理解能力，提高学习效果。
（2）第二利用虚拟现实技术进行模拟实验和仿真教学。在教学中特别是实践教学过程中，许多昂贵的实验、培训器材，由于受价格的限制而无法普及或有许多实验是根本不可能做的，如果利用虚拟现实技术，建立虚拟实验室，学习者便可以走进这个虚拟实验室，身临其境般的操作虚拟仪器，如进行各种虚拟的智能建筑系统的连接与组装。这种实验既不消耗器材，也不受场地等外界条件限制，可重复操作，直至得出满意结果。虚拟实验室的另一优点还在于其绝对的安全性，不会因操作失误而造成人身事故，可有效地解决教育机构实验条件与实验需求，实验效果之间的矛盾。
5. 虚拟现实技术在我校《智能建筑》教学中存在的问题及展望
目前根据我们学校的教学设备条件还无法完全实现《智能建筑》课堂教学全过程的虚拟现实技术，但本研究在部分章节中已经进行很好的尝试，如在给水排水的教学内容应用，取得了令人满意的效果。因此目前我们学校的虚拟现实技术还存在一定的问题，主要表现在以下四个方面：
（1）实现成本问题还有待降低。虚拟现实系统应用的相关设备价格也比较昂贵，且这些设备局限性很大，需要进一步发展其结构和制造技术，使其轻巧化和降低成本，才能更有利于推广应用，但对于我校而言有其发展的前提和空间，建筑与城市规划学院有现成的虚拟现实系统，可在其基础上加以扩充，达到资源最大化利用和共享。
（2）硬件环境还有待提高。与虚拟现实技术相关的设备普遍存在使用不方便，效果不佳等情况，难以达到虚拟现实系统所需的要求，如中心计算机的处理速度还不足于满足在虚拟世界中巨大数据量处理实时性的需要，对数据存储能力也不足，基于嗅觉、味觉的设备还没有成熟及商品化。硬件设备品种有待进一步扩展。 （3）虚拟现实的效果还有待加强。虚拟现实的表示侧重于几何表示，缺乏逼真的物理、行为模型，虚拟现实技术在感知方面，视觉合成研究的较多，听觉、触觉关注较少，真实性与实时性不足，其虚拟的效果还需要进一步加强。
（4）虚拟环境与真实生产的差异。 学生在虚拟的环境中学习，与在真实的生产中训练毕竟不同，因为如果仅考虑交互的真实性，那么无论如何身临其境，真正动手操作机器的效果要强于任何媒体教学。因此，虚拟现实技术不能完全代替具体真实的操作，它只能在一定程度上代替某些实验，而不能完全代替实践教学，尤其不能代替有创造性目的的试验。
6. 总结
虚拟现实技术作为一种新型的教学媒体，能够广泛的应用在高等学校的课程教学中，很好地加强了人机互动和师生交流，教学效果明显。我校建筑环境与设备工程专业的课程《建筑设备自动化》教学过程中部分章节内容利用虚拟现实技术。对上课学生进行了采用虚拟现实技术授课和采用传统教学方法对比调查，统计发现90%以上的学生对采用虚拟现实技术授课的内容更好理解，容易接受新知识，受到学生的欢迎；通过考试成绩比较，2009级的学生成绩2008级的平均成绩高出9.3分，同时降低了教学成本的投入。说明这种新的教学媒体必将广泛应用于教育教学中，最终在现代教育领域中发挥其重要作用。
参考文献
[1] 方甲松.谈工业以太网及其与智能建筑领域的应用[J].智能建筑，2004，5：45～49.
[2] 陶根.论建筑智能化工程的丙方监理[J].《智能建筑》2004，8：21～25.
[3] 马克·马冲 .关于智能建筑的思考[J].建筑智能化，2000，10：36～40.
[4] 王厚余.低压电气装置的设计安装和检验[M].中国电力出版社，2009，11.
[5] 穆远详.基于LonWorks技术的现代智能测控系统[J].电脑学习，2004（2）：11～13.
[6] Jie Chen，Meisheng Xue，Detain Sun，Xiaohong He，Remote Monitoring and Control System of Intelligent Building Based on LonWorks and Web[J].Intelligent Control andAutomation，2004，6（6）：5378·5382.
[7] 季宏胨曦.基于LON总线的监控系统设计[J].自动化与仪表，2003，（2）：22～24.
[8] 张静，吴敏，蔡述庭.现场总线过程控制与远程监控实验系统控制工程[J]，2003，10（4）：352～355.
[9] 王忠民，蒋平.基于LNS的LonWorks组网与监控软件开发[J].测控技术，2002，21（1）：37～40.
[10] 候叶，黄道君.一种基于LonWorks网络实现监控的方式[J].仪表技术与传感器，2002，8（1）：34～36.
【关键词】虚拟现实技术；智能建筑；课堂教学；教学手段；实践
1. 引言
《智能建筑》课程是建筑环境与设备工程专业重要的专业课程，其教学内容包括了建筑物的结构、设备、服务和管理，它是集现代建筑、现代通信网络、现代控制网络、Internet/In-tranet和现代计算机于一体的教学整体。传统的《智能建筑》课程的教学手段就是依靠一块黑板，一支粉笔，加一本教科书，照本宣科，严重影响了教学效果，不能满足教学的要求。虚拟现实技术继多媒体技术之后，出现的一种新型教学媒体，为人机交互界面的发展开创了新的研究领域，为各类工程的大规模数据可视化提供了新的描述方法。它融合了数字图像处理、计算机图形学、多媒体技术、传感器技术等多个信息技术分支，从而大大推进了教学手段的发展。本研究的《智能建筑》课堂教学以计算机仿真和智能建筑技术为基础，利用计算机来模仿真实的智能建筑设备工作环境，将其应用于智能建筑技术的教学上，对抽象的教学内容形成具体形象动画，使学生加深对知识的理解，能够做到事半功倍的效果。
2. 虚拟现实技术
虚拟现实系统的基本类型。 根据教学的需要可把虚拟现实系统划分成四类：即桌面式虚拟现实系统、沉浸式虚拟现实系统、增强式虚拟现实系统和分布式虚拟现实系统组成。它们之间的关心见图1。
（1）计算机作为一种高效能的信息传播工具，在教育教学过程中得到越来越广泛的应用，将虚拟现实技术作为一种新兴的教学媒体应用到课堂教学中，这种崭新的技术会带给我们崭新的教育思维，解决我们以前无法解决的问题。虚拟现实技术在《智能建筑》课堂教学中的作用见图2。
（2）利用虚拟现实技术，可以彻底打破时空的限制，学生可以进入物体的内部进行观察，能够了解一些需要几十年甚至上百年才能观察的变化过程，通过虚拟现实技术，可以在很短的时间内呈现给学生观察。能够为学习者提供了全新的学习场景，构造出开放性的教学环境。
（3）虚拟现实技术可以对学生学习过程中所提出的各种假设模型进行虚拟和虚物实化，通过虚拟系统便可直观地观察到这一假设所产生的结果或效果。可以使学生通过在虚拟场景的身临其境和自主控制的人机交互，由视、听、触、觉获取外界的反应，开展协作式教学。使学习者在具体情境中通过主动的探索获得知识，从而提高学习者的动力。
（4）应用虚拟现实技术，还可恰如其分地演示一些复杂的、抽象的、不宜直接观察的自然过程和现象，全方位、多角度地展示教学内容，创设所需要的某种虚拟情景，让学生进行模拟实验，从而极大丰富课堂的教学内容。同时虚拟各种实验设备、实训环境和操作过程，使大多数课程可以在虚拟实验室中进行，解决了教学中因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因而无法进行的教学实验，虚拟训练又可避免实验实训设备的损坏、训练材料的消耗等问题，从而有效节约教育成本。
4. 虚拟现实技术在智能建筑技术教学中的实践
采用计算机建模和仿真技术来模拟实际的智能建筑真实的环境，不仅可以节省大量的工程费用和降低风险，具有很高的实用性，而且提高了智能建筑技术的教学效果和教学质量。虚拟现实技术能够从以下二方面应用在智能建筑技术教学上。
（1）第一利用虚拟现实技术实现智能建筑教学仪器、设备、建筑环境的立体展示。在传统教学中，学生只有通过在书本上察看各种教学仪器设备的平面图形，或在现场观察实际的教学设备外形来获得各种感性认识。平面的图形限制了学生的空间想象能力，实际现场教学又增加了学校的投入。采用使用虚拟现实，我们可以构建一个与实物同样的三维物体，如采用Pro/E建模，将各种教学仪器、设备和产品进行实物虚化，将这些物体以立体形式存放在虚拟教室中，我们只要进入这个虚拟空间，就可随时随地地认识这些仪器设备，而且可观察到设备内部的结构，亲身体验建筑的现实环境效果，可辅助智能建筑技术教学的学习过程，增强理解能力，提高学习效果。
（2）第二利用虚拟现实技术进行模拟实验和仿真教学。在教学中特别是实践教学过程中，许多昂贵的实验、培训器材，由于受价格的限制而无法普及或有许多实验是根本不可能做的，如果利用虚拟现实技术，建立虚拟实验室，学习者便可以走进这个虚拟实验室，身临其境般的操作虚拟仪器，如进行各种虚拟的智能建筑系统的连接与组装。这种实验既不消耗器材，也不受场地等外界条件限制，可重复操作，直至得出满意结果。虚拟实验室的另一优点还在于其绝对的安全性，不会因操作失误而造成人身事故，可有效地解决教育机构实验条件与实验需求，实验效果之间的矛盾。
5. 虚拟现实技术在我校《智能建筑》教学中存在的问题及展望
目前根据我们学校的教学设备条件还无法完全实现《智能建筑》课堂教学全过程的虚拟现实技术，但本研究在部分章节中已经进行很好的尝试，如在给水排水的教学内容应用，取得了令人满意的效果。因此目前我们学校的虚拟现实技术还存在一定的问题，主要表现在以下四个方面：
（1）实现成本问题还有待降低。虚拟现实系统应用的相关设备价格也比较昂贵，且这些设备局限性很大，需要进一步发展其结构和制造技术，使其轻巧化和降低成本，才能更有利于推广应用，但对于我校而言有其发展的前提和空间，建筑与城市规划学院有现成的虚拟现实系统，可在其基础上加以扩充，达到资源最大化利用和共享。
（2）硬件环境还有待提高。与虚拟现实技术相关的设备普遍存在使用不方便，效果不佳等情况，难以达到虚拟现实系统所需的要求，如中心计算机的处理速度还不足于满足在虚拟世界中巨大数据量处理实时性的需要，对数据存储能力也不足，基于嗅觉、味觉的设备还没有成熟及商品化。硬件设备品种有待进一步扩展。 （3）虚拟现实的效果还有待加强。虚拟现实的表示侧重于几何表示，缺乏逼真的物理、行为模型，虚拟现实技术在感知方面，视觉合成研究的较多，听觉、触觉关注较少，真实性与实时性不足，其虚拟的效果还需要进一步加强。
（4）虚拟环境与真实生产的差异。 学生在虚拟的环境中学习，与在真实的生产中训练毕竟不同，因为如果仅考虑交互的真实性，那么无论如何身临其境，真正动手操作机器的效果要强于任何媒体教学。因此，虚拟现实技术不能完全代替具体真实的操作，它只能在一定程度上代替某些实验，而不能完全代替实践教学，尤其不能代替有创造性目的的试验。
6. 总结
虚拟现实技术作为一种新型的教学媒体，能够广泛的应用在高等学校的课程教学中，很好地加强了人机互动和师生交流，教学效果明显。我校建筑环境与设备工程专业的课程《建筑设备自动化》教学过程中部分章节内容利用虚拟现实技术。对上课学生进行了采用虚拟现实技术授课和采用传统教学方法对比调查，统计发现90%以上的学生对采用虚拟现实技术授课的内容更好理解，容易接受新知识，受到学生的欢迎；通过考试成绩比较，2009级的学生成绩2008级的平均成绩高出9.3分，同时降低了教学成本的投入。说明这种新的教学媒体必将广泛应用于教育教学中，最终在现代教育领域中发挥其重要作用。
参考文献
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