中国美术学院|虚拟仿真实验教学共享平台

2、项目描述：

实验名称

环境科学设计虚拟仿真项目

实验目的

本实验教学项目作为环境设计课程中的虚拟仿真专业实验课程，创新性地弥补了环境艺术设计学科中工学方面的实践欠缺。通过虚拟仿真的实验教学，将环境设计中的空间尺度、空间组件与人体的视觉听觉在多个维度上结合起来。对比传统的图纸或电脑上平面媒体学习，环境科技设计的虚拟仿真突破了传统单一媒介的空间体验，使学生对空间的理解和设计兼具人文艺术性和科学逻辑性。
本实验的目的有一下几点：
1、使学生对空间的维度（长、宽、高度）有直观的感受认识，
2、通过虚拟真实的空间与人的互动，让学生感受人的行为与空间组件之间的关系，从而掌握空间、物件与人之间的合理设计关系。
3、实现空间的光、声、热等基本物理量的可视化，使学生对环境的科学设计，人体工学设计有深切的认识。
4、培养艺术与技术、美学与科学兼备的设计人才

实验课时

实验所属课程所占课时：72课时
该实验项目所占课时：60课时

实验原理

本实验教学项目作为环境艺术设计课程中环境科学仿真实验，实验设计原理首先将空间中所有环境因素按照物理定义分为‘物质’和‘能量场’两类，其中：
‘物质’定义为由原子或分子构成的物质，例如空间维度墙面、地面、天花板等，以及空间组件例如家具等。物质的参数设定由尺寸、材料、表面色彩肌理三方面属性构成。‘物质’类别的虚拟仿真实验核心是以人的尺度去体验真实空间尺度，空间组件位置，使学生从脱离以电脑模型构筑的二维虚拟空间，进入真实的三维空间以人的尺度观察感受空间。更为重要的是学生可以与空间产生互动，从而认识到人的行为活动与空间之间发生的关系，进而改善其设计的合理性和科学性。
‘能量场’定义为由能量在空间内形成的场，例如光场、声场、热场等。能量场的参数设定由能量源和能量空间分布两方面属性构成。能量场是视觉不可度量的，虽然可以通过类似Dialux或EcoTech的软件来模拟光场或声场在空间的分布，但是能量场，由于受到各种空间组件和材料的影响，在空间中往往会呈现三维不对称分布。这些能量场在空间的分布无法通过电脑屏幕的方式感知。通过虚拟仿真的实验，通过感受特殊设备（VR眼镜或音响等）可以实现能量场的可感知化。这样的实验教学填补了环境设计学科的学生对真实环境的感知空白。
通过环境科技设计的虚拟仿真实验，学生可全面感知真实空间的各种因素对人的影响。

知识点：共四个
（1）空间尺度对人的视觉感知和心理影响
（2）空间组件的色彩、大小、材质与人的行为活动之间的关系
（3）不同光源的位置色彩强度与空间尺度，结构、材质、色彩和肌理之间的关系
（4）虚拟不同声源的位置强度与空间尺度，结构、材质和表面之间的关系，

实验仪器设备（装置或软件等）

图形工作站、VR头显、VR追踪交互系统
沉浸式LED大屏、多声道立体声音响或耳机
Dialux Evo 软件、EcoTech 软件、自主研发软件

实验材料（或预设参数等）

空间模型数据库：常见空间构建模型和空间组件模型，参数为空间尺度和材料。
空间组件数据库：常见家具、室内器具模型，参数包括材料的材质、颜色、光学、声学和热力学等基本物理属性。
光源数据库: 常见光源的模型，参数包括色温、光通量、分布曲线、以及高阶的显色性、频闪等参数。
声源数据库：常见声源的模型，参数包括强度、频率、分布曲线等。
软件开发工具包：基于Unity2019的ARFoundation（封装GoogleARCore与AppleARKit底层SDK）

实验教学方法

（举例说明采用的教学方法的使用目的、实施过程与实施效果）
使用目的：

以一种常见的会场空间设计为例，会场空间设计由空间设计、家具设计、光学设计和声学设计四大主要部分组成。
空间设计教学：现有的空间设计是通过电脑建模来实现，电脑中模型的视角和真实人的视角有很大差异，虚拟现实构建的空间可让学生以第一视角更真实地观察三维空间，并体验空间的高度、深度以及比例关系对视觉和心理的影响。这部分实验课程可以让学生更为真实地观察并评估其设计的空间。
家具设计教学：教学内容为在虚拟构建空间中，通过VR追踪系统与室内家具器物发生互动，客观评估走道空间的宽窄对人流速度的影响，家具的布局对人在空间中活动的影响，桌椅的高度宽度对工作的影响等等。该部分教学会显著提升学生对室内平面布局与人的行为活动之间的关系意识，充分理解以人为本的设计理念，提高设计的可实施性。
光学设计教学：虚拟仿真的‘能量场’实验课程可实现光线的分布强度在虚拟空间中的可视化，学生在设置完照明灯具光源后，在空间的各个位置评估会场台上主持人面部是否清晰可辨识，顶部光源的设计是否会出现不舒适的眩光。
声学设计教学：。虚拟仿真的‘能量场’实验课程可实现声音分布在虚拟空间中的可视化，学生在设置完音响喇叭等声源后，观察并评估空间大小对声波的反射影响，空间平面材质对声波的吸收或反射影响，在空间内的各个位置是否能清晰听到主持人发言。
光学和声学的虚拟仿真实验教学可填补学生对基本建筑物理学的认知，并初步了解声、光、热等能量场在空间中扩散和分布属性，从而使设计更具贴近真实空间应用。

实施过程：

实施效果：

实验方法与步骤要求

（学生交互性操作步骤应不少于10步）
实验方法描述：

实验分为理论教学、实物教学和综合训练三部分。
理论教学以教师为主，讲解虚拟仿真系统的基本原理和操作方式。
实物教学以教师带领学生，参观或展示常见的空间家具、照明光源、音响声源，讲解其基本构成和物理属性。
综合训练以学生为主，独立设计完成一个指定主题空间的设计，并对设计做全方位的评估。

学生交互性操作步骤说明：

1.学生登陆虚拟交互系统，选择数据库中基本的空间模型或导入已有的设计模型
2. 进入虚拟的空白空间构建模式，新建或导入已有的空间模型，如下图示例：

3. 进入空间设计模式，评估空间高度、比例和深度，如下图示例：

4.进入空间体验模式，检查空间的布局，人行动线的合理性，如下图示例：

5.进入空间布局设计模式，对空间的家具组件进行材质、色彩等物理属性编辑，如下图示例：

6. 进入空间布局体验模式，对家具组件的布局设计进行交互性检验
7. 进入能量光场设计模式，对照明光源的类型、位置、强度等参数进行编辑，如下图示例：

8. 进入能量光场检验模式，对空间的光分布进行检验, 如下图示例：

9. 进入能量声场设计模式，对音响喇叭的类型、位置、强度等参数进行编辑操作示例参考光场的设计
10. 进入能量声场设计模式，对空间的声场分布进行检验
11. 以上步骤也可配合其他环境设计课程单独进行
12. 综合评估空间设计

实验结果与结论要求

是否记录每步实验结果：是
实验结果与结论要求：实验报告
其他描述：实验教学成果是空间艺术设计和技术设计的综合成果，实验报告以图文和数据的方式全面地呈现兼顾美学与科学的设计成果。

考核要求

1.学习态度占总成绩10%
考核内容包括：理论学习完成学时、线上提问率、线下到课率、实验操作步骤完成度等。
2.理论水平占总成绩10%
考核内容包括：理论测试完成时长、理论测试正确率等。
3. 阶段性实践占总成绩20%
考核内容包括：混合现实空间叙事设计的综合系统性、叙事有效性、方案完成度等。
4. 最终作业占总成绩50%
考核内容包括：要求理论与实践相结合，将前期所学基础知识在设计过程中应用起来。全面掌握空间设计的基本元素，强调形式与功能的统一。在设计过程中发现问题，解决问题，兼顾学术价值与社会价值。

面向学生要求

专业与年级要求	环境艺术学专业和建筑艺术学专业三年级以上的学生
基本知识和能力要求	空间建模的技能，软件使用建筑材料学基础入门建筑物理学基础入门虚拟现实设备的基本概念

实验项目应用及共享情况

本校上线时间： 2020年9月
已服务过的本校学生人数： 50
是否纳入到教学计划：是 (勾选“是”，请附所属课程教学大纲）
是否面向社会提供服务：是
社会开放时间：2020年9月，已服务人数: 2