虛擬仿真技術在園林實訓教學中的應用研究

江匯　魯璇　易敏

摘 要 文章分析了虛擬仿真技術在園林實訓教學中的優勢，提出了虛擬仿真實訓基地建設的條件和設想。從專業課程體系角度出發，探索虛擬仿真技術在園林實訓教學中的應用。旨在為高職園林實訓教學改革提供新思路、新途徑和新方向。此論文是廣西2015年度職業教育教學改革項目《民族地區高職院校實踐教學改革與創新的研究與實踐——以園林專業為例》（桂教職成[2015]22號）的研究成果。

關鍵詞 虛擬技術 園林 實訓教學

Abstract This paper analyzes the advantages of Virtual Reality in Landscape training teaching. Propose the conditions and assumptions of the Virtual Reality training base construction. From the perspective of curriculum system， Exploring Virtual Reality in Landscape Practice Teaching. Object is to provide new ideas， new approaches and new directions for the Landscape Practical Teaching reform of Technical College Education.

Keywords virtual reality； landscape architecture； practical teaching

虛擬現實技術（Virtual Reality），簡稱VR，是利用電腦模擬產生一個三度空間的虛擬世界。這種技術的特點在于，能產生一種人為虛擬的環境，為用戶提供視覺、聽覺和觸覺等感官的模擬，通過交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真，使用戶沉浸到該環境中。隨著數字化進程的不斷加速，電腦多媒體技術的飛速發展和廣泛應用，虛擬現實技術也逐步走進課堂。教育部文件中明確指出高等職業教育要大力推行工學結合，突出實踐能力培養，改革人才培養模式，其中實驗、實訓、實習是 3 個關鍵環節。①

1 虛擬仿真技術在園林實訓教學中的優越性

園林是一門綜合性學科，它運用植物、水體、木材、石材、不銹鋼等多種材料，通過改造地形，筑山、疊石、理水，種植樹木花草，營造建筑和布置園路等途徑創作，同時吸收文化、歷史等人文內容，并結合特定環境創造出形態各異的美的空間。這就需要園林設計師具有高度豐富的想象力和時空觀，因此虛擬現實技術在現代園林設計中具有重要的作用。②由于虛擬仿真技術的情境性、交互性和多感知性等特點，其在園林實訓教學中同樣也具優越性。

1.1 情景性

利用VR技術可以虛擬建立園林景觀，展現園林豐富的景觀內容。例如，植物的色、香及季相變化，景觀亭子的造型、材質、大小，經典的古典園林空間，居住區小區園林環境空間，甚至大型森林公園的整體環境展現。學生可以不出教室，就獲得與親臨真實場景一樣的體會，在空間中隨意游走，從而充分感受園林景觀中的色彩、光影和動靜變化，從而豐富感性認識，加深對空間場景的理解。

1.2 交互性

首先，在實訓教學階段，教師可以運用虛擬仿真平臺實現對學生的管理和指導。例如教師登錄虛擬實訓平臺，根據實訓課程要求先對實訓內容進行相應的理論講解，然后通過互動平臺發布學生實訓的目的、內容、計劃、流程、具體要求和注意事項。其次，學生在聽教師講解完理論知識后，可以根據自己掌握到的知識進行在線練習，完成一定量的練習后才可以進行相應技能的在線測試。最后，師生之間、學生之間也可以通過虛擬實訓平臺進行交流和互動。學生在實訓過程中如果遇到困惑和問題都可以隨時咨詢老師或者與其他同學討論解決，加強師生間的互動交流，同時也提高了學生之間的團隊協作能力。

1.3 創造性

通過使用VR技術可以發揮學生的主觀能動性。在親身體驗三維空間的同時，學生可以實時進行可視化編輯，調整三維空間場景、調整模型的大小、材質、空間位置，對不同場景效果進行推敲和比對，從而激發學生的創造性思維。

2 園林專業虛擬仿真實訓基地建設的相關支持條件

2.1 虛擬仿真實訓基地建設所需的硬件設備

為了實現虛擬顯示的沉浸特性，必須具備人體的感官特性，包括視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺等。因此建立虛擬仿真實訓室，首先需要虛擬現實技術領域相關的硬件設備。現階段虛擬現實中常用到的硬件設備，大致可以分為四類。（1）建模設備，如計算機和3D掃描儀；（2）顯示設備，如虛擬現實頭盔，雙目全方位顯示器，CRT終端-液晶光閘眼鏡，大屏幕投影-液晶光閘眼鏡，CAVE洞穴式虛擬現實顯示系統等。（3）聲音設備，如三維立體聲和語音識別。（4）交互設備，如數據手套，力矩球，操縱桿，觸覺反饋裝置，力覺反饋裝置，運動捕捉系統，機械式運動捕捉，聲學運動捕捉等。

2.2 虛擬仿真實訓平臺所需的軟件技術

虛擬仿真實訓平臺的搭建還需要有相關軟件技術的支撐。包括以下幾種：

（1）虛擬仿真實訓教學管理系統：針對在線教育而研發的管理后臺，可以讓老師和學生進行實時交流。其功能需要有通過權限號和密碼登錄，分管理端和客戶端。包括個人信息中心、教學管理、教學資源庫、翻轉課堂、實訓任務、仿真實訓等模塊。

（2）虛擬仿真實訓識圖與構造軟件：將二維圖紙與三維模型對應展示，完成對一些建筑小品、構件大樣、植物種類的細節進行展示。利于初學者克服對于二維表現抽象思維的不理解，幫助學生培養空間想象的能力，使學生構思得以在實時生成的三維世界中充分發展，協助教師完成課堂識圖教學。

（3）虛擬仿真園林規劃和設計軟件：軟件需具備相關的繪圖功能，如設置坐標，添加設計素材圖庫，繪制圖框等。此外，軟件還需具備兼容功能，支持AutoCAD，3Dmax，Sketchup，Photoshop等相關設計軟件。

2.3 專業軟件技術團隊與園林專業教師合作建立數字庫

為了使虛擬仿真實訓平臺更能切合園林專業的實訓教學體系需求，園林專業教師需要參與配合建立數字庫系統。首先，園林專業教師需搭建虛擬仿真實訓課程體系，根據課程需要提出數字庫所需要的各種素材。例如，提供景觀建筑小品實訓課程中所需要的各類亭子、花架、景墻的相關設計圖紙。其次，由專業的軟件技術團隊提供技術指導和支持，將二維圖紙素材變成三維虛擬仿真實訓素材。最后，搭建分類數字庫系統，用戶可以在使用中隨時能方便地提取任意模型素材。

3 園林實訓實踐中適用虛擬技術輔助教學的課程

園林虛擬仿真實訓系統具需要根據針對專業特色進行開發，為園林實訓提供一種交互性教學和實訓性體驗環境，協助教師完成課程教學與實訓。老師可以通過虛擬技術來深化教材內容，學生可以通過虛擬技術軟件完成相應的實訓操作。虛擬仿真實訓系統的開發需要具有良好的延續性、實用性、可操作性和開放性，使其功能可適用于園林設計類、園林工程類以及一些專業基礎類課程的實訓環節。

3.1 設計類課程實訓

設計類的課程實訓包括園林規劃設計課程實訓，居住區景觀設計實訓，景觀建筑小品設計實訓等。傳統的園林設計教學在課堂上無法實現從各個空間角度去鑒賞、剖析園林案例及體驗園林景觀設計的全過程。③而虛擬仿真實訓平臺可以在課堂上虛擬展示出案例場景，可以實現無需走出課堂學生就能親身體驗和考察成功案例，實現讓學生身臨其境地“進入”園林，從任意角度體驗設計作品，充分感受園林的空間、色彩、尺度、材料、肌理、質感甚至聲音。例如，景觀建筑小品實訓課程中，學生可以通過虛擬實訓平臺，將自己設計的成果建立成為三維的立體模型，讓學生直觀感受自己的設計方案，從空想的平面圖紙直接實現虛擬的模型，學生可以直觀感受建筑小品造型、構造、材質、體量和空間，從而增加學習興趣，提高設計能力，培養應用型設計人才。又如，在居住區景觀設計實訓課程中，虛擬仿真實訓系統設置有專門的居住區場地模塊。學生可以根據自己的設計構想，在虛擬仿真的場地中通過改造地形，放置園林建筑小品模型，放置園林植物模型等手段去進行空間設計實訓。在視角的選擇上，還可以根據需要進行選擇，如人視步行、勻速車行、甚至鳥瞰飛行等不同運動方式和速度從不同角度去體驗。例如，在園林規劃設計實訓課程中，學生可以選擇鳥瞰視角，從空中看到全局的設計景觀，從整體角度分析規劃設計的可行性和合理性。

3.2 園林工程類實訓

園林工程施工課程對學生動手能力要求很高，需要進行大量的實訓訓練。而工程類的某些施工現場含有一定的危險系數，不適合還沒熟練掌握施工技能的學生直接到去現場實訓。虛擬仿真實訓系統能提供真實的360度全方位三維施工現場模型場景，提供給學生進行模擬操作的實訓場地，使學生身臨其境，模擬相應的工作角色，為學生將來到現場實習打下良好的基礎。同時由于真實性強，學生對于遇到的問題也會產生較強的求知欲，提高學習的興趣，自覺練習施工技巧操作，從而能更好更扎實地掌握各項操作技術。

學生可以像玩游戲一樣進行各種實訓通關。首先，由教師先啟動虛擬動畫進行技能示范演示，向學生講解和展示每個實訓技能操作的內容、步驟和要求，使學生對實訓任務有直觀的了解。然后，學生通過反復操作練習，熟悉并掌握某個施工流程和技術要點進行通關檢測。學生在進行通關檢測實訓中，每通過一關即是完成一項實訓作業，評價系統會自動對每項操作進行打分，分數需要達到設定值以上，才能晉級下一個實訓任務。以駁岸施工實訓為例，學生可以使用皮尺、石塊、鐵鍬、碎石、石灰、水泥、砂石等工具模型，先通關“測量放線”關卡，才能晉級下面的“挖槽”、“夯實基礎”、“澆筑基礎”、“砌筑岸墻”等關卡。最后，系統會對學生總體的實訓情況進行評價，教師通過啟動互動交流平臺，指導和解決學生在實訓時遇到的問題。例如哪些同學的動作不標準，哪些同學操作的步驟出現錯誤，哪些同學所選用的材料有誤等問題，都能通過互動交流平臺指出。同時，老師一方面可根據學生實訓反應出的問題，如某些觸控界面指示不清，某些色彩和實物反差較大，某些預設步驟可控性不強等，對相應的模塊進行調整和改進；另一方面，教師可與時俱進地在模塊中添加新技術或是新材料使之與現行的施工程序和行業規范保持一致，保證學以致用，提高模擬效果。

3.3 專業基礎類課程

園林制圖與識圖屬于專業基礎類課程，課程內容中軸測、透視、投影等占有很大比例，相對于其他專業課程來說比較枯燥乏味。雖然現今課堂已經使用PPT和FLASH等多媒體教學輔助，但是其給出的形體直視圖方向單一，不能進行多方向觀察，也不能進行現場實時編輯修改，精度效果仍然不能滿足教學要求。虛擬仿真實訓平臺設置的課程實訓系統，可以根據教材章節劃分模塊內容，如繪圖基本知識、投影基本知識、軸測圖、透視圖、剖面與斷面、施工圖繪制、構造識別等。使用虛擬仿真實訓平臺，可以通過點擊平面圖紙來對應三維模型，每個模型都可以任意變換觀察角度和形狀，隨意拆分疊加和剖切，并且生成對應的二維圖紙。實訓系統數據庫中內置大量的建筑構建模型，通過點擊能讀取構造知識點及相應的制圖規范，模型界面和圖紙界面可以相互轉換進入或是同時打開對比，大大提高學生對制圖規范的記憶能力以及空間思維能力。

4 結語 （下轉第129頁）（上接第102頁）

科技在飛速發展，技術也在完善，園林專業需要緊跟時代的步伐，園林實訓課程要不斷改革創新，探索一種新的教學模式，調動學生的主觀能動性，培養學生成為有創新意識、有過硬專業技術的人才。

注釋

① 耿曉東，戴群，丁小晏.虛擬實訓在園路工程施工課程實踐教學中的應用[J].現代農業科技，2013（9）：328-331.

② 楊潤.基于 VRGIS 的虛擬技術在園林規劃中的應用——以牢固關森林公園總體規劃為例[D].西北農林科技大學，2008.

③ 趙月寧，王宏信.多媒體技術支持下的虛擬園林設計教學改革研究[J].藝術與設計，2011（3）：129-130.