虛擬仿真技術(shù)在風(fēng)景園林實驗教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘 要：虛擬仿真技術(shù)的實踐教學(xué)結(jié)合了建筑信息化模型、VR人機(jī)體驗動作數(shù)字化捕捉、3D打印仿真技術(shù)等新技術(shù)，打造優(yōu)質(zhì)的實踐課程，創(chuàng)造出具有不同空間體驗和感受的多元活動空間，減少了不必要的損耗和重復(fù)工程作業(yè)，有效避免了高危工作環(huán)境。“導(dǎo)入—虛擬—仿真—驗證”的實踐教學(xué)模式，作為風(fēng)景園林專業(yè)實踐課程的示范點，可推廣至其他專業(yè)領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;技術(shù);風(fēng)景園林;實踐教學(xué)

當(dāng)前隨著大數(shù)據(jù)時代的到來與發(fā)展，數(shù)字化虛擬仿真技術(shù)以其畫面逼真精美、運行高效便捷、功能豐富實用、查詢管理信息方便等特點，逐漸影響并應(yīng)用于各個領(lǐng)域。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于新型互動式教育模式，能為學(xué)生帶來更好的教育、娛樂以及溝通等內(nèi)容的體驗，適合各類院校使用。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)從科研領(lǐng)域引入風(fēng)景園林專業(yè)的高等教育領(lǐng)域是本次研究的重點。

1 虛擬仿真技術(shù)的實踐教學(xué)現(xiàn)狀

在虛擬仿真技術(shù)[1，2]中有幾個相似概念，分別是：虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，即VR），指利用計算機(jī)技術(shù)模擬三度空間虛擬世界，實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實的無縫對接，解放雙手，給人帶來沉浸式的體驗;增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality，即AR），是一種實時計算攝影機(jī)影像位置及角度并輔以相應(yīng)圖像的技術(shù)，即通過設(shè)備改變環(huán)境;混合現(xiàn)實（Mix Reality，即MR），同樣是一種裸眼操作的技術(shù)，是指把虛擬世界融入真實世界，創(chuàng)造出新的可視化三維物象，使人難以分辨真假，實現(xiàn)物理實體和數(shù)字對象共存、實時相互作用，即數(shù)字立體化;影像現(xiàn)實（Cinematic Reality，即CR），改變了視野太窄或者眩暈等問題，創(chuàng)造出來的虛擬場景比MR技術(shù)創(chuàng)造的場景更真實，是一種不同的實現(xiàn)方式，跟電影特效一樣逼真。

有關(guān)虛擬現(xiàn)實、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫以及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)的文獻(xiàn)[3，4]中提到，虛擬仿真實驗教學(xué)在國外已有一定的研究基礎(chǔ)，如美國新媒體聯(lián)盟主導(dǎo)的“地平線研究項目”、英國開放大學(xué)基于互聯(lián)網(wǎng)三維虛擬世界“第二人生”（Second Life）開展教學(xué)、加拿大維多利亞大學(xué)建設(shè)了3D實驗室和人類學(xué)創(chuàng)客實驗室等。[3]在國內(nèi)，對于虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用仍處于探索階段，只有極個別高校有此類實驗室的建設(shè)，如南京醫(yī)科大學(xué)建設(shè)了自己的醫(yī)學(xué)仿真實驗室，而投入大量資金建設(shè)此類實驗室的主要集中在職業(yè)院校，但基本是由開發(fā)公司建立的一些人機(jī)交互資源，存在一定的誤差，不能完全符合教學(xué)的需求。

目前，虛擬仿真技術(shù)在風(fēng)景園林專業(yè)實踐課的應(yīng)用非常少，主要應(yīng)用于醫(yī)療教育、電子工程、物理化學(xué)實驗、土木工程等專業(yè)，廣泛應(yīng)用在游戲、影視、商業(yè)等方面。其中AR技術(shù)普及面廣，可通過移動端使用，比較方便，而VR、MR技術(shù)的研究應(yīng)用尚處于初級階段，其內(nèi)容匱乏、應(yīng)用范圍窄、佩戴舒適度不足、工具操作和人機(jī)交互不方便等問題依舊是難點。

虛擬仿真實踐教學(xué)就是利用虛擬仿真技術(shù)，呈現(xiàn)方案設(shè)計效果，達(dá)到避免高危環(huán)境和減少損耗的效果，實現(xiàn)真實的人機(jī)體驗?zāi)Ｊ剑行П苊鈧鹘y(tǒng)教學(xué)中的弊端。現(xiàn)在風(fēng)景園林專業(yè)的實踐課程分為實驗課與實訓(xùn)課。實驗課主要是在實驗室進(jìn)行軟件操作或?qū)嶒炑芯浚鴮嵱?xùn)課主要是以代表性的具體個案為依據(jù)，以小組師生間單獨或小組的評改、研討等為組織形式，在一定時長跨度內(nèi)漸次展開。在教學(xué)效果上，虛擬仿真技術(shù)在實驗課中能起到很好的軟件技術(shù)支持作用，使人擺脫傳統(tǒng)的、局限的顯示器畫面效果，給人帶來沉浸式、全方位的視覺效果。只要佩戴了VR設(shè)備，師生就能在現(xiàn)實空間中進(jìn)行設(shè)計建模。目前仍需要我們解決虛擬設(shè)計軟件的開發(fā)及實驗室的建設(shè)等問題。實訓(xùn)課中，我們需要的是對一些優(yōu)秀項目案例的體驗，在有了虛擬仿真技術(shù)后，將不再是簡單地使用顯示器或投影儀，而是通過佩戴VR眼鏡，給人帶來身臨其境的效果，對此仍需我們解決的是優(yōu)秀項目案例資料庫的建立以及人機(jī)交互環(huán)節(jié)的建立。

2 虛擬仿真技術(shù)在風(fēng)景園林專業(yè)實踐教學(xué)中的運用

傳統(tǒng)教學(xué)存在學(xué)生多、資金不足、場地不足等缺點，且在未來工作中需要減少不必要的損耗和重復(fù)工程作業(yè)，有效避免高危工作環(huán)境。從文獻(xiàn)[5，6]中可以總結(jié)出來，我們可以借鑒智能化、數(shù)字化和項目設(shè)計的教學(xué)方法，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，彌補(bǔ)不足，實現(xiàn)“導(dǎo)入—虛擬—仿真—驗證”這種新的實踐教學(xué)模式。該模式由“導(dǎo)入項目”“虛擬模型和環(huán)境”“仿真模型”和“室外真實場景驗證”4個環(huán)節(jié)組成，實踐分為基礎(chǔ)型、提高型和綜合設(shè)計型。其中“虛擬模型和環(huán)境”及“仿真模型”環(huán)節(jié)是該模式的核心部分。

2.1 虛擬仿真實踐教學(xué)的方式

第一種是以學(xué)生為主體、老師為指引的方式。在虛擬仿真實驗系統(tǒng)進(jìn)行軟件的自主研發(fā)，創(chuàng)作出每個方案設(shè)計的模塊腳本，每個腳本包含相應(yīng)的工作流程、任務(wù)目標(biāo)點、項目分析表、語音、基礎(chǔ)模型、工具材料和界面等。學(xué)生可利用此實驗系統(tǒng)在任何設(shè)計階段建立模型，進(jìn)行創(chuàng)作、設(shè)計，老師從旁指導(dǎo)，直至完成整個項目。

第二種是以學(xué)生認(rèn)知為主，老師、企業(yè)為輔的方式。方案模型可由老師或企業(yè)提供，學(xué)生也可自行建立項目模型，利用已有模型庫或自建模型，運用VR虛擬系統(tǒng)，檢測景觀節(jié)點設(shè)計是否得當(dāng)，建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否合理，空間劃分是否合適，檢查各個部分是否發(fā)生碰撞;也可作為設(shè)計方案的體驗，由高年級建立，進(jìn)行方案的深入設(shè)計，讓低年級來提出問題并體驗虛擬方案。

第三種是純體驗方式。面向不同專業(yè)、不同年級的學(xué)生，把完成的整套VR項目設(shè)計方案，建立完善的交互體驗，提供給學(xué)生們學(xué)習(xí)、觀摩;面向社會人士，學(xué)生把完成的方案做成交互體驗，讓市民體驗感受，做市場調(diào)查、反饋研究;面向客戶或比賽組織方，主要是在社會市場進(jìn)行投標(biāo)，或參加相關(guān)的設(shè)計類大賽。

2.2 虛擬仿真實踐教學(xué)應(yīng)用內(nèi)容

（1）“導(dǎo)入項目”環(huán)節(jié)，進(jìn)行項目分析與整理。其一，進(jìn)行項目策劃分析，理清項目任務(wù)。師生與企業(yè)通過思考、交流、探討，對該項目的任務(wù)目標(biāo)進(jìn)行分析，確定任務(wù)涉及的各種要素。其二，準(zhǔn)備材料、收集資料。學(xué)生通過自主學(xué)習(xí)、小組協(xié)作學(xué)習(xí)等方式，充分應(yīng)用已掌握的專業(yè)知識，閱讀相關(guān)文獻(xiàn)、資料，進(jìn)行收集和分析。其三，讓學(xué)生明確項目最終需要達(dá)到的目標(biāo)、驗證和展示的方式。

（2）“虛擬模型和環(huán)境”環(huán)節(jié)，創(chuàng)造實驗環(huán)境。按照風(fēng)景園林專業(yè)相關(guān)課程的需求，結(jié)合課程內(nèi)容和目標(biāo)，開發(fā)出適合本專業(yè)的虛擬實驗和教學(xué)環(huán)境，其中可設(shè)有如空間實物模擬（設(shè)計）實驗、建筑環(huán)境（設(shè)計）模擬實驗、光環(huán)境模擬、水環(huán)境模擬（綜合）實驗等，進(jìn)行虛擬現(xiàn)實的實驗教學(xué)，并根據(jù)項目任務(wù)確定實施步驟，借助虛擬現(xiàn)實的新技術(shù)，如虛擬3D建模、VR人機(jī)體驗動作數(shù)字化捕捉、BIM建筑信息化、虛擬環(huán)境空間建立等，使學(xué)生對教學(xué)內(nèi)容有直觀的認(rèn)識，并可在虛擬實驗中實現(xiàn)自己的創(chuàng)意設(shè)計。

實驗課程示范，在VR實驗室學(xué)生只需要佩戴VR頭盔，就能在現(xiàn)實空間里創(chuàng)造虛擬空間，把自己的設(shè)計方案直觀地展現(xiàn)出來，實時檢查與交流。對此，急需解決的就是軟件的開發(fā)以及如何做出人機(jī)互動良好的體驗方式。

實訓(xùn)課程示范，當(dāng)學(xué)生完成項目初步設(shè)計方案后，就可以在VR體驗室，通過簡單的軟件轉(zhuǎn)換導(dǎo)出可視化的VR模型圖像，佩戴VR眼鏡便可在現(xiàn)實環(huán)境中觀察自己的設(shè)計方案，從而直觀、簡便地檢查出問題并修改、深化方案。

（3）“仿真模型”環(huán)節(jié)，實現(xiàn)設(shè)計方案。學(xué)生通過虛擬實驗完成項目初步設(shè)計方案后，進(jìn)入深化設(shè)計方案的階段，在這過程中學(xué)生是主體。為進(jìn)一步創(chuàng)造出具有不同空間體驗和感受的多元教學(xué)平臺，可利用仿真技術(shù)實現(xiàn)設(shè)計方案，通過實體模型驗證設(shè)計方案的可實施性，查找不足。其中涉及3D虛擬模型、深化方案設(shè)計、3D打印技術(shù)、等比例實體模型等制作。

（4）“室外真實場景驗證”環(huán)節(jié)，驗證最終方案。學(xué)生按照已制定好的實驗計劃完成項目任務(wù)。教師帶領(lǐng)學(xué)生走出課室，利用航拍技術(shù)、測量技術(shù)和施工工藝等，在室外的實訓(xùn)基地對部分的虛擬、仿真模型和設(shè)計方案，進(jìn)行最終的實現(xiàn)和驗證，讓學(xué)生匯報并展示自己的項目成果，接受他人的評價和教師的反饋。

3 虛擬仿真技術(shù)在風(fēng)景園林專業(yè)實踐教學(xué)中的應(yīng)用價值

風(fēng)景園林是個實踐性很強(qiáng)的專業(yè)，很多課程適合在戶外進(jìn)行教學(xué)，但這樣的室外教學(xué)明顯與傳統(tǒng)的室內(nèi)教學(xué)相沖突，如果要改變現(xiàn)狀則需建立新的實踐教學(xué)模式。因此，虛擬仿真實踐教學(xué)的建設(shè)是非常有必要的，需引起高校的高度重視。

3.1 實踐教學(xué)的價值體現(xiàn)

（1）學(xué)生能更好地參與實際項目，體驗多元的空間設(shè)計，以最有效的實驗方法創(chuàng)作出新穎、大膽、合理的設(shè)計作品;以展覽的形式與老師、同學(xué)交流，得到企業(yè)的認(rèn)可，實現(xiàn)方案的采納和人才的錄用。

（2）實踐課程合理高效。通過虛擬仿真實驗可以降低實際損耗，有效避免傳統(tǒng)教學(xué)中的弊端，提高專業(yè)教學(xué)質(zhì)量，充實信息資源，利用技術(shù)優(yōu)勢，直擊教學(xué)難點。結(jié)合實際的工程，設(shè)計虛擬仿真實驗項目，解決了專業(yè)教學(xué)中理論的抽象生硬、施工細(xì)節(jié)講解不到位、工藝操作難以演示等問題，有助于提高風(fēng)景園林的建設(shè)水平。

（3）調(diào)動學(xué)生積極性，參與各類競賽。有助于本院創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)小組活動，為參加設(shè)計競賽的學(xué)生提供實驗條件和環(huán)境;開放虛擬仿真實驗室，支持學(xué)生利用課余或假期時間進(jìn)行項目開發(fā)和研究，提高其專業(yè)水平。

3.2 滿足教學(xué)方法和教學(xué)手段改進(jìn)的重要途徑

風(fēng)景園林專業(yè)對學(xué)生的創(chuàng)造力和實踐能力都有較高的要求。但受傳統(tǒng)教育模式的影響，學(xué)生只能在課室完成專業(yè)課的學(xué)習(xí)任務(wù)，參加社會實踐的機(jī)會微乎其微，無法真正使學(xué)生理解空間設(shè)計和施工工程。并且專業(yè)課程通常是圍繞理論加藝術(shù)的培養(yǎng)進(jìn)行設(shè)置，導(dǎo)致學(xué)生的創(chuàng)造性思維不活躍，只會運用典型的藝術(shù)手法進(jìn)行景觀設(shè)計或規(guī)劃，難以滿足現(xiàn)今的社會需求。

虛擬仿真實踐教學(xué)是設(shè)計專業(yè)培養(yǎng)人才的重要途徑，能給予學(xué)生直觀的體驗，開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，增強(qiáng)學(xué)生的動手能力和實驗操作能力，并且老師能對實驗內(nèi)容進(jìn)行上傳或修改，隨時調(diào)整人機(jī)交互的效果。自計算機(jī)誕生以來，催生了信息革命，而數(shù)字化、智能化的急速發(fā)展，給我們的生活帶來了極大的便利，虛擬仿真技術(shù)正是其產(chǎn)物。實踐教學(xué)融入這種技術(shù)是可行的，能極大地提高教學(xué)效率，帶來在課堂內(nèi)無法實現(xiàn)的情景，并且能有效避免施工現(xiàn)場的危險。最后，學(xué)生可以通過仿真技術(shù)把設(shè)計作品制作出來，在室外基地驗證設(shè)計作品的可實施性。由此可見，虛擬仿真是高效的、科學(xué)的、可行的實驗手段，是高校建設(shè)的必經(jīng)之路，能夠有效解決傳統(tǒng)室內(nèi)課堂的弊端。

3.3 更能滿足企業(yè)對高技能型人才的需求

學(xué)生通過虛擬仿真實踐，能在進(jìn)入公司前熟悉崗位職能及項目設(shè)計的整個施工過程，有效縮短學(xué)生就業(yè)后對設(shè)計公司的適應(yīng)周期，降低培訓(xùn)成本以及提高培訓(xùn)安全性。另外利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行實驗，能滿足風(fēng)景園林行業(yè)、建筑行業(yè)、室內(nèi)行業(yè)等的設(shè)計要求，既包括對整個設(shè)計方案的評估，又涵蓋了檢查施工工藝中的各種流程。運用虛擬仿真技術(shù)設(shè)計出來的方案有骨有肉，不再是空中樓閣，提高了可實現(xiàn)性;還可以運用虛擬軟件進(jìn)行碰撞檢測，有效檢查出從設(shè)計到施工，每個職能部門之間是否有交叉重疊的部分，大大提高工作效率。

4 結(jié)語

將虛擬現(xiàn)實技術(shù)從科研領(lǐng)域引入風(fēng)景園林專業(yè)能夠形成一種新型的互動式教育模式，通過運用虛擬仿真技術(shù)，呈現(xiàn)方案設(shè)計效果，能實現(xiàn)真實的人機(jī)體驗?zāi)Ｊ健＿@種新型互動式教育模式，包括“導(dǎo)入—虛擬—仿真—驗證”環(huán)節(jié)，能創(chuàng)造出給人不同空間體驗和感受的多元活動空間，讓學(xué)生們直觀地體驗理論知識，清晰明了、互動性強(qiáng)，真正做到了寓教于樂。通過虛擬仿真的高效、科學(xué)、可行的實驗手段，極大地提高了教學(xué)效率，帶來在課堂內(nèi)無法實現(xiàn)的情景，運用仿真技術(shù)把設(shè)計作品制作出來，能有效突破傳統(tǒng)室內(nèi)課堂教學(xué)的局限性，并可結(jié)合室外基地驗證設(shè)計作品的可實施性，減少重復(fù)工程作業(yè)和損耗，避免高危的施工現(xiàn)場的危險。

運用虛擬仿真技術(shù)的實踐教學(xué)能讓學(xué)生結(jié)合課程內(nèi)容，“走出課室”體驗虛擬與現(xiàn)實空間，注重學(xué)生的參與，激發(fā)學(xué)生的積極性與創(chuàng)造性，提高教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生能更好地完成學(xué)習(xí)任務(wù)。虛擬仿真技術(shù)可應(yīng)用于風(fēng)景園林、室內(nèi)設(shè)計、產(chǎn)品設(shè)計、建筑設(shè)計專業(yè)等，目前受益面主要為此類專業(yè)的學(xué)生，還可推廣至其他專業(yè)，如多媒體設(shè)計、影視設(shè)計、平面設(shè)計等，再進(jìn)一步推廣可達(dá)我院其他系部，如游戲系、計算機(jī)系等，并可推廣至有相關(guān)設(shè)計專業(yè)的其他院校，受益面甚廣。

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作者簡介：陳艷莉（1985—），女，廣東廣州人，碩士，講師，研究方向：風(fēng)景園林，建筑設(shè)計和室內(nèi)設(shè)計。