虛擬仿真技術在城鄉規劃設計實踐課程中的應用

殷滋言，李冉 （安徽農業大學經濟技術學院，安徽 合肥 230011）

虛擬仿真技術對教師的教和學生的學產生了深遠的影響，是高等教育信息化建設的重要舉措，推動本科教學過程的高質化改革[1]。城鄉規劃是實踐性很強、動手能力要求高，實際應用型專業。虛擬仿真技術為城鄉規劃設計課程，提供新的視角，為教學提供了有效的指導。

1 城鄉規劃學科新要求

國土空間規劃體系、鄉村振興戰略規劃的背景，給城鄉規劃學科帶來了新的機遇與挑戰，根據城鄉規劃專業實驗教學的規律以及學科體系建設的目標，緊密結合城市發展趨勢，培養適應工程建設發展需要，適應社會信息化技術進步，以解決實際問題為導向，開展城鄉規劃虛擬仿真實驗教學，開發和豐富虛擬仿真實驗教學資源，建立虛實結合的實驗教學平臺，提升學生的創新能力、專業實踐能力、信息化應用能力、綜合素質，提高應用型人才培養成效[2]。

2 虛擬仿真教學的必要性

城鄉規劃設計教學過程中如何表達教師的設計意圖以及引導學生的思維是一個抽象復雜的過程，傳統的教學手段不易將難懂的理論知識更加直觀表達，難以有效吸納前沿理論知識。而虛擬仿真教學有利于將抽象概念轉化為可感知的畫面，有利于培養學生創新能力和獨立思考能力，為學生提供更多的學習資源，鍛煉學生的發散性思維，激發學生學習的主動性與興趣。

學生與仿真技術系統進行實時交互，養成學習的能動性，體驗真實的環境場景。這種教學方式進一步拓展了教學手段，延伸了學習內容。學生是學習的探索者，改革者，更具有創新動力與實訓積極性，學生真正掌握到自主探索的學習方法，激發學生積極性，參與各類競賽，提高學生自信心，有助于學生培養合作精神與創新精神，學校針對競賽學生集中開放虛擬仿真實驗室，為學生競賽提供實驗環境，探索以賽促學，以賽促教，賽學結合的教學模式。

學生在制作方案過程中，遇到大型項目，做材料模型，成本很高，時間消耗大，虛擬仿真技術可以很好解決這些問題，通過身臨其境體驗規劃的各節點空間，感受尺寸的人性化以及評估成本的合理性，實現項目的可實施性。

3 虛擬仿真教學的應用

3.1 虛擬仿真實踐教學手段

城鄉規劃是一門綜合學科，涉及社會、經濟、地理、信息等學科交叉，學生進入工作崗位將面對的是復雜的社會問題、城市問題、鄉村發展問題，需具備有綜合的判斷能力與舉一反三的思路。虛擬仿真教學搭建了城鄉規劃專業與其它學科聯系的橋梁，培養學生的學習熱情與科學思維。虛擬仿真教學的教與學主要有以下三種方式呈現：①將設計意圖與方案直觀呈現。學生可以將自己設計的作品，如競賽作品做成VR體驗成果，面向社會人士，面向不同專業學生，展示作品成果，讓評委、競賽組織方體驗設計成果與創意。②以學生認知為主，老師利用上課環節展示優秀案例模型或展示校企合作的實際項目模型，學生拿著手柄，帶著VR眼鏡，體驗整套VR項目設計案例，理解設計者的思想以及設計過程，體驗建筑或規劃作品設計的空間是否合適，整體結構尺度是否人性化，各景觀節點是否合理，這也是后期學生自己做設計，自己建立模型，檢驗設計成果，進一步完善方案的有效手段。③學生自己設計，老師輔助指導，從方案構思、方案模型建立，方案創作，到虛擬體驗，直到最后設計出新穎、實用的設計作品。

3.2 虛擬仿真實踐教學過程

針對課程特點，依托虛擬仿真，完善實踐教學體系，在國土空間規劃體系下，應對新形勢，城鄉規劃學科需要有足夠的靈活性以及科學性。

3.2.1 實驗前準備

學生瀏覽實驗大綱和實驗步驟，提前了解實驗環節，思考實驗需要解決的問題。老師提前講解實驗理論知識或原理，闡明實驗目的，講解實驗步驟，說明實驗環節中容易犯的錯誤以及容易忽略的步驟，為學生具體操作做好準備。只有學生明白實驗做什么，步驟是什么，實驗結果是什么，學生實驗過程中才能思路清晰，避免很多原則性的錯誤，同時，老師將模擬軟件的操作講解給學生聽、演示給學生看，引導學生具體操作。

3.2.2 實驗中探索

適應信息化技術，按照城鄉規劃設計相關實踐課程需求，創造虛擬仿真實驗環境，如建筑結構模擬實驗、鄉土環境模擬實驗、交通環境模擬實驗等，進行虛擬現實的實驗教學，虛擬3D建模、虛擬環境空間建立等，老師及時關注學生操作過程中的共性問題，引導學生自主探索軟件的操作方式，在仿真系統中自主研發軟件。使學生能通過直觀體驗進一步理解教學內容，實時檢查與交流規劃設計作品，進行設計環境的人機交互，反映出問題與不足，學生可利用此實驗系統在設計階段建立模型，創新訓練，從而修改、深化規劃設計方案，這個過程中學生通過操作掌握實驗的整體框架及領會學習內容，實現人機交互，身臨其境體驗逼真的場景，設計出好的規劃設計方案，同時對理論原理有更深刻的掌握。

3.2.3 實驗后思考

學生通過虛擬仿真實驗，完成初步的方案設計，通過3D虛擬模型、深化方案設計、3D打印技術等方法深化設計方案。實驗后總結學生在操作過程中容易出現問題的地方，進一步提升虛擬仿真實驗教學效果。引導學生圍繞實驗原理進行總結反思，讓學生把知識更好地聯系起來，設計出科學、有創意、可實施的規劃設計方案。這個過程中不僅讓學生學會總結思考，而且加強處理問題的能力以及創新能力。

3.3 虛擬仿真實踐教學內容

3.3.1 規劃設計實踐課程設置

改革傳統教學方法，延伸實踐教學內容，推動信息化實踐教學的應用。城鄉規劃教學體系中包含理論教學、實驗教學、創新訓練三個層次。適當增加實踐課程比例，理論教學融合于實踐教學中，引導學生在實踐操作過程中獨立思考，自主學習。同時在人才培養計劃中增加專業技能運用，可在大二、大三、大四階段增加專業技能應用，將學科競賽納入人才培養計劃中。城鄉規劃學的主要實踐課程有建筑設計課程實踐、城市設計課程實踐、城市總體規劃課程實踐、鄉村規劃課程實踐、城市景觀設計課程實踐等。一、二年級學生主要是建筑設計和場地設計等實訓課程實習，三、四、五年級學生主要是城鄉規劃設計課程實訓。

3.3.2 實驗探索

虛擬仿真實驗平臺可提供課前、課中、課后的學習平臺，包括預課平臺、實驗平臺、互評平臺，這三個平臺分為學生用戶角色和教師用戶角色，預課平臺包含有學生部分時段學習的各種資源，如視頻、文檔、模型等，加深學生對知識重難點的鞏固與理解。實驗平臺為學生提供實驗操作環境，記錄學生實驗操作過程、提交課后作品以及校企合作實際項目作品，檢測學生學習效果以及專業培養目標。為學生參與各類競賽提供有利的平臺，由此延伸出競賽板塊，豐富教學形式，促進學生學習的主動性以及與同類院校的交流，參賽同學可以要求其他同學觀摩其作品以及提出建議?；ピu平臺上學生對教學質量以及教學水平進行評價，搜集教學質量評價信息，及時改進教學管理。

采用虛擬仿真平臺，結合先進傳感和3D沉浸式技術，搭建城鄉規劃設計實踐課程專業實驗教學模塊[3]。

①虛擬仿真實驗教學具體應用于建筑構造與建筑設計課程實踐。傳統教學中，由于資源條件的限制，很多建筑結構難以形成結構分解的畫面，需要同學們根據經驗來腦補畫面效果。虛擬現實技術可以給同學們帶來一個真實的結構分解的虛擬環境，促進綠色建筑的建設以及智慧生態城市的構建。虛擬設置建筑各部分結構，建立三維模型，展現仿真建筑，提高學生的學習興趣。學生通過對建筑物的構件搭建、裝飾呈現逼真的建筑，提升教學效果，培養學生創新思維，設計出優秀的作品。

②虛擬仿真實驗教學的具體應用于城市景觀設計及城市規劃方案三維展現。一般來說，對于城鄉規劃專業課程實踐，老師會通過網絡搜集或實際項目來展示規劃設計過程以及設計思想，這些往往只能通過多媒體圖片或者借用三維軟件展示一些局部效果，難以形成直觀的真實場景感受，空間是虛擬現實第一特性“沉浸”的基礎[4]。通過虛擬仿真實驗給學生帶來身臨其境的空間，幫助同學們更直觀的理解設計作品的方案形成過程及理念指導，通過對規劃方案中的建筑單體的三維建模、墻面紋理材質添加、裝飾物選擇等[5]，觀察到真實的三維立體效果。

虛擬仿真實驗室與課程安排表

③虛擬仿真實驗教學的具體應用于鄉土建筑與環境設計表達。結合GIS深入分析，從宏觀自然地理環境的模擬到鄉村肌理的生動展現，為學生做設計時，前期分析提供了詳實的現狀環境，深入了解各項環境要素，再融入當地各方民意，設計出好的作品，而且與地方交流時，可以提供更為直觀展示效果的產品。虛擬仿真技術為設計師在鄉村空間規劃中更好地思考鄉土情感表達，鄰里之間的公共交流空間，各功能空間的組合關系。學生結合宏觀的地域環境和當地的鄉土文化，掌握鄉村環境處理的方法以及鄉土建筑特征。

④虛擬仿真實驗教學的具體應用于道路與交通規劃課程實踐。虛擬仿真實驗提供沉浸式體驗，很好解決了傳統教學不能為學生提供可感知、可測度的場景。按照實驗大綱要求，學生應當深刻理解和掌握流線組織、交通信號處理、交叉口設計、交通空間環境等多因素的設計組織與技能，實現學生設計多方案評選。通過虛擬仿真技術，學生可以更加快速、直觀的了解掌握交通規劃的基本理論，在虛擬平臺下進行多維度的創新設計練習，讓學生對自己的設計方案有清晰直觀的認知，并通過評估反饋強化他們的綜合能力。

⑤虛擬仿真教學應用于土地利用調查評價實踐課程。讓學生掌握利用航拍圖片或衛星圖片進行土地利用現狀調查，數據處理等技術方法，增強學生對已學過專業知識的感性認識，鍛煉學生在土地資源調查、資源環境承載能力評價、國土空間開發適宜性評價等方面的創新學習能力，加深對基礎理論的理解。掌握國土空間重大情景要素模擬、國土空間情景演變分析與動態模擬等知識要點，增強對國土空間格局影響因素的感性認識。

4 結語

隨著5G信息技術的深入發展，虛擬仿真實驗教學探索性研究將進一步普及。通過仿真技術，人機交互，學生沉浸式體驗，再到規劃設計后的方案體驗，通過規劃前與規劃后體驗，促進學生對基本理論知識的深刻理解與規劃方案設計的經驗總結。讓同學們充分理解學習建筑設計、城市規劃設計等的核心技術，激發學生有了更多的想象空間，學生有獨立思考的實驗空間，促進學生設計出可操作、有創意的設計作品，利于教師指導學生創新、創業、訓練計劃，發揮學生的能動性。通過校企合作，結合專業教學指導學生參與實際項目實踐，指導學生參加各類競賽。虛擬仿真在教學過程中促進了教學創新改革與學生對前沿理論的探索。