CDIO工程教學(xué)改革下的“虛擬+”風(fēng)景園林工程教學(xué)探索

朱里瑩，黃 河，閆 晨

(福建農(nóng)林大學(xué) 園林學(xué)院，福建 福州 350002)

1 引言

作為風(fēng)景園林專業(yè)的核心課程，風(fēng)景園林工程是生態(tài)文明建設(shè)下各個(gè)風(fēng)景園林項(xiàng)目得以實(shí)施，落地成型的基石，是培養(yǎng)風(fēng)景園林應(yīng)用型人才的重要基礎(chǔ)。隨著計(jì)算機(jī)建模和仿真技術(shù)的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)如何與風(fēng)景園林相結(jié)合成為工程教學(xué)的熱點(diǎn)問(wèn)題。自1960年Ivan Sutherland教授提出The Ultimate Display概念以來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)備受關(guān)注。 20世紀(jì)80年代，虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)始應(yīng)用于教育領(lǐng)域，包括美國(guó)、西班牙、德國(guó)、意大利等國(guó)家在內(nèi)都在不斷建設(shè)虛擬教育實(shí)驗(yàn)室、虛擬儀器工作平臺(tái)等，并逐漸在我國(guó)教育領(lǐng)域擴(kuò)大影響力[1, 2]。與傳統(tǒng)教學(xué)以灌輸語(yǔ)義式知識(shí)為主的特征不同，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸性、交互性和構(gòu)想性等特征，有助于將語(yǔ)義式知識(shí)轉(zhuǎn)化為情節(jié)式知識(shí)，即從展現(xiàn)出的事件中獲得細(xì)節(jié)和經(jīng)驗(yàn)，幫助用戶克服學(xué)習(xí)障礙和恐懼，完成通常繁瑣枯燥的學(xué)習(xí)訓(xùn)練和知識(shí)汲取[3]。從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用來(lái)看，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)踐性較強(qiáng)，更傾向于情節(jié)式知識(shí)傳播的課程中獲得了多方肯定，例如Jang等的3D解剖課程、Alho Barata的電力變壓器操作課程、Rupasinhe Thashika的飛機(jī)維修技術(shù)培訓(xùn)課程、李靜蓉的虛擬鍛造工藝實(shí)習(xí)系統(tǒng)、王培濤的虛擬現(xiàn)實(shí)巖土工程技術(shù)、王宜衡的麻醉學(xué)教學(xué)等[4～6]。總體來(lái)說(shuō)，虛擬現(xiàn)實(shí)除了可以降低土地和人力成本外，借助沉浸式場(chǎng)景教學(xué)，通過(guò)情節(jié)式知識(shí)的學(xué)習(xí)來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)語(yǔ)義式知識(shí)的灌輸，可以增強(qiáng)對(duì)細(xì)節(jié)和經(jīng)驗(yàn)的理解，在理論與實(shí)踐之間搭建橋梁，更適用于應(yīng)用性強(qiáng)的課程，與風(fēng)景園林工程作為應(yīng)用性課程的內(nèi)核高度契合。

與虛擬現(xiàn)實(shí)呈現(xiàn)出的情節(jié)式片段式場(chǎng)景不同，風(fēng)景園林工程教學(xué)也一直在探索CDIO工程教學(xué)的系統(tǒng)化路徑。CDIO指的是“構(gòu)思(Conceive)-設(shè)計(jì)(Design)-實(shí)施(Implement)-運(yùn)行(Operate)”全生命周期的過(guò)程，是美國(guó)麻省理工學(xué)院與瑞典的查爾摩斯工業(yè)大學(xué)、林雪平大學(xué)、瑞典皇家工學(xué)院共同創(chuàng)立的工程教育模式[7, 8]。自2005年引入中國(guó)以來(lái)，從CDIO專業(yè)培養(yǎng)架構(gòu)、CDIO專業(yè)培養(yǎng)標(biāo)準(zhǔn)體系、CDIO一體化課程體系等方面，對(duì)中國(guó)工程教育產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響[9, 10]。近年來(lái)，在學(xué)習(xí)研討CDIO的過(guò)程中，各校重新思考工程教育改革的模式與路徑，對(duì)人才培養(yǎng)方案、課程體系、教學(xué)實(shí)施、實(shí)踐環(huán)境、教師考評(píng)機(jī)制等方面也進(jìn)行了部分環(huán)節(jié)的重新構(gòu)建，多方面探索CDIO的中國(guó)化、本土化和特色化，將CDIO與不同的能力體系相結(jié)合，探索了獨(dú)特的TOPCARES-CDIO、TP-CDIO、ART·CDIO等人才培養(yǎng)模式[11～13]。如何利用CDIO的體系化脈絡(luò)串聯(lián)虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)和線下教學(xué)成為解決風(fēng)景園林工程教學(xué)現(xiàn)有困境的關(guān)鍵問(wèn)題。基于此，本研究提出引入CDIO全生命周期工程教學(xué)，總體把握課程構(gòu)架，將虛擬現(xiàn)實(shí)與線下教學(xué)相結(jié)合，一體化設(shè)計(jì)教學(xué)內(nèi)容，形成“虛擬+”風(fēng)景園林工程教學(xué)模式探索。

2 風(fēng)景園林工程教學(xué)現(xiàn)狀問(wèn)題

2.1 傳統(tǒng)課堂教學(xué)難以彌補(bǔ)實(shí)踐短板

隨著研究的深入與科技的進(jìn)步，風(fēng)景園林教育工作者們根據(jù)自身學(xué)校資源和辦學(xué)特色，做出多方面嘗試，雖然在風(fēng)景園林工程教學(xué)中取得了一定進(jìn)步，但仍然存在諸多問(wèn)題。首先，傳統(tǒng)工程教育以圖紙教學(xué)為主，缺乏實(shí)際演練；其次，由于課堂教學(xué)難以展示并貫穿工程項(xiàng)目的各個(gè)環(huán)節(jié)，不但增加了學(xué)生理解上的困難，也導(dǎo)致其動(dòng)手能力差，缺少實(shí)際解決問(wèn)題的能力。

2.2 實(shí)習(xí)基地成本高項(xiàng)目類型單一

為了彌補(bǔ)實(shí)踐上的短板，建設(shè)實(shí)習(xí)基地成為目前培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力的主要方式。然而實(shí)習(xí)基地由于成本高、危險(xiǎn)系數(shù)大等問(wèn)題，難以覆蓋各類工程項(xiàng)目。無(wú)論是校內(nèi)還是校外實(shí)習(xí)基地都涉及土地成本和人員管理成本，且由于工程建造存在潛在危險(xiǎn)，同學(xué)們只能進(jìn)行相對(duì)簡(jiǎn)單的工作，造成接觸到的工程項(xiàng)目類型單一，難以拓寬知識(shí)視域。

2.3 地下結(jié)構(gòu)和內(nèi)部構(gòu)造難以呈現(xiàn)

目前教學(xué)以對(duì)已建成工程項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)景考察為主，然而這一方式只呈現(xiàn)了地上部分的表面形態(tài)，難以認(rèn)識(shí)到工程項(xiàng)目的地下結(jié)構(gòu)以及內(nèi)部構(gòu)造。由此可見(jiàn)，即使是現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)教學(xué)也存在理解上的巨大障礙。然而這種知識(shí)傳播效率存在詬病的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)習(xí)教學(xué)，也可能因?yàn)樘厥馐录鵁o(wú)限期延后，抗風(fēng)險(xiǎn)能力極差。如何解決這些問(wèn)題成為風(fēng)景園林工程教學(xué)中的難題。

3 風(fēng)景園林工程“虛擬+”的CDIO探索

“虛擬+”指的是在現(xiàn)有教學(xué)的基礎(chǔ)上融合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，形成虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界相互疊加嵌套的教學(xué)模式。其中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)指的是由圖形處理計(jì)算機(jī)、應(yīng)用軟件系統(tǒng)、輸入設(shè)備和輸出設(shè)備共同組成的新型人機(jī)交互接口，通過(guò)具有真實(shí)感的圖像、聲音和其他感覺(jué)，在一個(gè)虛擬的環(huán)境中模擬用戶與環(huán)境的交互行為[14]。

3.1 圍繞C(Conceive構(gòu)思)，制定符合行業(yè)需求的人才培養(yǎng)目標(biāo)

學(xué)生能力不能符合工作崗位的需求是工程課程理論與實(shí)踐脫節(jié)的表現(xiàn)結(jié)果，而這本質(zhì)上也體現(xiàn)出了教學(xué)內(nèi)容與市場(chǎng)需求的錯(cuò)位。因此，在確定教什么之前應(yīng)當(dāng)首先確定行業(yè)需要什么？ CDIO工程教育模式根據(jù)當(dāng)代工程實(shí)踐的準(zhǔn)則推理出了工程師應(yīng)當(dāng)具備的4個(gè)部分的能力要求目標(biāo)，并得到了眾多領(lǐng)域的專家評(píng)審認(rèn)可，其中包括技術(shù)學(xué)科知識(shí)(第一部分)的掌握；工程推理和解決問(wèn)題能力、實(shí)驗(yàn)?zāi)芰εc知識(shí)探索能力、系統(tǒng)思維能力、批判性能力等個(gè)人能力培養(yǎng)(第二部分)；主要集中在個(gè)人與團(tuán)隊(duì)之間互動(dòng)上的人際交往能力(第三部分)；強(qiáng)調(diào)在社會(huì)環(huán)境中對(duì)產(chǎn)品、過(guò)程和系統(tǒng)進(jìn)行總體運(yùn)作的產(chǎn)品、過(guò)程和系統(tǒng)建造能力(第四部分)[15]。然而，這些目標(biāo)雖然細(xì)致且具有普適性，但是針對(duì)性不強(qiáng)。因此，需要針對(duì)風(fēng)景園林行業(yè)特征和具體的需求對(duì)CDIO能力目標(biāo)進(jìn)行梳理和關(guān)聯(lián)度強(qiáng)弱對(duì)應(yīng)，從CDIO現(xiàn)有4大一級(jí)能力目標(biāo)，17個(gè)二級(jí)目標(biāo)，70個(gè)三級(jí)目標(biāo)，篩選出與風(fēng)景園林工程教學(xué)匹配度最高的目標(biāo)層，并對(duì)可進(jìn)行虛擬技術(shù)迭代的目標(biāo)層，引入“虛擬+”技術(shù)手段，以針對(duì)性制定符合風(fēng)景園林行業(yè)需求的“虛擬+”工程人才培養(yǎng)目標(biāo)。

3.2 立足D(Design設(shè)計(jì))，一體化設(shè)計(jì)“虛擬+”課程結(jié)構(gòu)

不同于傳統(tǒng)課程結(jié)構(gòu)中各相關(guān)課程之間的各自為政，一體化課程結(jié)構(gòu)意味著根據(jù)人才培養(yǎng)目標(biāo)重新分配可用的教學(xué)資源和時(shí)間，課程內(nèi)容之間相互嵌套，有機(jī)融合，形成一個(gè)總體效果大于各部分相加的模式[16]。一體化課程設(shè)計(jì)首先需要反映相關(guān)課程的已有條件以及相互之間的聯(lián)系，以此協(xié)調(diào)并確定課程群結(jié)構(gòu)、學(xué)習(xí)順序等。由于虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)與線下教學(xué)在教學(xué)途徑、使用手段、表現(xiàn)形式等方面都不盡相同，容易出現(xiàn)相互脫節(jié)的問(wèn)題。因此，一體化設(shè)計(jì)還應(yīng)當(dāng)包括針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)和線下教學(xué)的特征，設(shè)計(jì)相應(yīng)的教學(xué)內(nèi)容，整體統(tǒng)籌各自教學(xué)內(nèi)容之間的比例關(guān)系，出現(xiàn)的前后次序等，以求形成科學(xué)合理的課程結(jié)構(gòu)。

圖1 基于CDIO的“虛擬+”風(fēng)景園林工程教學(xué)體系

3.3 基于I(Implement實(shí)施)，建立“虛擬+”實(shí)習(xí)基地教學(xué)模式

現(xiàn)有實(shí)習(xí)基地的困擾在于場(chǎng)地有限，而在有限的空間場(chǎng)地中，還會(huì)因?yàn)榧竟?jié)變換、氣候條件等不確定因素，致使實(shí)際實(shí)踐的時(shí)間得不到保證。采用“虛擬+”實(shí)踐基地的模式可以不受現(xiàn)有實(shí)習(xí)基地的時(shí)空限制，開(kāi)展等價(jià)現(xiàn)實(shí)的實(shí)踐教學(xué)，并且在學(xué)生自主學(xué)習(xí)和個(gè)人能力成長(zhǎng)方面也具有優(yōu)勢(shì)。當(dāng)然，“虛擬+”實(shí)踐基地并不意味著廢棄現(xiàn)有的實(shí)習(xí)基地。現(xiàn)有實(shí)習(xí)基地的活動(dòng)可以讓學(xué)生對(duì)材料特性、體量結(jié)構(gòu)、施工時(shí)長(zhǎng)、團(tuán)隊(duì)合作等有更全面的認(rèn)知，理當(dāng)與虛擬情境互為補(bǔ)充。

3.4 依據(jù)O(Operate運(yùn)行)，引入競(jìng)賽機(jī)制追蹤學(xué)習(xí)效果

學(xué)生學(xué)習(xí)效果反饋一直是工程教學(xué)中的難點(diǎn)。引入競(jìng)賽機(jī)制，在獎(jiǎng)項(xiàng)和榮譽(yù)感的驅(qū)動(dòng)下，可以最大化地反映出學(xué)生的實(shí)際能力。為了掌握學(xué)生全方位的學(xué)習(xí)效果，該競(jìng)賽應(yīng)當(dāng)具有高度綜合性，既具備利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行項(xiàng)目推演和預(yù)判的能力，又具備實(shí)際動(dòng)手操作現(xiàn)場(chǎng)處理問(wèn)題的能力。因此，綜合性競(jìng)賽應(yīng)當(dāng)反映出項(xiàng)目從構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施，到運(yùn)行的全過(guò)程，即全流程追蹤，探測(cè)學(xué)生在項(xiàng)目推進(jìn)各個(gè)環(huán)節(jié)中的能力。

4 基于CDIO的“虛擬+”風(fēng)景園林工程課程體系構(gòu)建

4.1 風(fēng)景園林工程“虛擬+”CDIO人才培養(yǎng)目標(biāo)

為了更好地了解本行業(yè)對(duì)風(fēng)景園林工程人才的需求，本研究發(fā)放42份包含一級(jí)、二級(jí)和三級(jí)的CDIO工程培養(yǎng)目標(biāo)，由行業(yè)管理人員篩選與風(fēng)景園林工程強(qiáng)相關(guān)的目標(biāo)需求。根據(jù)已收回的38份有效問(wèn)卷可知，目前行業(yè)對(duì)風(fēng)景園林工程人才的要求主要體現(xiàn)在“1技術(shù)知識(shí)和推理”，即強(qiáng)調(diào)已有的知識(shí)儲(chǔ)備；“2個(gè)人能力、職業(yè)能力和態(tài)度”中解決問(wèn)題的能力以及用于承擔(dān)的個(gè)人和職業(yè)態(tài)度；“3人際交往能力：團(tuán)隊(duì)工作與交流”中對(duì)團(tuán)隊(duì)所處角色的人事以及任務(wù)事項(xiàng)的理解和表達(dá)能力；“4在企業(yè)和社會(huì)環(huán)境下構(gòu)思、設(shè)計(jì)、實(shí)施、運(yùn)行系統(tǒng)”中實(shí)踐過(guò)程對(duì)多學(xué)科知識(shí)的綜合運(yùn)用能力，共計(jì)13項(xiàng)強(qiáng)相關(guān)二級(jí)目標(biāo)，40項(xiàng)三級(jí)目標(biāo)(表1)。其中，“虛擬+”易賦能目標(biāo)21項(xiàng)。結(jié)果顯示，虛擬+課程中除了體現(xiàn)現(xiàn)有虛擬課程場(chǎng)景融入知識(shí)的優(yōu)勢(shì)之外，還應(yīng)當(dāng)借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)中易于進(jìn)行角色添加的優(yōu)勢(shì)，融入更多的實(shí)景演練。

表1 風(fēng)景園林工程“虛擬+”CDIO人才培養(yǎng)目標(biāo)

4.2 一體化風(fēng)景園林工程“虛擬+”課程群結(jié)構(gòu)

為了打破課程孤立的現(xiàn)象，風(fēng)景園林工程與相關(guān)課程組建以風(fēng)景園林工程課程為核心的“工程課程群”，以測(cè)量學(xué)、園林制圖、風(fēng)景園林計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)為前驅(qū)課程，以園林施工圖設(shè)計(jì)、園林施工組織與管理和風(fēng)景園林工程概預(yù)算為并行課程，以景觀維護(hù)與管理為后續(xù)課程。引入虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，設(shè)計(jì)包括模擬暴雨水管理的“應(yīng)對(duì)臺(tái)風(fēng)氣候的生態(tài)公園地表徑流調(diào)蓄虛擬仿真實(shí)驗(yàn)”等虛擬仿真課程，以及建立虛擬仿真實(shí)習(xí)基地，共同構(gòu)建一體化風(fēng)景園林工程課程結(jié)構(gòu)(圖2)。

圖2 風(fēng)景園林工程課程群

4.3 進(jìn)階升級(jí)的“虛擬+”實(shí)習(xí)基地

在遵循學(xué)生學(xué)習(xí)規(guī)律的前提下，為了加強(qiáng)學(xué)生的實(shí)踐能力，將“虛擬+”實(shí)習(xí)基地教學(xué)分為3個(gè)階段，根據(jù)課程進(jìn)度和學(xué)生掌握情況，形成逐步進(jìn)階升級(jí)的實(shí)踐教學(xué)模式。結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)和真實(shí)情境的優(yōu)勢(shì)，按照適當(dāng)?shù)谋壤谌雽?shí)踐教學(xué)的各個(gè)階段。實(shí)習(xí)基地教學(xué)劃分為“基本操作——進(jìn)階操作——競(jìng)賽操作”3個(gè)階段，其中，基礎(chǔ)操作主要為個(gè)人獨(dú)立完成，進(jìn)階操作鼓勵(lì)兩兩合作，競(jìng)賽操作則要求3～5人組隊(duì)完成，由個(gè)人能力夯實(shí)逐步向團(tuán)隊(duì)能力發(fā)展。

4.4 創(chuàng)意花園競(jìng)賽縫合線上線下全過(guò)程

以競(jìng)賽為載體，設(shè)置適當(dāng)面積的現(xiàn)場(chǎng)地塊(如5 m×5 m)，由教師與學(xué)生共同組隊(duì)，在校園內(nèi)搭建學(xué)生的風(fēng)景園林工程作品。競(jìng)賽要求以學(xué)生為主，教師為輔，綜合應(yīng)用所學(xué)內(nèi)容，完成具體競(jìng)賽項(xiàng)目的“構(gòu)思——設(shè)計(jì)——實(shí)施——運(yùn)行”全流程。在項(xiàng)目推進(jìn)過(guò)程中，無(wú)論是虛擬現(xiàn)實(shí)部分的設(shè)計(jì)預(yù)判還是現(xiàn)場(chǎng)施工的臨場(chǎng)表現(xiàn)，每一個(gè)細(xì)節(jié)所暴露出的問(wèn)題都會(huì)得到及時(shí)反饋。為了增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性，競(jìng)賽除了組織專家評(píng)獎(jiǎng)評(píng)分外，還組織學(xué)生以組為單位互相評(píng)價(jià)，促進(jìn)交流與反思，并將競(jìng)賽結(jié)果、專家評(píng)價(jià)和學(xué)生評(píng)價(jià)反饋至以風(fēng)景園林工程為主的相關(guān)課程，以此調(diào)整和細(xì)化課程的結(jié)構(gòu)和內(nèi)容等。

5 結(jié)語(yǔ)

基于CDIO的風(fēng)景園林工程“虛擬+”體系從“C構(gòu)思-D設(shè)計(jì)-I實(shí)施-O運(yùn)行”4個(gè)方面結(jié)合了CDIO和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)各自的優(yōu)勢(shì)和特色。在構(gòu)思層面，根據(jù)時(shí)代和社會(huì)對(duì)風(fēng)景園林工程人才的需求，借助“虛擬+”技術(shù)手段，從CDIO4大一級(jí)能力目標(biāo)，17個(gè)二級(jí)目標(biāo)，70項(xiàng)CDIO三級(jí)目標(biāo)中篩選出13項(xiàng)強(qiáng)相關(guān)二級(jí)目標(biāo)，40項(xiàng)三級(jí)目標(biāo)，21項(xiàng)“虛擬+”易賦能目標(biāo)，用于制定符合行業(yè)需求的人才培養(yǎng)目標(biāo)。在設(shè)計(jì)層面，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)和線下實(shí)體教學(xué)，一體化設(shè)計(jì)包含前驅(qū)課程、并行課程和后續(xù)課程風(fēng)景園林工程課程群結(jié)構(gòu)。在實(shí)施層面上，為了打破物質(zhì)空間對(duì)工程實(shí)踐的限制，設(shè)置了進(jìn)階升級(jí)的“虛擬+”實(shí)踐實(shí)習(xí)基地。在運(yùn)行層面，引入競(jìng)賽機(jī)制全程追蹤學(xué)習(xí)效果，最大化激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性和自主性。基于CDIO的“虛擬+”風(fēng)景園林工程體系探索還將進(jìn)一步落實(shí)到應(yīng)用層面，為風(fēng)景園林工程教育提供參考。