虛擬仿真技術在環境設計專業教學中的應用研究

李君

關鍵詞：虛擬仿真技術;環境設計專業;教學應用

隨著現代教育技術的發展，虛擬仿真技術被廣泛應用于藝術設計課程的教學中，為高校提高教學質量提供了有效的教學手段。環境設計專業的基礎課將虛擬仿真技術作為教學創新的核心，并基于虛擬仿真技術可視化、直觀的特點，構建了多元虛擬系統模擬資源庫，輔助環境設計專業的理論教學。以期應對信息時代背景下虛擬仿真技術在環境設計教學中的挑戰和機遇。

1 虛擬仿真技術概述

1.1 虛擬仿真技術的概念

美國計算機科學家Jaron Lanier 于1989 年提出使用“虛擬現實”一詞以統一表述新的人機交互技術。虛擬現實技術包括計算機、電子信息、仿真技術等，其基本實現方式是計算機模擬虛擬環境從而給人以環境沉浸感。虛擬現實技術是利用計算機生成逼真的三維效果虛擬場景，在交互過程中使被仿真環境、視覺系統和仿真系統同步捆綁在一起，使用戶可以輕松獲得各種傳感設備感知的一種技巧。該技術依靠高科技的硬件和軟件來生成模具模擬真實世界，給人身臨其境的觀看體驗。也就是說，虛擬現實技術可以實現三維現實，模擬現實世界的環境。虛擬現實技術能夠實現虛擬情景模擬，依托高科技硬件和軟件生成逼真的虛擬環境，用戶通過五感與虛擬環境中的人物、場景、事件、主題等建立聯系，產生交互性和多感知性的體驗[1]。因此，虛擬仿真系統具有多媒體信息感知性、沉浸感和交互性等特點。虛擬仿真技術具有傳達視覺、聽覺、觸覺等信息的能力，將用戶體驗融入虛擬環境，通過交互設備展現虛擬世界的對象，使用戶具有真實的體驗感。

1.2 虛擬仿真技術的特征

1.2.1 真實的沉浸式

沉浸式是讓客戶感受到真實的虛擬世界，可以通過計算機的輔助將場景參數模擬出來，而用戶則只需通過眼鏡或是頭盔等傳感工具的輔助實現真實場景的感同身受。虛擬現實技術可以模擬真實世界，用戶能夠在虛擬世界中感受到與現實一樣的感覺， 這種技術是對人類感官的全面模擬，能夠為人們帶來極為真實的體驗[2]。

1.2.2 豐富的想象性

豐富的想象性是虛擬現實技術應用的重要特點，基于這種特點能夠讓用戶充分感受到虛擬世界的真實感，并完全沉浸在其中。由于虛擬現實技術是一種模擬技術（未來事物或虛擬事物），因而用戶可以在實際的模擬場景中通過豐富的聯想開闊思維，使得創造力得到有效提升，達到建筑室內設計的綜合效果，拓寬人們的認知限度。

1.2.3 實時的交互性

交互性主要指的是用戶能夠根據自己的需求對虛擬世界進行操作，這種操具有一定的實時性，通過對虛擬世界的操作能夠獲得及時的反饋，常用的交互方式包括動作捕捉、觸覺反饋等。

2 虛擬仿真技術應用于環境設計專業教學現狀

2.1 傳統環境設計教學實驗中心硬件設施落后

環境設計專業主要是為我國建筑設計、室內設計、公共藝術設計及園林景觀設計等行業培養專業人才，傳統環境設計教學實驗中心的實踐教學過于抽象，設計圖也是以二維圖紙為主，硬件設施相對落后，不僅會降低學生的學習興趣，同時學生也無法有效地接受相關知識內容，從而降低學生的學習質量，不利于學生今后的發展。

2.2 教學實踐課程教學環節單一

傳統環境設計教學初期，教師多數會導入一些模塊化案例的內容和資料讓學生進行認知，包含環境設計概念、環境設計表達、環境空間設計三個知識進階板塊。在授課過程中經常會出現部分學生易產生課堂注意力不集中、興趣度不高等現象。環境設計專業實踐教學環節會涉及很多概念教學環節，目前僅靠圖片、電子數據資料和項目案例等教學方式，因此學生對相關概念及發展歷史僅停留在文字層面。如環境設計專業要求學生具有對空間的塑造能力。在傳統教學中，教師常用統籌營造空間的方法，引導學生通過理性分析來探索空間。該教學環節需要學生具備一定的空間想象力和表達能力。在以往的教學中，景觀空間設計手法僅是就形體論形體、就空間論空間，導致部分學生無法在實際情況中靈活運用。

目前，虛擬仿真技術在風景園林、景觀設計教學中進行應用，一是在單一課程的“原理認知—空間設計—表達呈現”知識鏈條中穿插虛擬仿真輔助教學。針對課程特點搭建“虛擬仿真 + 課平臺”模式，構建環境設計專業課程的虛擬仿真景觀資料庫;二是隨著環境設計專業學生年級的增加和專業知識難度的提升，虛擬仿真技術的引入方式也要隨之調整。因此，環境設計專業作為虛擬仿真技術教學輔助的基點，由概念認知和歷史梳理逐漸過渡到空間設計和表達呈現等教學環節。

3 虛擬仿真技術在環境設計專業教學中的應用意義

3.1 為案例教學環節提供虛擬演示場景

虛擬仿真技術在環境設計專業教學中的應用，可以為案例教學環節提供虛擬、仿真和模擬的演示場景。如收集素材（DLG 影像測量、影像解析）、虛擬仿真環境建模、虛擬仿真運行程序開發（GIS 云計算平臺）、系統集成、安裝和配置演示環境等。而要完成虛擬現實功能，其步驟包含：虛擬漫游、操作模型、環境配置、方案比較、信息查詢、空間量算。而虛擬仿真技術在環境設計專業教學中的應用場景主要有以下三種：

1） 利用三維地形生成軟件 Terra Builder 構建真實的地形模型，并將道路、河流、山川，以及人文景觀疊加到MPT 地形圖中，統一生成三維地形模型。

2） 在互聯網平臺上，利用三維GIS 軟件Skyline 系統軟件開發包，建立系統的三維顯示框架程序。

3） 在互聯網平臺上，利用三維GIS 軟件Skyline 系統軟件組件開發接口實現各種信息的二維查看、查詢、測量等一系列功能，以及二維與三維的交互性查看、漫游，并實現二維地圖與三維場景的互換。學校可以配備虛擬仿真教學實驗室，利用虛擬仿真軟件進行輔助[3]。同時，虛擬仿真材料庫和編輯工具可以在三維場景中模擬環境和人類的活動范圍，提高設計效果的模仿，使學生能夠在教師的指導下身臨其境地進行虛擬學習。

3.2 使學生具有真實的體驗感

虛擬仿真技術在環境設計教育與培訓中的應用，可以提供數據和模型的可視化，使學生具有真實的體驗感。例如，在環境設計制圖中，可以通過DEM 土方工程等工程計算，隨時調整設計方案。虛擬仿真技術也有整合改造、虛擬化、網絡化的作用，可以通過網絡應用到每一個室內空間。因此，新技術可以帶來新的教育培養思維，解決環境設計專業的扁平化教學模式，使學生具有真實的體驗感（如圖1）。

3.3 提高教學環節學生的學習能力和興趣

與傳統的二維圖像設計教學相比，虛擬仿真教學技術將教學設計以全虛擬3D 效果呈現，并進行現場檢查，然后對場地環境進行分析，整合各種信息。例如，對3D 模型的需求是教師可以通過衛星參與教學過程地圖捕捉一個區域的平面圖，然后使用虛擬技術直接將平面截圖轉換為3D 模型借助圖像建模，可以準確、快速地建立周圍的模型。教學中，教師和學生可以使用以上兩種技術對模型的每一部分進行分析觀察，學生可以在老師的指導下完成空間布局規劃。這種教學方法能有效提高學生的學習興趣，激發學生的學習熱情，提高學生對模型的觀察熱情，確保學生能夠從多個方面對模型設計進行思考和分析，保證學生可以對其做出明確的判斷，并在虛擬現實空間中幫助學生測試空間與人的關系，激發學生的學習興趣，獲得實際的存儲空間設計能力，達到優化設計的目標。因此，良好的教學氛圍能夠提高教學質量，從而提高學生的效率學習，提高學生的綜合設計能力[4]。

3.4 方便調整實踐作業過程和效果

環境設計項目設計是一個復雜、漫長的過程，與此同時，其還會涉及許多其他學科知識。與傳統的二維圖像設計相比，虛擬仿真技術在實踐教學中具有較高的科學技術水平，可以為環境設計提供一個更廣闊的發展空間。在學習環境設計的過程中，學生可隨時隨地優化調整設計方案，從而進一步加速環境設計的實踐作業進展情況，讓學生也能進行環境設計的過程和效果實時觀察，使學生能夠及時發現問題，并使之及時有效改善。

4 虛擬仿真技術在環境設計專業教學中的應用思路

4.1 建立并完善虛擬仿真實踐教學中心

在學校的積極配合下，學校相關部門與環境設計專業教學組一同建立了虛擬仿真實踐教學中心，根據當前環境設計的技術發展，選擇適合的虛擬仿真實踐教學設備。包括先進的大屏幕背投系統等硬件設施，以及各種相關的模擬、設計、分析等正版軟件設施，由專人負責教學中心硬件設施及軟件設施的保養、維護與更新，從而確保教學過程中設施能夠正常運行，為虛擬仿真實踐教學的有序進行提供保障。此外，在實踐教學過程中，及時發現當中存在的問題，并通過全面分析，找出引發問題的關鍵，最后通過會議提出具有建設性意義的改進措施，對虛擬仿真實踐教學中心進行全面完善（如圖2）。

4.2 構建并模擬仿真的實踐課程教學

4.2.1 理論教學環節協同虛擬仿真教學并行

虛擬仿真實踐教學中的 BIM 技術對環境設計專業學生的自身能力要求較高，部分自身能力較差的學生在學習相關技術時可能會出現學習效率偏低的現象，使得學生無法真正掌握技術要點。在教學實踐課程中可以設立相關虛擬仿真內容，學生能夠在獲得基礎環境設計知識理論的基礎上，借助虛擬仿真技術強大的仿真、可視化能力，幫助低年級學生加快建立起對景觀設計的系統性認知，提升低年級學生對空間設計的興趣。教師在設計概念教學環節，實現學生對于抽象原理的可視化認知[5]。

在設計表達教學環節，以虛擬仿真技術融合經典設計臨摹，強調環境設計的二維平面和三維空間屬性，聚焦基本概念理解;在環境空間設計教學環節，突出環境空間設計給人的尺度感受，側重自然空間的生命性和時間性，通過對研究對象尺度的放大或縮小，幫助學生建立起環境空間設計的尺度意識與系統意識，提升其空間設計興趣。設立虛擬仿真教學實踐課堂，融入環境專業設計相關概念的教學環節，構建虛擬仿真景觀資料庫，建立部分經典案例的虛擬場景，串聯環境設計的發展歷史，可以強化學生對于抽象概念的可視化認知。

4.2.2 實踐教學環節搭建虛擬仿真的平臺

虛擬仿真實踐教學能提升學生的技術水平，因此應用型本科院校可以設立虛擬仿真實踐選修課，學生可根據自身能力與興趣選擇學習課程，同時教師也可利用互聯網建立線上虛擬仿真實踐教學交流平臺。學生不僅能夠在課堂中學習相關專業技術，學生也可以在網上實現學習心得的交流，使學生能夠通過交流心得從中發現原本沒有領悟到的知識，從而實現自身技術能力的提升。

1） 多門專業課程協同教學。可以在環境設計專業基礎課程教學的概念認知、設計要素應用、設計實訓三大模塊應用虛擬仿真技術，使學生對環境設計理論、經典案例及空間尺度能有清晰地了解。環境設計專業課程隨著學生年級的變化，在訓練意圖、設計難度、表達深度等方面要求虛擬仿真技術應用于專業課程的比例、方向和深度都有所差別。有效利用虛擬仿真技術輔助高年級專業課程教學，可以打通多門專業課程協同教學環節，建設數字化環境設計課程體系。

2） 體驗式課程教學。借助虛擬仿真技術的體驗式課程教學是激發學生自主學習的重要途徑。教師要以增強學生學習的主動性和提升其創造力為目標，突破以往教學的抽象講解與說教形式，將抽象的原理與概念轉換為具體可感的虛擬空間。虛擬仿真景觀教學資源庫將借助虛擬仿真平臺的可視性、直觀性、動態性和互聯網的連接性，打造虛擬歷史館、經典作品館、虛擬展廳等形式，為學生學習景觀設計基礎課程、梳理歷史脈絡提供虛擬體驗。

3） 多軟件聯合教學。目前應用于環境設計教學中的軟件主要包括 CAD、Sketch Up、3Ds Max、Photoshop 等，實施虛擬仿真實踐教學后便可以將 BIM 技術作為教學主線，把原有的教學軟件串聯起來，實現多軟件聯合教學，確保學生能夠同時掌握當前主流的環境設計軟件和技術。同時，在實施材料與施工、居住環境設計、商業環境規劃、景觀設計等專業課程的實踐教學時，可在實踐教學的過程中實施虛擬技術教學，從而將學生的主觀能動性充分調動起來，使學生能夠更加積極主動地參與并完成虛擬技術學習，從而達到提高學生二維、三維模型聯合應用能力的目的。

4.3 搭建教學反饋跟蹤分析系統

在完善虛擬仿真實踐教學中心的基礎上，同時將成本跟蹤分析系統引進其中，并且還需要結合《設計成本規劃管理系統》。教師可分析環境設計中的相關因素，并將各自變量、因變量及之間的關系找出來，根據這些信息將正確的目標函數關系式列出，同時明確各個關系式之間的約束條件。此外，可由教師建立線性規劃模型，通過對規劃模型進行求解，以此將最佳的設計參數計算出來。學生便可以在科學的設計指導下，設計出一套藝術性、功能性、經濟性等完美統一的環境設計方案，實現環境設計專業學生自身能力的全面提升。

5 結語

在科學技術發展迅速的時代，虛擬仿真實踐教學體系不僅能夠幫助學生更加有效的學習環境設計的實踐操作，促進學生能力的提高，同時也是順應我國環境設計的發展，為我國培養高水準的環境設計人才。此外，將虛擬仿真技術應用于環境設計專業教學中，是環境設計專業教學與科技軟件配套課程相結合的新嘗試。希望通過此次的研究，虛擬仿真技術的應用能提升環境設計專業教學的質量，促進學生的學習。