庭院景觀砌體工程虛擬仿真實驗設計與構建*

陳麗 曾艷 張辛陽

武漢設計工程學院 武漢 430000

0 引言

近年來，信息技術飛速發展，為教育現代化提供了強有力的工具，正在深刻影響教育形態和教育方式的發展變化[1]。實驗教學是培養創新精神、實踐能力和社會責任感的重要載體，利用虛擬仿真技術拓展實驗教學內容的廣度和深度，延伸實驗教學的時間和空間，提升實驗教學的質量和水平，是教育信息化的一個重要方向[2]。

武漢設計工程學院環境設計學院設有環境設計、風景園林、園林三個本科專業，致力于培養具有實踐操作能力、創新思維能力、美學素養能力的高素質應用型人才。目前，學院已經形成較為成熟的專業教育課程體系。其中，景觀砌體工程課程是三個專業的核心課程，也是一門實踐性極強的課程。景觀砌體工程涉及景觀工程材料的認知、應用和施工，是景觀工程的必要一環。在課堂教學中，僅通過部分圖片和視頻無法充分展示景觀施工過程。而在實地調研學習中，由于景觀施工結束后，很多結構被隱藏，難見其全貌；若想進入施工現場參觀學習，一則施工進度與教學安排恰好合適的工地較難尋覓且不穩定，二則由于參觀人數過多易對施工現場產生干擾以及出于對師生安全的考慮，此種實習較難實施[3]。

為解決這一難題，環境設計學院景觀工程教學團隊充分發揮虛擬仿真實驗平臺即時性、交互性、沉浸式、現場操作性、多媒體化、小型化等特點，與武漢拾景創藝文化科技有限公司緊密合作，利用3D 仿真技術、多媒體技術和網絡技術，以庭院景觀砌體工程為對象，設計4 課時的仿真建造實驗[4]。按照場景預設、基礎施工、砌體施工、面層裝飾、布景設計的虛擬仿真思路和技術方法，解析景觀砌體工程施工的完整知識鏈，實現虛擬仿真技術與課堂教學的高度融合。

1 實驗教學目標

該課程面向風景園林、園林、環境設計專業（景觀方向）本科三、四年級的學生。在課堂教學中，學生已完成景觀規劃設計、景觀砌體工程中相關理論知識的學習，掌握了景觀工程材料的應用原則，初步了解了花壇和擋土墻施工的基本施工流程。在此基礎上開展庭院景觀砌體工程虛擬仿真實驗，目的在于培養學生具備以下四方面的綜合能力。實驗教學目標與人才培養之間的關系如圖1 所示。

1.1 場地分析能力

通過本實驗營造出的仿真環境培養學生對場地的敏感度，掌握基本的場地分析方法，并能針對具體建造環境作出正確判斷，選擇適宜的砌體形式。

1.2 景觀砌體材料的認知與應用能力

在“基礎認知及考核”模塊完成知識點（主要是景觀砌體材料的認知）的學習和鞏固，并在砌體施工實操前先對預設場景內的砌體工程進行砌筑材料和面層裝飾材料的選用，檢驗學生對景觀砌體材料的應用能力。

1.3 景觀砌體工程的建造能力

利用虛擬仿真技術，模擬不同類型花壇和擋土墻建造的全過程，涵蓋定位放樣、開挖基槽、地基處理、墊層施工、墻身砌筑、面層裝飾等多個環節。學生須遵循真實建造順序進行施工處理，以此訓練學生的建造施工能力。

1.4 景觀工程的基本設計與施工能力

通過對景觀砌體工程建造過程的深入學習，實現以點帶面的教學效果，幫助學生形象地理解并掌握各類景觀工程的構造原理和施工技法。在此基礎上，讓學生能夠在景觀設計與工程施工中綜合運用這些知識，從而具備基本的設計與施工能力。

2 實驗原理

通過對預設場景的分析，確定庭院的類型，了解該庭院的功能分區，并針對不同的功能區選擇與其相適應的花壇與擋土墻的形式，包含墻體砌筑材料和面層裝飾方式。在完成對庭院砌體工程的選型后，針對不同類型的花壇和擋土墻按照施工工藝流程一一進行模擬施工。在此過程中會涉及典型花壇的結構、典型擋土墻的結構、花壇砌筑施工工藝流程和擋土墻砌筑施工工藝流程四個主要內容。共有場地分析、砌體材料類型及其特點、常用面層裝飾方式、常見花壇的類型、典型花壇的結構、擋土墻的類型及其應用、典型擋土墻的結構、花壇砌筑施工工藝、擋土墻砌筑施工工藝和場景優化布景十個知識點。

該實驗的核心要素仿真設計表現在兩點。一是模擬真實建造環境，訓練學生的場地分析能力。實驗模擬搭建多個不同類型的庭院環境，學生通過對場地的背景情況的了解，場地內的觀察、漫游，了解場地信息，并結合設計背景選定適宜的景觀砌體形式。二是通過對花壇和擋土墻施工流程的模擬操作，訓練學生施工建造的能力。實驗要求學生以花壇和擋土墻的實際施工流程進行實驗操作，并進行最后的場景優化布景，直至整個庭院建造完成。

3 實驗教學過程與實驗方法

在景觀砌體工程的教學中，采用課堂教學和虛擬實驗教學緊密結合的教學方法。在虛擬仿真實驗的教學中，采用“基礎認知—示范演示—實驗實操—考核評價”四位一體的教學模式，循序漸進地展開實驗教學內容[5]。

3.1 基礎認知階段

此階段采取自主式教學，學生可根據課程理論課學習到的基礎知識，在“基礎認知及考核”模塊進行自主學習，鞏固掌握砌體材料、面層裝飾方式、花壇的設計與施工、擋土墻的設計與施工等知識。基礎認知及考核模塊界面如圖2 所示，擋土墻施工流程的學習如圖3 所示，基礎知識測試如圖4 所示。

圖2 基礎認知及考核模塊界面

圖3 擋土墻施工流程的學習

圖4 基礎知識測試

3.2 示范演示階段

分步驟介紹該系統的功能，通過案例講解，學生可以了解實驗的內容、步驟、操作、結果等。通常隨機選取一個景觀砌體為演示對象，一邊講解實驗操作步驟和要點，一邊通過三維呈現說明設計的優缺點，同時根據砌體對象的特點介紹施工需要注意的事項。

3.3 實驗實操階段

不同類型的庭院在功能需求和設計風格上有不同的要求，本實驗選取辦公庭院、住宅庭院、商業中心庭院和教學樓中庭四種代表性庭院，要求學生在對該庭院的性質、功能分區、景觀風格等進行深入分析后，選取合適的景觀砌體類型，再進行砌體施工建造的模擬操作。

教師布置實驗任務，要求學生根據要求逐項完成。學生通常根據教師的示范演示、系統的操作視頻或自己的體驗分析逐步開展，教師通過巡視發現學生實驗過程中存在的問題。這過程通常伴隨著學生的提問和教師的答疑解惑。實驗實操模塊界面如圖5 所示，辦公庭院花壇選型如圖6 所示，毛石擋土墻砌筑過程實操如圖7 所示。

圖5 實驗實操模塊界面

圖6 辦公庭院花壇選型

圖7 毛石擋土墻砌筑過程實操

3.4 考核評價階段

學生實驗的操作過程和結果都將保存在服務器中，教師可查看、審閱學生的關鍵實驗過程和實驗結果，對砌體選型的合理性、計劃進度的優劣、場景修飾的美感度進行評分，并結合學員在在線考核環節（從題庫中隨機抽取15 道單項選擇題和8 道多項選擇題）的自動評分結果給出一個綜合的成績。

學生通過“基礎認知及考核”模塊的學習，基本掌握庭院景觀砌體工程的基礎知識，并通過在線考核環節及時檢驗學習效果。“庭院砌體建設實操”模塊由學生獨立完成，在虛擬的環境中，學生可以通過直觀的三維模式觀察不同功能、不同風格庭院的特點，從而選取適宜的景觀砌體類型并進行建造施工。該模塊考查面廣，因此對學生綜合能力要求較高，學生可在此過程中反復練習操作，對方案進行改進提升。借助本實驗系統教師可準確掌握學生實驗每個步驟的完成情況，并提出更具針對性的指導意見，極大地提高教學效率。

4 實驗教學特色

4.1 實驗設計

本項目基于Unity3D 的三維呈現技術，逼真展示設計成果，以便多視角審視設計的合理性。從項目背景分析到景觀砌體選型，再到工程施工，最后場景優化，完整表達出一項景觀工程施工的基本程序。同時，基于構件化的分層分段模型，與花壇和擋土墻施工的各工序相對應，實現施工過程的動態演示，并針對典型施工內容講解不直觀的問題，開發相應的動畫演示視頻，內嵌到施工任務的動態推演中，便于學生查看、學習和掌握。項目還設計了考核答題環節，以補充虛擬實驗教學中難以覆蓋的內容。該實驗設計能貫穿景觀砌體工程施工的多個環節，以便從整體上掌握景觀砌體施工的知識點，加深對景觀砌體施工的理解。

本項目基于B/S 架構進行開發，部署于云服務器上，對客戶端的要求低，學生可以利用各種資源進行在線學習，突破地域和計算能力等的限制，為系統的開放共享奠定條件。

4.2 教學方法

在庭院景觀砌體工程虛擬仿真實驗的教學中，秉持“以學生為中心、以應用為導向、以虛仿為手段”的教學理念，循序漸進地展開本實驗教學內容。具體包括學生的自主學習、答題考核、庭院景觀砌體工程施工的實驗示范演示、學生在線實踐操作、教師答疑解惑、學生完成實驗、教師綜合評分等多個環節。

4.3 評價體系

學生實驗的操作過程和結果都將保存在服務器中，教師可查看、審閱學生的關鍵實驗過程和實驗結果，對學生虛擬實驗上傳的各項成果給出主觀評價。此外，學生被要求完成從題庫中隨機抽取的測試題，其結果由系統自動給出客觀分值。主客觀結合得出的綜合評分更能體現成績的公平性。

4.4 對傳統教學的延伸與拓展

本項目配合環境設計、風景園林、園林三個本科專業的景觀工程課程的教學開發。由于景觀砌體工程涉及景觀工程材料的認知、應用和施工，在課堂教學中僅通過部分圖片和視頻無法充分展示景觀施工過程。因此，需要有增強學生參與度、進一步系統而直觀地掌握相關知識的環境。為了更好地實現教學的延伸與拓展，實驗系統現階段采用免費開放服務的模式，以獲得更廣范圍的使用效果數據和建議，為后續的升級提供數據基礎。

5 實驗教學課程持續建設服務計劃

本課程計劃在五年內進一步完善和提升系統功能，包括功能模塊的進一步完善、基礎理論知識點的視頻和動畫的補充、更多的施工動畫演示制作、景觀砌體選型的智能化評估、題庫的補充等。完成項目中VR 功能的建設，用戶可在完成作品的搭建后，穿戴VR 設備置身于庭院中，在虛擬環境中沉浸體驗最終施工效果[6]。同時，結合景觀工程課程相關內容，進行景觀工程其他工程子項目，如場地工程、道路工程、水景工程等虛擬仿真實驗建設，從而形成完整的虛擬仿真實驗課程體系。

項目在風景園林、園林和環境設計三個專業的相關課程中應用，上線后向武漢設計工程學院在校師生開放實驗。持續改進本項目，補充并更新虛擬仿真實驗教學數據和案例；同時做好服務和推廣工作，有步驟有計劃地向兄弟院校實施教學推廣，爭取實現在華中地區乃至全國的示范和推廣運用。

6 結束語

本項目的開放運行依托開放式虛擬仿真實驗教學平臺，集實物仿真、智能指導、結果驗證、自動批改和教學管理于一體，具有良好的自主性、交互性和可擴展性。在實驗過程中，學生單機操作，實驗完成時間和地點不受限制，教師也能實時監控學生的學習進度和學習狀況，隨時了解學生學習各個知識點的情況，準確把握不同層次學生學習中的問題點、興趣點，有效和學生互動、交流，優化實踐教學，便于學生更好地突破教學重難點，提高實踐教學質量。此外，虛擬仿真實驗平臺能夠逼真地模擬全過程，在師生互動、交流中，學生可以利用所掌握的重難點知識進行相關的實驗操作，提高專業技能，從而全面提升實踐效果。通過本實驗，學生可以形象化地理解景觀砌體工程的設計原理與建造邏輯，并在交互操作中激發學習興趣，提高空間想象力和實踐動手能力，進而提升教學效果。