雙碳目標下的虛擬仿真實驗教學課程開發*

閆晨 林立 李房英 任維 謝祥財

1 福建農林大學風景園林與藝術學院 福州 350108 2 國家水利風景區研究中心 福州 350108

0 引言

隨著全球范圍“碳達峰”與“碳中和”共識的形成，以“生態文明建設”為核心理念的人居環境學科迎來了良好的發展契機[1]。風景園林規劃設計應在長期以來“低碳景觀”定性設計的基礎上，實現對“景觀碳循環”的定量設計。虛擬仿真實驗教學是近年高等教育改革創新的主要形式之一，美國加州大學伯克利分校、英國愛丁堡大學、德國慕尼黑工業大學等已率先將低碳設計的虛擬仿真實驗課程應用于建筑類專業的教學，而國內院校的相關專業課程也在虛擬仿真實驗開發的浪潮中開啟了探索之路[2]。因此，基于“智能+教育”技術[3]，“雙碳”目標下的虛擬仿真實驗教學課程開發已然成為我國風景園林專業現代教育發展的必然趨勢。

在風景園林規劃設計課程中，停車場綠地設計任務旨在訓練和強化設計的規范性、實用性與生態性[4]。然而在線下實驗教學過程中，調研分析常遭受極端天氣影響，存在具有交通安全隱患、耗時長、成本高等實際問題；二維圖紙方案的癥結溯源難度大，易使學生在尺度感缺失的情況下，對知識點理解不充分；數據計算環節則存在指標不完整、標準不統一、計算誤差大、過程煩瑣等問題。為解決以上問題，“零碳”停車場綠地設計虛擬仿真實驗應運而生，旨在通過混合式教學設計，讓學生從理論學習、分析、設計、評價到反饋，都能在“人機交互”的操作過程中實現具有個性化的有效教學。

1 實驗教學目標

1.1 掌握停車場綠地設計的基本規范

如出入口設計規范、車行道與人行道設計規范、坡道設計規范、停車位設計規范、綠化帶設計規范、植物配置規范、鋪裝及標線設計規范、其他設施設計規范等。

1.2 熟悉“碳源”和“碳匯”的相關知識及核算方法

如不同機動車的碳排放情況、不同植物的碳吸收情況、可再生能源的設計應用、與節能減排相關的設計及建材應用等。

1.3 增強對空間環境的認知與分析能力

可通過仿真三維空間對場地進行直觀感受和景觀閱讀，增強空間尺度感；可通過嵌入式數據對場地內外的自然環境和人文環境進行分析、歸納和總結。

1.4 提升方案設計和推演等高階能力

通過平臺實時計算出的“碳數據”以及設計規范程序的反饋，了解設計方案的不足之處，并通過可逆的實驗步驟對方案作出及時的修改和反復推演。

1.5 培養生態環保意識、樹立正確的行業價值觀

結合課程思政，通過“零碳”設計貫徹生態文明理念，增強環保意識，提高藝術修養，遵守行業道德及規范。

2 實驗原理

2.1 碳中和數據核算原理

碳中和是指企業、團體或個人在一定時間內從事生產和生活活動等過程中產生的以二氧化碳為主的溫室氣體排放總量，通過節能減排、植樹造林、購買碳配額等形式而得到抵消，實現二氧化碳零排放[5]。對碳中和目標進行評估時，可分別對“碳源”和“碳匯”進行核算。“碳源”指的是碳排放或碳消耗，“碳匯”指的是碳補償或碳抵消。當“碳源≤碳匯”時，碳中和目標達成。在停車場綠地設計中，“碳源”主要來自車輛的碳排放和電力等設施的碳消耗，車輛類型、停車過程耗時、車位使用率和周轉率、設施耗能時長等因素都將影響碳源數據；“碳匯”主要來自綠化、可再生能源、環保材料等碳抵消，植物種類、植物數量、遮陰率、能源轉化率等因素都將影響碳匯數據。

2.2 停車場綠地設計基本原理

依據《城市道路綠化規劃與設計規范》《城市停車規劃規范》等指導文件或國家標準，停車場的出入口設置、坡道設計、車行道與人行道布置、車位尺寸與數量、殘疾人車位布置、鋪裝及標線設計、綠化帶設置、樹種選擇與配置等，應滿足規范的基本要求。學生在虛擬仿真實驗平臺上對停車場的各要點進行設計時，程序會在每一步的操作結束后給予提示。

2.3 風景園林藝術原理

根據藝術設計與園林設計中空間營造、植物造景、人體感知和景觀美學的基本原理，停車場綠地設計方案要對外部的自然環境和人文環境作出回應，并重點從場地條件利用、景觀因借手法、空間序列變化、植物季相變化、景觀立面層次、視聽感知設計等藝術層面進行綜合考量和評價。平臺將通過設置的參數對設計方案給出線上反饋供學生參考，教師在此基礎上進行線下補充反饋。

3 實驗設計與開發

3.1 實驗平臺模塊設計

本虛擬仿真實驗系統分為5 大模塊：知識模塊、素材模塊、方案建構模塊、核算評估模塊和交流研討模塊。

3.1.1 知識模塊

主要用于理論學習，學生可在實驗操作前進行預習，也可在實驗過程中或實驗結束后隨時進行復習；包含文字、圖片、視頻、已建成案例、參考文獻、網頁鏈接、配套小程序、自測題、參考答案等。

3.1.2 素材模塊

即素材庫，包含不同尺寸的車位、車道，各類植物、設施、鋪裝材料等景觀素材，用于實驗過程的素材增刪與替換；還包含前期嵌入的場地信息數據、各素材相對應的碳數據等。

3.1.3 方案建構模塊

即模擬現實的三維空間，學生可在該空間內對預先嵌入的場地信息進行分析，再利用各類素材分步驟進行方案搭建、修改，并可隨時對設計方案進行360 度的旋轉查看；方案完成后學生可對車型、車行路線、停車位等參數進行設置，生成空間漫游動畫。

3.1.4 核算評估模塊

主要用于實時對學生選擇的素材進行初步碳核算，學生也可以隨時查看核算結果；在方案建構的過程中，該模塊還將給予是否符合設計規范的提示；在方案構建完成之后，該模塊還將結合方案中的動態變化因素（如時間、自然條件等）給出最終的碳核算結果與綜合景觀評估。

3.1.5 交流研討模塊

師生可在交流研討模塊中，采用文字、截圖、錄屏、音頻或視頻對話、群聊等方式進行線上互動討論；該模塊也可為學生、社會其他機構提供課后答疑等相關教學服務。

3.2 實驗流程與交互步驟設計

本實驗是涵蓋“調研、分析、設計、評估”四位一體的綜合型訓練任務，圍繞理念導入、現狀分析、方案設計、核算評估4 個實驗流程，開發設計了14 個交互性步驟，如表1所示。所有實驗流程都包含了碳中和相關知識、碳源碳匯的換算、場地內外部條件、總體布局形式、出入口設置規范、車行道布置規范、停車位布置規范、殘疾人車位規范、停車綠化帶規范、植物配置規范、其他設計規范等知識點。

3.2.1 理念導入

實驗開始前3 ～5 天布置課前預習任務，登錄實驗平臺對停車場設計規范的相關知識點、案例進行閱讀和研究，理論學習完成后進入課前自測題庫答題，核對參考答案和查看答案解析，針對疑問之處在交流研討區與學生和教師進行討論。實驗教學正式開始后，教師通過新聞、短視頻等將“碳中和”“碳達峰”“低碳景觀”等生態理念導入課堂，讓學生熟悉相關概念，并解讀相對應的理論知識；隨后，教師引導學生進入碳核算小程序，通過植樹、生產制造、買賣等方式了解碳源和碳匯的影響因素及計算方法。

3.2.2 現狀分析

引導學生在模擬現實的三維空間內認識設計場地，學生根據系統提示，可以進行以下操作：1）查看設計場地的上位規劃、區位、設計要求等；2）利用小工具對場地的面積、形狀、周長等進行勘測，查看場地內部的實景照片和視頻等；3）觀看不同季節、不同時間段的模擬外部環境，查找場地周邊的重要信息；4）學生根據場地內外的綜合現狀進行問題分析和總結，制作思維導圖。

3.2.3 方案設計

完成現狀分析后，學生自主進行方案設計、素材選擇和搭建，設計過程中可查看部分與碳核算相關素材的碳數據，每個設計步驟完成時系統會根據設計規范進行正誤提示，學生可根據提示進行修改或尋求教師幫助，直至最終方案滿足停車場綠地設計規范的基本要求。

3.2.4 核算評估

方案完成之后，學生可查看系統最終給出的碳核算結果與綜合景觀評估，并可查看評分細則；由于系統對景觀性、藝術性等方面的評估可能存在不完善之處，因此教師應基于系統評估結果對方案進行補充反饋和點評。此外，教師可指導學生在動畫生成界面，對車型、車行路線、停車位等參數進行設置，生成駕駛員視角下的空間漫游體驗動畫；學生可通過線上或線下的方式交流、互相觀摩和研討，最后結合心得體會完成實驗報告。

3.3 實驗系統技術研發

3.3.1 采用MVC 和JQuery 的插件式開發模式

系統顛覆了WebForm 時代的設計思想，選用目前主流的MVC 開發方式，優化了所有服務器控件，使用簡潔服務器代碼或者純凈的HTML 進行頁面呈現，使得表現層邏輯與業務分離[6]。MVC 模式允許使用各種不同樣式的視圖來訪問同一個服務器端的代碼，包括任何Web（HTTP）瀏覽器、無線瀏覽器（WAP）、移動App（IOS 和安卓），以實現多途徑多端口訪問應用程序的功能[6]。此外，界面上多處采用開源或自主開發的JQuery 插件，使得UI 業務代碼與呈現代碼分離，通用配置可使各插件在不同情景下呈現不同的數據和樣式，極大地提高了代碼的可復用性和可維護性。

3.3.2 采用ORM 框架實現數據的持久化

作為面向對象思想實現的一個重要產物，ORM框架從誕生開始就引起了廣泛關注，目前ORM 框架技術已經成熟并得到廣泛使用。

虛擬仿真實驗采用了微軟的Entity Framework（以下簡稱EF）作為系統的ORM 框架，它目前支持多表映射，支持多種主流數據庫。使用EF 后，軟件開發過程可以直接操作對象進行數據存儲，避免了大量使用SQL 語句，降低了系統開發的復雜性，同時也提高了系統的穩定性[6]。

3.3.3 采用插件機制和策略機制增強業務

使用插件機制后，各業務的實現僅依賴于主程序的核心層以及對應的插件接口，插件與主程序之間完全松耦合，主程序不直接操作和干涉插件的內部實現，僅在相應的業務場景調用對應插件的對應接口[6]。

對于某些業務可能存在多種不同的實現方式，虛擬仿真采用策略機制通過配置文件對這些業務進行切換。插件可以在主程序運行時實時地熱插入（拔出）系統。因此，各類插件可以單獨開發，然后根據客戶需要加入系統，具有很高的可擴展性。

3.3.4 基于主流的Bootstrap 框架自主設計

該系統基于業界最優秀的開源前端框架之一的Bootstrap 對平臺和商家中心進行了UI 設計，使得界面外觀上簡潔清爽、優雅大氣，代碼結構上簡單明了易于維護[7]。

虛擬仿真系統采用完全的面向對象的思想進行設計，無論是表現層的UI 呈現，還是業務層復雜的業務實現，或者是數據庫的訪問方式均采用這種方式。得益于面向對象思想的設計，虛擬仿真的開發過程更加符合人的思維方式，其具有的重用性也使得代碼量大大減少和開發周期大大縮短。

4 結束語

“零碳”停車場綠地設計虛擬仿真實驗在投入筆者所在學校風景園林規劃設計課程的實驗教學后，得到了有關教師和廣大學生的普遍好評，該實驗以其特有的多感知性、沉浸性和交互性彌補了常規實驗教學的不足[8]。它不僅有效解決了調研難度和工作量大、場地不足、操作不可逆及學習效率不高等問題，還充分發揮了虛擬仿真實驗教學軟件“真實”“交互”“顯隱”“廣用”的優勢，豐富了實驗教學的形式、方法和內容，為風景園林專業實驗教學改革探索了新的有效途徑。

教育部在《加強碳達峰碳中和高等教育人才培養體系建設工作方案》中已明確，要加強綠色低碳教育，將綠色低碳理念納入教育教學體系[9]。

本虛擬仿真實驗也將響應教育部的號召，以“立足本省高校、輻射全國高校、走向社會大眾”為目標進行逐步推廣。全國范圍內開設相關專業的院校都可以基于“零碳”停車場綠地設計虛擬仿真實驗開展合作教學，逐步形成多維協同教學模式；在重點服務高校學生實驗教學的同時，該實驗也將逐步向設計類的從業人員開放，將平臺資源和教學成果共享，提供在線教學服務，實現本項目的社會效益。