虛擬仿真技術(shù)在園林實訓教學中的應(yīng)用研究

江匯　魯璇　易敏

摘 要 文章分析了虛擬仿真技術(shù)在園林實訓教學中的優(yōu)勢，提出了虛擬仿真實訓基地建設(shè)的條件和設(shè)想。從專業(yè)課程體系角度出發(fā)，探索虛擬仿真技術(shù)在園林實訓教學中的應(yīng)用。旨在為高職園林實訓教學改革提供新思路、新途徑和新方向。此論文是廣西2015年度職業(yè)教育教學改革項目《民族地區(qū)高職院校實踐教學改革與創(chuàng)新的研究與實踐——以園林專業(yè)為例》（桂教職成[2015]22號）的研究成果。

關(guān)鍵詞 虛擬技術(shù) 園林 實訓教學

Abstract This paper analyzes the advantages of Virtual Reality in Landscape training teaching. Propose the conditions and assumptions of the Virtual Reality training base construction. From the perspective of curriculum system， Exploring Virtual Reality in Landscape Practice Teaching. Object is to provide new ideas， new approaches and new directions for the Landscape Practical Teaching reform of Technical College Education.

Keywords virtual reality； landscape architecture； practical teaching

虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality），簡稱VR，是利用電腦模擬產(chǎn)生一個三度空間的虛擬世界。這種技術(shù)的特點在于，能產(chǎn)生一種人為虛擬的環(huán)境，為用戶提供視覺、聽覺和觸覺等感官的模擬，通過交互式的三維動態(tài)視景和實體行為的系統(tǒng)仿真，使用戶沉浸到該環(huán)境中。隨著數(shù)字化進程的不斷加速，電腦多媒體技術(shù)的飛速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，虛擬現(xiàn)實技術(shù)也逐步走進課堂。教育部文件中明確指出高等職業(yè)教育要大力推行工學結(jié)合，突出實踐能力培養(yǎng)，改革人才培養(yǎng)模式，其中實驗、實訓、實習是 3 個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。①

1 虛擬仿真技術(shù)在園林實訓教學中的優(yōu)越性

園林是一門綜合性學科，它運用植物、水體、木材、石材、不銹鋼等多種材料，通過改造地形，筑山、疊石、理水，種植樹木花草，營造建筑和布置園路等途徑創(chuàng)作，同時吸收文化、歷史等人文內(nèi)容，并結(jié)合特定環(huán)境創(chuàng)造出形態(tài)各異的美的空間。這就需要園林設(shè)計師具有高度豐富的想象力和時空觀，因此虛擬現(xiàn)實技術(shù)在現(xiàn)代園林設(shè)計中具有重要的作用。②由于虛擬仿真技術(shù)的情境性、交互性和多感知性等特點，其在園林實訓教學中同樣也具優(yōu)越性。

1.1 情景性

利用VR技術(shù)可以虛擬建立園林景觀，展現(xiàn)園林豐富的景觀內(nèi)容。例如，植物的色、香及季相變化，景觀亭子的造型、材質(zhì)、大小，經(jīng)典的古典園林空間，居住區(qū)小區(qū)園林環(huán)境空間，甚至大型森林公園的整體環(huán)境展現(xiàn)。學生可以不出教室，就獲得與親臨真實場景一樣的體會，在空間中隨意游走，從而充分感受園林景觀中的色彩、光影和動靜變化，從而豐富感性認識，加深對空間場景的理解。

1.2 交互性

首先，在實訓教學階段，教師可以運用虛擬仿真平臺實現(xiàn)對學生的管理和指導。例如教師登錄虛擬實訓平臺，根據(jù)實訓課程要求先對實訓內(nèi)容進行相應(yīng)的理論講解，然后通過互動平臺發(fā)布學生實訓的目的、內(nèi)容、計劃、流程、具體要求和注意事項。其次，學生在聽教師講解完理論知識后，可以根據(jù)自己掌握到的知識進行在線練習，完成一定量的練習后才可以進行相應(yīng)技能的在線測試。最后，師生之間、學生之間也可以通過虛擬實訓平臺進行交流和互動。學生在實訓過程中如果遇到困惑和問題都可以隨時咨詢老師或者與其他同學討論解決，加強師生間的互動交流，同時也提高了學生之間的團隊協(xié)作能力。

1.3 創(chuàng)造性

通過使用VR技術(shù)可以發(fā)揮學生的主觀能動性。在親身體驗三維空間的同時，學生可以實時進行可視化編輯，調(diào)整三維空間場景、調(diào)整模型的大小、材質(zhì)、空間位置，對不同場景效果進行推敲和比對，從而激發(fā)學生的創(chuàng)造性思維。

2 園林專業(yè)虛擬仿真實訓基地建設(shè)的相關(guān)支持條件

2.1 虛擬仿真實訓基地建設(shè)所需的硬件設(shè)備

為了實現(xiàn)虛擬顯示的沉浸特性，必須具備人體的感官特性，包括視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺等。因此建立虛擬仿真實訓室，首先需要虛擬現(xiàn)實技術(shù)領(lǐng)域相關(guān)的硬件設(shè)備?，F(xiàn)階段虛擬現(xiàn)實中常用到的硬件設(shè)備，大致可以分為四類。（1）建模設(shè)備，如計算機和3D掃描儀；（2）顯示設(shè)備，如虛擬現(xiàn)實頭盔，雙目全方位顯示器，CRT終端-液晶光閘眼鏡，大屏幕投影-液晶光閘眼鏡，CAVE洞穴式虛擬現(xiàn)實顯示系統(tǒng)等。（3）聲音設(shè)備，如三維立體聲和語音識別。（4）交互設(shè)備，如數(shù)據(jù)手套，力矩球，操縱桿，觸覺反饋裝置，力覺反饋裝置，運動捕捉系統(tǒng)，機械式運動捕捉，聲學運動捕捉等。

2.2 虛擬仿真實訓平臺所需的軟件技術(shù)

虛擬仿真實訓平臺的搭建還需要有相關(guān)軟件技術(shù)的支撐。包括以下幾種：

（1）虛擬仿真實訓教學管理系統(tǒng)：針對在線教育而研發(fā)的管理后臺，可以讓老師和學生進行實時交流。其功能需要有通過權(quán)限號和密碼登錄，分管理端和客戶端。包括個人信息中心、教學管理、教學資源庫、翻轉(zhuǎn)課堂、實訓任務(wù)、仿真實訓等模塊。

（2）虛擬仿真實訓識圖與構(gòu)造軟件：將二維圖紙與三維模型對應(yīng)展示，完成對一些建筑小品、構(gòu)件大樣、植物種類的細節(jié)進行展示。利于初學者克服對于二維表現(xiàn)抽象思維的不理解，幫助學生培養(yǎng)空間想象的能力，使學生構(gòu)思得以在實時生成的三維世界中充分發(fā)展，協(xié)助教師完成課堂識圖教學。

（3）虛擬仿真園林規(guī)劃和設(shè)計軟件：軟件需具備相關(guān)的繪圖功能，如設(shè)置坐標，添加設(shè)計素材圖庫，繪制圖框等。此外，軟件還需具備兼容功能，支持AutoCAD，3Dmax，Sketchup，Photoshop等相關(guān)設(shè)計軟件。

2.3 專業(yè)軟件技術(shù)團隊與園林專業(yè)教師合作建立數(shù)字庫

為了使虛擬仿真實訓平臺更能切合園林專業(yè)的實訓教學體系需求，園林專業(yè)教師需要參與配合建立數(shù)字庫系統(tǒng)。首先，園林專業(yè)教師需搭建虛擬仿真實訓課程體系，根據(jù)課程需要提出數(shù)字庫所需要的各種素材。例如，提供景觀建筑小品實訓課程中所需要的各類亭子、花架、景墻的相關(guān)設(shè)計圖紙。其次，由專業(yè)的軟件技術(shù)團隊提供技術(shù)指導和支持，將二維圖紙素材變成三維虛擬仿真實訓素材。最后，搭建分類數(shù)字庫系統(tǒng)，用戶可以在使用中隨時能方便地提取任意模型素材。

3 園林實訓實踐中適用虛擬技術(shù)輔助教學的課程

園林虛擬仿真實訓系統(tǒng)具需要根據(jù)針對專業(yè)特色進行開發(fā)，為園林實訓提供一種交互性教學和實訓性體驗環(huán)境，協(xié)助教師完成課程教學與實訓。老師可以通過虛擬技術(shù)來深化教材內(nèi)容，學生可以通過虛擬技術(shù)軟件完成相應(yīng)的實訓操作。虛擬仿真實訓系統(tǒng)的開發(fā)需要具有良好的延續(xù)性、實用性、可操作性和開放性，使其功能可適用于園林設(shè)計類、園林工程類以及一些專業(yè)基礎(chǔ)類課程的實訓環(huán)節(jié)。

3.1 設(shè)計類課程實訓

設(shè)計類的課程實訓包括園林規(guī)劃設(shè)計課程實訓，居住區(qū)景觀設(shè)計實訓，景觀建筑小品設(shè)計實訓等。傳統(tǒng)的園林設(shè)計教學在課堂上無法實現(xiàn)從各個空間角度去鑒賞、剖析園林案例及體驗園林景觀設(shè)計的全過程。③而虛擬仿真實訓平臺可以在課堂上虛擬展示出案例場景，可以實現(xiàn)無需走出課堂學生就能親身體驗和考察成功案例，實現(xiàn)讓學生身臨其境地“進入”園林，從任意角度體驗設(shè)計作品，充分感受園林的空間、色彩、尺度、材料、肌理、質(zhì)感甚至聲音。例如，景觀建筑小品實訓課程中，學生可以通過虛擬實訓平臺，將自己設(shè)計的成果建立成為三維的立體模型，讓學生直觀感受自己的設(shè)計方案，從空想的平面圖紙直接實現(xiàn)虛擬的模型，學生可以直觀感受建筑小品造型、構(gòu)造、材質(zhì)、體量和空間，從而增加學習興趣，提高設(shè)計能力，培養(yǎng)應(yīng)用型設(shè)計人才。又如，在居住區(qū)景觀設(shè)計實訓課程中，虛擬仿真實訓系統(tǒng)設(shè)置有專門的居住區(qū)場地模塊。學生可以根據(jù)自己的設(shè)計構(gòu)想，在虛擬仿真的場地中通過改造地形，放置園林建筑小品模型，放置園林植物模型等手段去進行空間設(shè)計實訓。在視角的選擇上，還可以根據(jù)需要進行選擇，如人視步行、勻速車行、甚至鳥瞰飛行等不同運動方式和速度從不同角度去體驗。例如，在園林規(guī)劃設(shè)計實訓課程中，學生可以選擇鳥瞰視角，從空中看到全局的設(shè)計景觀，從整體角度分析規(guī)劃設(shè)計的可行性和合理性。

3.2 園林工程類實訓

園林工程施工課程對學生動手能力要求很高，需要進行大量的實訓訓練。而工程類的某些施工現(xiàn)場含有一定的危險系數(shù)，不適合還沒熟練掌握施工技能的學生直接到去現(xiàn)場實訓。虛擬仿真實訓系統(tǒng)能提供真實的360度全方位三維施工現(xiàn)場模型場景，提供給學生進行模擬操作的實訓場地，使學生身臨其境，模擬相應(yīng)的工作角色，為學生將來到現(xiàn)場實習打下良好的基礎(chǔ)。同時由于真實性強，學生對于遇到的問題也會產(chǎn)生較強的求知欲，提高學習的興趣，自覺練習施工技巧操作，從而能更好更扎實地掌握各項操作技術(shù)。

學生可以像玩游戲一樣進行各種實訓通關(guān)。首先，由教師先啟動虛擬動畫進行技能示范演示，向?qū)W生講解和展示每個實訓技能操作的內(nèi)容、步驟和要求，使學生對實訓任務(wù)有直觀的了解。然后，學生通過反復操作練習，熟悉并掌握某個施工流程和技術(shù)要點進行通關(guān)檢測。學生在進行通關(guān)檢測實訓中，每通過一關(guān)即是完成一項實訓作業(yè)，評價系統(tǒng)會自動對每項操作進行打分，分數(shù)需要達到設(shè)定值以上，才能晉級下一個實訓任務(wù)。以駁岸施工實訓為例，學生可以使用皮尺、石塊、鐵鍬、碎石、石灰、水泥、砂石等工具模型，先通關(guān)“測量放線”關(guān)卡，才能晉級下面的“挖槽”、“夯實基礎(chǔ)”、“澆筑基礎(chǔ)”、“砌筑岸墻”等關(guān)卡。最后，系統(tǒng)會對學生總體的實訓情況進行評價，教師通過啟動互動交流平臺，指導和解決學生在實訓時遇到的問題。例如哪些同學的動作不標準，哪些同學操作的步驟出現(xiàn)錯誤，哪些同學所選用的材料有誤等問題，都能通過互動交流平臺指出。同時，老師一方面可根據(jù)學生實訓反應(yīng)出的問題，如某些觸控界面指示不清，某些色彩和實物反差較大，某些預設(shè)步驟可控性不強等，對相應(yīng)的模塊進行調(diào)整和改進；另一方面，教師可與時俱進地在模塊中添加新技術(shù)或是新材料使之與現(xiàn)行的施工程序和行業(yè)規(guī)范保持一致，保證學以致用，提高模擬效果。

3.3 專業(yè)基礎(chǔ)類課程

園林制圖與識圖屬于專業(yè)基礎(chǔ)類課程，課程內(nèi)容中軸測、透視、投影等占有很大比例，相對于其他專業(yè)課程來說比較枯燥乏味。雖然現(xiàn)今課堂已經(jīng)使用PPT和FLASH等多媒體教學輔助，但是其給出的形體直視圖方向單一，不能進行多方向觀察，也不能進行現(xiàn)場實時編輯修改，精度效果仍然不能滿足教學要求。虛擬仿真實訓平臺設(shè)置的課程實訓系統(tǒng)，可以根據(jù)教材章節(jié)劃分模塊內(nèi)容，如繪圖基本知識、投影基本知識、軸測圖、透視圖、剖面與斷面、施工圖繪制、構(gòu)造識別等。使用虛擬仿真實訓平臺，可以通過點擊平面圖紙來對應(yīng)三維模型，每個模型都可以任意變換觀察角度和形狀，隨意拆分疊加和剖切，并且生成對應(yīng)的二維圖紙。實訓系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫中內(nèi)置大量的建筑構(gòu)建模型，通過點擊能讀取構(gòu)造知識點及相應(yīng)的制圖規(guī)范，模型界面和圖紙界面可以相互轉(zhuǎn)換進入或是同時打開對比，大大提高學生對制圖規(guī)范的記憶能力以及空間思維能力。

4 結(jié)語 （下轉(zhuǎn)第129頁）（上接第102頁）

科技在飛速發(fā)展，技術(shù)也在完善，園林專業(yè)需要緊跟時代的步伐，園林實訓課程要不斷改革創(chuàng)新，探索一種新的教學模式，調(diào)動學生的主觀能動性，培養(yǎng)學生成為有創(chuàng)新意識、有過硬專業(yè)技術(shù)的人才。

注釋

① 耿曉東，戴群，丁小晏.虛擬實訓在園路工程施工課程實踐教學中的應(yīng)用[J].現(xiàn)代農(nóng)業(yè)科技，2013（9）：328-331.

② 楊潤.基于 VRGIS 的虛擬技術(shù)在園林規(guī)劃中的應(yīng)用——以牢固關(guān)森林公園總體規(guī)劃為例[D].西北農(nóng)林科技大學，2008.

③ 趙月寧，王宏信.多媒體技術(shù)支持下的虛擬園林設(shè)計教學改革研究[J].藝術(shù)與設(shè)計，2011（3）：129-130.