基于3D打印、VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的 《園林計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)》教改探討

張世杰 劉沛

摘要：隨著教學(xué)改革的不斷深入以及計(jì)算機(jī)技術(shù)的日新月異，園林設(shè)計(jì)對(duì)于計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的依賴(lài)程度越來(lái)越高，對(duì)信息技術(shù)處理的速度及建立各種模型的要求日趨精細(xì)化，因此3D打印技術(shù)及VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)勢(shì)必將成為園林設(shè)計(jì)中的必備技術(shù)。本研究基于3D打印、VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在園林專(zhuān)業(yè)中的時(shí)代性和重要性，以當(dāng)今兩種熱門(mén)技術(shù)在《園林計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)》課程教學(xué)中的應(yīng)用為切入點(diǎn)，探討兩種技術(shù)在課程教學(xué)的應(yīng)用前景及課程改革的具體措施，以期提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：3D打印技術(shù);VR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);園林計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì);課程改革

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2019）49-0092-03

一、園林計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)課程現(xiàn)狀

（一）教學(xué)內(nèi)容

目前計(jì)算機(jī)技術(shù)已經(jīng)在園林設(shè)計(jì)中被廣泛地使用，其中諸如：Autocad、Sketchup、3dsmax、Photoshop、Lumion等相關(guān)軟件不僅可以將方案設(shè)計(jì)、布局推演、圖紙繪制、場(chǎng)景表現(xiàn)、專(zhuān)項(xiàng)設(shè)計(jì)等內(nèi)容有序地結(jié)合并形成具有邏輯性的整體，此外園林計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)有效地提高了設(shè)計(jì)人員的工作效率，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度、減少了繪圖中材料的消耗，同時(shí)使設(shè)計(jì)的效果更為直觀，從而更好地展現(xiàn)設(shè)計(jì)意圖與目的。[1]目前在園林設(shè)計(jì)中計(jì)算機(jī)軟件的應(yīng)用幾乎全覆蓋，無(wú)論是地形的設(shè)計(jì)、建筑的設(shè)計(jì)、園林小品與植被的設(shè)計(jì)都可以通過(guò)這些軟件立體地表現(xiàn)出來(lái)。因此，對(duì)于園林設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)園林計(jì)算機(jī)軟件設(shè)計(jì)已成為工作中必不可少的組成部分，更成為大學(xué)中園林專(zhuān)業(yè)的必修課程。[2]

計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)手工繪制模式相比較，制圖更加細(xì)膩、立體及三維效果更為逼真。這主要是依賴(lài)于計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)中建模、渲染和后期處理三個(gè)重要環(huán)節(jié)（圖1）。建模是繪圖的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，其所使用的計(jì)算機(jī)技術(shù)以AutoCAD、Sketchup、3dsmax制圖軟件為核心。通過(guò)這些軟件主要完成園林圖形和模型的繪制、構(gòu)建、編輯和應(yīng)用，添加圖形和模型的文字說(shuō)明、尺寸標(biāo)注，完成輸出與打印等工作。渲染類(lèi)似與手工繪圖中的上色步驟，Sketchup、3dsmax結(jié)合Vray渲染插件，通過(guò)設(shè)置不同光照、凹凸、模糊參數(shù)模擬出各種光影和材質(zhì)的真實(shí)質(zhì)感。Photoshop、Lumion可以完成后期素材的合理組合，場(chǎng)景色彩、動(dòng)畫(huà)及特效的后期制作。因此，在高校園林計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)課程教學(xué)中使用上述軟件已經(jīng)成為教學(xué)的主流方式。

（二）課程設(shè)置

目前普通高校、職業(yè)技術(shù)學(xué)院園林專(zhuān)業(yè)園林計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)課程使用的教材以《園林計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)教程》為主，課堂教學(xué)時(shí)長(zhǎng)為168。[1，3]課程主要講授園林制圖的流程，平面、剖立面、三維透視效果圖和園林施工圖的繪制方法，通過(guò)介紹園林相關(guān)軟件的使用方法，圖文并茂、循序漸進(jìn)地講解了軟件在園林制圖中的操作示例。

該課程的教學(xué)通常分為兩個(gè)階段：第一階段為軟件基礎(chǔ)知識(shí)學(xué)習(xí)，一般安排72個(gè)課時(shí)，主要教授內(nèi)容為AutoCAD、Sketchup、3DS MAX、Photoshop軟件基礎(chǔ)操作，要求學(xué)生在此階段掌握基本圖形的繪制、圖層的運(yùn)用、圖案的填充、塊文件的運(yùn)用、文字及尺寸的標(biāo)注、三維模型的建模、平面圖及剖立面圖制作等知識(shí)。第二階段為實(shí)例進(jìn)階學(xué)習(xí)，一般安排96個(gè)課時(shí)，主要教學(xué)內(nèi)容為Vray渲染、Photoshop場(chǎng)景案例后期制作、Lumion動(dòng)畫(huà)案例制作，并通過(guò)實(shí)例演示幾個(gè)軟件的互動(dòng)，讓學(xué)生掌握基礎(chǔ)知識(shí)的應(yīng)用，增強(qiáng)案例分析和應(yīng)用的能力。

二、3D打印、VR技術(shù)在園林計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)中的進(jìn)一步應(yīng)用

（一）3D打印技術(shù)的含義及技術(shù)應(yīng)用

3D打印即一種快速成型技術(shù)，以數(shù)字模型文件為基礎(chǔ)，運(yùn)用粉末狀金屬或塑料等可粘合材料，通過(guò)逐層打印的方式來(lái)構(gòu)造物體。[4]3D打印技術(shù)目前應(yīng)用在園林設(shè)計(jì)中主要有三種工藝即輪廓工藝、混凝土工藝和D型工藝。首先通過(guò)輪廓工藝和混凝土工藝將電腦中所設(shè)計(jì)好的園林場(chǎng)景三維圖像擠壓成型，其次通過(guò)3D打印的疊加打印方法將物體打印而出。[4]目前3D打印快速成型技術(shù)較多，例如選擇性激光粉末燒結(jié)（SLS）、3D打印成形（3DP）以及光敏樹(shù)脂液相固化成形（SLA）等。在打印前需要對(duì)園林中的各種元素進(jìn)行合理配置并對(duì)打印工藝如物體的體積、打印原料、著色以及真實(shí)感等內(nèi)容進(jìn)行全面可行性的分析，然后選擇操作軟件如Cura切片軟件、123D Catch建模軟件、以及Octoprint打印控制軟件完成打印。

（二）3D打印技術(shù)對(duì)園林景觀設(shè)計(jì)的作用

3D打印技術(shù)將為園林設(shè)計(jì)帶來(lái)實(shí)質(zhì)性的改變。首先，縮短工期，降低人力成本。3D打印技術(shù)可將一個(gè)月的工期縮短為一周，縮短了園林景觀建設(shè)工期，進(jìn)而大幅度地降低人力資源成本。3D打印技術(shù)僅需3—4個(gè)操作員就能完成全部工作，減少了勞動(dòng)力投入的數(shù)量。3D打印技術(shù)可以合理配置資源，減少材料的浪費(fèi)，有效地進(jìn)行成本控制。其次，促進(jìn)人性化發(fā)展，增強(qiáng)創(chuàng)意性。3D打印技術(shù)在園林案例設(shè)計(jì)的應(yīng)用時(shí)可以結(jié)合開(kāi)發(fā)商需求，快速完成設(shè)計(jì)布局的調(diào)整，通過(guò)定制化服務(wù)滿足個(gè)性化的需求，增強(qiáng)設(shè)計(jì)創(chuàng)意實(shí)現(xiàn)的可能。此外，隨著傳統(tǒng)園林匠人數(shù)量的減少，我國(guó)古代的園林技藝的發(fā)展也面臨著逐漸消亡的危險(xiǎn)，而采用3D打印技術(shù)可以比較簡(jiǎn)單地完成一些傳統(tǒng)工藝中較為復(fù)雜的技藝，從而能夠?qū)鹘y(tǒng)園林工藝進(jìn)行有效傳承。

（三）VR技術(shù)的含義及技術(shù)應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)，利用計(jì)算機(jī)生成一種模擬環(huán)境，通過(guò)多源信息融合的、交互式的三維動(dòng)態(tài)視景和實(shí)體行為的系統(tǒng)仿真，使用戶沉浸到該環(huán)境中。[5]在風(fēng)景園林設(shè)計(jì)中，通過(guò)計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬和構(gòu)建現(xiàn)實(shí)園林場(chǎng)景，提高了園林場(chǎng)景設(shè)計(jì)的參與性和實(shí)效性，向人們展示了一種更真實(shí)的設(shè)計(jì)情景，具有積極的作用。

（三）VR技術(shù)對(duì)園林景觀設(shè)計(jì)的作用

首先，VR技術(shù)可以構(gòu)建出真實(shí)感的虛擬園林環(huán)境場(chǎng)景，根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙將三維立體建筑模型和園林要素模型投放在場(chǎng)景中，使用人機(jī)交互技術(shù)與場(chǎng)景進(jìn)行互動(dòng)，最終實(shí)現(xiàn)與設(shè)計(jì)尺度一致的園林仿真場(chǎng)景，項(xiàng)目參與者可以通過(guò)計(jì)算機(jī)仿真設(shè)備進(jìn)入場(chǎng)景中直觀地查看分析設(shè)計(jì)內(nèi)容。其次，VR技術(shù)適合應(yīng)用在大型復(fù)雜的園林景觀項(xiàng)目中，通過(guò)建立一個(gè)全面、直觀、可交互、真實(shí)模擬園林設(shè)計(jì)的三維場(chǎng)景，方便項(xiàng)目管理人員全面了解設(shè)計(jì)方案，直觀地檢查方案設(shè)計(jì)的不足，并有效地進(jìn)行修改調(diào)整，避免造成實(shí)際施工損失，為園林景觀項(xiàng)目的管理和實(shí)施提供了直接的決策參考。最后，VR技術(shù)還可以對(duì)外界用戶開(kāi)放用于項(xiàng)目宣傳，讓廣大群眾不受時(shí)空限制，自由欣賞項(xiàng)目成果，置身于美麗的園林風(fēng)光中，全方位多角度領(lǐng)略項(xiàng)目的整體設(shè)計(jì)理念和欣賞室內(nèi)外的藝術(shù)構(gòu)建。

三、3D打印及VR技術(shù)對(duì)計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)課改的具體措施

（一）完善園林計(jì)算機(jī)輔助課程整體構(gòu)建

將3D打印、VR技術(shù)引入課程教學(xué)后，需要對(duì)教學(xué)內(nèi)容及課時(shí)重新設(shè)置。首先在教學(xué)內(nèi)容上，建立起以理論課程與實(shí)踐課程相結(jié)合的教學(xué)模式，在授課時(shí)教師應(yīng)注重于對(duì)各種計(jì)算機(jī)新技術(shù)對(duì)園林景觀設(shè)計(jì)前景性應(yīng)用的授課，實(shí)現(xiàn)以現(xiàn)有的園林計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)課程如（Autocad、Sketchup、3dsmax、photoshop、Lumion）等為基本課程;以3D打印、VR技術(shù)為擴(kuò)展課程如（硬件安裝調(diào)試、軟件使用）;以模擬演練為實(shí)操課程的綜合化課程體系（圖2）。其次在教學(xué)時(shí)間上，原有的授課學(xué)時(shí)一般為168，將3D打印及VR技術(shù)引入到課程教學(xué)后至少需要增加34個(gè)課時(shí)，總課時(shí)將達(dá)到202。

（二）增設(shè)3D打印及VR技術(shù)課程

園林計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)中增設(shè)3D打印、VR技術(shù)課程，可以促進(jìn)模型形態(tài)的豐富，更快實(shí)現(xiàn)從概念到設(shè)計(jì)的全過(guò)程在園林設(shè)計(jì)理念及設(shè)計(jì)方法上處于技術(shù)前沿。首先3D打印課程設(shè)置，在課程內(nèi)容上包括3D打印概論、正向二維工程設(shè)計(jì)、逆向工程設(shè)計(jì)、3D打印工藝設(shè)計(jì)及材料分析、制作及處理、3D打印硬件及軟件的安裝、操作與維護(hù)等。該課程設(shè)置的目的在于使學(xué)生在了解3D打印技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，開(kāi)闊學(xué)生的設(shè)計(jì)視野和思路。此外，3D打印模型的建立提高了學(xué)生的動(dòng)手能力、實(shí)踐遷移能力以及技術(shù)素養(yǎng)能力。其次VR課程設(shè)置，在課程內(nèi)容上包括VR技術(shù)概論、VR開(kāi)發(fā)環(huán)境及開(kāi)發(fā)工具、Unity編輯器、3D數(shù)學(xué)、NET框架原理以及UGUI各功能組件使用等。該課程設(shè)置的目的在于使學(xué)生學(xué)會(huì)初步搭建VR環(huán)境、擴(kuò)展學(xué)生的設(shè)計(jì)思路、提高學(xué)生園林設(shè)計(jì)技術(shù)運(yùn)用能力。

（三）建設(shè)多重體驗(yàn)館

通過(guò)建設(shè)體驗(yàn)館培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力，通過(guò)基本課程和拓展課程結(jié)合學(xué)習(xí)后，學(xué)生可以運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)館中的共享型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)、簡(jiǎn)易型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)和沉浸型虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)。學(xué)生身臨其境地進(jìn)行園林設(shè)計(jì)，直觀地感受自己的設(shè)計(jì)成果。這種學(xué)習(xí)模式提供了生動(dòng)、逼真的交流性學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生解決了學(xué)習(xí)中的難點(diǎn)。此外，學(xué)生能夠按照自己的需要來(lái)進(jìn)行實(shí)時(shí)性的交互式學(xué)習(xí)，最大限度地發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性，從根本上改變了傳統(tǒng)教學(xué)的局限性，使學(xué)生真正參與到教學(xué)活動(dòng)中，成為教學(xué)過(guò)程中的主體，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情和空間想象力，有效地提高了教學(xué)質(zhì)量。

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