虛擬仿真技術(shù)在風(fēng)景園林實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用研究

摘 要：虛擬仿真技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)結(jié)合了建筑信息化模型、VR人機(jī)體驗(yàn)動(dòng)作數(shù)字化捕捉、3D打印仿真技術(shù)等新技術(shù)，打造優(yōu)質(zhì)的實(shí)踐課程，創(chuàng)造出具有不同空間體驗(yàn)和感受的多元活動(dòng)空間，減少了不必要的損耗和重復(fù)工程作業(yè)，有效避免了高危工作環(huán)境。“導(dǎo)入—虛擬—仿真—驗(yàn)證”的實(shí)踐教學(xué)模式，作為風(fēng)景園林專業(yè)實(shí)踐課程的示范點(diǎn)，可推廣至其他專業(yè)領(lǐng)域。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;技術(shù);風(fēng)景園林;實(shí)踐教學(xué)

當(dāng)前隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來(lái)與發(fā)展，數(shù)字化虛擬仿真技術(shù)以其畫面逼真精美、運(yùn)行高效便捷、功能豐富實(shí)用、查詢管理信息方便等特點(diǎn)，逐漸影響并應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于新型互動(dòng)式教育模式，能為學(xué)生帶來(lái)更好的教育、娛樂(lè)以及溝通等內(nèi)容的體驗(yàn)，適合各類院校使用。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)從科研領(lǐng)域引入風(fēng)景園林專業(yè)的高等教育領(lǐng)域是本次研究的重點(diǎn)。

1 虛擬仿真技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

在虛擬仿真技術(shù)[1，2]中有幾個(gè)相似概念，分別是：虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，即VR），指利用計(jì)算機(jī)技術(shù)模擬三度空間虛擬世界，實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)的無(wú)縫對(duì)接，解放雙手，給人帶來(lái)沉浸式的體驗(yàn);增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，即AR），是一種實(shí)時(shí)計(jì)算攝影機(jī)影像位置及角度并輔以相應(yīng)圖像的技術(shù)，即通過(guò)設(shè)備改變環(huán)境;混合現(xiàn)實(shí)（Mix Reality，即MR），同樣是一種裸眼操作的技術(shù)，是指把虛擬世界融入真實(shí)世界，創(chuàng)造出新的可視化三維物象，使人難以分辨真假，實(shí)現(xiàn)物理實(shí)體和數(shù)字對(duì)象共存、實(shí)時(shí)相互作用，即數(shù)字立體化;影像現(xiàn)實(shí)（Cinematic Reality，即CR），改變了視野太窄或者眩暈等問(wèn)題，創(chuàng)造出來(lái)的虛擬場(chǎng)景比MR技術(shù)創(chuàng)造的場(chǎng)景更真實(shí)，是一種不同的實(shí)現(xiàn)方式，跟電影特效一樣逼真。

有關(guān)虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫(kù)以及網(wǎng)絡(luò)通信等技術(shù)的文獻(xiàn)[3，4]中提到，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)在國(guó)外已有一定的研究基礎(chǔ)，如美國(guó)新媒體聯(lián)盟主導(dǎo)的“地平線研究項(xiàng)目”、英國(guó)開放大學(xué)基于互聯(lián)網(wǎng)三維虛擬世界“第二人生”（Second Life）開展教學(xué)、加拿大維多利亞大學(xué)建設(shè)了3D實(shí)驗(yàn)室和人類學(xué)創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室等。[3]在國(guó)內(nèi)，對(duì)于虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用仍處于探索階段，只有極個(gè)別高校有此類實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)，如南京醫(yī)科大學(xué)建設(shè)了自己的醫(yī)學(xué)仿真實(shí)驗(yàn)室，而投入大量資金建設(shè)此類實(shí)驗(yàn)室的主要集中在職業(yè)院校，但基本是由開發(fā)公司建立的一些人機(jī)交互資源，存在一定的誤差，不能完全符合教學(xué)的需求。

目前，虛擬仿真技術(shù)在風(fēng)景園林專業(yè)實(shí)踐課的應(yīng)用非常少，主要應(yīng)用于醫(yī)療教育、電子工程、物理化學(xué)實(shí)驗(yàn)、土木工程等專業(yè)，廣泛應(yīng)用在游戲、影視、商業(yè)等方面。其中AR技術(shù)普及面廣，可通過(guò)移動(dòng)端使用，比較方便，而VR、MR技術(shù)的研究應(yīng)用尚處于初級(jí)階段，其內(nèi)容匱乏、應(yīng)用范圍窄、佩戴舒適度不足、工具操作和人機(jī)交互不方便等問(wèn)題依舊是難點(diǎn)。

虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)就是利用虛擬仿真技術(shù)，呈現(xiàn)方案設(shè)計(jì)效果，達(dá)到避免高危環(huán)境和減少損耗的效果，實(shí)現(xiàn)真實(shí)的人機(jī)體驗(yàn)?zāi)Ｊ剑行П苊鈧鹘y(tǒng)教學(xué)中的弊端?，F(xiàn)在風(fēng)景園林專業(yè)的實(shí)踐課程分為實(shí)驗(yàn)課與實(shí)訓(xùn)課。實(shí)驗(yàn)課主要是在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行軟件操作或?qū)嶒?yàn)研究，而實(shí)訓(xùn)課主要是以代表性的具體個(gè)案為依據(jù)，以小組師生間單獨(dú)或小組的評(píng)改、研討等為組織形式，在一定時(shí)長(zhǎng)跨度內(nèi)漸次展開。在教學(xué)效果上，虛擬仿真技術(shù)在實(shí)驗(yàn)課中能起到很好的軟件技術(shù)支持作用，使人擺脫傳統(tǒng)的、局限的顯示器畫面效果，給人帶來(lái)沉浸式、全方位的視覺(jué)效果。只要佩戴了VR設(shè)備，師生就能在現(xiàn)實(shí)空間中進(jìn)行設(shè)計(jì)建模。目前仍需要我們解決虛擬設(shè)計(jì)軟件的開發(fā)及實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)等問(wèn)題。實(shí)訓(xùn)課中，我們需要的是對(duì)一些優(yōu)秀項(xiàng)目案例的體驗(yàn)，在有了虛擬仿真技術(shù)后，將不再是簡(jiǎn)單地使用顯示器或投影儀，而是通過(guò)佩戴VR眼鏡，給人帶來(lái)身臨其境的效果，對(duì)此仍需我們解決的是優(yōu)秀項(xiàng)目案例資料庫(kù)的建立以及人機(jī)交互環(huán)節(jié)的建立。

2 虛擬仿真技術(shù)在風(fēng)景園林專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的運(yùn)用

傳統(tǒng)教學(xué)存在學(xué)生多、資金不足、場(chǎng)地不足等缺點(diǎn)，且在未來(lái)工作中需要減少不必要的損耗和重復(fù)工程作業(yè)，有效避免高危工作環(huán)境。從文獻(xiàn)[5，6]中可以總結(jié)出來(lái)，我們可以借鑒智能化、數(shù)字化和項(xiàng)目設(shè)計(jì)的教學(xué)方法，結(jié)合虛擬仿真技術(shù)，彌補(bǔ)不足，實(shí)現(xiàn)“導(dǎo)入—虛擬—仿真—驗(yàn)證”這種新的實(shí)踐教學(xué)模式。該模式由“導(dǎo)入項(xiàng)目”“虛擬模型和環(huán)境”“仿真模型”和“室外真實(shí)場(chǎng)景驗(yàn)證”4個(gè)環(huán)節(jié)組成，實(shí)踐分為基礎(chǔ)型、提高型和綜合設(shè)計(jì)型。其中“虛擬模型和環(huán)境”及“仿真模型”環(huán)節(jié)是該模式的核心部分。

2.1 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)的方式

第一種是以學(xué)生為主體、老師為指引的方式。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行軟件的自主研發(fā)，創(chuàng)作出每個(gè)方案設(shè)計(jì)的模塊腳本，每個(gè)腳本包含相應(yīng)的工作流程、任務(wù)目標(biāo)點(diǎn)、項(xiàng)目分析表、語(yǔ)音、基礎(chǔ)模型、工具材料和界面等。學(xué)生可利用此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在任何設(shè)計(jì)階段建立模型，進(jìn)行創(chuàng)作、設(shè)計(jì)，老師從旁指導(dǎo)，直至完成整個(gè)項(xiàng)目。

第二種是以學(xué)生認(rèn)知為主，老師、企業(yè)為輔的方式。方案模型可由老師或企業(yè)提供，學(xué)生也可自行建立項(xiàng)目模型，利用已有模型庫(kù)或自建模型，運(yùn)用VR虛擬系統(tǒng)，檢測(cè)景觀節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)是否得當(dāng)，建筑內(nèi)部結(jié)構(gòu)是否合理，空間劃分是否合適，檢查各個(gè)部分是否發(fā)生碰撞;也可作為設(shè)計(jì)方案的體驗(yàn)，由高年級(jí)建立，進(jìn)行方案的深入設(shè)計(jì)，讓低年級(jí)來(lái)提出問(wèn)題并體驗(yàn)虛擬方案。

第三種是純體驗(yàn)方式。面向不同專業(yè)、不同年級(jí)的學(xué)生，把完成的整套VR項(xiàng)目設(shè)計(jì)方案，建立完善的交互體驗(yàn)，提供給學(xué)生們學(xué)習(xí)、觀摩;面向社會(huì)人士，學(xué)生把完成的方案做成交互體驗(yàn)，讓市民體驗(yàn)感受，做市場(chǎng)調(diào)查、反饋研究;面向客戶或比賽組織方，主要是在社會(huì)市場(chǎng)進(jìn)行投標(biāo)，或參加相關(guān)的設(shè)計(jì)類大賽。

2.2 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)應(yīng)用內(nèi)容

（1）“導(dǎo)入項(xiàng)目”環(huán)節(jié)，進(jìn)行項(xiàng)目分析與整理。其一，進(jìn)行項(xiàng)目策劃分析，理清項(xiàng)目任務(wù)。師生與企業(yè)通過(guò)思考、交流、探討，對(duì)該項(xiàng)目的任務(wù)目標(biāo)進(jìn)行分析，確定任務(wù)涉及的各種要素。其二，準(zhǔn)備材料、收集資料。學(xué)生通過(guò)自主學(xué)習(xí)、小組協(xié)作學(xué)習(xí)等方式，充分應(yīng)用已掌握的專業(yè)知識(shí)，閱讀相關(guān)文獻(xiàn)、資料，進(jìn)行收集和分析。其三，讓學(xué)生明確項(xiàng)目最終需要達(dá)到的目標(biāo)、驗(yàn)證和展示的方式。

（2）“虛擬模型和環(huán)境”環(huán)節(jié)，創(chuàng)造實(shí)驗(yàn)環(huán)境。按照風(fēng)景園林專業(yè)相關(guān)課程的需求，結(jié)合課程內(nèi)容和目標(biāo)，開發(fā)出適合本專業(yè)的虛擬實(shí)驗(yàn)和教學(xué)環(huán)境，其中可設(shè)有如空間實(shí)物模擬（設(shè)計(jì)）實(shí)驗(yàn)、建筑環(huán)境（設(shè)計(jì)）模擬實(shí)驗(yàn)、光環(huán)境模擬、水環(huán)境模擬（綜合）實(shí)驗(yàn)等，進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，并根據(jù)項(xiàng)目任務(wù)確定實(shí)施步驟，借助虛擬現(xiàn)實(shí)的新技術(shù)，如虛擬3D建模、VR人機(jī)體驗(yàn)動(dòng)作數(shù)字化捕捉、BIM建筑信息化、虛擬環(huán)境空間建立等，使學(xué)生對(duì)教學(xué)內(nèi)容有直觀的認(rèn)識(shí)，并可在虛擬實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)自己的創(chuàng)意設(shè)計(jì)。

實(shí)驗(yàn)課程示范，在VR實(shí)驗(yàn)室學(xué)生只需要佩戴VR頭盔，就能在現(xiàn)實(shí)空間里創(chuàng)造虛擬空間，把自己的設(shè)計(jì)方案直觀地展現(xiàn)出來(lái)，實(shí)時(shí)檢查與交流。對(duì)此，急需解決的就是軟件的開發(fā)以及如何做出人機(jī)互動(dòng)良好的體驗(yàn)方式。

實(shí)訓(xùn)課程示范，當(dāng)學(xué)生完成項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)方案后，就可以在VR體驗(yàn)室，通過(guò)簡(jiǎn)單的軟件轉(zhuǎn)換導(dǎo)出可視化的VR模型圖像，佩戴VR眼鏡便可在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中觀察自己的設(shè)計(jì)方案，從而直觀、簡(jiǎn)便地檢查出問(wèn)題并修改、深化方案。

（3）“仿真模型”環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案。學(xué)生通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)完成項(xiàng)目初步設(shè)計(jì)方案后，進(jìn)入深化設(shè)計(jì)方案的階段，在這過(guò)程中學(xué)生是主體。為進(jìn)一步創(chuàng)造出具有不同空間體驗(yàn)和感受的多元教學(xué)平臺(tái)，可利用仿真技術(shù)實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)實(shí)體模型驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可實(shí)施性，查找不足。其中涉及3D虛擬模型、深化方案設(shè)計(jì)、3D打印技術(shù)、等比例實(shí)體模型等制作。

（4）“室外真實(shí)場(chǎng)景驗(yàn)證”環(huán)節(jié)，驗(yàn)證最終方案。學(xué)生按照已制定好的實(shí)驗(yàn)計(jì)劃完成項(xiàng)目任務(wù)。教師帶領(lǐng)學(xué)生走出課室，利用航拍技術(shù)、測(cè)量技術(shù)和施工工藝等，在室外的實(shí)訓(xùn)基地對(duì)部分的虛擬、仿真模型和設(shè)計(jì)方案，進(jìn)行最終的實(shí)現(xiàn)和驗(yàn)證，讓學(xué)生匯報(bào)并展示自己的項(xiàng)目成果，接受他人的評(píng)價(jià)和教師的反饋。

3 虛擬仿真技術(shù)在風(fēng)景園林專業(yè)實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值

風(fēng)景園林是個(gè)實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)，很多課程適合在戶外進(jìn)行教學(xué)，但這樣的室外教學(xué)明顯與傳統(tǒng)的室內(nèi)教學(xué)相沖突，如果要改變現(xiàn)狀則需建立新的實(shí)踐教學(xué)模式。因此，虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)的建設(shè)是非常有必要的，需引起高校的高度重視。

3.1 實(shí)踐教學(xué)的價(jià)值體現(xiàn)

（1）學(xué)生能更好地參與實(shí)際項(xiàng)目，體驗(yàn)多元的空間設(shè)計(jì)，以最有效的實(shí)驗(yàn)方法創(chuàng)作出新穎、大膽、合理的設(shè)計(jì)作品;以展覽的形式與老師、同學(xué)交流，得到企業(yè)的認(rèn)可，實(shí)現(xiàn)方案的采納和人才的錄用。

（2）實(shí)踐課程合理高效。通過(guò)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)可以降低實(shí)際損耗，有效避免傳統(tǒng)教學(xué)中的弊端，提高專業(yè)教學(xué)質(zhì)量，充實(shí)信息資源，利用技術(shù)優(yōu)勢(shì)，直擊教學(xué)難點(diǎn)。結(jié)合實(shí)際的工程，設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，解決了專業(yè)教學(xué)中理論的抽象生硬、施工細(xì)節(jié)講解不到位、工藝操作難以演示等問(wèn)題，有助于提高風(fēng)景園林的建設(shè)水平。

（3）調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，參與各類競(jìng)賽。有助于本院創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)小組活動(dòng)，為參加設(shè)計(jì)競(jìng)賽的學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)條件和環(huán)境;開放虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，支持學(xué)生利用課余或假期時(shí)間進(jìn)行項(xiàng)目開發(fā)和研究，提高其專業(yè)水平。

3.2 滿足教學(xué)方法和教學(xué)手段改進(jìn)的重要途徑

風(fēng)景園林專業(yè)對(duì)學(xué)生的創(chuàng)造力和實(shí)踐能力都有較高的要求。但受傳統(tǒng)教育模式的影響，學(xué)生只能在課室完成專業(yè)課的學(xué)習(xí)任務(wù)，參加社會(huì)實(shí)踐的機(jī)會(huì)微乎其微，無(wú)法真正使學(xué)生理解空間設(shè)計(jì)和施工工程。并且專業(yè)課程通常是圍繞理論加藝術(shù)的培養(yǎng)進(jìn)行設(shè)置，導(dǎo)致學(xué)生的創(chuàng)造性思維不活躍，只會(huì)運(yùn)用典型的藝術(shù)手法進(jìn)行景觀設(shè)計(jì)或規(guī)劃，難以滿足現(xiàn)今的社會(huì)需求。

虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)是設(shè)計(jì)專業(yè)培養(yǎng)人才的重要途徑，能給予學(xué)生直觀的體驗(yàn)，開發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維，增強(qiáng)學(xué)生的動(dòng)手能力和實(shí)驗(yàn)操作能力，并且老師能對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行上傳或修改，隨時(shí)調(diào)整人機(jī)交互的效果。自計(jì)算機(jī)誕生以來(lái)，催生了信息革命，而數(shù)字化、智能化的急速發(fā)展，給我們的生活帶來(lái)了極大的便利，虛擬仿真技術(shù)正是其產(chǎn)物。實(shí)踐教學(xué)融入這種技術(shù)是可行的，能極大地提高教學(xué)效率，帶來(lái)在課堂內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的情景，并且能有效避免施工現(xiàn)場(chǎng)的危險(xiǎn)。最后，學(xué)生可以通過(guò)仿真技術(shù)把設(shè)計(jì)作品制作出來(lái)，在室外基地驗(yàn)證設(shè)計(jì)作品的可實(shí)施性。由此可見(jiàn)，虛擬仿真是高效的、科學(xué)的、可行的實(shí)驗(yàn)手段，是高校建設(shè)的必經(jīng)之路，能夠有效解決傳統(tǒng)室內(nèi)課堂的弊端。

3.3 更能滿足企業(yè)對(duì)高技能型人才的需求

學(xué)生通過(guò)虛擬仿真實(shí)踐，能在進(jìn)入公司前熟悉崗位職能及項(xiàng)目設(shè)計(jì)的整個(gè)施工過(guò)程，有效縮短學(xué)生就業(yè)后對(duì)設(shè)計(jì)公司的適應(yīng)周期，降低培訓(xùn)成本以及提高培訓(xùn)安全性。另外利用虛擬仿真技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，能滿足風(fēng)景園林行業(yè)、建筑行業(yè)、室內(nèi)行業(yè)等的設(shè)計(jì)要求，既包括對(duì)整個(gè)設(shè)計(jì)方案的評(píng)估，又涵蓋了檢查施工工藝中的各種流程。運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)設(shè)計(jì)出來(lái)的方案有骨有肉，不再是空中樓閣，提高了可實(shí)現(xiàn)性;還可以運(yùn)用虛擬軟件進(jìn)行碰撞檢測(cè)，有效檢查出從設(shè)計(jì)到施工，每個(gè)職能部門之間是否有交叉重疊的部分，大大提高工作效率。

4 結(jié)語(yǔ)

將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)從科研領(lǐng)域引入風(fēng)景園林專業(yè)能夠形成一種新型的互動(dòng)式教育模式，通過(guò)運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)，呈現(xiàn)方案設(shè)計(jì)效果，能實(shí)現(xiàn)真實(shí)的人機(jī)體驗(yàn)?zāi)Ｊ?。這種新型互動(dòng)式教育模式，包括“導(dǎo)入—虛擬—仿真—驗(yàn)證”環(huán)節(jié)，能創(chuàng)造出給人不同空間體驗(yàn)和感受的多元活動(dòng)空間，讓學(xué)生們直觀地體驗(yàn)理論知識(shí)，清晰明了、互動(dòng)性強(qiáng)，真正做到了寓教于樂(lè)。通過(guò)虛擬仿真的高效、科學(xué)、可行的實(shí)驗(yàn)手段，極大地提高了教學(xué)效率，帶來(lái)在課堂內(nèi)無(wú)法實(shí)現(xiàn)的情景，運(yùn)用仿真技術(shù)把設(shè)計(jì)作品制作出來(lái)，能有效突破傳統(tǒng)室內(nèi)課堂教學(xué)的局限性，并可結(jié)合室外基地驗(yàn)證設(shè)計(jì)作品的可實(shí)施性，減少重復(fù)工程作業(yè)和損耗，避免高危的施工現(xiàn)場(chǎng)的危險(xiǎn)。

運(yùn)用虛擬仿真技術(shù)的實(shí)踐教學(xué)能讓學(xué)生結(jié)合課程內(nèi)容，“走出課室”體驗(yàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)空間，注重學(xué)生的參與，激發(fā)學(xué)生的積極性與創(chuàng)造性，提高教學(xué)質(zhì)量，使學(xué)生能更好地完成學(xué)習(xí)任務(wù)。虛擬仿真技術(shù)可應(yīng)用于風(fēng)景園林、室內(nèi)設(shè)計(jì)、產(chǎn)品設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)專業(yè)等，目前受益面主要為此類專業(yè)的學(xué)生，還可推廣至其他專業(yè)，如多媒體設(shè)計(jì)、影視設(shè)計(jì)、平面設(shè)計(jì)等，再進(jìn)一步推廣可達(dá)我院其他系部，如游戲系、計(jì)算機(jī)系等，并可推廣至有相關(guān)設(shè)計(jì)專業(yè)的其他院校，受益面甚廣。

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作者簡(jiǎn)介：陳艷莉（1985—），女，廣東廣州人，碩士，講師，研究方向：風(fēng)景園林，建筑設(shè)計(jì)和室內(nèi)設(shè)計(jì)。