虛擬仿真技術(shù)在園林工程課程教學(xué)中的應(yīng)用

于志民，唐佳樂

(廣東海洋大學(xué)寸金學(xué)院，廣東 湛江 524003)

1 虛擬仿真技術(shù)概述及基本條件

1.1 虛擬仿真技術(shù)概述

虛擬是模仿，仿真是模仿真實，虛擬仿真技術(shù)(Virtual Reality)是用一個系統(tǒng)去模仿另一個真實維度世界的技術(shù)[1]。虛擬仿真技術(shù)構(gòu)建了一個虛擬的世界，讓用戶可以借助視覺、聽覺及觸覺等多個感官在虛擬世界體驗、感受和交互另一個世界的事物。另一個世界可以是真實存在的，也可以是虛擬想象的。用戶可通過虛擬仿真技術(shù)在異地游覽故宮全景，也可以模擬駕駛車輛、飛機等。在體驗時，需要借助一些輔助傳感設(shè)備，也被稱為穿戴電子設(shè)備，比如頭盔顯示器、數(shù)據(jù)手套等。虛擬仿真技術(shù)被寄予很大的期望，已成為21世紀(jì)信息技術(shù)的代表。該技術(shù)將刺激計算機軟硬件的下一步超越式提升和發(fā)展。

1.2 虛擬仿真技術(shù)教學(xué)應(yīng)用的基本條件

1.2.1 硬件設(shè)備

當(dāng)前虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用的基本硬件設(shè)備主要有四類，第一類是建模設(shè)備，計算機和3D掃描儀；第二類是顯示類設(shè)備，比如頭盔顯示器，雙目全方位顯示器，大屏幕頭硬-液晶光閘眼鏡等[2]；第三類是聲音設(shè)備，包括三維立體音像和語音識別設(shè)備[3]；第四類是傳感交互設(shè)備，包括數(shù)據(jù)手套、操縱桿、力覺反饋裝置、運動捕捉系統(tǒng)等[4]。

1.2.2 軟件技術(shù)

虛擬仿真技術(shù)教學(xué)應(yīng)用所需的軟件技術(shù)包括虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)管理系統(tǒng)、虛擬仿真教學(xué)識圖與構(gòu)造軟件、虛擬仿真園林規(guī)劃和設(shè)計軟件。虛擬仿真實訓(xùn)教學(xué)管理系統(tǒng)是專為教學(xué)而開發(fā)的管理系統(tǒng)，有導(dǎo)入教學(xué)資源、開展仿真教學(xué)等功能。虛擬仿真教學(xué)識圖與構(gòu)造軟件是展示構(gòu)造圖紙或模型的專用軟件，幫助學(xué)生建立三維模型的立體感。虛擬仿真園林規(guī)劃和設(shè)計軟件是可以進行園林規(guī)劃和設(shè)計的軟件，設(shè)置園林的坐標(biāo)、添加各類素材等，同時支持常用繪圖軟件[5]。

1.2.3 數(shù)字庫

園林專業(yè)教師應(yīng)該配合建立園林?jǐn)?shù)字庫，搭建一個園林工程課程仿真教學(xué)的課程體系，包括各類實際案例的設(shè)計圖紙等。可以隨時方便地在課堂中展示給學(xué)生。設(shè)計圖紙的類型盡可能是標(biāo)準(zhǔn)化的，可供教學(xué)使用。

2 虛擬仿真技術(shù)在園林工程課程教學(xué)中的應(yīng)用

虛擬仿真技術(shù)可以為園林工程課程教學(xué)提供一種交互性教學(xué)和實訓(xùn)性體驗環(huán)境，教師在進行園林工程課程教學(xué)時，借助虛擬仿真技術(shù)可以對教材中的平面化的內(nèi)容進行立體化展示，讓學(xué)生建立園林設(shè)計的立體感。并且在實訓(xùn)課程中，學(xué)生可以自己通過虛擬仿真技術(shù)進行操作和實訓(xùn)。因此，虛擬仿真技術(shù)可以在園林工程設(shè)計類課程、實訓(xùn)類課程、專業(yè)基礎(chǔ)類課程中應(yīng)用。

2.1 園林工程設(shè)計類課程應(yīng)用

園林工程設(shè)計類課程包括園林規(guī)劃設(shè)計課程、居住區(qū)景觀設(shè)計、景觀建筑小品設(shè)計[5]。在園林規(guī)劃設(shè)計課程中，教師會在課堂中展示景點園林設(shè)計的案例及圖紙，學(xué)生會通過課本內(nèi)容、教師多媒體教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)案例及圖紙，只能以二維平面的視角去學(xué)習(xí)，所以學(xué)生只能知曉大概情況。但如果通過虛擬仿真技術(shù)，讓學(xué)生能虛擬“親身”體驗教學(xué)案例的項目，學(xué)生“走進”案例項目，從多個角度去學(xué)習(xí)和認(rèn)識設(shè)計作品，充分感受園林作品的每個細(xì)節(jié)，比如園林的空間布局、園林的色彩、園林的材料、園林的聲音等。

在居住區(qū)景觀設(shè)計課程中，當(dāng)教師完成教學(xué)內(nèi)容后，可以通過虛擬仿真技術(shù)向?qū)W生布置作業(yè)，讓學(xué)生通過虛擬仿真技術(shù)設(shè)計和操作居住區(qū)景觀設(shè)計。學(xué)生在系統(tǒng)中可以自行對地形進行設(shè)計，放置各類園林的要素模型進行隨意布置，比如草坪、樹木等模型。為了讓居住區(qū)實現(xiàn)功能性，還可以布置人行道、寵物集中區(qū)域等，也可以通過多個視角，去觀察設(shè)計情況，查看是否完成了相關(guān)設(shè)計。比如在園林規(guī)劃設(shè)計課程中，學(xué)生如果通過鳥瞰視角去看觀察案例或作品，是一種整體的角度去分析和看待案例或作品是否完整。

在景觀建筑小品課程中，教師在教學(xué)時可以通過虛擬仿真技術(shù)展示三維建筑模型，讓學(xué)生感知到三位立體模型，與二維圖紙的差別。該課程中，教師會布置學(xué)生自行設(shè)計建筑小品，學(xué)生首先在二維圖紙上設(shè)計構(gòu)想和繪畫，再通過虛擬仿真技術(shù)將二維設(shè)計改為三維的立體模型，增強學(xué)生的設(shè)計能力。學(xué)生在看到三維立體模型時，也能增強學(xué)生對學(xué)科的興趣，學(xué)科不再單純是各類圖紙，而是真實立體地呈現(xiàn)在眼前。

2.2 園林工程實訓(xùn)類課程應(yīng)用

園林工程實訓(xùn)類課程過去會讓學(xué)生前往施工現(xiàn)場，去體驗如何施工，如何讓現(xiàn)場施工達到圖紙的效果等。但施工現(xiàn)場存在一定的安全隱患，施工現(xiàn)場對學(xué)生的各方面能力要求也非常高。當(dāng)一個還沒熟練掌握課本知識，也完全不了解工地的學(xué)生冒然前往，學(xué)生極易可能在現(xiàn)場的施工中出現(xiàn)危險事故。虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)可以讓學(xué)生通過技術(shù)直接“前往”施工現(xiàn)場[6]。虛擬仿真實訓(xùn)系統(tǒng)可以提供一個全方位環(huán)繞真實的施工現(xiàn)場模型場景，學(xué)生提前通過實訓(xùn)系統(tǒng)身臨其境，適應(yīng)施工現(xiàn)場環(huán)境，了解施工現(xiàn)場哪些是危險動作，哪些是安全動作，其次，讓學(xué)生模擬相應(yīng)的工作角色，然后通過實訓(xùn)系統(tǒng)去完成相應(yīng)的工作，學(xué)生提前通過模擬現(xiàn)場走一遍程序，建立了良好的施工現(xiàn)場基礎(chǔ)。學(xué)生在實訓(xùn)類系統(tǒng)中遇到的施工現(xiàn)場與實際幾乎是一樣的，真實性非常強，學(xué)生會帶著較強的求知欲去體驗，個人眼中看到的施工現(xiàn)場會更加敏感，還會強迫自己去記住施工現(xiàn)場各類物品的擺放，如何操作現(xiàn)場的儀器和設(shè)備等，學(xué)生可以更好更扎實地進行學(xué)習(xí)。

學(xué)生進行園林工程實訓(xùn)類課程的虛擬仿真模擬的步驟如下，首先，教師向?qū)W生講解和展示施工現(xiàn)場的環(huán)境，再展示完成任務(wù)所需的動作，包括使用的儀器和設(shè)備，操作步驟和工作要求等，讓學(xué)生首先了解施工現(xiàn)場環(huán)境，并聽懂在施工現(xiàn)場所需完成的任務(wù)。接著，就是學(xué)生進入虛擬仿真系統(tǒng)中“真實”體驗，“身臨其境”地完成相關(guān)任務(wù)。學(xué)生通過仿真系統(tǒng)進入施工現(xiàn)場后，先熟悉環(huán)境，保證自己的每個動作都是正確的。反復(fù)操作完成某個指定的工作，掌握儀器和設(shè)備的使用方法，并保證個人完成工作的步驟是正確無誤的。學(xué)生在進入施工現(xiàn)場后，就開始類似“通關(guān)游戲”，每一步都應(yīng)該正確，才能進行下一步的動作，實訓(xùn)類系統(tǒng)會自動進行打分。如果學(xué)生進入施工現(xiàn)場后，不前往指定的工作地點，而是開始四處跑動，出現(xiàn)這種情況實訓(xùn)類系統(tǒng)則會打出第一步驟得分為零，無法進入下一步驟。最后，系統(tǒng)會對學(xué)生整體的實訓(xùn)情況進行打分和評價，教師觀察實訓(xùn)情況和評價會對學(xué)生進行指導(dǎo)。哪些同學(xué)步驟錯誤，哪些同學(xué)完成較差，哪些同學(xué)選材有誤等，都通過回顧視頻的方式向?qū)W生進行講解。

2.3 園林工程專業(yè)基礎(chǔ)類課程應(yīng)用

園林工程專業(yè)基礎(chǔ)類課程主要是園林制圖與識圖，課程內(nèi)容主要講解園林制圖概述，投影原理，繪制點、直線和平面的投影，包括透視投影繪制、剖面圖與斷面圖繪制等，這些涉及立體、投影等圖形無論在課本或者多媒體上呈現(xiàn)都是二維的，教學(xué)時不能給學(xué)生展示立體或者多方位的直視圖，不能進行多方位的觀察或者現(xiàn)場給學(xué)生演示如何修改設(shè)計圖。虛擬仿真技術(shù)不僅能幫助學(xué)生學(xué)習(xí)園林制圖與識圖中的多個部分和內(nèi)容，并且可以對比二維設(shè)計圖和三維模型圖，讓學(xué)生直觀感受繪圖、投影、透視圖、剖面與斷面、構(gòu)造識別等。數(shù)據(jù)庫中存量有大量的建筑構(gòu)建模型，這些模型都是相對規(guī)范，遵守制圖原則的。通過點擊平面圖紙的案例，系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)換為三維模型，讓學(xué)生可以從任意角度去觀察和理解；三維模型可以任意選取斷面或剖面，生成二維圖紙，讓學(xué)生不斷建立二維圖紙與三維模型之間的聯(lián)系，大腦不斷去思考和構(gòu)建相互之間的關(guān)聯(lián)和細(xì)節(jié)，建立空間思維能力。

3 結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)是用一個系統(tǒng)去模仿另一個真實維度世界的技術(shù)，并且利用虛擬仿真技術(shù)可以比“現(xiàn)場”看得更加真切，關(guān)注到更多的細(xì)節(jié)。教師教學(xué)利用虛擬仿真技術(shù)，可以讓學(xué)生能虛擬“親身”體驗教學(xué)案例的項目，從多個角度去學(xué)習(xí)和認(rèn)識設(shè)計作品；學(xué)生進入虛擬仿真系統(tǒng)中“真實”體驗施工現(xiàn)場，“身臨其境”地完成相關(guān)施工任務(wù)；通過多個視角去觀察各類教學(xué)案例；學(xué)生可以對比二維設(shè)計圖和三維模型圖，建立空間思維能力。引入虛擬仿真技術(shù)后，園林工程課程教學(xué)可進一步實現(xiàn)改革創(chuàng)新，加強學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，以超前思維去培養(yǎng)學(xué)生的各方面能力和技術(shù)。