虛擬仿真技術(shù)在環(huán)境設(shè)計專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究

李君

關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù);環(huán)境設(shè)計專業(yè);教學(xué)應(yīng)用

隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用于藝術(shù)設(shè)計課程的教學(xué)中，為高校提高教學(xué)質(zhì)量提供了有效的教學(xué)手段。環(huán)境設(shè)計專業(yè)的基礎(chǔ)課將虛擬仿真技術(shù)作為教學(xué)創(chuàng)新的核心，并基于虛擬仿真技術(shù)可視化、直觀的特點(diǎn)，構(gòu)建了多元虛擬系統(tǒng)模擬資源庫，輔助環(huán)境設(shè)計專業(yè)的理論教學(xué)。以期應(yīng)對信息時代背景下虛擬仿真技術(shù)在環(huán)境設(shè)計教學(xué)中的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

1 虛擬仿真技術(shù)概述

1.1 虛擬仿真技術(shù)的概念

美國計算機(jī)科學(xué)家Jaron Lanier 于1989 年提出使用“虛擬現(xiàn)實(shí)”一詞以統(tǒng)一表述新的人機(jī)交互技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)包括計算機(jī)、電子信息、仿真技術(shù)等，其基本實(shí)現(xiàn)方式是計算機(jī)模擬虛擬環(huán)境從而給人以環(huán)境沉浸感。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是利用計算機(jī)生成逼真的三維效果虛擬場景，在交互過程中使被仿真環(huán)境、視覺系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)同步捆綁在一起，使用戶可以輕松獲得各種傳感設(shè)備感知的一種技巧。該技術(shù)依靠高科技的硬件和軟件來生成模具模擬真實(shí)世界，給人身臨其境的觀看體驗。也就是說，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)三維現(xiàn)實(shí)，模擬現(xiàn)實(shí)世界的環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬情景模擬，依托高科技硬件和軟件生成逼真的虛擬環(huán)境，用戶通過五感與虛擬環(huán)境中的人物、場景、事件、主題等建立聯(lián)系，產(chǎn)生交互性和多感知性的體驗[1]。因此，虛擬仿真系統(tǒng)具有多媒體信息感知性、沉浸感和交互性等特點(diǎn)。虛擬仿真技術(shù)具有傳達(dá)視覺、聽覺、觸覺等信息的能力，將用戶體驗融入虛擬環(huán)境，通過交互設(shè)備展現(xiàn)虛擬世界的對象，使用戶具有真實(shí)的體驗感。

1.2 虛擬仿真技術(shù)的特征

1.2.1 真實(shí)的沉浸式

沉浸式是讓客戶感受到真實(shí)的虛擬世界，可以通過計算機(jī)的輔助將場景參數(shù)模擬出來，而用戶則只需通過眼鏡或是頭盔等傳感工具的輔助實(shí)現(xiàn)真實(shí)場景的感同身受。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以模擬真實(shí)世界，用戶能夠在虛擬世界中感受到與現(xiàn)實(shí)一樣的感覺， 這種技術(shù)是對人類感官的全面模擬，能夠為人們帶來極為真實(shí)的體驗[2]。

1.2.2 豐富的想象性

豐富的想象性是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的重要特點(diǎn)，基于這種特點(diǎn)能夠讓用戶充分感受到虛擬世界的真實(shí)感，并完全沉浸在其中。由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種模擬技術(shù)（未來事物或虛擬事物），因而用戶可以在實(shí)際的模擬場景中通過豐富的聯(lián)想開闊思維，使得創(chuàng)造力得到有效提升，達(dá)到建筑室內(nèi)設(shè)計的綜合效果，拓寬人們的認(rèn)知限度。

1.2.3 實(shí)時的交互性

交互性主要指的是用戶能夠根據(jù)自己的需求對虛擬世界進(jìn)行操作，這種操具有一定的實(shí)時性，通過對虛擬世界的操作能夠獲得及時的反饋，常用的交互方式包括動作捕捉、觸覺反饋等。

2 虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境設(shè)計專業(yè)教學(xué)現(xiàn)狀

2.1 傳統(tǒng)環(huán)境設(shè)計教學(xué)實(shí)驗中心硬件設(shè)施落后

環(huán)境設(shè)計專業(yè)主要是為我國建筑設(shè)計、室內(nèi)設(shè)計、公共藝術(shù)設(shè)計及園林景觀設(shè)計等行業(yè)培養(yǎng)專業(yè)人才，傳統(tǒng)環(huán)境設(shè)計教學(xué)實(shí)驗中心的實(shí)踐教學(xué)過于抽象，設(shè)計圖也是以二維圖紙為主，硬件設(shè)施相對落后，不僅會降低學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時學(xué)生也無法有效地接受相關(guān)知識內(nèi)容，從而降低學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量，不利于學(xué)生今后的發(fā)展。

2.2 教學(xué)實(shí)踐課程教學(xué)環(huán)節(jié)單一

傳統(tǒng)環(huán)境設(shè)計教學(xué)初期，教師多數(shù)會導(dǎo)入一些模塊化案例的內(nèi)容和資料讓學(xué)生進(jìn)行認(rèn)知，包含環(huán)境設(shè)計概念、環(huán)境設(shè)計表達(dá)、環(huán)境空間設(shè)計三個知識進(jìn)階板塊。在授課過程中經(jīng)常會出現(xiàn)部分學(xué)生易產(chǎn)生課堂注意力不集中、興趣度不高等現(xiàn)象。環(huán)境設(shè)計專業(yè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)會涉及很多概念教學(xué)環(huán)節(jié)，目前僅靠圖片、電子數(shù)據(jù)資料和項目案例等教學(xué)方式，因此學(xué)生對相關(guān)概念及發(fā)展歷史僅停留在文字層面。如環(huán)境設(shè)計專業(yè)要求學(xué)生具有對空間的塑造能力。在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師常用統(tǒng)籌營造空間的方法，引導(dǎo)學(xué)生通過理性分析來探索空間。該教學(xué)環(huán)節(jié)需要學(xué)生具備一定的空間想象力和表達(dá)能力。在以往的教學(xué)中，景觀空間設(shè)計手法僅是就形體論形體、就空間論空間，導(dǎo)致部分學(xué)生無法在實(shí)際情況中靈活運(yùn)用。

目前，虛擬仿真技術(shù)在風(fēng)景園林、景觀設(shè)計教學(xué)中進(jìn)行應(yīng)用，一是在單一課程的“原理認(rèn)知—空間設(shè)計—表達(dá)呈現(xiàn)”知識鏈條中穿插虛擬仿真輔助教學(xué)。針對課程特點(diǎn)搭建“虛擬仿真 + 課平臺”模式，構(gòu)建環(huán)境設(shè)計專業(yè)課程的虛擬仿真景觀資料庫;二是隨著環(huán)境設(shè)計專業(yè)學(xué)生年級的增加和專業(yè)知識難度的提升，虛擬仿真技術(shù)的引入方式也要隨之調(diào)整。因此，環(huán)境設(shè)計專業(yè)作為虛擬仿真技術(shù)教學(xué)輔助的基點(diǎn)，由概念認(rèn)知和歷史梳理逐漸過渡到空間設(shè)計和表達(dá)呈現(xiàn)等教學(xué)環(huán)節(jié)。

3 虛擬仿真技術(shù)在環(huán)境設(shè)計專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用意義

3.1 為案例教學(xué)環(huán)節(jié)提供虛擬演示場景

虛擬仿真技術(shù)在環(huán)境設(shè)計專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用，可以為案例教學(xué)環(huán)節(jié)提供虛擬、仿真和模擬的演示場景。如收集素材（DLG 影像測量、影像解析）、虛擬仿真環(huán)境建模、虛擬仿真運(yùn)行程序開發(fā)（GIS 云計算平臺）、系統(tǒng)集成、安裝和配置演示環(huán)境等。而要完成虛擬現(xiàn)實(shí)功能，其步驟包含：虛擬漫游、操作模型、環(huán)境配置、方案比較、信息查詢、空間量算。而虛擬仿真技術(shù)在環(huán)境設(shè)計專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用場景主要有以下三種：

1） 利用三維地形生成軟件 Terra Builder 構(gòu)建真實(shí)的地形模型，并將道路、河流、山川，以及人文景觀疊加到MPT 地形圖中，統(tǒng)一生成三維地形模型。

2） 在互聯(lián)網(wǎng)平臺上，利用三維GIS 軟件Skyline 系統(tǒng)軟件開發(fā)包，建立系統(tǒng)的三維顯示框架程序。

3） 在互聯(lián)網(wǎng)平臺上，利用三維GIS 軟件Skyline 系統(tǒng)軟件組件開發(fā)接口實(shí)現(xiàn)各種信息的二維查看、查詢、測量等一系列功能，以及二維與三維的交互性查看、漫游，并實(shí)現(xiàn)二維地圖與三維場景的互換。學(xué)?？梢耘鋫涮摂M仿真教學(xué)實(shí)驗室，利用虛擬仿真軟件進(jìn)行輔助[3]。同時，虛擬仿真材料庫和編輯工具可以在三維場景中模擬環(huán)境和人類的活動范圍，提高設(shè)計效果的模仿，使學(xué)生能夠在教師的指導(dǎo)下身臨其境地進(jìn)行虛擬學(xué)習(xí)。

3.2 使學(xué)生具有真實(shí)的體驗感

虛擬仿真技術(shù)在環(huán)境設(shè)計教育與培訓(xùn)中的應(yīng)用，可以提供數(shù)據(jù)和模型的可視化，使學(xué)生具有真實(shí)的體驗感。例如，在環(huán)境設(shè)計制圖中，可以通過DEM 土方工程等工程計算，隨時調(diào)整設(shè)計方案。虛擬仿真技術(shù)也有整合改造、虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化的作用，可以通過網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到每一個室內(nèi)空間。因此，新技術(shù)可以帶來新的教育培養(yǎng)思維，解決環(huán)境設(shè)計專業(yè)的扁平化教學(xué)模式，使學(xué)生具有真實(shí)的體驗感（如圖1）。

3.3 提高教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和興趣

與傳統(tǒng)的二維圖像設(shè)計教學(xué)相比，虛擬仿真教學(xué)技術(shù)將教學(xué)設(shè)計以全虛擬3D 效果呈現(xiàn)，并進(jìn)行現(xiàn)場檢查，然后對場地環(huán)境進(jìn)行分析，整合各種信息。例如，對3D 模型的需求是教師可以通過衛(wèi)星參與教學(xué)過程地圖捕捉一個區(qū)域的平面圖，然后使用虛擬技術(shù)直接將平面截圖轉(zhuǎn)換為3D 模型借助圖像建模，可以準(zhǔn)確、快速地建立周圍的模型。教學(xué)中，教師和學(xué)生可以使用以上兩種技術(shù)對模型的每一部分進(jìn)行分析觀察，學(xué)生可以在老師的指導(dǎo)下完成空間布局規(guī)劃。這種教學(xué)方法能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生對模型的觀察熱情，確保學(xué)生能夠從多個方面對模型設(shè)計進(jìn)行思考和分析，保證學(xué)生可以對其做出明確的判斷，并在虛擬現(xiàn)實(shí)空間中幫助學(xué)生測試空間與人的關(guān)系，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，獲得實(shí)際的存儲空間設(shè)計能力，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)。因此，良好的教學(xué)氛圍能夠提高教學(xué)質(zhì)量，從而提高學(xué)生的效率學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的綜合設(shè)計能力[4]。

3.4 方便調(diào)整實(shí)踐作業(yè)過程和效果

環(huán)境設(shè)計項目設(shè)計是一個復(fù)雜、漫長的過程，與此同時，其還會涉及許多其他學(xué)科知識。與傳統(tǒng)的二維圖像設(shè)計相比，虛擬仿真技術(shù)在實(shí)踐教學(xué)中具有較高的科學(xué)技術(shù)水平，可以為環(huán)境設(shè)計提供一個更廣闊的發(fā)展空間。在學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計的過程中，學(xué)生可隨時隨地優(yōu)化調(diào)整設(shè)計方案，從而進(jìn)一步加速環(huán)境設(shè)計的實(shí)踐作業(yè)進(jìn)展情況，讓學(xué)生也能進(jìn)行環(huán)境設(shè)計的過程和效果實(shí)時觀察，使學(xué)生能夠及時發(fā)現(xiàn)問題，并使之及時有效改善。

4 虛擬仿真技術(shù)在環(huán)境設(shè)計專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用思路

4.1 建立并完善虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)中心

在學(xué)校的積極配合下，學(xué)校相關(guān)部門與環(huán)境設(shè)計專業(yè)教學(xué)組一同建立了虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)中心，根據(jù)當(dāng)前環(huán)境設(shè)計的技術(shù)發(fā)展，選擇適合的虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)設(shè)備。包括先進(jìn)的大屏幕背投系統(tǒng)等硬件設(shè)施，以及各種相關(guān)的模擬、設(shè)計、分析等正版軟件設(shè)施，由專人負(fù)責(zé)教學(xué)中心硬件設(shè)施及軟件設(shè)施的保養(yǎng)、維護(hù)與更新，從而確保教學(xué)過程中設(shè)施能夠正常運(yùn)行，為虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)的有序進(jìn)行提供保障。此外，在實(shí)踐教學(xué)過程中，及時發(fā)現(xiàn)當(dāng)中存在的問題，并通過全面分析，找出引發(fā)問題的關(guān)鍵，最后通過會議提出具有建設(shè)性意義的改進(jìn)措施，對虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)中心進(jìn)行全面完善（如圖2）。

4.2 構(gòu)建并模擬仿真的實(shí)踐課程教學(xué)

4.2.1 理論教學(xué)環(huán)節(jié)協(xié)同虛擬仿真教學(xué)并行

虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)中的 BIM 技術(shù)對環(huán)境設(shè)計專業(yè)學(xué)生的自身能力要求較高，部分自身能力較差的學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)時可能會出現(xiàn)學(xué)習(xí)效率偏低的現(xiàn)象，使得學(xué)生無法真正掌握技術(shù)要點(diǎn)。在教學(xué)實(shí)踐課程中可以設(shè)立相關(guān)虛擬仿真內(nèi)容，學(xué)生能夠在獲得基礎(chǔ)環(huán)境設(shè)計知識理論的基礎(chǔ)上，借助虛擬仿真技術(shù)強(qiáng)大的仿真、可視化能力，幫助低年級學(xué)生加快建立起對景觀設(shè)計的系統(tǒng)性認(rèn)知，提升低年級學(xué)生對空間設(shè)計的興趣。教師在設(shè)計概念教學(xué)環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)學(xué)生對于抽象原理的可視化認(rèn)知[5]。

在設(shè)計表達(dá)教學(xué)環(huán)節(jié)，以虛擬仿真技術(shù)融合經(jīng)典設(shè)計臨摹，強(qiáng)調(diào)環(huán)境設(shè)計的二維平面和三維空間屬性，聚焦基本概念理解;在環(huán)境空間設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)，突出環(huán)境空間設(shè)計給人的尺度感受，側(cè)重自然空間的生命性和時間性，通過對研究對象尺度的放大或縮小，幫助學(xué)生建立起環(huán)境空間設(shè)計的尺度意識與系統(tǒng)意識，提升其空間設(shè)計興趣。設(shè)立虛擬仿真教學(xué)實(shí)踐課堂，融入環(huán)境專業(yè)設(shè)計相關(guān)概念的教學(xué)環(huán)節(jié)，構(gòu)建虛擬仿真景觀資料庫，建立部分經(jīng)典案例的虛擬場景，串聯(lián)環(huán)境設(shè)計的發(fā)展歷史，可以強(qiáng)化學(xué)生對于抽象概念的可視化認(rèn)知。

4.2.2 實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)搭建虛擬仿真的平臺

虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)能提升學(xué)生的技術(shù)水平，因此應(yīng)用型本科院校可以設(shè)立虛擬仿真實(shí)踐選修課，學(xué)生可根據(jù)自身能力與興趣選擇學(xué)習(xí)課程，同時教師也可利用互聯(lián)網(wǎng)建立線上虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)交流平臺。學(xué)生不僅能夠在課堂中學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)技術(shù)，學(xué)生也可以在網(wǎng)上實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)心得的交流，使學(xué)生能夠通過交流心得從中發(fā)現(xiàn)原本沒有領(lǐng)悟到的知識，從而實(shí)現(xiàn)自身技術(shù)能力的提升。

1） 多門專業(yè)課程協(xié)同教學(xué)?？梢栽诃h(huán)境設(shè)計專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)的概念認(rèn)知、設(shè)計要素應(yīng)用、設(shè)計實(shí)訓(xùn)三大模塊應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，使學(xué)生對環(huán)境設(shè)計理論、經(jīng)典案例及空間尺度能有清晰地了解。環(huán)境設(shè)計專業(yè)課程隨著學(xué)生年級的變化，在訓(xùn)練意圖、設(shè)計難度、表達(dá)深度等方面要求虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于專業(yè)課程的比例、方向和深度都有所差別。有效利用虛擬仿真技術(shù)輔助高年級專業(yè)課程教學(xué)，可以打通多門專業(yè)課程協(xié)同教學(xué)環(huán)節(jié)，建設(shè)數(shù)字化環(huán)境設(shè)計課程體系。

2） 體驗式課程教學(xué)。借助虛擬仿真技術(shù)的體驗式課程教學(xué)是激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的重要途徑。教師要以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和提升其創(chuàng)造力為目標(biāo)，突破以往教學(xué)的抽象講解與說教形式，將抽象的原理與概念轉(zhuǎn)換為具體可感的虛擬空間。虛擬仿真景觀教學(xué)資源庫將借助虛擬仿真平臺的可視性、直觀性、動態(tài)性和互聯(lián)網(wǎng)的連接性，打造虛擬歷史館、經(jīng)典作品館、虛擬展廳等形式，為學(xué)生學(xué)習(xí)景觀設(shè)計基礎(chǔ)課程、梳理歷史脈絡(luò)提供虛擬體驗。

3） 多軟件聯(lián)合教學(xué)。目前應(yīng)用于環(huán)境設(shè)計教學(xué)中的軟件主要包括 CAD、Sketch Up、3Ds Max、Photoshop 等，實(shí)施虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)后便可以將 BIM 技術(shù)作為教學(xué)主線，把原有的教學(xué)軟件串聯(lián)起來，實(shí)現(xiàn)多軟件聯(lián)合教學(xué)，確保學(xué)生能夠同時掌握當(dāng)前主流的環(huán)境設(shè)計軟件和技術(shù)。同時，在實(shí)施材料與施工、居住環(huán)境設(shè)計、商業(yè)環(huán)境規(guī)劃、景觀設(shè)計等專業(yè)課程的實(shí)踐教學(xué)時，可在實(shí)踐教學(xué)的過程中實(shí)施虛擬技術(shù)教學(xué)，從而將學(xué)生的主觀能動性充分調(diào)動起來，使學(xué)生能夠更加積極主動地參與并完成虛擬技術(shù)學(xué)習(xí)，從而達(dá)到提高學(xué)生二維、三維模型聯(lián)合應(yīng)用能力的目的。

4.3 搭建教學(xué)反饋跟蹤分析系統(tǒng)

在完善虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)中心的基礎(chǔ)上，同時將成本跟蹤分析系統(tǒng)引進(jìn)其中，并且還需要結(jié)合《設(shè)計成本規(guī)劃管理系統(tǒng)》。教師可分析環(huán)境設(shè)計中的相關(guān)因素，并將各自變量、因變量及之間的關(guān)系找出來，根據(jù)這些信息將正確的目標(biāo)函數(shù)關(guān)系式列出，同時明確各個關(guān)系式之間的約束條件。此外，可由教師建立線性規(guī)劃模型，通過對規(guī)劃模型進(jìn)行求解，以此將最佳的設(shè)計參數(shù)計算出來。學(xué)生便可以在科學(xué)的設(shè)計指導(dǎo)下，設(shè)計出一套藝術(shù)性、功能性、經(jīng)濟(jì)性等完美統(tǒng)一的環(huán)境設(shè)計方案，實(shí)現(xiàn)環(huán)境設(shè)計專業(yè)學(xué)生自身能力的全面提升。

5 結(jié)語

在科學(xué)技術(shù)發(fā)展迅速的時代，虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)體系不僅能夠幫助學(xué)生更加有效的學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計的實(shí)踐操作，促進(jìn)學(xué)生能力的提高，同時也是順應(yīng)我國環(huán)境設(shè)計的發(fā)展，為我國培養(yǎng)高水準(zhǔn)的環(huán)境設(shè)計人才。此外，將虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境設(shè)計專業(yè)教學(xué)中，是環(huán)境設(shè)計專業(yè)教學(xué)與科技軟件配套課程相結(jié)合的新嘗試。希望通過此次的研究，虛擬仿真技術(shù)的應(yīng)用能提升環(huán)境設(shè)計專業(yè)教學(xué)的質(zhì)量，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)。