基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的植物造景課程教學(xué)改革探索

吳巖　王凱

【摘要】? ? 本文以探討基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的“植物造景”課程教學(xué)方法改革為手段，達(dá)到提升風(fēng)景園林專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，為國家生態(tài)文明建設(shè)助力的研究目的。以華北水利水電大學(xué)建筑學(xué)院風(fēng)景園林教研室的教學(xué)改革實(shí)踐為基礎(chǔ)，通過對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在“植物造景”課程中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行分析，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入課程教學(xué)改革中的必要性進(jìn)行論證，總結(jié)了將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入課堂教學(xué)的方法與創(chuàng)新點(diǎn)，并對(duì)課程未來的教學(xué)模式做出展望。

【關(guān)鍵詞】? ? 教學(xué)改革? ? 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)? ? 園林植物? ? 虛擬認(rèn)知? ? 虛擬搭建

引言：

如何將現(xiàn)代信息技術(shù)通過科學(xué)有效的方法和途徑融入“植物造景”課程教學(xué)，起到開闊學(xué)生視野，提高學(xué)生設(shè)計(jì)水平，提升風(fēng)景園林專業(yè)人才培養(yǎng)質(zhì)量，為國家生態(tài)文明建設(shè)助力的作用，是本次“植物造景”課程教學(xué)改革的重要目的。

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”的英文名稱是Virtual Reality technology，簡(jiǎn)稱：VR，是一種借助光學(xué)技術(shù)和3D重構(gòu)技術(shù)，集虛幻性、感染性和娛樂性于一體，強(qiáng)調(diào)存在感和臨場(chǎng)感，綜合應(yīng)用于多學(xué)科領(lǐng)域的新型科學(xué)技術(shù)[2]。且具備以下特點(diǎn)：多感知性，即除了通過計(jì)算機(jī)技術(shù)能提供的視覺感知外，還能夠融合味覺、觸覺、聽覺、運(yùn)動(dòng)感知等;實(shí)時(shí)性，在虛擬技術(shù)模擬的環(huán)境中，其中物體依據(jù)物理學(xué)定律運(yùn)動(dòng)，能夠?qū)崟r(shí)響應(yīng)對(duì)于參與者的要求;沉浸性，在虛擬技術(shù)模擬的環(huán)境中，參與者有身臨其境的感受，使參與者達(dá)到難以分辨真假的程度，能夠完全投入一種狀態(tài);交互性，參與者能夠通過專用設(shè)備，實(shí)現(xiàn)虛擬環(huán)境中事物的操作，改變事物的存在狀態(tài)。

二、基于虛擬現(xiàn)實(shí)的植物造景課程改革的必要性

國內(nèi)外很多農(nóng)林類、建筑類高等院校紛紛將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于實(shí)踐、實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)[3]。教育部從2017年開始遴選國家級(jí)虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，風(fēng)景園林專業(yè)教育指導(dǎo)委員會(huì)也針對(duì)本學(xué)科的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目進(jìn)行方向上的指導(dǎo)。

“植物造景”是風(fēng)景園林專業(yè)一門重要的植物類課程，課程傳統(tǒng)的教學(xué)方法受時(shí)間、空間、季節(jié)、氣候等因素的制約，無法觀察到園林植物在各種生境條件下、全生命周期內(nèi)的形態(tài)變化特征及造景效果，是風(fēng)景園林專業(yè)人才培養(yǎng)中的一個(gè)難點(diǎn)。首先，在有限的時(shí)間、空間等條件下，限制了植物認(rèn)知的廣度，導(dǎo)致植物認(rèn)知的品種和數(shù)量不足。其次，植物認(rèn)知效果不全面。園林植物的生長受地域、氣候等因素的制約，無法對(duì)園林植物進(jìn)行全面觀察。再次，無法對(duì)植物造景效果進(jìn)行真實(shí)觀察。傳統(tǒng)教學(xué)方法中，由于植物生長過程所帶來的景觀變化只能通過有限的圖示語言輔以文字語言進(jìn)行描述，學(xué)生理解的難度較大。

三、基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的植物造景課程的應(yīng)用現(xiàn)狀

（一） 搭建軟件平臺(tái)

華北水利水電大學(xué)建筑學(xué)院風(fēng)景園林教研室自2016年開始，就嘗試將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入植物類課程的教學(xué)，目前開發(fā)了并投入使用了虛擬現(xiàn)實(shí)認(rèn)知平臺(tái)“左看右看上看下看”、“數(shù)字化作業(yè)平臺(tái)”、“植物造景虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”，實(shí)現(xiàn)植物類課程的沉浸式虛擬認(rèn)知以及植物造景方案的虛擬仿真搭建與觀察。（圖1）

（二） 學(xué)習(xí)效果預(yù)期

基于“以問題為導(dǎo)向”、“以學(xué)生為中心的”教學(xué)理念，堅(jiān)持“能實(shí)不虛、以虛補(bǔ)實(shí)”的建設(shè)思路，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于“植物造景”課程教學(xué)，通過園林植物虛擬認(rèn)知與園林造景虛擬仿真搭建、觀察，以期能夠達(dá)到以下學(xué)習(xí)效果：第一，通過對(duì)不同生境條件下植物景觀效果的認(rèn)知觀察，了解影響植物生長的各種環(huán)境因子。第二，通過改變?cè)O(shè)計(jì)作品的生境參數(shù)，觀察植物的季相變化與園林造景效果，在方案的推敲優(yōu)化中掌握?qǐng)@林造景的基本原則。第三，通過時(shí)間推演觀察植物生長，培養(yǎng)學(xué)生具備四維空間設(shè)計(jì)能力，即：三維空間+一維時(shí)間，使學(xué)生在關(guān)注三維園林空間構(gòu)建的同時(shí)也關(guān)注園林植物生長給空間帶來的變化。第四，通過新的教學(xué)方式方法，提高了人才培養(yǎng)效率與質(zhì)量，為打造虛擬“金課”做準(zhǔn)備，滿足國家對(duì)于新工科人才培養(yǎng)的要求。第五，通過虛擬仿真的教學(xué)方式充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，使之成為激發(fā)自主學(xué)習(xí)動(dòng)力的有效途徑。

（三）教學(xué)效果評(píng)價(jià)

經(jīng)過三年時(shí)間的教學(xué)探索，“植物造景”課程將虛擬現(xiàn)實(shí)手段融入課堂教學(xué)彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)方式的不足，采用“傳統(tǒng)+實(shí)物+虛擬”相結(jié)合的教學(xué)方式方法，授課過程逐步演變成：課堂講授→戶外認(rèn)知→虛擬認(rèn)知→繪制方案→虛擬仿真搭建→調(diào)整方案→上傳作業(yè)平臺(tái)→教師評(píng)價(jià)，八個(gè)環(huán)節(jié)。

其中傳統(tǒng)的理論教學(xué)部分，教師主要依靠語言和圖片傳達(dá)造園法則等知識(shí)點(diǎn)。比如，多樣與統(tǒng)一是植物造景基本原則之一。以往的教學(xué)，教師就原則講原則，學(xué)生沒有代入感，難以產(chǎn)生共鳴。通過園林造景虛擬仿真搭建，師生多人協(xié)同進(jìn)入同一虛擬場(chǎng)景，教師用精確的重復(fù)種植體現(xiàn)植物景觀的統(tǒng)一感，再用大小、樹形、色彩不同的植物材料構(gòu)成變化多端，無序凌亂的植物景觀空間。用這樣的教學(xué)方法，教師無需多言，學(xué)生就能體會(huì)過于統(tǒng)一、沒有變化的單調(diào)呆板和變化太多、雜亂無章的心煩意亂。（圖2）

虛擬園林植物認(rèn)知環(huán)節(jié)，打破了傳統(tǒng)的戶外考查受時(shí)間、空間等多因素制約的限制，傳統(tǒng)教學(xué)方式中學(xué)生通常只能就近觀察當(dāng)季的植物景觀，教師依靠語言和影像資料也不能給予學(xué)生沉浸式體驗(yàn)。比如，學(xué)生能方便地對(duì)自己所在城市的植被群落進(jìn)行考查。但是，自然界中因地理區(qū)域的不同分布著不同的植物生態(tài)景觀。如熱帶雨林、季雨林景觀、亞熱帶的常綠闊葉林、常綠硬葉林景觀，溫帶的夏綠闊葉林、針葉林景觀，寒帶的苔原等。本實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生通過移動(dòng)端，配合VR眼睛，足不出戶就能對(duì)各植被類型進(jìn)行直觀地沉浸式認(rèn)知。（圖3）

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)訓(xùn)練依托二維圖紙，師生無法真實(shí)感受園林景觀的三維效果，也不能觀察方案中植物的生長變化狀況。通過本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可將自己的植物造景方案在場(chǎng)景中利用豐富的植物材料模型庫進(jìn)行真實(shí)搭建，并借助VR頭盔端，進(jìn)入自己搭建的場(chǎng)景中，感受三維空間中所呈現(xiàn)的植物高低、樹形、色彩、組合等效果，并通過一天中早、中、晚的參數(shù)設(shè)置觀察植物的光影變化，通過一年中春、夏、秋、冬的季節(jié)設(shè)置觀察植物的季相變化，通過設(shè)置時(shí)間進(jìn)度觀察植物的生長發(fā)育情況。（圖4）

四、基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的植物造景課程改革的創(chuàng)新點(diǎn)

支持體驗(yàn)和觀察的教學(xué)環(huán)節(jié)，有助于學(xué)生推敲優(yōu)化方案。課程結(jié)束后將作業(yè)成果上傳數(shù)字作業(yè)平臺(tái)，不同年級(jí)的同學(xué)都可以訪問作業(yè)庫，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)過程的開放與共享，教師和同學(xué)通過頭盔一起進(jìn)入場(chǎng)景進(jìn)行沉浸式觀察并給予評(píng)價(jià)。在整個(gè)教學(xué)過程中，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)工具與教學(xué)方法的以下創(chuàng)新：

（一）認(rèn)知方式的創(chuàng)新

建立合理有序的植物類虛擬現(xiàn)實(shí)認(rèn)知資料庫體系，開展多角度、多層次的典型案例認(rèn)知，擴(kuò)大了教育內(nèi)容的廣度與深度。

（二）教學(xué)過程管理的創(chuàng)新

通過網(wǎng)站后臺(tái)的課程教育大數(shù)據(jù)管理，精準(zhǔn)了解學(xué)生的認(rèn)知需求，調(diào)整資源的分布情況，最大限度地調(diào)動(dòng)學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的積極性，真正做到因材施教。

（三） 教學(xué)過程安排的創(chuàng)新

技術(shù)的革新帶來教學(xué)方式的改變，將技術(shù)深度融入課堂，對(duì)傳統(tǒng)的授課模式進(jìn)行深入細(xì)致的研究，將傳統(tǒng)教學(xué)過程變成：課堂講授→戶外認(rèn)知→虛擬認(rèn)知→繪制方案→虛擬仿真搭建→調(diào)整方案→上傳作業(yè)平臺(tái)→教師評(píng)價(jià)，八個(gè)環(huán)節(jié)。

實(shí)現(xiàn)教學(xué)過程的開放與協(xié)同，搭建了可以互動(dòng)交流的虛擬學(xué)習(xí)場(chǎng)景，在學(xué)習(xí)過程中融入社交屬性，變被動(dòng)接受為主動(dòng)交流。

（四）教學(xué)平臺(tái)的創(chuàng)新

目前已經(jīng)開發(fā)了虛擬現(xiàn)實(shí)認(rèn)知平臺(tái)“左看右看上看下看”、“數(shù)字化作業(yè)平臺(tái)”、“植物造景虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)”，下一步在完善優(yōu)化現(xiàn)有平臺(tái)的基礎(chǔ)上，開發(fā)基于AR互動(dòng)技術(shù)的專業(yè)教材，并逐步面向社會(huì)開放。

（五）教學(xué)評(píng)價(jià)方式的創(chuàng)新

“線上、線下”相結(jié)合評(píng)價(jià)體系。依托平臺(tái)的相應(yīng)課程，按照教學(xué)計(jì)劃制定實(shí)驗(yàn)各階段的評(píng)價(jià)辦法。課程的實(shí)驗(yàn)階段和評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在數(shù)字作業(yè)平臺(tái)中由任課教師預(yù)先設(shè)定，平臺(tái)保存全過程實(shí)驗(yàn)文件，每個(gè)實(shí)驗(yàn)階段的模型場(chǎng)景由系統(tǒng)發(fā)布為各終端使用文件，方便師生交流、互動(dòng)以及評(píng)比打分。平臺(tái)建立的學(xué)生實(shí)驗(yàn)檔案，永久保留，為學(xué)科建設(shè)發(fā)展提供依據(jù)。

新技術(shù)的發(fā)展不可阻擋，合理有效的利用新技術(shù)讓植物生境、影響因子、思維設(shè)計(jì)等抽象知識(shí)變得更加生動(dòng)化、形象化和直觀化。在教學(xué)中加大對(duì)教師隊(duì)伍的培訓(xùn)力度，使教師能夠認(rèn)可新技術(shù)、學(xué)習(xí)新技術(shù)、使用新技術(shù)，從而幫助學(xué)生感性地去理解相關(guān)知識(shí)和概念，引導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)造思維方式轉(zhuǎn)變，適應(yīng)未來發(fā)展需求，培養(yǎng)一流創(chuàng)新人才。

五、前景與展望

隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不斷融入教學(xué)過程，大量傳統(tǒng)學(xué)科的教學(xué)方式都得到了優(yōu)化與提升，未來基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)踐探索與教學(xué)改革必定越來越普及越來越深入，“植物造景”課程中以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為依托的認(rèn)知方式并不是為了代替?zhèn)鹘y(tǒng)園林植物的認(rèn)知方式，而是對(duì)傳統(tǒng)認(rèn)知方式深度、廣度的有效補(bǔ)充，未來一定會(huì)被更多的院校所采用。除了認(rèn)知環(huán)節(jié)之外利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)教學(xué)場(chǎng)景的虛擬搭建、效果體驗(yàn)、空間感知、過程控制等也將能很好地得以呈現(xiàn)，這些環(huán)節(jié)的革新，將會(huì)更好地解決風(fēng)景園林教學(xué)過程中的難點(diǎn)，為人才培養(yǎng)助力。

隨著5G技術(shù)的到來、軟硬件技術(shù)將會(huì)迎來新的突破，體驗(yàn)感會(huì)越來越強(qiáng)，全面擁抱新技術(shù)才是未來的趨勢(shì)。不斷學(xué)習(xí)新技術(shù)，探索新技術(shù)與傳統(tǒng)教育方式的融合之道，必定是未來信息化教育教學(xué)改革的重要工作。

作者單位：吳巖? ? 王凱? ? 華北水利水電大學(xué) 建筑學(xué)院

參? 考? 文? 獻(xiàn)

[1] 馮利民.基于VR技術(shù)的虛擬教學(xué)應(yīng)用探討[J].教育科學(xué)（全文版），2016，（12）：243-243.

[2] 董璟，曾誠.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在風(fēng)景園林專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用探討[J].現(xiàn)代園藝，2018，（20）：224-225.