虛擬仿真技術在風景園林實驗教學中的應用研究
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摘 要：虛擬仿真技術的實踐教學結合了建筑信息化模型、VR人機體驗動作數字化捕捉、3D打印仿真技術等新技術，打造優質的實踐課程，創造出具有不同空間體驗和感受的多元活動空間，減少了不必要的損耗和重復工程作業，有效避免了高危工作環境?！皩搿摂M—仿真—驗證”的實踐教學模式，作為風景園林專業實踐課程的示范點，可推廣至其他專業領域。
關鍵詞：虛擬仿真;技術;風景園林;實踐教學
當前隨著大數據時代的到來與發展，數字化虛擬仿真技術以其畫面逼真精美、運行高效便捷、功能豐富實用、查詢管理信息方便等特點，逐漸影響并應用于各個領域。將虛擬現實技術應用于新型互動式教育模式，能為學生帶來更好的教育、娛樂以及溝通等內容的體驗，適合各類院校使用。將虛擬現實技術從科研領域引入風景園林專業的高等教育領域是本次研究的重點。
1 虛擬仿真技術的實踐教學現狀
在虛擬仿真技術[1，2]中有幾個相似概念，分別是：虛擬現實（Virtual Reality，即VR），指利用計算機技術模擬三度空間虛擬世界，實現虛擬與現實的無縫對接，解放雙手，給人帶來沉浸式的體驗;增強現實（Augmented Reality，即AR），是一種實時計算攝影機影像位置及角度并輔以相應圖像的技術，即通過設備改變環境;混合現實（Mix Reality，即MR），同樣是一種裸眼操作的技術，是指把虛擬世界融入真實世界，創造出新的可視化三維物象，使人難以分辨真假，實現物理實體和數字對象共存、實時相互作用，即數字立體化;影像現實（Cinematic Reality，即CR），改變了視野太窄或者眩暈等問題，創造出來的虛擬場景比MR技術創造的場景更真實，是一種不同的實現方式，跟電影特效一樣逼真。
有關虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫以及網絡通信等技術的文獻[3，4]中提到，虛擬仿真實驗教學在國外已有一定的研究基礎，如美國新媒體聯盟主導的“地平線研究項目”、英國開放大學基于互聯網三維虛擬世界“第二人生”（Second Life）開展教學、加拿大維多利亞大學建設了3D實驗室和人類學創客實驗室等。[3]在國內，對于虛擬仿真技術在教學中的應用仍處于探索階段，只有極個別高校有此類實驗室的建設，如南京醫科大學建設了自己的醫學仿真實驗室，而投入大量資金建設此類實驗室的主要集中在職業院校，但基本是由開發公司建立的一些人機交互資源，存在一定的誤差，不能完全符合教學的需求。
目前，虛擬仿真技術在風景園林專業實踐課的應用非常少，主要應用于醫療教育、電子工程、物理化學實驗、土木工程等專業，廣泛應用在游戲、影視、商業等方面。其中AR技術普及面廣，可通過移動端使用，比較方便，而VR、MR技術的研究應用尚處于初級階段，其內容匱乏、應用范圍窄、佩戴舒適度不足、工具操作和人機交互不方便等問題依舊是難點。
虛擬仿真實踐教學就是利用虛擬仿真技術，呈現方案設計效果，達到避免高危環境和減少損耗的效果，實現真實的人機體驗模式，有效避免傳統教學中的弊端?，F在風景園林專業的實踐課程分為實驗課與實訓課。實驗課主要是在實驗室進行軟件操作或實驗研究，而實訓課主要是以代表性的具體個案為依據，以小組師生間單獨或小組的評改、研討等為組織形式，在一定時長跨度內漸次展開。在教學效果上，虛擬仿真技術在實驗課中能起到很好的軟件技術支持作用，使人擺脫傳統的、局限的顯示器畫面效果，給人帶來沉浸式、全方位的視覺效果。只要佩戴了VR設備，師生就能在現實空間中進行設計建模。目前仍需要我們解決虛擬設計軟件的開發及實驗室的建設等問題。實訓課中，我們需要的是對一些優秀項目案例的體驗，在有了虛擬仿真技術后，將不再是簡單地使用顯示器或投影儀，而是通過佩戴VR眼鏡，給人帶來身臨其境的效果，對此仍需我們解決的是優秀項目案例資料庫的建立以及人機交互環節的建立。
2 虛擬仿真技術在風景園林專業實踐教學中的運用
傳統教學存在學生多、資金不足、場地不足等缺點，且在未來工作中需要減少不必要的損耗和重復工程作業，有效避免高危工作環境。從文獻[5，6]中可以總結出來，我們可以借鑒智能化、數字化和項目設計的教學方法，結合虛擬仿真技術，彌補不足，實現“導入—虛擬—仿真—驗證”這種新的實踐教學模式。該模式由“導入項目”“虛擬模型和環境”“仿真模型”和“室外真實場景驗證”4個環節組成，實踐分為基礎型、提高型和綜合設計型。其中“虛擬模型和環境”及“仿真模型”環節是該模式的核心部分。
2.1 虛擬仿真實踐教學的方式
第一種是以學生為主體、老師為指引的方式。在虛擬仿真實驗系統進行軟件的自主研發，創作出每個方案設計的模塊腳本，每個腳本包含相應的工作流程、任務目標點、項目分析表、語音、基礎模型、工具材料和界面等。學生可利用此實驗系統在任何設計階段建立模型，進行創作、設計，老師從旁指導，直至完成整個項目。
第二種是以學生認知為主，老師、企業為輔的方式。方案模型可由老師或企業提供，學生也可自行建立項目模型，利用已有模型庫或自建模型，運用VR虛擬系統，檢測景觀節點設計是否得當，建筑內部結構是否合理，空間劃分是否合適，檢查各個部分是否發生碰撞;也可作為設計方案的體驗，由高年級建立，進行方案的深入設計，讓低年級來提出問題并體驗虛擬方案。
第三種是純體驗方式。面向不同專業、不同年級的學生，把完成的整套VR項目設計方案，建立完善的交互體驗，提供給學生們學習、觀摩;面向社會人士，學生把完成的方案做成交互體驗，讓市民體驗感受，做市場調查、反饋研究;面向客戶或比賽組織方，主要是在社會市場進行投標，或參加相關的設計類大賽。
2.2 虛擬仿真實踐教學應用內容
?。?）“導入項目”環節，進行項目分析與整理。其一，進行項目策劃分析，理清項目任務。師生與企業通過思考、交流、探討，對該項目的任務目標進行分析，確定任務涉及的各種要素。其二，準備材料、收集資料。學生通過自主學習、小組協作學習等方式，充分應用已掌握的專業知識，閱讀相關文獻、資料，進行收集和分析。其三，讓學生明確項目最終需要達到的目標、驗證和展示的方式。 ?。?）“虛擬模型和環境”環節，創造實驗環境。按照風景園林專業相關課程的需求，結合課程內容和目標，開發出適合本專業的虛擬實驗和教學環境，其中可設有如空間實物模擬（設計）實驗、建筑環境（設計）模擬實驗、光環境模擬、水環境模擬（綜合）實驗等，進行虛擬現實的實驗教學，并根據項目任務確定實施步驟，借助虛擬現實的新技術，如虛擬3D建模、VR人機體驗動作數字化捕捉、BIM建筑信息化、虛擬環境空間建立等，使學生對教學內容有直觀的認識，并可在虛擬實驗中實現自己的創意設計。
實驗課程示范，在VR實驗室學生只需要佩戴VR頭盔，就能在現實空間里創造虛擬空間，把自己的設計方案直觀地展現出來，實時檢查與交流。對此，急需解決的就是軟件的開發以及如何做出人機互動良好的體驗方式。
實訓課程示范，當學生完成項目初步設計方案后，就可以在VR體驗室，通過簡單的軟件轉換導出可視化的VR模型圖像，佩戴VR眼鏡便可在現實環境中觀察自己的設計方案，從而直觀、簡便地檢查出問題并修改、深化方案。
（3）“仿真模型”環節，實現設計方案。學生通過虛擬實驗完成項目初步設計方案后，進入深化設計方案的階段，在這過程中學生是主體。為進一步創造出具有不同空間體驗和感受的多元教學平臺，可利用仿真技術實現設計方案，通過實體模型驗證設計方案的可實施性，查找不足。其中涉及3D虛擬模型、深化方案設計、3D打印技術、等比例實體模型等制作。
（4）“室外真實場景驗證”環節，驗證最終方案。學生按照已制定好的實驗計劃完成項目任務。教師帶領學生走出課室，利用航拍技術、測量技術和施工工藝等，在室外的實訓基地對部分的虛擬、仿真模型和設計方案，進行最終的實現和驗證，讓學生匯報并展示自己的項目成果，接受他人的評價和教師的反饋。
3 虛擬仿真技術在風景園林專業實踐教學中的應用價值
風景園林是個實踐性很強的專業，很多課程適合在戶外進行教學，但這樣的室外教學明顯與傳統的室內教學相沖突，如果要改變現狀則需建立新的實踐教學模式。因此，虛擬仿真實踐教學的建設是非常有必要的，需引起高校的高度重視。
3.1 實踐教學的價值體現
?。?）學生能更好地參與實際項目，體驗多元的空間設計，以最有效的實驗方法創作出新穎、大膽、合理的設計作品;以展覽的形式與老師、同學交流，得到企業的認可，實現方案的采納和人才的錄用。
?。?）實踐課程合理高效。通過虛擬仿真實驗可以降低實際損耗，有效避免傳統教學中的弊端，提高專業教學質量，充實信息資源，利用技術優勢，直擊教學難點。結合實際的工程，設計虛擬仿真實驗項目，解決了專業教學中理論的抽象生硬、施工細節講解不到位、工藝操作難以演示等問題，有助于提高風景園林的建設水平。
?。?）調動學生積極性，參與各類競賽。有助于本院創新創業小組活動，為參加設計競賽的學生提供實驗條件和環境;開放虛擬仿真實驗室，支持學生利用課余或假期時間進行項目開發和研究，提高其專業水平。
3.2 滿足教學方法和教學手段改進的重要途徑
風景園林專業對學生的創造力和實踐能力都有較高的要求。但受傳統教育模式的影響，學生只能在課室完成專業課的學習任務，參加社會實踐的機會微乎其微，無法真正使學生理解空間設計和施工工程。并且專業課程通常是圍繞理論加藝術的培養進行設置，導致學生的創造性思維不活躍，只會運用典型的藝術手法進行景觀設計或規劃，難以滿足現今的社會需求。
虛擬仿真實踐教學是設計專業培養人才的重要途徑，能給予學生直觀的體驗，開發學生的創新思維，增強學生的動手能力和實驗操作能力，并且老師能對實驗內容進行上傳或修改，隨時調整人機交互的效果。自計算機誕生以來，催生了信息革命，而數字化、智能化的急速發展，給我們的生活帶來了極大的便利，虛擬仿真技術正是其產物。實踐教學融入這種技術是可行的，能極大地提高教學效率，帶來在課堂內無法實現的情景，并且能有效避免施工現場的危險。最后，學生可以通過仿真技術把設計作品制作出來，在室外基地驗證設計作品的可實施性。由此可見，虛擬仿真是高效的、科學的、可行的實驗手段，是高校建設的必經之路，能夠有效解決傳統室內課堂的弊端。
3.3 更能滿足企業對高技能型人才的需求
學生通過虛擬仿真實踐，能在進入公司前熟悉崗位職能及項目設計的整個施工過程，有效縮短學生就業后對設計公司的適應周期，降低培訓成本以及提高培訓安全性。另外利用虛擬仿真技術進行實驗，能滿足風景園林行業、建筑行業、室內行業等的設計要求，既包括對整個設計方案的評估，又涵蓋了檢查施工工藝中的各種流程。運用虛擬仿真技術設計出來的方案有骨有肉，不再是空中樓閣，提高了可實現性;還可以運用虛擬軟件進行碰撞檢測，有效檢查出從設計到施工，每個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 結語
將虛擬現實技術從科研領域引入風景園林專業能夠形成一種新型的互動式教育模式，通過運用虛擬仿真技術，呈現方案設計效果，能實現真實的人機體驗模式。這種新型互動式教育模式，包括“導入—虛擬—仿真—驗證”環節，能創造出給人不同空間體驗和感受的多元活動空間，讓學生們直觀地體驗理論知識，清晰明了、互動性強，真正做到了寓教于樂。通過虛擬仿真的高效、科學、可行的實驗手段，極大地提高了教學效率，帶來在課堂內無法實現的情景，運用仿真技術把設計作品制作出來，能有效突破傳統室內課堂教學的局限性，并可結合室外基地驗證設計作品的可實施性，減少重復工程作業和損耗，避免高危的施工現場的危險。
運用虛擬仿真技術的實踐教學能讓學生結合課程內容，“走出課室”體驗虛擬與現實空間，注重學生的參與，激發學生的積極性與創造性，提高教學質量，使學生能更好地完成學習任務。虛擬仿真技術可應用于風景園林、室內設計、產品設計、建筑設計專業等，目前受益面主要為此類專業的學生，還可推廣至其他專業，如多媒體設計、影視設計、平面設計等，再進一步推廣可達我院其他系部，如游戲系、計算機系等，并可推廣至有相關設計專業的其他院校，受益面甚廣。
參考文獻：
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作者簡介：陳艷莉（1985—），女，廣東廣州人，碩士，講師，研究方向：風景園林，建筑設計和室內設計。
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