虚拟仿真技术在风景园林实验教学中的应用研究

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　　摘 要：虚拟仿真技术的实践教学结合了建筑信息化模型、VR人机体验动作数字化捕捉、3D打印仿真技术等新技术，打造优质的实践课程，创造出具有不同空间体验和感受的多元活动空间，减少了不必要的损耗和重复工程作业，有效避免了高危工作环境。“导入—虚拟—仿真—验证”的实践教学模式，作为风景园林专业实践课程的示范点，可推广至其他专业领域。
　　关键词：虚拟仿真;技术;风景园林;实践教学
　　当前随着大数据时代的到来与发展，数字化虚拟仿真技术以其画面逼真精美、运行高效便捷、功能丰富实用、查询管理信息方便等特点，逐渐影响并应用于各个领域。将虚拟现实技术应用于新型互动式教育模式，能为学生带来更好的教育、娱乐以及沟通等内容的体验，适合各类院校使用。将虚拟现实技术从科研领域引入风景园林专业的高等教育领域是本次研究的重点。
　　1 虚拟仿真技术的实践教学现状
　　在虚拟仿真技术[1，2]中有几个相似概念，分别是：虚拟现实（Virtual Reality，即VR），指利用计算机技术模拟三度空间虚拟世界，实现虚拟与现实的无缝对接，解放双手，给人带来沉浸式的体验;增强现实（Augmented Reality，即AR），是一种实时计算摄影机影像位置及角度并辅以相应图像的技术，即通过设备改变环境;混合现实（Mix Reality，即MR），同样是一种裸眼操作的技术，是指把虚拟世界融入真实世界，创造出新的可视化三维物象，使人难以分辨真假，实现物理实体和数字对象共存、实时相互作用，即数字立体化;影像现实（Cinematic Reality，即CR），改变了视野太窄或者眩晕等问题，创造出来的虚拟场景比MR技术创造的场景更真实，是一种不同的实现方式，跟电影特效一样逼真。
　　有关虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库以及网络通信等技术的文献[3，4]中提到，虚拟仿真实验教学在国外已有一定的研究基础，如美国新媒体联盟主导的“地平线研究项目”、英国开放大学基于互联网三维虚拟世界“第二人生”（Second Life）开展教学、加拿大维多利亚大学建设了3D实验室和人类学创客实验室等。[3]在国内，对于虚拟仿真技术在教学中的应用仍处于探索阶段，只有极个别高校有此类实验室的建设，如南京医科大学建设了自己的医学仿真实验室，而投入大量资金建设此类实验室的主要集中在职业院校，但基本是由开发公司建立的一些人机交互资源，存在一定的误差，不能完全符合教学的需求。
　　目前，虚拟仿真技术在风景园林专业实践课的应用非常少，主要应用于医疗教育、电子工程、物理化学实验、土木工程等专业，广泛应用在游戏、影视、商业等方面。其中AR技术普及面广，可通过移动端使用，比较方便，而VR、MR技术的研究应用尚处于初级阶段，其内容匮乏、应用范围窄、佩戴舒适度不足、工具操作和人机交互不方便等问题依旧是难点。
　　虚拟仿真实践教学就是利用虚拟仿真技术，呈现方案设计效果，达到避免高危环境和减少损耗的效果，实现真实的人机体验模式，有效避免传统教学中的弊端。现在风景园林专业的实践课程分为实验课与实训课。实验课主要是在实验室进行软件操作或实验研究，而实训课主要是以代表性的具体个案为依据，以小组师生间单独或小组的评改、研讨等为组织形式，在一定时长跨度内渐次展开。在教学效果上，虚拟仿真技术在实验课中能起到很好的软件技术支持作用，使人摆脱传统的、局限的显示器画面效果，给人带来沉浸式、全方位的视觉效果。只要佩戴了VR设备，师生就能在现实空间中进行设计建模。目前仍需要我们解决虚拟设计软件的开发及实验室的建设等问题。实训课中，我们需要的是对一些优秀项目案例的体验，在有了虚拟仿真技術后，将不再是简单地使用显示器或投影仪，而是通过佩戴VR眼镜，给人带来身临其境的效果，对此仍需我们解决的是优秀项目案例资料库的建立以及人机交互环节的建立。
　　2 虚拟仿真技术在风景园林专业实践教学中的运用
　　传统教学存在学生多、资金不足、场地不足等缺点，且在未来工作中需要减少不必要的损耗和重复工程作业，有效避免高危工作环境。从文献[5，6]中可以总结出来，我们可以借鉴智能化、数字化和项目设计的教学方法，结合虚拟仿真技术，弥补不足，实现“导入—虚拟—仿真—验证”这种新的实践教学模式。该模式由“导入项目”“虚拟模型和环境”“仿真模型”和“室外真实场景验证”4个环节组成，实践分为基础型、提高型和综合设计型。其中“虚拟模型和环境”及“仿真模型”环节是该模式的核心部分。
　　2.1 虚拟仿真实践教学的方式
　　第一种是以学生为主体、老师为指引的方式。在虚拟仿真实验系统进行软件的自主研发，创作出每个方案设计的模块脚本，每个脚本包含相应的工作流程、任务目标点、项目分析表、语音、基础模型、工具材料和界面等。学生可利用此实验系统在任何设计阶段建立模型，进行创作、设计，老师从旁指导，直至完成整个项目。
　　第二种是以学生认知为主，老师、企业为辅的方式。方案模型可由老师或企业提供，学生也可自行建立项目模型，利用已有模型库或自建模型，运用VR虚拟系统，检测景观节点设计是否得当，建筑内部结构是否合理，空间划分是否合适，检查各个部分是否发生碰撞;也可作为设计方案的体验，由高年级建立，进行方案的深入设计，让低年级来提出问题并体验虚拟方案。
　　第三种是纯体验方式。面向不同专业、不同年级的学生，把完成的整套VR项目设计方案，建立完善的交互体验，提供给学生们学习、观摩;面向社会人士，学生把完成的方案做成交互体验，让市民体验感受，做市场调查、反馈研究;面向客户或比赛组织方，主要是在社会市场进行投标，或参加相关的设计类大赛。
　　2.2 虚拟仿真实践教学应用内容
　　（1）“导入项目”环节，进行项目分析与整理。其一，进行项目策划分析，理清项目任务。师生与企业通过思考、交流、探讨，对该项目的任务目标进行分析，确定任务涉及的各种要素。其二，准备材料、收集资料。学生通过自主学习、小组协作学习等方式，充分应用已掌握的专业知识，阅读相关文献、资料，进行收集和分析。其三，让学生明确项目最终需要达到的目标、验证和展示的方式。 　　（2）“虚拟模型和环境”环节，创造实验环境。按照风景园林专业相关课程的需求，结合课程内容和目标，开发出适合本专业的虚拟实验和教学环境，其中可设有如空间实物模拟（设计）实验、建筑环境（设计）模拟实验、光环境模拟、水环境模拟（综合）实验等，进行虚拟现实的实验教学，并根据项目任务确定实施步骤，借助虚拟现实的新技术，如虚拟3D建模、VR人机体验动作数字化捕捉、BIM建筑信息化、虚拟环境空间建立等，使学生对教学内容有直观的认识，并可在虚拟实验中实现自己的创意设计。
　　实验课程示范，在VR实验室学生只需要佩戴VR头盔，就能在现实空间里创造虚拟空间，把自己的设计方案直观地展现出来，实时检查与交流。对此，急需解决的就是软件的开发以及如何做出人机互动良好的体验方式。
　　实训课程示范，当学生完成项目初步设计方案后，就可以在VR体验室，通过简单的软件转换导出可视化的VR模型图像，佩戴VR眼镜便可在现实环境中观察自己的设计方案，从而直观、简便地检查出问题并修改、深化方案。
　　（3）“仿真模型”环节，实现设计方案。学生通过虚拟实验完成项目初步设计方案后，进入深化设计方案的阶段，在这过程中学生是主体。为进一步创造出具有不同空间体验和感受的多元教学平台，可利用仿真技术实现设计方案，通过实体模型验证设计方案的可实施性，查找不足。其中涉及3D虚拟模型、深化方案设计、3D打印技术、等比例实体模型等制作。
　　（4）“室外真实场景验证”环节，验证最终方案。学生按照已制定好的实验计划完成项目任务。教师带领学生走出课室，利用航拍技术、测量技术和施工工艺等，在室外的实训基地对部分的虚拟、仿真模型和设计方案，进行最终的实现和验证，让学生汇报并展示自己的项目成果，接受他人的评价和教师的反馈。
　　3 虚拟仿真技术在风景园林专业实践教学中的应用价值
　　风景园林是个实践性很强的专业，很多课程适合在户外进行教学，但这样的室外教学明显与传统的室内教学相冲突，如果要改变现状则需建立新的实践教学模式。因此，虚拟仿真实践教学的建设是非常有必要的，需引起高校的高度重视。
　　3.1 实践教学的价值体现
　　（1）学生能更好地参与实际项目，体验多元的空间设计，以最有效的实验方法创作出新颖、大胆、合理的設计作品;以展览的形式与老师、同学交流，得到企业的认可，实现方案的采纳和人才的录用。
　　（2）实践课程合理高效。通过虚拟仿真实验可以降低实际损耗，有效避免传统教学中的弊端，提高专业教学质量，充实信息资源，利用技术优势，直击教学难点。结合实际的工程，设计虚拟仿真实验项目，解决了专业教学中理论的抽象生硬、施工细节讲解不到位、工艺操作难以演示等问题，有助于提高风景园林的建设水平。
　　（3）调动学生积极性，参与各类竞赛。有助于本院创新创业小组活动，为参加设计竞赛的学生提供实验条件和环境;开放虚拟仿真实验室，支持学生利用课余或假期时间进行项目开发和研究，提高其专业水平。
　　3.2 满足教学方法和教学手段改进的重要途径
　　风景园林专业对学生的创造力和实践能力都有较高的要求。但受传统教育模式的影响，学生只能在课室完成专业课的学习任务，参加社会实践的机会微乎其微，无法真正使学生理解空间设计和施工工程。并且专业课程通常是围绕理论加艺术的培养进行设置，导致学生的创造性思维不活跃，只会运用典型的艺术手法进行景观设计或规划，难以满足现今的社会需求。
　　虚拟仿真实践教学是设计专业培养人才的重要途径，能给予学生直观的体验，开发学生的创新思维，增强学生的动手能力和实验操作能力，并且老师能对实验内容进行上传或修改，随时调整人机交互的效果。自计算机诞生以来，催生了信息革命，而数字化、智能化的急速发展，给我们的生活带来了极大的便利，虚拟仿真技术正是其产物。实践教学融入这种技术是可行的，能极大地提高教学效率，带来在课堂内无法实现的情景，并且能有效避免施工现场的危险。最后，学生可以通过仿真技术把设计作品制作出来，在室外基地验证设计作品的可实施性。由此可见，虚拟仿真是高效的、科学的、可行的实验手段，是高校建设的必经之路，能够有效解决传统室内课堂的弊端。
　　3.3 更能满足企业对高技能型人才的需求
　　学生通过虚拟仿真实践，能在进入公司前熟悉岗位职能及项目设计的整个施工过程，有效缩短学生就业后对设计公司的适应周期，降低培训成本以及提高培训安全性。另外利用虚拟仿真技术进行实验，能满足风景园林行业、建筑行业、室内行业等的设计要求，既包括对整个设计方案的评估，又涵盖了检查施工工艺中的各种流程。运用虚拟仿真技术设计出来的方案有骨有肉，不再是空中楼阁，提高了可实现性;还可以运用虚拟软件进行碰撞检测，有效检查出从设计到施工，每个职能部门之间是否有交叉重叠的部分，大大提高工作效率。
　　4 结语
　　将虚拟现实技术从科研领域引入风景园林专业能够形成一种新型的互动式教育模式，通过运用虚拟仿真技术，呈现方案设计效果，能实现真实的人机体验模式。这种新型互动式教育模式，包括“导入—虚拟—仿真—验证”环节，能创造出给人不同空间体验和感受的多元活动空间，让学生们直观地体验理论知识，清晰明了、互动性强，真正做到了寓教于乐。通过虚拟仿真的高效、科学、可行的实验手段，极大地提高了教学效率，带来在课堂内无法实现的情景，运用仿真技术把设计作品制作出来，能有效突破传统室内课堂教学的局限性，并可结合室外基地验证设计作品的可实施性，减少重复工程作业和损耗，避免高危的施工现场的危险。
　　运用虚拟仿真技术的实践教学能让学生结合课程内容，“走出课室”体验虚拟与现实空间，注重学生的参与，激发学生的积极性与创造性，提高教学质量，使学生能更好地完成学习任务。虚拟仿真技术可应用于风景园林、室内设计、产品设计、建筑设计专业等，目前受益面主要为此类专业的学生，还可推广至其他专业，如多媒体设计、影视设计、平面设计等，再进一步推广可达我院其他系部，如游戏系、计算机系等，并可推广至有相关设计专业的其他院校，受益面甚广。
　　参考文献：
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　　[7] 孙育英.虚拟仿真技术在建环专业实验教学的应用[J].教育教学论坛，2016（5）：106-107.
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　　作者简介：陈艳莉（1985—），女，广东广州人，硕士，讲师，研究方向：风景园林，建筑设计和室内设计。
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