虛擬仿真技術(shù)在城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)踐課程中的應(yīng)用

殷滋言，李冉 （安徽農(nóng)業(yè)大學(xué)經(jīng)濟(jì)技術(shù)學(xué)院，安徽 合肥 230011）

虛擬仿真技術(shù)對教師的教和學(xué)生的學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，是高等教育信息化建設(shè)的重要舉措，推動本科教學(xué)過程的高質(zhì)化改革[1]。城鄉(xiāng)規(guī)劃是實(shí)踐性很強(qiáng)、動手能力要求高，實(shí)際應(yīng)用型專業(yè)。虛擬仿真技術(shù)為城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)課程，提供新的視角，為教學(xué)提供了有效的指導(dǎo)。

1 城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)科新要求

國土空間規(guī)劃體系、鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略規(guī)劃的背景，給城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)科帶來了新的機(jī)遇與挑戰(zhàn)，根據(jù)城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的規(guī)律以及學(xué)科體系建設(shè)的目標(biāo)，緊密結(jié)合城市發(fā)展趨勢，培養(yǎng)適應(yīng)工程建設(shè)發(fā)展需要，適應(yīng)社會信息化技術(shù)進(jìn)步，以解決實(shí)際問題為導(dǎo)向，開展城鄉(xiāng)規(guī)劃虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，開發(fā)和豐富虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，建立虛實(shí)結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺，提升學(xué)生的創(chuàng)新能力、專業(yè)實(shí)踐能力、信息化應(yīng)用能力、綜合素質(zhì)，提高應(yīng)用型人才培養(yǎng)成效[2]。

2 虛擬仿真教學(xué)的必要性

城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)教學(xué)過程中如何表達(dá)教師的設(shè)計(jì)意圖以及引導(dǎo)學(xué)生的思維是一個(gè)抽象復(fù)雜的過程，傳統(tǒng)的教學(xué)手段不易將難懂的理論知識更加直觀表達(dá)，難以有效吸納前沿理論知識。而虛擬仿真教學(xué)有利于將抽象概念轉(zhuǎn)化為可感知的畫面，有利于培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新能力和獨(dú)立思考能力，為學(xué)生提供更多的學(xué)習(xí)資源，鍛煉學(xué)生的發(fā)散性思維，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性與興趣。

學(xué)生與仿真技術(shù)系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，養(yǎng)成學(xué)習(xí)的能動性，體驗(yàn)真實(shí)的環(huán)境場景。這種教學(xué)方式進(jìn)一步拓展了教學(xué)手段，延伸了學(xué)習(xí)內(nèi)容。學(xué)生是學(xué)習(xí)的探索者，改革者，更具有創(chuàng)新動力與實(shí)訓(xùn)積極性，學(xué)生真正掌握到自主探索的學(xué)習(xí)方法，激發(fā)學(xué)生積極性，參與各類競賽，提高學(xué)生自信心，有助于學(xué)生培養(yǎng)合作精神與創(chuàng)新精神，學(xué)校針對競賽學(xué)生集中開放虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室，為學(xué)生競賽提供實(shí)驗(yàn)環(huán)境，探索以賽促學(xué)，以賽促教，賽學(xué)結(jié)合的教學(xué)模式。

學(xué)生在制作方案過程中，遇到大型項(xiàng)目，做材料模型，成本很高，時(shí)間消耗大，虛擬仿真技術(shù)可以很好解決這些問題，通過身臨其境體驗(yàn)規(guī)劃的各節(jié)點(diǎn)空間，感受尺寸的人性化以及評估成本的合理性，實(shí)現(xiàn)項(xiàng)目的可實(shí)施性。

3 虛擬仿真教學(xué)的應(yīng)用

3.1 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)手段

城鄉(xiāng)規(guī)劃是一門綜合學(xué)科，涉及社會、經(jīng)濟(jì)、地理、信息等學(xué)科交叉，學(xué)生進(jìn)入工作崗位將面對的是復(fù)雜的社會問題、城市問題、鄉(xiāng)村發(fā)展問題，需具備有綜合的判斷能力與舉一反三的思路。虛擬仿真教學(xué)搭建了城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)與其它學(xué)科聯(lián)系的橋梁，培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情與科學(xué)思維。虛擬仿真教學(xué)的教與學(xué)主要有以下三種方式呈現(xiàn)：①將設(shè)計(jì)意圖與方案直觀呈現(xiàn)。學(xué)生可以將自己設(shè)計(jì)的作品，如競賽作品做成VR體驗(yàn)成果，面向社會人士，面向不同專業(yè)學(xué)生，展示作品成果，讓評委、競賽組織方體驗(yàn)設(shè)計(jì)成果與創(chuàng)意。②以學(xué)生認(rèn)知為主，老師利用上課環(huán)節(jié)展示優(yōu)秀案例模型或展示校企合作的實(shí)際項(xiàng)目模型，學(xué)生拿著手柄，帶著VR眼鏡，體驗(yàn)整套VR項(xiàng)目設(shè)計(jì)案例，理解設(shè)計(jì)者的思想以及設(shè)計(jì)過程，體驗(yàn)建筑或規(guī)劃作品設(shè)計(jì)的空間是否合適，整體結(jié)構(gòu)尺度是否人性化，各景觀節(jié)點(diǎn)是否合理，這也是后期學(xué)生自己做設(shè)計(jì)，自己建立模型，檢驗(yàn)設(shè)計(jì)成果，進(jìn)一步完善方案的有效手段。③學(xué)生自己設(shè)計(jì)，老師輔助指導(dǎo)，從方案構(gòu)思、方案模型建立，方案創(chuàng)作，到虛擬體驗(yàn)，直到最后設(shè)計(jì)出新穎、實(shí)用的設(shè)計(jì)作品。

3.2 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)過程

針對課程特點(diǎn)，依托虛擬仿真，完善實(shí)踐教學(xué)體系，在國土空間規(guī)劃體系下，應(yīng)對新形勢，城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)科需要有足夠的靈活性以及科學(xué)性。

3.2.1 實(shí)驗(yàn)前準(zhǔn)備

學(xué)生瀏覽實(shí)驗(yàn)大綱和實(shí)驗(yàn)步驟，提前了解實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，思考實(shí)驗(yàn)需要解決的問題。老師提前講解實(shí)驗(yàn)理論知識或原理，闡明實(shí)驗(yàn)?zāi)康模v解實(shí)驗(yàn)步驟，說明實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)中容易犯的錯(cuò)誤以及容易忽略的步驟，為學(xué)生具體操作做好準(zhǔn)備。只有學(xué)生明白實(shí)驗(yàn)做什么，步驟是什么，實(shí)驗(yàn)結(jié)果是什么，學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中才能思路清晰，避免很多原則性的錯(cuò)誤，同時(shí)，老師將模擬軟件的操作講解給學(xué)生聽、演示給學(xué)生看，引導(dǎo)學(xué)生具體操作。

3.2.2 實(shí)驗(yàn)中探索

適應(yīng)信息化技術(shù)，按照城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)相關(guān)實(shí)踐課程需求，創(chuàng)造虛擬仿真實(shí)驗(yàn)環(huán)境，如建筑結(jié)構(gòu)模擬實(shí)驗(yàn)、鄉(xiāng)土環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)、交通環(huán)境模擬實(shí)驗(yàn)等，進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，虛擬3D建模、虛擬環(huán)境空間建立等，老師及時(shí)關(guān)注學(xué)生操作過程中的共性問題，引導(dǎo)學(xué)生自主探索軟件的操作方式，在仿真系統(tǒng)中自主研發(fā)軟件。使學(xué)生能通過直觀體驗(yàn)進(jìn)一步理解教學(xué)內(nèi)容，實(shí)時(shí)檢查與交流規(guī)劃設(shè)計(jì)作品，進(jìn)行設(shè)計(jì)環(huán)境的人機(jī)交互，反映出問題與不足，學(xué)生可利用此實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在設(shè)計(jì)階段建立模型，創(chuàng)新訓(xùn)練，從而修改、深化規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，這個(gè)過程中學(xué)生通過操作掌握實(shí)驗(yàn)的整體框架及領(lǐng)會學(xué)習(xí)內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，身臨其境體驗(yàn)逼真的場景，設(shè)計(jì)出好的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案，同時(shí)對理論原理有更深刻的掌握。

3.2.3 實(shí)驗(yàn)后思考

學(xué)生通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，完成初步的方案設(shè)計(jì)，通過3D虛擬模型、深化方案設(shè)計(jì)、3D打印技術(shù)等方法深化設(shè)計(jì)方案。實(shí)驗(yàn)后總結(jié)學(xué)生在操作過程中容易出現(xiàn)問題的地方，進(jìn)一步提升虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果。引導(dǎo)學(xué)生圍繞實(shí)驗(yàn)原理進(jìn)行總結(jié)反思，讓學(xué)生把知識更好地聯(lián)系起來，設(shè)計(jì)出科學(xué)、有創(chuàng)意、可實(shí)施的規(guī)劃設(shè)計(jì)方案。這個(gè)過程中不僅讓學(xué)生學(xué)會總結(jié)思考，而且加強(qiáng)處理問題的能力以及創(chuàng)新能力。

3.3 虛擬仿真實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容

3.3.1 規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)踐課程設(shè)置

改革傳統(tǒng)教學(xué)方法，延伸實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容，推動信息化實(shí)踐教學(xué)的應(yīng)用。城鄉(xiāng)規(guī)劃教學(xué)體系中包含理論教學(xué)、實(shí)驗(yàn)教學(xué)、創(chuàng)新訓(xùn)練三個(gè)層次。適當(dāng)增加實(shí)踐課程比例，理論教學(xué)融合于實(shí)踐教學(xué)中，引導(dǎo)學(xué)生在實(shí)踐操作過程中獨(dú)立思考，自主學(xué)習(xí)。同時(shí)在人才培養(yǎng)計(jì)劃中增加專業(yè)技能運(yùn)用，可在大二、大三、大四階段增加專業(yè)技能應(yīng)用，將學(xué)科競賽納入人才培養(yǎng)計(jì)劃中。城鄉(xiāng)規(guī)劃學(xué)的主要實(shí)踐課程有建筑設(shè)計(jì)課程實(shí)踐、城市設(shè)計(jì)課程實(shí)踐、城市總體規(guī)劃課程實(shí)踐、鄉(xiāng)村規(guī)劃課程實(shí)踐、城市景觀設(shè)計(jì)課程實(shí)踐等。一、二年級學(xué)生主要是建筑設(shè)計(jì)和場地設(shè)計(jì)等實(shí)訓(xùn)課程實(shí)習(xí)，三、四、五年級學(xué)生主要是城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)課程實(shí)訓(xùn)。

3.3.2 實(shí)驗(yàn)探索

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺可提供課前、課中、課后的學(xué)習(xí)平臺，包括預(yù)課平臺、實(shí)驗(yàn)平臺、互評平臺，這三個(gè)平臺分為學(xué)生用戶角色和教師用戶角色，預(yù)課平臺包含有學(xué)生部分時(shí)段學(xué)習(xí)的各種資源，如視頻、文檔、模型等，加深學(xué)生對知識重難點(diǎn)的鞏固與理解。實(shí)驗(yàn)平臺為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)操作環(huán)境，記錄學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作過程、提交課后作品以及校企合作實(shí)際項(xiàng)目作品，檢測學(xué)生學(xué)習(xí)效果以及專業(yè)培養(yǎng)目標(biāo)。為學(xué)生參與各類競賽提供有利的平臺，由此延伸出競賽板塊，豐富教學(xué)形式，促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性以及與同類院校的交流，參賽同學(xué)可以要求其他同學(xué)觀摩其作品以及提出建議。互評平臺上學(xué)生對教學(xué)質(zhì)量以及教學(xué)水平進(jìn)行評價(jià)，搜集教學(xué)質(zhì)量評價(jià)信息，及時(shí)改進(jìn)教學(xué)管理。

采用虛擬仿真平臺，結(jié)合先進(jìn)傳感和3D沉浸式技術(shù)，搭建城鄉(xiāng)規(guī)劃設(shè)計(jì)實(shí)踐課程專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)模塊[3]。

①虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)具體應(yīng)用于建筑構(gòu)造與建筑設(shè)計(jì)課程實(shí)踐。傳統(tǒng)教學(xué)中，由于資源條件的限制，很多建筑結(jié)構(gòu)難以形成結(jié)構(gòu)分解的畫面，需要同學(xué)們根據(jù)經(jīng)驗(yàn)來腦補(bǔ)畫面效果。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以給同學(xué)們帶來一個(gè)真實(shí)的結(jié)構(gòu)分解的虛擬環(huán)境，促進(jìn)綠色建筑的建設(shè)以及智慧生態(tài)城市的構(gòu)建。虛擬設(shè)置建筑各部分結(jié)構(gòu)，建立三維模型，展現(xiàn)仿真建筑，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。學(xué)生通過對建筑物的構(gòu)件搭建、裝飾呈現(xiàn)逼真的建筑，提升教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新思維，設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的作品。

②虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體應(yīng)用于城市景觀設(shè)計(jì)及城市規(guī)劃方案三維展現(xiàn)。一般來說，對于城鄉(xiāng)規(guī)劃專業(yè)課程實(shí)踐，老師會通過網(wǎng)絡(luò)搜集或?qū)嶋H項(xiàng)目來展示規(guī)劃設(shè)計(jì)過程以及設(shè)計(jì)思想，這些往往只能通過多媒體圖片或者借用三維軟件展示一些局部效果，難以形成直觀的真實(shí)場景感受，空間是虛擬現(xiàn)實(shí)第一特性“沉浸”的基礎(chǔ)[4]。通過虛擬仿真實(shí)驗(yàn)給學(xué)生帶來身臨其境的空間，幫助同學(xué)們更直觀的理解設(shè)計(jì)作品的方案形成過程及理念指導(dǎo)，通過對規(guī)劃方案中的建筑單體的三維建模、墻面紋理材質(zhì)添加、裝飾物選擇等[5]，觀察到真實(shí)的三維立體效果。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室與課程安排表

③虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體應(yīng)用于鄉(xiāng)土建筑與環(huán)境設(shè)計(jì)表達(dá)。結(jié)合GIS深入分析，從宏觀自然地理環(huán)境的模擬到鄉(xiāng)村肌理的生動展現(xiàn)，為學(xué)生做設(shè)計(jì)時(shí)，前期分析提供了詳實(shí)的現(xiàn)狀環(huán)境，深入了解各項(xiàng)環(huán)境要素，再融入當(dāng)?shù)馗鞣矫褚猓O(shè)計(jì)出好的作品，而且與地方交流時(shí)，可以提供更為直觀展示效果的產(chǎn)品。虛擬仿真技術(shù)為設(shè)計(jì)師在鄉(xiāng)村空間規(guī)劃中更好地思考鄉(xiāng)土情感表達(dá)，鄰里之間的公共交流空間，各功能空間的組合關(guān)系。學(xué)生結(jié)合宏觀的地域環(huán)境和當(dāng)?shù)氐泥l(xiāng)土文化，掌握鄉(xiāng)村環(huán)境處理的方法以及鄉(xiāng)土建筑特征。

④虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)的具體應(yīng)用于道路與交通規(guī)劃課程實(shí)踐。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)提供沉浸式體驗(yàn)，很好解決了傳統(tǒng)教學(xué)不能為學(xué)生提供可感知、可測度的場景。按照實(shí)驗(yàn)大綱要求，學(xué)生應(yīng)當(dāng)深刻理解和掌握流線組織、交通信號處理、交叉口設(shè)計(jì)、交通空間環(huán)境等多因素的設(shè)計(jì)組織與技能，實(shí)現(xiàn)學(xué)生設(shè)計(jì)多方案評選。通過虛擬仿真技術(shù)，學(xué)生可以更加快速、直觀的了解掌握交通規(guī)劃的基本理論，在虛擬平臺下進(jìn)行多維度的創(chuàng)新設(shè)計(jì)練習(xí)，讓學(xué)生對自己的設(shè)計(jì)方案有清晰直觀的認(rèn)知，并通過評估反饋強(qiáng)化他們的綜合能力。

⑤虛擬仿真教學(xué)應(yīng)用于土地利用調(diào)查評價(jià)實(shí)踐課程。讓學(xué)生掌握利用航拍圖片或衛(wèi)星圖片進(jìn)行土地利用現(xiàn)狀調(diào)查，數(shù)據(jù)處理等技術(shù)方法，增強(qiáng)學(xué)生對已學(xué)過專業(yè)知識的感性認(rèn)識，鍛煉學(xué)生在土地資源調(diào)查、資源環(huán)境承載能力評價(jià)、國土空間開發(fā)適宜性評價(jià)等方面的創(chuàng)新學(xué)習(xí)能力，加深對基礎(chǔ)理論的理解。掌握國土空間重大情景要素模擬、國土空間情景演變分析與動態(tài)模擬等知識要點(diǎn)，增強(qiáng)對國土空間格局影響因素的感性認(rèn)識。

4 結(jié)語

隨著5G信息技術(shù)的深入發(fā)展，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)探索性研究將進(jìn)一步普及。通過仿真技術(shù)，人機(jī)交互，學(xué)生沉浸式體驗(yàn)，再到規(guī)劃設(shè)計(jì)后的方案體驗(yàn)，通過規(guī)劃前與規(guī)劃后體驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生對基本理論知識的深刻理解與規(guī)劃方案設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)。讓同學(xué)們充分理解學(xué)習(xí)建筑設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃設(shè)計(jì)等的核心技術(shù)，激發(fā)學(xué)生有了更多的想象空間，學(xué)生有獨(dú)立思考的實(shí)驗(yàn)空間，促進(jìn)學(xué)生設(shè)計(jì)出可操作、有創(chuàng)意的設(shè)計(jì)作品，利于教師指導(dǎo)學(xué)生創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)、訓(xùn)練計(jì)劃，發(fā)揮學(xué)生的能動性。通過校企合作，結(jié)合專業(yè)教學(xué)指導(dǎo)學(xué)生參與實(shí)際項(xiàng)目實(shí)踐，指導(dǎo)學(xué)生參加各類競賽。虛擬仿真在教學(xué)過程中促進(jìn)了教學(xué)創(chuàng)新改革與學(xué)生對前沿理論的探索。