虛擬仿真技術在園林工程課程教學中的應用

于志民，唐佳樂

(廣東海洋大學寸金學院，廣東 湛江 524003)

1 虛擬仿真技術概述及基本條件

1.1 虛擬仿真技術概述

虛擬是模仿，仿真是模仿真實，虛擬仿真技術(Virtual Reality)是用一個系統(tǒng)去模仿另一個真實維度世界的技術[1]。虛擬仿真技術構建了一個虛擬的世界，讓用戶可以借助視覺、聽覺及觸覺等多個感官在虛擬世界體驗、感受和交互另一個世界的事物。另一個世界可以是真實存在的，也可以是虛擬想象的。用戶可通過虛擬仿真技術在異地游覽故宮全景，也可以模擬駕駛車輛、飛機等。在體驗時，需要借助一些輔助傳感設備，也被稱為穿戴電子設備，比如頭盔顯示器、數據手套等。虛擬仿真技術被寄予很大的期望，已成為21世紀信息技術的代表。該技術將刺激計算機軟硬件的下一步超越式提升和發(fā)展。

1.2 虛擬仿真技術教學應用的基本條件

1.2.1 硬件設備

當前虛擬仿真技術應用的基本硬件設備主要有四類，第一類是建模設備，計算機和3D掃描儀；第二類是顯示類設備，比如頭盔顯示器，雙目全方位顯示器，大屏幕頭硬-液晶光閘眼鏡等[2]；第三類是聲音設備，包括三維立體音像和語音識別設備[3]；第四類是傳感交互設備，包括數據手套、操縱桿、力覺反饋裝置、運動捕捉系統(tǒng)等[4]。

1.2.2 軟件技術

虛擬仿真技術教學應用所需的軟件技術包括虛擬仿真實訓教學管理系統(tǒng)、虛擬仿真教學識圖與構造軟件、虛擬仿真園林規(guī)劃和設計軟件。虛擬仿真實訓教學管理系統(tǒng)是專為教學而開發(fā)的管理系統(tǒng)，有導入教學資源、開展仿真教學等功能。虛擬仿真教學識圖與構造軟件是展示構造圖紙或模型的專用軟件，幫助學生建立三維模型的立體感。虛擬仿真園林規(guī)劃和設計軟件是可以進行園林規(guī)劃和設計的軟件，設置園林的坐標、添加各類素材等，同時支持常用繪圖軟件[5]。

1.2.3 數字庫

園林專業(yè)教師應該配合建立園林數字庫，搭建一個園林工程課程仿真教學的課程體系，包括各類實際案例的設計圖紙等。可以隨時方便地在課堂中展示給學生。設計圖紙的類型盡可能是標準化的，可供教學使用。

2 虛擬仿真技術在園林工程課程教學中的應用

虛擬仿真技術可以為園林工程課程教學提供一種交互性教學和實訓性體驗環(huán)境，教師在進行園林工程課程教學時，借助虛擬仿真技術可以對教材中的平面化的內容進行立體化展示，讓學生建立園林設計的立體感。并且在實訓課程中，學生可以自己通過虛擬仿真技術進行操作和實訓。因此，虛擬仿真技術可以在園林工程設計類課程、實訓類課程、專業(yè)基礎類課程中應用。

2.1 園林工程設計類課程應用

園林工程設計類課程包括園林規(guī)劃設計課程、居住區(qū)景觀設計、景觀建筑小品設計[5]。在園林規(guī)劃設計課程中，教師會在課堂中展示景點園林設計的案例及圖紙，學生會通過課本內容、教師多媒體教學內容學習案例及圖紙，只能以二維平面的視角去學習，所以學生只能知曉大概情況。但如果通過虛擬仿真技術，讓學生能虛擬“親身”體驗教學案例的項目，學生“走進”案例項目，從多個角度去學習和認識設計作品，充分感受園林作品的每個細節(jié)，比如園林的空間布局、園林的色彩、園林的材料、園林的聲音等。

在居住區(qū)景觀設計課程中，當教師完成教學內容后，可以通過虛擬仿真技術向學生布置作業(yè)，讓學生通過虛擬仿真技術設計和操作居住區(qū)景觀設計。學生在系統(tǒng)中可以自行對地形進行設計，放置各類園林的要素模型進行隨意布置，比如草坪、樹木等模型。為了讓居住區(qū)實現功能性，還可以布置人行道、寵物集中區(qū)域等，也可以通過多個視角，去觀察設計情況，查看是否完成了相關設計。比如在園林規(guī)劃設計課程中，學生如果通過鳥瞰視角去看觀察案例或作品，是一種整體的角度去分析和看待案例或作品是否完整。

在景觀建筑小品課程中，教師在教學時可以通過虛擬仿真技術展示三維建筑模型，讓學生感知到三位立體模型，與二維圖紙的差別。該課程中，教師會布置學生自行設計建筑小品，學生首先在二維圖紙上設計構想和繪畫，再通過虛擬仿真技術將二維設計改為三維的立體模型，增強學生的設計能力。學生在看到三維立體模型時，也能增強學生對學科的興趣，學科不再單純是各類圖紙，而是真實立體地呈現在眼前。

2.2 園林工程實訓類課程應用

園林工程實訓類課程過去會讓學生前往施工現場，去體驗如何施工，如何讓現場施工達到圖紙的效果等。但施工現場存在一定的安全隱患，施工現場對學生的各方面能力要求也非常高。當一個還沒熟練掌握課本知識，也完全不了解工地的學生冒然前往，學生極易可能在現場的施工中出現危險事故。虛擬仿真實訓系統(tǒng)可以讓學生通過技術直接“前往”施工現場[6]。虛擬仿真實訓系統(tǒng)可以提供一個全方位環(huán)繞真實的施工現場模型場景，學生提前通過實訓系統(tǒng)身臨其境，適應施工現場環(huán)境，了解施工現場哪些是危險動作，哪些是安全動作，其次，讓學生模擬相應的工作角色，然后通過實訓系統(tǒng)去完成相應的工作，學生提前通過模擬現場走一遍程序，建立了良好的施工現場基礎。學生在實訓類系統(tǒng)中遇到的施工現場與實際幾乎是一樣的，真實性非常強，學生會帶著較強的求知欲去體驗，個人眼中看到的施工現場會更加敏感，還會強迫自己去記住施工現場各類物品的擺放，如何操作現場的儀器和設備等，學生可以更好更扎實地進行學習。

學生進行園林工程實訓類課程的虛擬仿真模擬的步驟如下，首先，教師向學生講解和展示施工現場的環(huán)境，再展示完成任務所需的動作，包括使用的儀器和設備，操作步驟和工作要求等，讓學生首先了解施工現場環(huán)境，并聽懂在施工現場所需完成的任務。接著，就是學生進入虛擬仿真系統(tǒng)中“真實”體驗，“身臨其境”地完成相關任務。學生通過仿真系統(tǒng)進入施工現場后，先熟悉環(huán)境，保證自己的每個動作都是正確的。反復操作完成某個指定的工作，掌握儀器和設備的使用方法，并保證個人完成工作的步驟是正確無誤的。學生在進入施工現場后，就開始類似“通關游戲”，每一步都應該正確，才能進行下一步的動作，實訓類系統(tǒng)會自動進行打分。如果學生進入施工現場后，不前往指定的工作地點，而是開始四處跑動，出現這種情況實訓類系統(tǒng)則會打出第一步驟得分為零，無法進入下一步驟。最后，系統(tǒng)會對學生整體的實訓情況進行打分和評價，教師觀察實訓情況和評價會對學生進行指導。哪些同學步驟錯誤，哪些同學完成較差，哪些同學選材有誤等，都通過回顧視頻的方式向學生進行講解。

2.3 園林工程專業(yè)基礎類課程應用

園林工程專業(yè)基礎類課程主要是園林制圖與識圖，課程內容主要講解園林制圖概述，投影原理，繪制點、直線和平面的投影，包括透視投影繪制、剖面圖與斷面圖繪制等，這些涉及立體、投影等圖形無論在課本或者多媒體上呈現都是二維的，教學時不能給學生展示立體或者多方位的直視圖，不能進行多方位的觀察或者現場給學生演示如何修改設計圖。虛擬仿真技術不僅能幫助學生學習園林制圖與識圖中的多個部分和內容，并且可以對比二維設計圖和三維模型圖，讓學生直觀感受繪圖、投影、透視圖、剖面與斷面、構造識別等。數據庫中存量有大量的建筑構建模型，這些模型都是相對規(guī)范，遵守制圖原則的。通過點擊平面圖紙的案例，系統(tǒng)直接轉換為三維模型，讓學生可以從任意角度去觀察和理解；三維模型可以任意選取斷面或剖面，生成二維圖紙，讓學生不斷建立二維圖紙與三維模型之間的聯(lián)系，大腦不斷去思考和構建相互之間的關聯(lián)和細節(jié)，建立空間思維能力。

3 結語

虛擬仿真技術是用一個系統(tǒng)去模仿另一個真實維度世界的技術，并且利用虛擬仿真技術可以比“現場”看得更加真切，關注到更多的細節(jié)。教師教學利用虛擬仿真技術，可以讓學生能虛擬“親身”體驗教學案例的項目，從多個角度去學習和認識設計作品；學生進入虛擬仿真系統(tǒng)中“真實”體驗施工現場，“身臨其境”地完成相關施工任務；通過多個視角去觀察各類教學案例；學生可以對比二維設計圖和三維模型圖，建立空間思維能力。引入虛擬仿真技術后，園林工程課程教學可進一步實現改革創(chuàng)新，加強學生學習的興趣，以超前思維去培養(yǎng)學生的各方面能力和技術。