虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于園林專業(yè)教學的探索與實踐

高陽林　李進進　于璐

摘要：在論述虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于園林專業(yè)的可行性和必要性基礎(chǔ)上，明確了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在園林專業(yè)教學中的作用，并簡要說明了搭建虛擬現(xiàn)實教學平臺的技術(shù)路徑和實現(xiàn)效果，經(jīng)過實踐總結(jié)引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)的教學成效。

關(guān)鍵詞：園林；虛擬現(xiàn)實；教學

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2015）06-0112-03

Abstract：With analysis to the practicability and necessity of the application of VRT（Virtual Reality Technology） in Landscape Architecture， the paper confirms the VRTs function in the teaching of Landscape Architecture， illustrates the technological path and running effect of building the Virtual Reality Teaching Platform and introduces the teaching effect of VRT.

Key words： landscape； Virtual Reality Technology； education

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概述

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，園林行業(yè)設(shè)計、工程等各類項目已越來越多的與計算機等網(wǎng)絡信息技術(shù)結(jié)合。如園林工程方面的項目管理系統(tǒng)、招投標系統(tǒng)、工程預算造價系統(tǒng)等，園林設(shè)計方面的手繪結(jié)合的計算機輔助設(shè)計的設(shè)計制圖模式。在本世紀初計算機效果圖技術(shù)逐步普及，極大提升了設(shè)計表現(xiàn)效率并成為設(shè)計領(lǐng)域不可缺少的表現(xiàn)手段。隨著行業(yè)發(fā)展，靜態(tài)的固定視覺效果圖已無法滿足業(yè)主和設(shè)計單位的需求，近年來三維漫游動畫越來越多的應用在大中型園林設(shè)計中。通過相關(guān)軟件對設(shè)計內(nèi)容進行建模、渲染和后期編輯，形成的漫游動畫相較靜態(tài)效果圖更加直觀。而近兩年隨著計算機圖形處理能力加速提升以及周邊軟硬件條件的完善，具有交互參與的漫游技術(shù)逐步進入人們視野。相較于傳統(tǒng)漫游動畫固定路徑和單向信息傳遞的先天缺陷，虛擬現(xiàn)實在交互性和沉浸感方面均具有顯著優(yōu)勢。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一門綜合性信息技術(shù)，涵蓋了多個學科，主要用在計算機仿真領(lǐng)域，該技術(shù)的原理是通過計算機及相關(guān)軟件對真實環(huán)境進行模擬，用戶可以利用專用設(shè)備沉浸到模擬環(huán)境中，從而實現(xiàn)與該環(huán)境的交流與感受。

2 將虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入園林專業(yè)教學的必要性

目前，園林專業(yè)教學資源多以教材、意象圖片、PPT課件、多媒體動視頻等為代表的靜態(tài)或初級動態(tài)的教學資源為主，而教學模式早已由教師主導的單向知識傳授模式轉(zhuǎn)變?yōu)橐詫W生為主體的項目化雙向互動的教學模式，但相對落后的教學資源已很難適應教學模式的進一步改革和發(fā)展的需要。此外，園林專業(yè)教學受客觀條件的限制，教師講授內(nèi)容很難全部經(jīng)由具體實踐傳授給學生。例如，園林工程教學中涉及大量園林景觀和建筑施工，而在現(xiàn)實中很難提供學生逐一參與各類工程實踐的機會；園林規(guī)劃設(shè)計課程中教學用設(shè)計方案實施的可能性也微乎其微。由于以上客觀條件所限，教師實現(xiàn)預期教學效果的難度較大。因此，迫切需要一種可超越時間、空間和資源限制并能重復利用的低成本的教學資源和手段作為園林專業(yè)教學和實踐的有力補充，而虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點正好與之相呼應（如圖1所示）。

3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)實施領(lǐng)域

3.1 設(shè)計類課程理論教學方面

將園林設(shè)計初步、園林規(guī)劃設(shè)計、室內(nèi)設(shè)計等設(shè)計類課程中抽象的概念、規(guī)范、要求和案例通過虛擬現(xiàn)實進行表現(xiàn)。改以往教學“文字+圖片”的平面靜態(tài)模式為更易理解的三維虛擬動態(tài)環(huán)境，為學生提供更加直觀的學習體驗，進而提升其學習效率和興趣。

3.2 工程類實踐課程教學方面

對園林工程常見各施工項目分類進行虛擬現(xiàn)實，在虛擬環(huán)境中再現(xiàn)工程項目各工序從開工到建成的全過程，并引入交互式界面，用可控的動態(tài)影像直觀表現(xiàn)施工工藝、材料及相關(guān)要求和規(guī)范等。使以往部分由于時間、空間以及客觀條件限制無法開展的教學實踐項目得以在虛擬環(huán)境中再現(xiàn)，使學生對工程施工的認識更加具象直觀。

3.3 園林建筑結(jié)構(gòu)與構(gòu)造課程教學方面

通過虛擬現(xiàn)實將以往教學中較難理解的建筑結(jié)構(gòu)三維數(shù)字化，學生可通過不同視角觀察分析建筑構(gòu)造及其主要施工步驟，不僅可以減輕教師授課強度更能幫助學生快速掌握相關(guān)知識。

3.4 園林及建筑設(shè)計方案的虛擬現(xiàn)實分析驗證

在學生進行設(shè)計實踐過程中，從方案場地初步分析到最終成稿的全程引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)，利用接近未來建成實景的虛擬環(huán)境分析驗證方案。在虛擬環(huán)境下，教師與學生置身于—個相對真實的模擬空間，使得園林設(shè)計能夠突破以往“平、立，剖”的常規(guī)模式，讓學生從各個不同的角度直觀地面對設(shè)計對象，更加深入地研究環(huán)境中各設(shè)計要素及空間關(guān)系、比例，設(shè)計出更加完美，更加人性化的方案作品。

3.5 虛擬現(xiàn)實資源的網(wǎng)絡教學平臺

將各類課程虛擬現(xiàn)實資源與相應網(wǎng)絡課程結(jié)合，實現(xiàn)資源共享，使學生可隨時隨地學習相關(guān)知識。

4 虛擬現(xiàn)實教學平臺的搭建

4.1 虛擬現(xiàn)實平臺的選擇

近年來信息技術(shù)飛速發(fā)展，計算機與各個具體專業(yè)的交叉滲透更加深入和全面。園林專業(yè)相關(guān)軟件也由最初的平面輔助設(shè)計軟件發(fā)展到可全程輔助設(shè)計表現(xiàn)。園林專業(yè)虛擬現(xiàn)實涉及軟件的發(fā)展已相當成熟，主要包括：AutoCad，SketchUp、3d Max、Photoshop、Lumion、Premiere、Unity3D等。通過分析對比各虛擬現(xiàn)實平臺的性能及擴展性，本研究采用Unity3D作為虛擬現(xiàn)實核心實現(xiàn)平臺，Unity3D是一個讓開發(fā)者輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、景觀可視化、實時三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺的綜合型虛擬現(xiàn)實開發(fā)工具，是一個全面整合的專業(yè)虛擬現(xiàn)實引擎，可完全滿足虛擬現(xiàn)實在園林專業(yè)的應用。

4.2 技術(shù)路徑

1）分析并歸納園林專業(yè)相關(guān)課程可供虛擬化的所有知識點以及相關(guān)課程項目作業(yè)內(nèi)容；

2）結(jié)合虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)軟硬件條件，確定各知識點和項目內(nèi)容的初步場景表現(xiàn)形態(tài)，形成該虛擬現(xiàn)實場景構(gòu)建程序和注意事項；

3）建立各場景基礎(chǔ)模型、完成材質(zhì)烘焙，并分析檢查場景內(nèi)容與虛擬現(xiàn)實平臺的兼容性；

4）將場景模型導入虛擬現(xiàn)實平臺，根據(jù)教學需要進行編程，完成交互操作和模擬動畫功能；

5）設(shè)計制作系統(tǒng)交互界面；

6）對完成的虛擬現(xiàn)實場景進行檢查，并進行后期處理以及添加必要文字、配音等工作；

7）整合進入教學系統(tǒng)，形成園林專業(yè)虛擬現(xiàn)實教學資源庫；

8）根據(jù)網(wǎng)絡和瀏覽器要求，優(yōu)化教學資源庫進行網(wǎng)絡發(fā)布。

4.3 搭建教學平臺

根據(jù)預先確定的技術(shù)路徑進行教學平臺的開發(fā)，平臺使用操作便捷、易于掌握（見圖2）。

5 園林專業(yè)教學引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)的意義

5.1 實現(xiàn)學生為主體的信息雙向流動的學習模式

傳統(tǒng)教學視頻與一般電影、電視類似，均為信息的單向傳遞，學生只能被動地接受動畫制作者預先確定的觀賞內(nèi)容。即使采用漫游動畫由于其線性播放特點，學生也難以精確地切換場景和控制播放進度。通過引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)，學生可根據(jù)自身需要或喜好，隨時移動或跳轉(zhuǎn)至指定場景或位置，增加觀賞者與漫游場景之間的有效互動。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)場景實際情況加入互動參與功能，如園林夜景中的感應燈光、噴泉流量控制、展示屏幕顯示內(nèi)容控制等，通過豐富的交互功能構(gòu)建學生與虛擬現(xiàn)實場景間的良性互動。

5.2 使教學突破空間和時間限制

園林是對物理環(huán)境的改造和營建，學生在學習過程中必須大量積累過往各類園林、建筑及其施工等多方面項目經(jīng)驗。但由于課程教學時間相對固定、項目地域分布不集中，為了解決此矛盾部分學校會在多數(shù)專業(yè)課結(jié)束后開設(shè)數(shù)周的外出綜合實習，為學生提供較為系統(tǒng)的學習參觀機會。此類實習雖內(nèi)容全面但時間短、知識量過大且未與相應課程教學緊密結(jié)合，教學目標很難全部實現(xiàn)。特別由于課堂教學與實踐脫節(jié)，學生錯過了接受知識的最佳時間段，教學效果不無遺憾。借助于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，學習與實踐同步進行，學習受時間和空間的限制被徹底打破。設(shè)計類課程學習與相應虛擬現(xiàn)實案例緊密結(jié)合，可直觀的為學生提供形象生動的學習體驗，使教學效果事半功倍。工程類課程借助于虛擬現(xiàn)實技術(shù)，每一步的施工環(huán)節(jié)、工藝及材料等清晰可見，從而可以最大限度地滿足學生的不同需要，學習不受時間、空間的限制。

5.3 彌補教學條件的不足

園林是人工化的自然環(huán)境，是一門基于對實際場地及其空間設(shè)計和施工的學科，是對物理及人文環(huán)境的營建，因此本專業(yè)的教學需要建立在實際環(huán)境中。但由于教學場地、設(shè)備、經(jīng)費等客觀因素的限制，極少有學校能完全滿足園林專業(yè)對教學環(huán)境和條件的需求。由于條件所限制導致一些課程停留在“紙上談兵”的狀態(tài)，學生對所學知識缺乏親身體會。通過引入虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以極大地彌補這些方面的不足。學生在課堂中便可以直觀的體會所學知識，獲得與真實環(huán)境較為接近的體會，從而增加感性認識，深化對教學內(nèi)容的理解。同時虛擬化案例教學耗費較少、節(jié)省實踐教學經(jīng)費，可以反復進行，有利于從根本上改善和提高教學水平。

5.4 提升學生對空間的認識并提高設(shè)計和施工準備工作的效率

園林規(guī)劃設(shè)計不只是對平面區(qū)分，更是對空間和行為的設(shè)計。初學園林專業(yè)的學生乃至有一定工作經(jīng)驗的設(shè)計人員對空間的理解常常不到位，很多學生會將全部精力放在平面圖及方案構(gòu)圖上，最終導致方案雖然平面構(gòu)圖很漂亮，但空間設(shè)計混亂、缺乏實用性。通過鼓勵學生使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)對所做方案進行三維數(shù)字化建模，模擬方案建成的最終效果、分析方案空間合理性。在虛擬三維環(huán)境中對方案進行直觀的評價和驗證，有利于發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的不足并及時優(yōu)化設(shè)計方案，從而鍛煉學生空間思維和對尺度把握的能力。

此外，園林設(shè)計對于環(huán)境變化的前瞻性和周圍景物的關(guān)聯(lián)性要求很高，在動工之前景必須對完工之后的環(huán)境有—個明確的，清晰的概念。

6 結(jié)束語

隨著經(jīng)濟社會的發(fā)展，行業(yè)企業(yè)對人才素質(zhì)的需求不斷提升，由此對職業(yè)教育也提出了更高的要求。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用于高職園林專業(yè)教學，可以優(yōu)化現(xiàn)有教學觀念、突破單一授課模式和教學資源，營造出接近現(xiàn)實的動態(tài)虛擬環(huán)境，學生通過切身的體驗和感受，積極構(gòu)建屬于自己的知識形態(tài)。在教學中利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，學生可以在計算機模擬環(huán)境中開展課程實踐，這種教學手段不僅可以直觀的展示設(shè)計理論、提供方案和工藝的交互探討界面，更能顯著提升教學效率并擴展學生學習維度。通過近兩年教學實踐探索，本專業(yè)學生學習興趣和學習效果有了明顯的飛躍，在學生工作室承攬真實園林設(shè)計項目和職業(yè)技能大賽方面都取得了顯著成果。

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