虛擬仿真技術(shù)在環(huán)境設(shè)計專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究

1、PAGE 9 -虛擬仿真技術(shù)在環(huán)境設(shè)計專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用研究李君關(guān)鍵詞：虛擬仿真技術(shù);環(huán)境設(shè)計專業(yè);教學(xué)應(yīng)用隨著現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用于藝術(shù)設(shè)計課程的教學(xué)中，為高校提高教學(xué)質(zhì)量提供了有效的教學(xué)手段。環(huán)境設(shè)計專業(yè)的基礎(chǔ)課將虛擬仿真技術(shù)作為教學(xué)創(chuàng)新的核心，并基于虛擬仿真技術(shù)可視化、直觀的特點，構(gòu)建了多元虛擬系統(tǒng)模擬資源庫，輔助環(huán)境設(shè)計專業(yè)的理論教學(xué)。以期應(yīng)對信息時代背景下虛擬仿真技術(shù)在環(huán)境設(shè)計教學(xué)中的挑戰(zhàn)和機遇。1虛擬仿真技術(shù)概述1.1虛擬仿真技術(shù)的概念美國計算機科學(xué)家JaronLanier于1989年提出使用“虛擬現(xiàn)實”一詞以統(tǒng)一表述新的人機交互技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)包括計算機、電

2、子信息、仿真技術(shù)等，其基本實現(xiàn)方式是計算機模擬虛擬環(huán)境從而給人以環(huán)境沉浸感。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是利用計算機生成逼真的三維效果虛擬場景，在交互過程中使被仿真環(huán)境、視覺系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)同步捆綁在一起，使用戶可以輕松獲得各種傳感設(shè)備感知的一種技巧。該技術(shù)依靠高科技的硬件和軟件來生成模具模擬真實世界，給人身臨其境的觀看體驗。也就是說，虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以實現(xiàn)三維現(xiàn)實，模擬現(xiàn)實世界的環(huán)境。虛擬現(xiàn)實技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬情景模擬，依托高科技硬件和軟件生成逼真的虛擬環(huán)境，用戶通過五感與虛擬環(huán)境中的人物、場景、事件、主題等建立聯(lián)系，產(chǎn)生交互性和多感知性的體驗1。因此，虛擬仿真系統(tǒng)具有多媒體信息感知性、沉浸感和交互性等特點。虛擬

3、仿真技術(shù)具有傳達視覺、聽覺、觸覺等信息的能力，將用戶體驗融入虛擬環(huán)境，通過交互設(shè)備展現(xiàn)虛擬世界的對象，使用戶具有真實的體驗感。1.2虛擬仿真技術(shù)的特征1.2.1真實的沉浸式沉浸式是讓客戶感受到真實的虛擬世界，可以通過計算機的輔助將場景參數(shù)模擬出來，而用戶則只需通過眼鏡或是頭盔等傳感工具的輔助實現(xiàn)真實場景的感同身受。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以模擬真實世界，用戶能夠在虛擬世界中感受到與現(xiàn)實一樣的感覺，這種技術(shù)是對人類感官的全面模擬，能夠為人們帶來極為真實的體驗2。1.2.2豐富的想象性豐富的想象性是虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用的重要特點，基于這種特點能夠讓用戶充分感受到虛擬世界的真實感，并完全沉浸在其中。由于虛擬現(xiàn)實技

4、術(shù)是一種模擬技術(shù)（未來事物或虛擬事物），因而用戶可以在實際的模擬場景中通過豐富的聯(lián)想開闊思維，使得創(chuàng)造力得到有效提升，達到建筑室內(nèi)設(shè)計的綜合效果，拓寬人們的認知限度。1.2.3實時的交互性交互性主要指的是用戶能夠根據(jù)自己的需求對虛擬世界進行操作，這種操具有一定的實時性，通過對虛擬世界的操作能夠獲得及時的反饋，常用的交互方式包括動作捕捉、觸覺反饋等。2虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于環(huán)境設(shè)計專業(yè)教學(xué)現(xiàn)狀2.1傳統(tǒng)環(huán)境設(shè)計教學(xué)實驗中心硬件設(shè)施落后環(huán)境設(shè)計專業(yè)主要是為我國建筑設(shè)計、室內(nèi)設(shè)計、公共藝術(shù)設(shè)計及園林景觀設(shè)計等行業(yè)培養(yǎng)專業(yè)人才，傳統(tǒng)環(huán)境設(shè)計教學(xué)實驗中心的實踐教學(xué)過于抽象，設(shè)計圖也是以二維圖紙為主，硬件設(shè)施

5、相對落后，不僅會降低學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時學(xué)生也無法有效地接受相關(guān)知識內(nèi)容，從而降低學(xué)生的學(xué)習(xí)質(zhì)量，不利于學(xué)生今后的發(fā)展。2.2教學(xué)實踐課程教學(xué)環(huán)節(jié)單一傳統(tǒng)環(huán)境設(shè)計教學(xué)初期，教師多數(shù)會導(dǎo)入一些模塊化案例的內(nèi)容和資料讓學(xué)生進行認知，包含環(huán)境設(shè)計概念、環(huán)境設(shè)計表達、環(huán)境空間設(shè)計三個知識進階板塊。在授課過程中經(jīng)常會出現(xiàn)部分學(xué)生易產(chǎn)生課堂注意力不集中、興趣度不高等現(xiàn)象。環(huán)境設(shè)計專業(yè)實踐教學(xué)環(huán)節(jié)會涉及很多概念教學(xué)環(huán)節(jié)，目前僅靠圖片、電子數(shù)據(jù)資料和項目案例等教學(xué)方式，因此學(xué)生對相關(guān)概念及發(fā)展歷史僅停留在文字層面。如環(huán)境設(shè)計專業(yè)要求學(xué)生具有對空間的塑造能力。在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師常用統(tǒng)籌營造空間的方法，引導(dǎo)學(xué)生通

6、過理性分析來探索空間。該教學(xué)環(huán)節(jié)需要學(xué)生具備一定的空間想象力和表達能力。在以往的教學(xué)中，景觀空間設(shè)計手法僅是就形體論形體、就空間論空間，導(dǎo)致部分學(xué)生無法在實際情況中靈活運用。目前，虛擬仿真技術(shù)在風(fēng)景園林、景觀設(shè)計教學(xué)中進行應(yīng)用，一是在單一課程的“原理認知空間設(shè)計表達呈現(xiàn)”知識鏈條中穿插虛擬仿真輔助教學(xué)。針對課程特點搭建“虛擬仿真+課平臺”模式，構(gòu)建環(huán)境設(shè)計專業(yè)課程的虛擬仿真景觀資料庫;二是隨著環(huán)境設(shè)計專業(yè)學(xué)生年級的增加和專業(yè)知識難度的提升，虛擬仿真技術(shù)的引入方式也要隨之調(diào)整。因此，環(huán)境設(shè)計專業(yè)作為虛擬仿真技術(shù)教學(xué)輔助的基點，由概念認知和歷史梳理逐漸過渡到空間設(shè)計和表達呈現(xiàn)等教學(xué)環(huán)節(jié)。3虛擬仿真

7、技術(shù)在環(huán)境設(shè)計專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用意義3.1為案例教學(xué)環(huán)節(jié)提供虛擬演示場景虛擬仿真技術(shù)在環(huán)境設(shè)計專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用，可以為案例教學(xué)環(huán)節(jié)提供虛擬、仿真和模擬的演示場景。如收集素材（DLG影像測量、影像解析）、虛擬仿真環(huán)境建模、虛擬仿真運行程序開發(fā)（GIS云計算平臺）、系統(tǒng)集成、安裝和配置演示環(huán)境等。而要完成虛擬現(xiàn)實功能，其步驟包含：虛擬漫游、操作模型、環(huán)境配置、方案比較、信息查詢、空間量算。而虛擬仿真技術(shù)在環(huán)境設(shè)計專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用場景主要有以下三種：1）利用三維地形生成軟件TerraBuilder構(gòu)建真實的地形模型，并將道路、河流、山川，以及人文景觀疊加到MPT地形圖中，統(tǒng)一生成三維地形模型。2）在互

8、聯(lián)網(wǎng)平臺上，利用三維GIS軟件Skyline系統(tǒng)軟件開發(fā)包，建立系統(tǒng)的三維顯示框架程序。3）在互聯(lián)網(wǎng)平臺上，利用三維GIS軟件Skyline系統(tǒng)軟件組件開發(fā)接口實現(xiàn)各種信息的二維查看、查詢、測量等一系列功能，以及二維與三維的交互性查看、漫游，并實現(xiàn)二維地圖與三維場景的互換。學(xué)校可以配備虛擬仿真教學(xué)實驗室，利用虛擬仿真軟件進行輔助3。同時，虛擬仿真材料庫和編輯工具可以在三維場景中模擬環(huán)境和人類的活動范圍，提高設(shè)計效果的模仿，使學(xué)生能夠在教師的指導(dǎo)下身臨其境地進行虛擬學(xué)習(xí)。3.2使學(xué)生具有真實的體驗感虛擬仿真技術(shù)在環(huán)境設(shè)計教育與培訓(xùn)中的應(yīng)用，可以提供數(shù)據(jù)和模型的可視化，使學(xué)生具有真實的體驗感。例如

9、，在環(huán)境設(shè)計制圖中，可以通過DEM土方工程等工程計算，隨時調(diào)整設(shè)計方案。虛擬仿真技術(shù)也有整合改造、虛擬化、網(wǎng)絡(luò)化的作用，可以通過網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用到每一個室內(nèi)空間。因此，新技術(shù)可以帶來新的教育培養(yǎng)思維，解決環(huán)境設(shè)計專業(yè)的扁平化教學(xué)模式，使學(xué)生具有真實的體驗感（如圖1）。3.3提高教學(xué)環(huán)節(jié)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和興趣與傳統(tǒng)的二維圖像設(shè)計教學(xué)相比，虛擬仿真教學(xué)技術(shù)將教學(xué)設(shè)計以全虛擬3D效果呈現(xiàn)，并進行現(xiàn)場檢查，然后對場地環(huán)境進行分析，整合各種信息。例如，對3D模型的需求是教師可以通過衛(wèi)星參與教學(xué)過程地圖捕捉一個區(qū)域的平面圖，然后使用虛擬技術(shù)直接將平面截圖轉(zhuǎn)換為3D模型借助圖像建模，可以準確、快速地建立周圍的模型。教

10、學(xué)中，教師和學(xué)生可以使用以上兩種技術(shù)對模型的每一部分進行分析觀察，學(xué)生可以在老師的指導(dǎo)下完成空間布局規(guī)劃。這種教學(xué)方法能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)生對模型的觀察熱情，確保學(xué)生能夠從多個方面對模型設(shè)計進行思考和分析，保證學(xué)生可以對其做出明確的判斷，并在虛擬現(xiàn)實空間中幫助學(xué)生測試空間與人的關(guān)系，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，獲得實際的存儲空間設(shè)計能力，達到優(yōu)化設(shè)計的目標。因此，良好的教學(xué)氛圍能夠提高教學(xué)質(zhì)量，從而提高學(xué)生的效率學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的綜合設(shè)計能力4。3.4方便調(diào)整實踐作業(yè)過程和效果環(huán)境設(shè)計項目設(shè)計是一個復(fù)雜、漫長的過程，與此同時，其還會涉及許多其他學(xué)科知識。與傳統(tǒng)的二維圖像設(shè)

11、計相比，虛擬仿真技術(shù)在實踐教學(xué)中具有較高的科學(xué)技術(shù)水平，可以為環(huán)境設(shè)計提供一個更廣闊的發(fā)展空間。在學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計的過程中，學(xué)生可隨時隨地優(yōu)化調(diào)整設(shè)計方案，從而進一步加速環(huán)境設(shè)計的實踐作業(yè)進展情況，讓學(xué)生也能進行環(huán)境設(shè)計的過程和效果實時觀察，使學(xué)生能夠及時發(fā)現(xiàn)問題，并使之及時有效改善。4虛擬仿真技術(shù)在環(huán)境設(shè)計專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用思路4.1建立并完善虛擬仿真實踐教學(xué)中心在學(xué)校的積極配合下，學(xué)校相關(guān)部門與環(huán)境設(shè)計專業(yè)教學(xué)組一同建立了虛擬仿真實踐教學(xué)中心，根據(jù)當前環(huán)境設(shè)計的技術(shù)發(fā)展，選擇適合的虛擬仿真實踐教學(xué)設(shè)備。包括先進的大屏幕背投系統(tǒng)等硬件設(shè)施，以及各種相關(guān)的模擬、設(shè)計、分析等正版軟件設(shè)施，由專人負責教

12、學(xué)中心硬件設(shè)施及軟件設(shè)施的保養(yǎng)、維護與更新，從而確保教學(xué)過程中設(shè)施能夠正常運行，為虛擬仿真實踐教學(xué)的有序進行提供保障。此外，在實踐教學(xué)過程中，及時發(fā)現(xiàn)當中存在的問題，并通過全面分析，找出引發(fā)問題的關(guān)鍵，最后通過會議提出具有建設(shè)性意義的改進措施，對虛擬仿真實踐教學(xué)中心進行全面完善（如圖2）。4.2構(gòu)建并模擬仿真的實踐課程教學(xué)4.2.1理論教學(xué)環(huán)節(jié)協(xié)同虛擬仿真教學(xué)并行虛擬仿真實踐教學(xué)中的BIM技術(shù)對環(huán)境設(shè)計專業(yè)學(xué)生的自身能力要求較高，部分自身能力較差的學(xué)生在學(xué)習(xí)相關(guān)技術(shù)時可能會出現(xiàn)學(xué)習(xí)效率偏低的現(xiàn)象，使得學(xué)生無法真正掌握技術(shù)要點。在教學(xué)實踐課程中可以設(shè)立相關(guān)虛擬仿真內(nèi)容，學(xué)生能夠在獲得基礎(chǔ)環(huán)境設(shè)計

13、知識理論的基礎(chǔ)上，借助虛擬仿真技術(shù)強大的仿真、可視化能力，幫助低年級學(xué)生加快建立起對景觀設(shè)計的系統(tǒng)性認知，提升低年級學(xué)生對空間設(shè)計的興趣。教師在設(shè)計概念教學(xué)環(huán)節(jié)，實現(xiàn)學(xué)生對于抽象原理的可視化認知5。在設(shè)計表達教學(xué)環(huán)節(jié)，以虛擬仿真技術(shù)融合經(jīng)典設(shè)計臨摹，強調(diào)環(huán)境設(shè)計的二維平面和三維空間屬性，聚焦基本概念理解;在環(huán)境空間設(shè)計教學(xué)環(huán)節(jié)，突出環(huán)境空間設(shè)計給人的尺度感受，側(cè)重自然空間的生命性和時間性，通過對研究對象尺度的放大或縮小，幫助學(xué)生建立起環(huán)境空間設(shè)計的尺度意識與系統(tǒng)意識，提升其空間設(shè)計興趣。設(shè)立虛擬仿真教學(xué)實踐課堂，融入環(huán)境專業(yè)設(shè)計相關(guān)概念的教學(xué)環(huán)節(jié)，構(gòu)建虛擬仿真景觀資料庫，建立部分經(jīng)典案例的虛擬

14、場景，串聯(lián)環(huán)境設(shè)計的發(fā)展歷史，可以強化學(xué)生對于抽象概念的可視化認知。4.2.2實踐教學(xué)環(huán)節(jié)搭建虛擬仿真的平臺虛擬仿真實踐教學(xué)能提升學(xué)生的技術(shù)水平，因此應(yīng)用型本科院?？梢栽O(shè)立虛擬仿真實踐選修課，學(xué)生可根據(jù)自身能力與興趣選擇學(xué)習(xí)課程，同時教師也可利用互聯(lián)網(wǎng)建立線上虛擬仿真實踐教學(xué)交流平臺。學(xué)生不僅能夠在課堂中學(xué)習(xí)相關(guān)專業(yè)技術(shù)，學(xué)生也可以在網(wǎng)上實現(xiàn)學(xué)習(xí)心得的交流，使學(xué)生能夠通過交流心得從中發(fā)現(xiàn)原本沒有領(lǐng)悟到的知識，從而實現(xiàn)自身技術(shù)能力的提升。1）多門專業(yè)課程協(xié)同教學(xué)。可以在環(huán)境設(shè)計專業(yè)基礎(chǔ)課程教學(xué)的概念認知、設(shè)計要素應(yīng)用、設(shè)計實訓(xùn)三大模塊應(yīng)用虛擬仿真技術(shù)，使學(xué)生對環(huán)境設(shè)計理論、經(jīng)典案例及空間尺度能有

15、清晰地了解。環(huán)境設(shè)計專業(yè)課程隨著學(xué)生年級的變化，在訓(xùn)練意圖、設(shè)計難度、表達深度等方面要求虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用于專業(yè)課程的比例、方向和深度都有所差別。有效利用虛擬仿真技術(shù)輔助高年級專業(yè)課程教學(xué)，可以打通多門專業(yè)課程協(xié)同教學(xué)環(huán)節(jié)，建設(shè)數(shù)字化環(huán)境設(shè)計課程體系。2）體驗式課程教學(xué)。借助虛擬仿真技術(shù)的體驗式課程教學(xué)是激發(fā)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的重要途徑。教師要以增強學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性和提升其創(chuàng)造力為目標，突破以往教學(xué)的抽象講解與說教形式，將抽象的原理與概念轉(zhuǎn)換為具體可感的虛擬空間。虛擬仿真景觀教學(xué)資源庫將借助虛擬仿真平臺的可視性、直觀性、動態(tài)性和互聯(lián)網(wǎng)的連接性，打造虛擬歷史館、經(jīng)典作品館、虛擬展廳等形式，為學(xué)生學(xué)習(xí)景觀

16、設(shè)計基礎(chǔ)課程、梳理歷史脈絡(luò)提供虛擬體驗。3）多軟件聯(lián)合教學(xué)。目前應(yīng)用于環(huán)境設(shè)計教學(xué)中的軟件主要包括CAD、SketchUp、3DsMax、Photoshop等，實施虛擬仿真實踐教學(xué)后便可以將BIM技術(shù)作為教學(xué)主線，把原有的教學(xué)軟件串聯(lián)起來，實現(xiàn)多軟件聯(lián)合教學(xué)，確保學(xué)生能夠同時掌握當前主流的環(huán)境設(shè)計軟件和技術(shù)。同時，在實施材料與施工、居住環(huán)境設(shè)計、商業(yè)環(huán)境規(guī)劃、景觀設(shè)計等專業(yè)課程的實踐教學(xué)時，可在實踐教學(xué)的過程中實施虛擬技術(shù)教學(xué)，從而將學(xué)生的主觀能動性充分調(diào)動起來，使學(xué)生能夠更加積極主動地參與并完成虛擬技術(shù)學(xué)習(xí)，從而達到提高學(xué)生二維、三維模型聯(lián)合應(yīng)用能力的目的。4.3搭建教學(xué)反饋跟蹤分析系統(tǒng)在完善虛擬仿真實踐教學(xué)中心的基礎(chǔ)上，同時將成本跟蹤分析系統(tǒng)引進其中，并且還需要結(jié)合設(shè)計成本規(guī)劃管理系統(tǒng)。教師可分析環(huán)境設(shè)計中的相關(guān)因素，并將各自變量、因變量及之間的關(guān)系找出來，根據(jù)這些信息將正確的目標函數(shù)關(guān)系式列出，同時明確各個關(guān)系式之間的約束條件。此外，可由教師建立線性規(guī)劃模型，通過對規(guī)劃模型進行求解，以此將