基于虛擬現實技術的植物造景課程教學改革探索

吳巖　王凱

【摘要】? ? 本文以探討基于虛擬現實技術的“植物造景”課程教學方法改革為手段，達到提升風景園林專業人才培養質量，為國家生態文明建設助力的研究目的。以華北水利水電大學建筑學院風景園林教研室的教學改革實踐為基礎，通過對虛擬現實技術在“植物造景”課程中的應用現狀進行分析，對虛擬現實技術融入課程教學改革中的必要性進行論證，總結了將虛擬現實技術融入課堂教學的方法與創新點，并對課程未來的教學模式做出展望。

【關鍵詞】? ? 教學改革? ? 虛擬現實技術? ? 園林植物? ? 虛擬認知? ? 虛擬搭建

引言：

如何將現代信息技術通過科學有效的方法和途徑融入“植物造景”課程教學，起到開闊學生視野，提高學生設計水平，提升風景園林專業人才培養質量，為國家生態文明建設助力的作用，是本次“植物造景”課程教學改革的重要目的。

一、虛擬現實技術

“虛擬現實技術”的英文名稱是Virtual Reality technology，簡稱：VR，是一種借助光學技術和3D重構技術，集虛幻性、感染性和娛樂性于一體，強調存在感和臨場感，綜合應用于多學科領域的新型科學技術[2]。且具備以下特點：多感知性，即除了通過計算機技術能提供的視覺感知外，還能夠融合味覺、觸覺、聽覺、運動感知等;實時性，在虛擬技術模擬的環境中，其中物體依據物理學定律運動，能夠實時響應對于參與者的要求;沉浸性，在虛擬技術模擬的環境中，參與者有身臨其境的感受，使參與者達到難以分辨真假的程度，能夠完全投入一種狀態;交互性，參與者能夠通過專用設備，實現虛擬環境中事物的操作，改變事物的存在狀態。

二、基于虛擬現實的植物造景課程改革的必要性

國內外很多農林類、建筑類高等院校紛紛將虛擬現實技術應用于實踐、實驗教學環節[3]。教育部從2017年開始遴選國家級虛擬現實實驗項目，風景園林專業教育指導委員會也針對本學科的虛擬現實實驗項目進行方向上的指導。

“植物造景”是風景園林專業一門重要的植物類課程，課程傳統的教學方法受時間、空間、季節、氣候等因素的制約，無法觀察到園林植物在各種生境條件下、全生命周期內的形態變化特征及造景效果，是風景園林專業人才培養中的一個難點。首先，在有限的時間、空間等條件下，限制了植物認知的廣度，導致植物認知的品種和數量不足。其次，植物認知效果不全面。園林植物的生長受地域、氣候等因素的制約，無法對園林植物進行全面觀察。再次，無法對植物造景效果進行真實觀察。傳統教學方法中，由于植物生長過程所帶來的景觀變化只能通過有限的圖示語言輔以文字語言進行描述，學生理解的難度較大。

三、基于虛擬現實技術的植物造景課程的應用現狀

（一） 搭建軟件平臺

華北水利水電大學建筑學院風景園林教研室自2016年開始，就嘗試將虛擬現實技術融入植物類課程的教學，目前開發了并投入使用了虛擬現實認知平臺“左看右看上看下看”、“數字化作業平臺”、“植物造景虛擬仿真實驗平臺”，實現植物類課程的沉浸式虛擬認知以及植物造景方案的虛擬仿真搭建與觀察。（圖1）

（二） 學習效果預期

基于“以問題為導向”、“以學生為中心的”教學理念，堅持“能實不虛、以虛補實”的建設思路，將虛擬現實技術應用于“植物造景”課程教學，通過園林植物虛擬認知與園林造景虛擬仿真搭建、觀察，以期能夠達到以下學習效果：第一，通過對不同生境條件下植物景觀效果的認知觀察，了解影響植物生長的各種環境因子。第二，通過改變設計作品的生境參數，觀察植物的季相變化與園林造景效果，在方案的推敲優化中掌握園林造景的基本原則。第三，通過時間推演觀察植物生長，培養學生具備四維空間設計能力，即：三維空間+一維時間，使學生在關注三維園林空間構建的同時也關注園林植物生長給空間帶來的變化。第四，通過新的教學方式方法，提高了人才培養效率與質量，為打造虛擬“金課”做準備，滿足國家對于新工科人才培養的要求。第五，通過虛擬仿真的教學方式充分調動學生的積極性，使之成為激發自主學習動力的有效途徑。

（三）教學效果評價

經過三年時間的教學探索，“植物造景”課程將虛擬現實手段融入課堂教學彌補傳統教學方式的不足，采用“傳統+實物+虛擬”相結合的教學方式方法，授課過程逐步演變成：課堂講授→戶外認知→虛擬認知→繪制方案→虛擬仿真搭建→調整方案→上傳作業平臺→教師評價，八個環節。

其中傳統的理論教學部分，教師主要依靠語言和圖片傳達造園法則等知識點。比如，多樣與統一是植物造景基本原則之一。以往的教學，教師就原則講原則，學生沒有代入感，難以產生共鳴。通過園林造景虛擬仿真搭建，師生多人協同進入同一虛擬場景，教師用精確的重復種植體現植物景觀的統一感，再用大小、樹形、色彩不同的植物材料構成變化多端，無序凌亂的植物景觀空間。用這樣的教學方法，教師無需多言，學生就能體會過于統一、沒有變化的單調呆板和變化太多、雜亂無章的心煩意亂。（圖2）

虛擬園林植物認知環節，打破了傳統的戶外考查受時間、空間等多因素制約的限制，傳統教學方式中學生通常只能就近觀察當季的植物景觀，教師依靠語言和影像資料也不能給予學生沉浸式體驗。比如，學生能方便地對自己所在城市的植被群落進行考查。但是，自然界中因地理區域的不同分布著不同的植物生態景觀。如熱帶雨林、季雨林景觀、亞熱帶的常綠闊葉林、常綠硬葉林景觀，溫帶的夏綠闊葉林、針葉林景觀，寒帶的苔原等。本實驗中，學生通過移動端，配合VR眼睛，足不出戶就能對各植被類型進行直觀地沉浸式認知。（圖3）

傳統的設計訓練依托二維圖紙，師生無法真實感受園林景觀的三維效果，也不能觀察方案中植物的生長變化狀況。通過本虛擬仿真實驗，學生可將自己的植物造景方案在場景中利用豐富的植物材料模型庫進行真實搭建，并借助VR頭盔端，進入自己搭建的場景中，感受三維空間中所呈現的植物高低、樹形、色彩、組合等效果，并通過一天中早、中、晚的參數設置觀察植物的光影變化，通過一年中春、夏、秋、冬的季節設置觀察植物的季相變化，通過設置時間進度觀察植物的生長發育情況。（圖4）

四、基于虛擬現實技術的植物造景課程改革的創新點

支持體驗和觀察的教學環節，有助于學生推敲優化方案。課程結束后將作業成果上傳數字作業平臺，不同年級的同學都可以訪問作業庫，實現學習過程的開放與共享，教師和同學通過頭盔一起進入場景進行沉浸式觀察并給予評價。在整個教學過程中，實現了教學工具與教學方法的以下創新：

（一）認知方式的創新

建立合理有序的植物類虛擬現實認知資料庫體系，開展多角度、多層次的典型案例認知，擴大了教育內容的廣度與深度。

（二）教學過程管理的創新

通過網站后臺的課程教育大數據管理，精準了解學生的認知需求，調整資源的分布情況，最大限度地調動學生主動學習的積極性，真正做到因材施教。

（三） 教學過程安排的創新

技術的革新帶來教學方式的改變，將技術深度融入課堂，對傳統的授課模式進行深入細致的研究，將傳統教學過程變成：課堂講授→戶外認知→虛擬認知→繪制方案→虛擬仿真搭建→調整方案→上傳作業平臺→教師評價，八個環節。

實現教學過程的開放與協同，搭建了可以互動交流的虛擬學習場景，在學習過程中融入社交屬性，變被動接受為主動交流。

（四）教學平臺的創新

目前已經開發了虛擬現實認知平臺“左看右看上看下看”、“數字化作業平臺”、“植物造景虛擬仿真實驗平臺”，下一步在完善優化現有平臺的基礎上，開發基于AR互動技術的專業教材，并逐步面向社會開放。

（五）教學評價方式的創新

“線上、線下”相結合評價體系。依托平臺的相應課程，按照教學計劃制定實驗各階段的評價辦法。課程的實驗階段和評價標準在數字作業平臺中由任課教師預先設定，平臺保存全過程實驗文件，每個實驗階段的模型場景由系統發布為各終端使用文件，方便師生交流、互動以及評比打分。平臺建立的學生實驗檔案，永久保留，為學科建設發展提供依據。

新技術的發展不可阻擋，合理有效的利用新技術讓植物生境、影響因子、思維設計等抽象知識變得更加生動化、形象化和直觀化。在教學中加大對教師隊伍的培訓力度，使教師能夠認可新技術、學習新技術、使用新技術，從而幫助學生感性地去理解相關知識和概念，引導學生創造思維方式轉變，適應未來發展需求，培養一流創新人才。

五、前景與展望

隨著虛擬現實技術不斷融入教學過程，大量傳統學科的教學方式都得到了優化與提升，未來基于虛擬現實技術的實踐探索與教學改革必定越來越普及越來越深入，“植物造景”課程中以虛擬現實技術為依托的認知方式并不是為了代替傳統園林植物的認知方式，而是對傳統認知方式深度、廣度的有效補充，未來一定會被更多的院校所采用。除了認知環節之外利用虛擬現實技術實現教學場景的虛擬搭建、效果體驗、空間感知、過程控制等也將能很好地得以呈現，這些環節的革新，將會更好地解決風景園林教學過程中的難點，為人才培養助力。

隨著5G技術的到來、軟硬件技術將會迎來新的突破，體驗感會越來越強，全面擁抱新技術才是未來的趨勢。不斷學習新技術，探索新技術與傳統教育方式的融合之道，必定是未來信息化教育教學改革的重要工作。

作者單位：吳巖? ? 王凱? ? 華北水利水電大學 建筑學院

參? 考? 文? 獻

[1] 馮利民.基于VR技術的虛擬教學應用探討[J].教育科學（全文版），2016，（12）：243-243.

[2] 董璟，曾誠.虛擬現實技術在風景園林專業教學中的應用探討[J].現代園藝，2018，（20）：224-225.