虛擬仿真教學平臺的實踐與探索

華亦雄　孫超然

摘要：目的：為符合信息時代社會發展的客觀趨勢，以及積極響應國家教育數字化戰略、推動教育智能現代化，文章對虛擬仿真技術在高校實驗教學中的應用展開討論。文章以環境設計專業的景觀設計課程為例，闡述虛擬仿真教學平臺在景觀設計實驗教學中的優越性，介紹景觀設計實驗教學的課程改革思路和虛擬仿真教學平臺的建設框架與建設內容，探討虛擬仿真教學平臺的構建策略，并對教學改革效果進行評價分析。方法：從資源庫建設、教學實施系統建設、教學方法探索、教學評價體系構建、師資隊伍及管理體系建設等多個方面總結虛擬仿真教學平臺的正向影響及平臺構建策略。結果：虛擬仿真技術能夠全面展現景觀設計效果，通過虛擬現實技術，學生能夠身臨其境地體驗真實效果，從而在學習過程中深切領略景觀設計的魅力和樂趣，有利于激發學生的學習興趣、培養學生的自主學習能力。此外，虛擬仿真實驗教學不僅能夠補充和完善設計類專業課堂難以實現的教學功能，還能夠培養學生的多維思維和創造性思考能力，提升其空間感知能力，激發其想象力，從而提升學生的實踐創新能力。結論：虛擬仿真平臺能夠為景觀設計實驗教學提供新的思路和方法，對提高環境設計專業的教學質量具有積極意義。

關鍵詞：虛擬仿真；實驗教學；景觀設計；三維建模；虛擬現實技術

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2024）05-00-05

0 引言

景觀設計是環境設計專業的必修課，包括初識景觀、設計認知、專項設計、設計方法等內容［1］。景觀設計課程在教學中關注學生實踐技能的培養和知識應用能力的訓練，培養學生多元化的知識結構和實踐技能［2］，注重對其創新精神和專業實踐能力的培養。

傳統的教學模式存在一些弊端，如：學生缺乏空間邏輯想象力和現場體驗，較難將抽象的二維圖像轉換成三維立體空間；教學課時不足，導致教師在重視理論教學的同時，縮減了實踐環節的課時，對學生的實踐動手能力培養不足［3］；“師生一對一”的單一教學方式，難以培養學生的基地調研、過程分析、設計邏輯等實踐創新能力［4］；課程考核方式單一，僅采用作業評價的單一形式，難以考查學生的綜合能力［5］。虛擬仿真教學是解決這些教學難點的有效途徑。

虛擬仿真教學是指借助虛擬仿真技術營造一個“能實時體現實驗場地特征以及實驗所需的設施和條件”的虛擬仿真學習環境，學生可在線進行模擬操作［6］34。虛擬仿真教學打破了時間和空間的桎梏，學生可以更直觀地感受設計過程的場景變化，實時交互，步移景異。

自2017年《教育部辦公廳關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》發布以來，利用虛擬仿真技術進行實驗教學改革的應用成果豐碩，大概分為“應用方式探討、教學模式和方法探究、實驗教學項目的設計與實踐”三類（見表1）［7］118。由此可見，虛擬仿真技術對高校實驗教學改革大有裨益。

筆者所在團隊正在積極融合學校和企業的優質資源，推進產學合作、協同育人，搭建虛擬仿真實驗教學平臺，展開對教學模式的改革和探索，以培養符合數字時代的創新型設計人才。

1 虛擬仿真教學平臺在景觀設計實驗教學中的優越性

虛擬仿真技術具有諸多特點，如情境性、交互性、多感知性［8］101等，這些特點使其在景觀設計實驗教學中具有較強的優越性。

1.1 情境性

利用虛擬現實、多媒體、人機交互、數據庫和網絡通信等技術，構建高度仿真的虛擬實驗環境和對象［9］，進行三維立體的展示與分析，展現豐富的景觀設計內容。例如，利用景觀設計要素（地形、水體、植物、小品等）建模，模擬真實場景，讓學生在線即如實地體驗，在虛擬空間內可隨意游走，直觀感受不同設計要素組合所產生的不同環境氛圍和空間體驗，從而提升空間思維能力。

1.2 交互性

傳統教學方式主要靠教師口頭講授輔以圖片或視頻，虛擬仿真平臺可對景觀設計案例進行三維的虛擬現實展示，學生可以人為選擇視角和游走路線，真實地體驗空間環境。與此同時，學生可根據在線體驗實時修改設計方案的不足之處，實現對設計場景的交互體驗和設計創作實訓。此外，對于復雜的設計構件，可進行拆解閱讀，使學生以第一視角仔細觀察，感受構件的制作工藝和材料。對于構件的制作和安裝過程，有詳細的視頻分解步驟，學生可在學習后親自操作安裝，進行互動體驗。

1.3 創造性

學生利用虛擬仿真平臺體驗三維空間的同時，可以對場景進行實時編輯，如改變各要素模型的大小和材質，變換其空間位置和組合方式，調整場景的風、光、熱等自然模擬條件，對不同場景效果進行推敲和比對，從而鍛煉學生的創造性思維［8］101。

1.4 普適性與先進性

環境設計專業注重培養學生的空間構建思維、空間感知和體驗能力［10］。教學實踐表明，即使是空間思維較好的學生，也存在難以準確理解環境空間尺度和景觀設計元素組成的情況。而虛擬仿真教學平臺能夠實現對各元素構件的組成和結構以及整體空間環境的全景展示，提高學生對設計的感知度。

1.5 安全性與經濟性

景觀設計的教學內容涉及對實際場地狀況的勘探和對外部空間尺度的把握，然而實際調研困難，存在環境危險、成本高、難實施等問題，因此在真實環境進行設計教學具有一定的風險和局限性，較難實現［11］。虛擬仿真實驗平臺可解決景觀設計教學中提供實際場地困難、實地調研環境危險、成本高、設計施工過程不可逆、大型綜合訓練等問題，能有效節約成本［7］119。

2 基于虛擬仿真教學平臺的景觀設計實驗教學改革思路和平臺建設框架

2.1 改革思路

景觀設計實驗教學沿用傳統景觀設計課程的基本內容，并拓展相關課程內容。同時，借助校企聯合搭建的虛擬仿真教學平臺，引入多媒體數字資源，構建“多媒體+虛擬仿真+課堂訓練”的景觀設計實驗教學模式（見圖1）［12］76，達到提高課堂效率、學生理解能力和實踐創新能力的目的。

2.2 平臺建設框架

該平臺建設框架由五個模塊構成：場地模塊、設計要素模塊、設計工具模塊、實驗設計模塊和交流合作模塊。場地模塊提供了一個與實際場地相似的環境，設計要素模塊包含了各種可能用到的材料、植物、設計元素等，設計工具模塊提供了各種可以用來設計的工具，交流合作模塊為學生提供了交流合作的平臺，實驗設計模塊則包括實驗內容、實驗流程、實驗測試和實驗報告四部分。

其中，實驗內容包括場地規劃、建筑設計、植物選擇與搭配、景觀元素設計與搭配等，景觀元素主要有護欄、路燈、座椅、標牌、垃圾桶等。實驗流程包括場地選擇、設計方案制定、設計方案調整和完善。實驗測試則針對實驗內容和實驗流程設置了相關的知識測試題。實驗報告內容翔實，包括實驗目的、原理、操作步驟、數據記錄與處理、結果和結論、注意事項、評價和建議等內容［6］34（見圖2）。

3 虛擬仿真教學平臺構建策略

3.1 資源庫建設

該平臺基于校企協作支持，充分整合了學校、相關科研單位和合作企業的資源，由專業技術團隊和專業教師合作建立數字庫，教師負責搭建教學課程體系，根據課程需要提出數字庫所需的設計素材，并由教研團隊搭建基礎素材模型，再由專業技術團隊借助虛擬仿真技術建立相應的虛擬仿真資料庫［8］102，以便給學生提供沉浸式的學習體驗。

以景觀建筑中常用的設計元素“罩槅”為例，專業教師團隊提供相關二維設計圖紙，并搭建基礎的構件模型，再由專業技術團隊將其轉化為三維虛擬仿真模型，將造型、構造、工序流程、構件工藝、雕刻紋樣、材料、分隔模式等內容在三維虛擬現實場景中進行模擬呈現，幫助學生理解并展開交互學習。學生可以通過虛擬仿真技術，按照功能要求選取罩槅類型、雕刻紋樣、材料等進行自由搭配，并對其在空間中的分隔方式進行不同嘗試，依據具體功能和條件，探索罩槅的使用場景和方法。

此外，該平臺還建立了經典景觀設計案例的虛擬現實場景，既能模擬設計方案的生成過程，又能模擬不同人物視角切換場景空間。由此，學生可以通過沉浸式體驗，感受經典作品的空間細節和設計手法。

3.2 教學實施系統建設

該平臺的教學實施系統包括學習、演示、測試和設計四個模塊。學習模塊包含實驗前的預習內容和實驗的指導方式兩部分，首先可在實驗前預習相關內容，如實驗目的、原理、操作步驟等，然后利用文字、語音、圖像、視頻、人際交互等指導方式，指導學生完成學習和實驗；演示模塊是實驗過程規范操作的錄像，方便學生反復學習觀看；測試模塊是讓學生在無任何提示的情況下考試，測試結束后系統自動打分；設計模塊要求學生根據要求設計景觀和場景，完成后提交，教師端可進行評分［6］34（見圖3）。

仍以設計元素“罩槅”為例來說明學習模塊的具體任務和流程，共分為三個學習任務：罩隔造型設計、罩槅制作工藝、罩槅在空間中位置的設置。每個任務下有詳細的學習步驟（見圖4）。

3.3 教學方法探索

傳統設計類教學多是教師在課堂上講授基礎設計要點，選定基地后，學生自行前往考察，然后根據設計要求，完成并提交以二維圖紙為表達方式的設計成果。虛擬現實技術將這一傳統教學方法升級為三維沉浸式體驗教學，讓學生在教師的引導下積極展開探索，構建了課內+課外、線上+線下、虛實結合、學考結合的教學方法［6］35。

第一，課前，學生利用平臺預習相關知識，初步了解上課內容，并針對教師的課前提問進行思考回應，教師收到反饋后進行學情分析，在課堂上進行針對性講解。

第二，課中，學生在教師的引導下完成沉浸體驗。學生通過交互設備體驗虛擬空間的場景，同時學習理論知識和設計方法。隨著課時的展開，學生逐步形成初步設計、詳細設計，最終完成方案設計，并利用虛擬現實技術展示。

第三，課后，學生可對上課內容進行復習，反復學習經典設計案例，理解其設計思路和設計手法，并通過測試檢查知識點的掌握情況。同時，教師可對學生作品進行評價反饋，并結合學生間的互評情況，進行總結性評價［13］。

3.4 教學評價體系構建

景觀設計實驗課程的傳統教學評價體系多是終結性評價，以課堂考勤和最終遞交的二維圖紙成績為主。該評價方式單一、客觀性不夠，學生的學習主動性不強。而虛擬仿真教學旨在培養學生的實踐創新能力，應突出創新設計及與項目實踐相關的能力考核。因此，對學生的評價考核要注重“形成性評價”，即側重學生平時表現，將學生在實驗實踐過程中發現問題、思考問題、解決問題的能力作為考核標準［14］98，最終形成“過程性評價+終結性評價”相結合的虛擬仿真實驗教學考核評價體系（見圖5），從而提升學生學習的積極性和主動性。

該評價體系的總成績由三部分組成，其中課前成績占30%，課上成績占50%，課后成績占20%［15］。評價體系由過程性評價和終結性評價兩部分組成，二者結合使教學評價體系更加系統全面。

此外，學生也可利用虛擬仿真教學平臺對教師進行在線評價，包括教學的效果、內容、進度、方法等方面，從而提升實驗教師教學水平。

3.5 師資隊伍及管理體系建設

虛擬仿真實驗教學的順利展開，需要增加師資隊伍的數量、提高質量及優化結構。本團隊的師資隊伍建設主要圍繞以下幾點展開（見表2）。

完善的制度保障有利于虛擬仿真實驗教學平臺高效運行。為此，本團隊建立健全相關的管理制度，包括管理機構、師資、考核、安全、環境、設備、經費使用、規劃等，以確保平臺能夠有序、高效、安全地運行［14］99。

4 景觀設計虛擬仿真實驗教學的改革效果

4.1 情境式體驗激發學生的學習興趣，提高學習效率

虛擬仿真實驗教學平臺塑造了具象的三維沉浸式體驗場景，模擬了聲、光、熱、風等自然環境因素，學生在學習操作的過程中能身臨其境地感受周圍環境的變化。設計元素如護欄、路燈、長凳等的建模十分具體細致，學生在實驗時可以第一視角隨意游走觀看，輔以聲音的模擬，讓學生的感官體驗更加真實。

虛擬仿真教學的即時性、可重復性、對教學環境的低依賴性等特點充分彌補了傳統課堂教學的不足［12］78，學生可以隨時進行自主學習，大大提升了學習效率。

4.2 多途徑組合，提升教學質量

線上線下、課內課外、虛實結合、學考結合的混合教學模式，全方位保證了教學質量。線上實驗過程不僅生動真實，還包含了測試題，對基礎理論知識、實驗內容、實驗流程等進行檢驗。此外，學習過程中可以反復修改設計方案，文件隨時可以保存，確定完成后提交設計結果，教師可在線檢驗結果并打分，學生也可及時查看成績和點評。這種互動交流提升了學生的學習主動性，作業質量明顯提高。最重要的是，這種以形成性評價和終結性評價相結合的打分評價方式比傳統紙質作業評分更加科學客觀。

4.3 虛實結合，彌補了傳統實踐教學的不足

景觀設計實驗教學的景觀設計知識和景觀設計實踐仍是課程的主體部分，由于所涉獵的知識體系繁雜，且對實際工程缺乏認識，學生在傳統實踐教學過程中遇到了諸多困難。例如，對空間設計的感知能力不足，不能很好地把控空間尺度、空間環境氛圍和景觀設計元素的搭配組合等方面；部分學生因為沒有深入理解植物配置的原理，對植物的分類與選用存在困難；一些學生表達能力有限，不能充分地陳述設計方案。針對以上問題，虛擬仿真實驗教學平臺實現了讓學生在不同層次對空間組合模式、植物搭配、景觀設計元素組合等內容的多方位觀察比較和分析研究，有助于學生直觀地對比空間環境差異，拓展設計思路。此外，借助三維立體模型，學生還可以多角度立體化展示自己的設計方案。

5 結語

傳統景觀設計教學存在一些教學難點，如學生的空間構建思維、空間感知和體驗能力不足，不能靈活、合理地應用設計知識和設計手法等。這使得部分學生缺乏學習興趣，在設計過程中難以發現并準確快速地解決問題。虛擬仿真實驗教學平臺的三維仿真場景能夠激發學生的學習熱情和積極性，吸引學生主動參與和思考，反復練習和操作，積極構建和內化相關知識。

綜上，虛擬仿真實驗教學能夠突破教學的重點和難點，提高教學質量和效率，提升學生專業實踐能力，有助于培養數字時代的應用型人才。虛擬仿真實驗教學平臺能夠全面提升學生的創新精神和實踐能力，是培養新型設計人才的有效方式。

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作者簡介：華亦雄（1979—），女，江蘇無錫人，博士，副教授，研究方向：建筑遺產保護設計。

孫超然（1990—），女，江蘇徐州人，碩士，系本文通訊

作者，研究方向：建筑遺產保護設計。

基金項目：本論文為2022年度教育部產學合作協同育人項目“基于虛擬仿真教學平臺的景觀設計實驗教學”研究成果，項目編號：220606090164145；2020年度教育部青年課題項目“文化消費視角下明清江南地區環境營造技藝的宮廷傳播研究”成果，項目編號：20YJCZH045；2022年度江蘇省社會科學基金課題“口述史方法下的香山幫木作技藝研究”成果，項目編號：22YSD008；2022年度教育部國家一流本科專業建設點蘇州科技大學環境設計專業研究成果