基于3D打印、VR虚拟现实技术应用的 《园林计算机辅助设计》教改探讨

张世杰 刘沛

摘要：随着教学改革的不断深入以及计算机技术的日新月异，园林设计对于计算机辅助教学的依赖程度越来越高，对信息技术处理的速度及建立各种模型的要求日趋精细化，因此3D打印技术及VR虚拟现实技术势必将成为园林设计中的必备技术。本研究基于3D打印、VR虚拟现实技术在园林专业中的时代性和重要性，以当今两种热门技术在《园林计算机辅助设计》课程教学中的应用为切入点，探讨两种技术在课程教学的应用前景及课程改革的具体措施，以期提高教学效果。

关键词：3D打印技术;VR虚拟现实技术;园林计算机辅助设计;课程改革

中图分类号：G642.0     文献标志码：A     文章编号：1674-9324（2019）49-0092-03

一、园林计算机辅助教学课程现状

（一）教学内容

目前计算机技术已经在园林设计中被广泛地使用，其中诸如：Autocad、Sketchup、3dsmax、Photoshop、Lumion等相关软件不仅可以将方案设计、布局推演、图纸绘制、场景表现、专项设计等内容有序地结合并形成具有逻辑性的整体，此外园林计算机辅助设计有效地提高了设计人员的工作效率，降低了劳动强度、减少了绘图中材料的消耗，同时使设计的效果更为直观，从而更好地展现设计意图与目的。[1]目前在园林设计中计算机软件的应用几乎全覆盖，无论是地形的设计、建筑的设计、园林小品与植被的设计都可以通过这些软件立体地表现出来。因此，对于园林设计来说园林计算机软件设计已成为工作中必不可少的组成部分，更成为大学中园林专业的必修课程。[2]

计算机辅助设计与传统手工绘制模式相比较，制图更加细腻、立体及三维效果更为逼真。这主要是依赖于计算机辅助设计中建模、渲染和后期处理三个重要环节（图1）。建模是绘图的关键环节，其所使用的计算机技术以AutoCAD、Sketchup、3dsmax制图软件为核心。通过这些软件主要完成园林图形和模型的绘制、构建、编辑和应用，添加图形和模型的文字说明、尺寸标注，完成输出与打印等工作。渲染类似与手工绘图中的上色步骤，Sketchup、3dsmax结合Vray渲染插件，通过设置不同光照、凹凸、模糊参数模拟出各种光影和材质的真实质感。Photoshop、Lumion可以完成后期素材的合理组合，场景色彩、动画及特效的后期制作。因此，在高校园林计算机辅助设计课程教学中使用上述软件已经成为教学的主流方式。

（二）课程设置

目前普通高校、职业技术学院园林专业园林计算机辅助设计课程使用的教材以《园林计算机辅助设计教程》为主，课堂教学时长为168。[1，3]课程主要讲授园林制图的流程，平面、剖立面、三维透视效果图和园林施工图的绘制方法，通过介绍园林相关软件的使用方法，图文并茂、循序渐进地讲解了软件在园林制图中的操作示例。

该课程的教学通常分为两个阶段：第一阶段为软件基础知识学习，一般安排72个课时，主要教授内容为AutoCAD、Sketchup、3DS MAX、Photoshop软件基础操作，要求学生在此阶段掌握基本图形的绘制、图层的运用、图案的填充、块文件的运用、文字及尺寸的标注、三维模型的建模、平面图及剖立面图制作等知识。第二阶段为实例进阶学习，一般安排96个课时，主要教学内容为Vray渲染、Photoshop场景案例后期制作、Lumion动画案例制作，并通过实例演示几个软件的互动，让学生掌握基础知识的应用，增強案例分析和应用的能力。

二、3D打印、VR技术在园林计算机辅助教学中的进一步应用

（一）3D打印技术的含义及技术应用

3D打印即一种快速成型技术，以数字模型文件为基础，运用粉末状金属或塑料等可粘合材料，通过逐层打印的方式来构造物体。[4]3D打印技术目前应用在园林设计中主要有三种工艺即轮廓工艺、混凝土工艺和D型工艺。首先通过轮廓工艺和混凝土工艺将电脑中所设计好的园林场景三维图像挤压成型，其次通过3D打印的叠加打印方法将物体打印而出。[4]目前3D打印快速成型技术较多，例如选择性激光粉末烧结（SLS）、3D打印成形（3DP）以及光敏树脂液相固化成形（SLA）等。在打印前需要对园林中的各种元素进行合理配置并对打印工艺如物体的体积、打印原料、着色以及真实感等内容进行全面可行性的分析，然后选择操作软件如Cura切片软件、123D Catch建模软件、以及Octoprint打印控制软件完成打印。

（二）3D打印技术对园林景观设计的作用

3D打印技术将为园林设计带来实质性的改变。首先，缩短工期，降低人力成本。3D打印技术可将一个月的工期缩短为一周，缩短了园林景观建设工期，进而大幅度地降低人力资源成本。3D打印技术仅需3—4个操作员就能完成全部工作，减少了劳动力投入的数量。3D打印技术可以合理配置资源，减少材料的浪费，有效地进行成本控制。其次，促进人性化发展，增强创意性。3D打印技术在园林案例设计的应用时可以结合开发商需求，快速完成设计布局的调整，通过定制化服务满足个性化的需求，增强设计创意实现的可能。此外，随着传统园林匠人数量的减少，我国古代的园林技艺的发展也面临着逐渐消亡的危险，而采用3D打印技术可以比较简单地完成一些传统工艺中较为复杂的技艺，从而能够对传统园林工艺进行有效传承。

（三）VR技术的含义及技术应用

虚拟现实技术是一种创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统，利用计算机生成一种模拟环境，通过多源信息融合的、交互式的三维动态视景和实体行为的系统仿真，使用户沉浸到该环境中。[5]在风景园林设计中，通过计算机虚拟现实技术模拟和构建现实园林场景，提高了园林场景设计的参与性和实效性，向人们展示了一种更真实的设计情景，具有积极的作用。

（三）VR技术对园林景观设计的作用

首先，VR技术可以构建出真实感的虚拟园林环境场景，根据设计图纸将三维立体建筑模型和园林要素模型投放在场景中，使用人机交互技术与场景进行互动，最终实现与设计尺度一致的园林仿真场景，项目参与者可以通过计算机仿真设备进入场景中直观地查看分析设计内容。其次，VR技术适合应用在大型复杂的园林景观项目中，通过建立一个全面、直观、可交互、真实模拟园林设计的三维场景，方便项目管理人员全面了解设计方案，直观地检查方案设计的不足，并有效地进行修改调整，避免造成实际施工损失，为园林景观项目的管理和实施提供了直接的决策参考。最后，VR技术还可以对外界用户开放用于项目宣传，让广大群众不受时空限制，自由欣赏项目成果，置身于美丽的园林风光中，全方位多角度领略项目的整体设计理念和欣赏室内外的艺术构建。

三、3D打印及VR技术对计算机辅助教学课改的具体措施

（一）完善园林计算机辅助课程整体构建

将3D打印、VR技术引入课程教学后，需要对教学内容及课时重新设置。首先在教学内容上，建立起以理论课程与实践课程相结合的教学模式，在授课时教师应注重于对各种计算机新技术对园林景观设计前景性应用的授课，实现以现有的园林计算机辅助教学课程如（Autocad、Sketchup、3dsmax、photoshop、Lumion）等为基本课程;以3D打印、VR技术为扩展课程如（硬件安装调试、软件使用）;以模拟演练为实操课程的综合化课程体系（图2）。其次在教学时间上，原有的授课学时一般为168，将3D打印及VR技术引入到课程教学后至少需要增加34个课时，总课时将达到202。

（二）增设3D打印及VR技术课程

园林计算机辅助教学中增设3D打印、VR技术课程，可以促进模型形态的丰富，更快实现从概念到设计的全过程在园林设计理念及设计方法上处于技术前沿。首先3D打印课程设置，在课程内容上包括3D打印概论、正向二维工程设计、逆向工程设计、3D打印工艺设计及材料分析、制作及处理、3D打印硬件及软件的安装、操作与维护等。该课程设置的目的在于使学生在了解3D打印技术现状的基础上，开阔学生的设计视野和思路。此外，3D打印模型的建立提高了学生的动手能力、实践迁移能力以及技术素养能力。其次VR课程设置，在课程内容上包括VR技术概论、VR开发环境及开发工具、Unity编辑器、3D数学、NET框架原理以及UGUI各功能组件使用等。该课程设置的目的在于使學生学会初步搭建VR环境、扩展学生的设计思路、提高学生园林设计技术运用能力。

（三）建设多重体验馆

通过建设体验馆培养学生实践能力，通过基本课程和拓展课程结合学习后，学生可以运用虚拟现实场馆中的共享型虚拟现实系统、简易型虚拟现实系统和沉浸型虚拟现实系统进行学习。学生身临其境地进行园林设计，直观地感受自己的设计成果。这种学习模式提供了生动、逼真的交流性学习，帮助学生解决了学习中的难点。此外，学生能够按照自己的需要来进行实时性的交互式学习，最大限度地发挥学生的主观能动性，从根本上改变了传统教学的局限性，使学生真正参与到教学活动中，成为教学过程中的主体，激发了学生的学习热情和空间想象力，有效地提高了教学质量。

参考文献：

[1]孟祥芝，张世杰，叶绵源，刘煜.园林计算机辅助设计课程研究[J].合肥：电脑知识与技术，2016，（35）：175-176.

[2]孟祥芝，张世杰.浅析计算机专业教育在职业技术学校中的现状及对策[J].合肥：电脑知识与技术，2016，（32）：168-169.

[3]康秀琴，王金叶.风景园林专业计算机辅助设计课程教学改革[J].北京：教育与职业，2016，（01）：91-93.

[4]朱红萍.高职制造类课程融合3D打印技术的教改探究[J].石家庄：教育教学论坛，2018，（12）：247-248.

[5]芦建国，苏同向.虚拟现实技术与风景园林设计[J].南京：南京林业大学学报（自然科学版），2007，（06）：139-141.