虚拟仿真技术在环境设计专业教学中的应用研究

李君

关键词：虚拟仿真技术;环境设计专业;教学应用

随着现代教育技术的发展，虚拟仿真技术被广泛应用于艺术设计课程的教学中，为高校提高教学质量提供了有效的教学手段。环境设计专业的基础课将虚拟仿真技术作为教学创新的核心，并基于虚拟仿真技术可视化、直观的特点，构建了多元虚拟系统模拟资源库，辅助环境设计专业的理论教学。以期应对信息时代背景下虚拟仿真技术在环境设计教学中的挑战和机遇。

1 虚拟仿真技术概述

1.1 虚拟仿真技术的概念

美国计算机科学家Jaron Lanier 于1989 年提出使用“虚拟现实”一词以统一表述新的人机交互技术。虚拟现实技术包括计算机、电子信息、仿真技术等，其基本实现方式是计算机模拟虚拟环境从而给人以环境沉浸感。虚拟现实技术是利用计算机生成逼真的三维效果虚拟场景，在交互過程中使被仿真环境、视觉系统和仿真系统同步捆绑在一起，使用户可以轻松获得各种传感设备感知的一种技巧。该技术依靠高科技的硬件和软件来生成模具模拟真实世界，给人身临其境的观看体验。也就是说，虚拟现实技术可以实现三维现实，模拟现实世界的环境。虚拟现实技术能够实现虚拟情景模拟，依托高科技硬件和软件生成逼真的虚拟环境，用户通过五感与虚拟环境中的人物、场景、事件、主题等建立联系，产生交互性和多感知性的体验[1]。因此，虚拟仿真系统具有多媒体信息感知性、沉浸感和交互性等特点。虚拟仿真技术具有传达视觉、听觉、触觉等信息的能力，将用户体验融入虚拟环境，通过交互设备展现虚拟世界的对象，使用户具有真实的体验感。

1.2 虚拟仿真技术的特征

1.2.1 真实的沉浸式

沉浸式是让客户感受到真实的虚拟世界，可以通过计算机的辅助将场景参数模拟出来，而用户则只需通过眼镜或是头盔等传感工具的辅助实现真实场景的感同身受。虚拟现实技术可以模拟真实世界，用户能够在虚拟世界中感受到与现实一样的感觉， 这种技术是对人类感官的全面模拟，能够为人们带来极为真实的体验[2]。

1.2.2 丰富的想象性

丰富的想象性是虚拟现实技术应用的重要特点，基于这种特点能够让用户充分感受到虚拟世界的真实感，并完全沉浸在其中。由于虚拟现实技术是一种模拟技术（未来事物或虚拟事物），因而用户可以在实际的模拟场景中通过丰富的联想开阔思维，使得创造力得到有效提升，达到建筑室内设计的综合效果，拓宽人们的认知限度。

1.2.3 实时的交互性

交互性主要指的是用户能够根据自己的需求对虚拟世界进行操作，这种操具有一定的实时性，通过对虚拟世界的操作能够获得及时的反馈，常用的交互方式包括动作捕捉、触觉反馈等。

2 虚拟仿真技术应用于环境设计专业教学现状

2.1 传统环境设计教学实验中心硬件设施落后

环境设计专业主要是为我国建筑设计、室内设计、公共艺术设计及园林景观设计等行业培养专业人才，传统环境设计教学实验中心的实践教学过于抽象，设计图也是以二维图纸为主，硬件设施相对落后，不仅会降低学生的学习兴趣，同时学生也无法有效地接受相关知识内容，从而降低学生的学习质量，不利于学生今后的发展。

2.2 教学实践课程教学环节单一

传统环境设计教学初期，教师多数会导入一些模块化案例的内容和资料让学生进行认知，包含环境设计概念、环境设计表达、环境空间设计三个知识进阶板块。在授课过程中经常会出现部分学生易产生课堂注意力不集中、兴趣度不高等现象。环境设计专业实践教学环节会涉及很多概念教学环节，目前仅靠图片、电子数据资料和项目案例等教学方式，因此学生对相关概念及发展历史仅停留在文字层面。如环境设计专业要求学生具有对空间的塑造能力。在传统教学中，教师常用统筹营造空间的方法，引导学生通过理性分析来探索空间。该教学环节需要学生具备一定的空间想象力和表达能力。在以往的教学中，景观空间设计手法仅是就形体论形体、就空间论空间，导致部分学生无法在实际情况中灵活运用。

目前，虚拟仿真技术在风景园林、景观设计教学中进行应用，一是在单一课程的“原理认知—空间设计—表达呈现”知识链条中穿插虚拟仿真辅助教学。针对课程特点搭建“虚拟仿真 + 课平台”模式，构建环境设计专业课程的虚拟仿真景观资料库;二是随着环境设计专业学生年级的增加和专业知识难度的提升，虚拟仿真技术的引入方式也要随之调整。因此，环境设计专业作为虚拟仿真技术教学辅助的基点，由概念认知和历史梳理逐渐过渡到空间设计和表达呈现等教学环节。

3 虚拟仿真技术在环境设计专业教学中的应用意义

3.1 为案例教学环节提供虚拟演示场景

虚拟仿真技术在环境设计专业教学中的应用，可以为案例教学环节提供虚拟、仿真和模拟的演示场景。如收集素材（DLG 影像测量、影像解析）、虚拟仿真环境建模、虚拟仿真运行程序开发（GIS 云计算平台）、系统集成、安装和配置演示环境等。而要完成虚拟现实功能，其步骤包含：虚拟漫游、操作模型、环境配置、方案比较、信息查询、空间量算。而虚拟仿真技术在环境设计专业教学中的应用场景主要有以下三种：

1） 利用三维地形生成软件 Terra Builder 构建真实的地形模型，并将道路、河流、山川，以及人文景观叠加到MPT 地形图中，统一生成三维地形模型。

2） 在互联网平台上，利用三维GIS 软件Skyline 系统软件开发包，建立系统的三维显示框架程序。

3） 在互联网平台上，利用三维GIS 软件Skyline 系统软件组件开发接口实现各种信息的二维查看、查询、测量等一系列功能，以及二维与三维的交互性查看、漫游，并实现二维地图与三维场景的互换。学校可以配备虚拟仿真教学实验室，利用虚拟仿真软件进行辅助[3]。同时，虚拟仿真材料库和编辑工具可以在三维场景中模拟环境和人类的活动范围，提高设计效果的模仿，使学生能够在教师的指导下身临其境地进行虚拟学习。

3.2 使学生具有真实的体验感

虚拟仿真技术在环境设计教育与培训中的应用，可以提供数据和模型的可视化，使学生具有真实的体验感。例如，在环境设计制图中，可以通过DEM 土方工程等工程计算，随时调整设计方案。虚拟仿真技术也有整合改造、虚拟化、网络化的作用，可以通过网络应用到每一个室内空间。因此，新技术可以带来新的教育培养思维，解决环境设计专业的扁平化教学模式，使学生具有真实的体验感（如图1）。

3.3 提高教学环节学生的学习能力和兴趣

与传统的二维图像设计教学相比，虚拟仿真教学技术将教学设计以全虚拟3D 效果呈现，并进行现场检查，然后对场地环境进行分析，整合各种信息。例如，对3D 模型的需求是教师可以通过卫星参与教学过程地图捕捉一个区域的平面图，然后使用虚拟技术直接将平面截图转换为3D 模型借助图像建模，可以准确、快速地建立周围的模型。教学中，教师和学生可以使用以上两种技术对模型的每一部分进行分析观察，学生可以在老师的指导下完成空间布局规划。这种教学方法能有效提高学生的学习兴趣，激发学生的学习热情，提高学生对模型的观察热情，确保学生能够从多个方面对模型设计进行思考和分析，保证学生可以对其做出明确的判断，并在虚拟现实空间中帮助学生测试空间与人的关系，激发学生的学习兴趣，获得实际的存储空间设计能力，达到优化设计的目标。因此，良好的教学氛围能够提高教学质量，从而提高学生的效率学习，提高学生的综合设计能力[4]。

3.4 方便调整实践作业过程和效果

环境设计项目设计是一个复杂、漫长的过程，与此同时，其还会涉及许多其他学科知识。与传统的二维图像设计相比，虚拟仿真技术在实践教学中具有较高的科学技术水平，可以为环境设计提供一个更广阔的发展空间。在学习环境设计的过程中，学生可随时随地优化调整设计方案，从而进一步加速环境设计的实践作业进展情况，让学生也能进行环境设计的过程和效果实时观察，使学生能够及时发现问题，并使之及时有效改善。

4 虚拟仿真技术在环境设计专业教学中的应用思路

4.1 建立并完善虚拟仿真实践教学中心

在学校的积极配合下，学校相关部门与环境设计专业教学组一同建立了虚拟仿真实践教学中心，根据当前环境设计的技术发展，选择适合的虚拟仿真实践教学设备。包括先进的大屏幕背投系统等硬件设施，以及各种相关的模拟、设计、分析等正版软件设施，由专人负责教学中心硬件设施及软件设施的保养、维护与更新，从而确保教学过程中设施能够正常运行，为虚拟仿真实践教学的有序进行提供保障。此外，在实践教学过程中，及时发现当中存在的问题，并通过全面分析，找出引发问题的关键，最后通过会议提出具有建设性意义的改进措施，对虚拟仿真实践教学中心进行全面完善（如图2）。

4.2 构建并模拟仿真的实践课程教学

4.2.1 理论教学环节协同虚拟仿真教学并行

虚拟仿真实践教学中的 BIM 技术对环境设计专业学生的自身能力要求较高，部分自身能力较差的学生在学习相关技术时可能会出现学习效率偏低的现象，使得学生无法真正掌握技术要点。在教学实践课程中可以设立相关虚拟仿真内容，学生能够在获得基础环境设计知识理论的基础上，借助虚拟仿真技术强大的仿真、可视化能力，帮助低年级学生加快建立起对景观设计的系统性认知，提升低年级学生对空间设计的兴趣。教师在设计概念教学环节，实现学生对于抽象原理的可视化认知[5]。

在设计表达教学环节，以虚拟仿真技术融合经典设计临摹，强调环境设计的二维平面和三维空间属性，聚焦基本概念理解;在环境空间设计教学环节，突出环境空间设计给人的尺度感受，側重自然空间的生命性和时间性，通过对研究对象尺度的放大或缩小，帮助学生建立起环境空间设计的尺度意识与系统意识，提升其空间设计兴趣。设立虚拟仿真教学实践课堂，融入环境专业设计相关概念的教学环节，构建虚拟仿真景观资料库，建立部分经典案例的虚拟场景，串联环境设计的发展历史，可以强化学生对于抽象概念的可视化认知。

4.2.2 实践教学环节搭建虚拟仿真的平台

虚拟仿真实践教学能提升学生的技术水平，因此应用型本科院校可以设立虚拟仿真实践选修课，学生可根据自身能力与兴趣选择学习课程，同时教师也可利用互联网建立线上虚拟仿真实践教学交流平台。学生不仅能够在课堂中学习相关专业技术，学生也可以在网上实现学习心得的交流，使学生能够通过交流心得从中发现原本没有领悟到的知识，从而实现自身技术能力的提升。

1） 多门专业课程协同教学。可以在环境设计专业基础课程教学的概念认知、设计要素应用、设计实训三大模块应用虚拟仿真技术，使学生对环境设计理论、经典案例及空间尺度能有清晰地了解。环境设计专业课程随着学生年级的变化，在训练意图、设计难度、表达深度等方面要求虚拟仿真技术应用于专业课程的比例、方向和深度都有所差别。有效利用虚拟仿真技术辅助高年级专业课程教学，可以打通多门专业课程协同教学环节，建设数字化环境设计课程体系。

2） 体验式课程教学。借助虚拟仿真技术的体验式课程教学是激发学生自主学习的重要途径。教师要以增强学生学习的主动性和提升其创造力为目标，突破以往教学的抽象讲解与说教形式，将抽象的原理与概念转换为具体可感的虚拟空间。虚拟仿真景观教学资源库将借助虚拟仿真平台的可视性、直观性、动态性和互联网的连接性，打造虚拟历史馆、经典作品馆、虚拟展厅等形式，为学生学习景观设计基础课程、梳理历史脉络提供虚拟体验。

3） 多软件联合教学。目前应用于环境设计教学中的软件主要包括 CAD、Sketch Up、3Ds Max、Photoshop 等，实施虚拟仿真实践教学后便可以将 BIM 技术作为教学主线，把原有的教学软件串联起来，实现多软件联合教学，确保学生能够同时掌握当前主流的环境设计软件和技术。同时，在实施材料与施工、居住环境设计、商业环境规划、景观设计等专业课程的实践教学时，可在实践教学的过程中实施虚拟技术教学，从而将学生的主观能动性充分调动起来，使学生能够更加积极主动地参与并完成虚拟技术学习，从而达到提高学生二维、三维模型联合应用能力的目的。

4.3 搭建教学反馈跟踪分析系统

在完善虚拟仿真实践教学中心的基础上，同时将成本跟踪分析系统引进其中，并且还需要结合《设计成本规划管理系统》。教师可分析环境设计中的相关因素，并将各自变量、因变量及之间的关系找出来，根据这些信息将正确的目标函数关系式列出，同时明确各个关系式之间的约束条件。此外，可由教师建立线性规划模型，通过对规划模型进行求解，以此将最佳的设计参数计算出来。学生便可以在科学的设计指导下，设计出一套艺术性、功能性、经济性等完美统一的环境设计方案，实现环境设计专业学生自身能力的全面提升。

5 结语

在科学技术发展迅速的时代，虚拟仿真实践教学体系不仅能够帮助学生更加有效的学习环境设计的实践操作，促进学生能力的提高，同时也是顺应我国环境设计的发展，为我国培养高水准的环境设计人才。此外，将虚拟仿真技术应用于环境设计专业教学中，是环境设计专业教学与科技软件配套课程相结合的新尝试。希望通过此次的研究，虚拟仿真技术的应用能提升环境设计专业教学的质量，促进学生的学习。