基于虚拟现实技术的植物造景课程教学改革探索

吴岩　王凯

【摘要】    本文以探讨基于虚拟现实技术的“植物造景”课程教学方法改革为手段，达到提升风景园林专业人才培养质量，为国家生态文明建设助力的研究目的。以华北水利水电大学建筑学院风景园林教研室的教学改革实践为基础，通过对虚拟现实技术在“植物造景”课程中的应用现状进行分析，对虚拟现实技术融入课程教学改革中的必要性进行论证，总结了将虚拟现实技术融入课堂教学的方法与创新点，并对课程未来的教学模式做出展望。

【关键词】    教学改革    虚拟现实技术    园林植物    虚拟认知    虚拟搭建

引言：

如何将现代信息技术通过科学有效的方法和途径融入“植物造景”课程教学，起到开阔学生视野，提高学生设计水平，提升风景园林专业人才培养质量，为国家生态文明建设助力的作用，是本次“植物造景”课程教学改革的重要目的。

一、虚拟现实技术

“虚拟现实技术”的英文名称是Virtual Reality technology，简称：VR，是一种借助光学技术和3D重构技术，集虚幻性、感染性和娱乐性于一体，强调存在感和临场感，综合应用于多学科领域的新型科学技术[2]。且具备以下特点：多感知性，即除了通过计算机技术能提供的视觉感知外，还能够融合味觉、触觉、听觉、运动感知等;实时性，在虚拟技术模拟的环境中，其中物体依据物理学定律运动，能够实时响应对于参与者的要求;沉浸性，在虚拟技术模拟的环境中，参与者有身临其境的感受，使参与者达到难以分辨真假的程度，能够完全投入一种状态;交互性，参与者能够通过专用设备，实现虚拟环境中事物的操作，改变事物的存在状态。

二、基于虚拟现实的植物造景课程改革的必要性

国内外很多农林类、建筑类高等院校纷纷将虚拟现实技术应用于实践、实验教学环节[3]。教育部从2017年开始遴选国家级虚拟现实实验项目，风景园林专业教育指导委员会也针对本学科的虚拟现实实验项目进行方向上的指导。

“植物造景”是风景园林专业一门重要的植物类课程，课程传统的教学方法受时间、空间、季节、气候等因素的制约，无法观察到园林植物在各种生境条件下、全生命周期内的形态变化特征及造景效果，是风景园林专业人才培养中的一个难点。首先，在有限的时间、空间等条件下，限制了植物认知的广度，导致植物认知的品种和数量不足。其次，植物认知效果不全面。园林植物的生长受地域、气候等因素的制约，无法对园林植物进行全面观察。再次，无法对植物造景效果进行真实观察。传统教学方法中，由于植物生长过程所带来的景观变化只能通过有限的图示语言辅以文字语言进行描述，学生理解的难度较大。

三、基于虚拟现实技术的植物造景课程的应用现状

（一） 搭建软件平台

华北水利水电大学建筑学院风景园林教研室自2016年开始，就尝试将虚拟现实技术融入植物类课程的教学，目前开发了并投入使用了虚拟现实认知平台“左看右看上看下看”、“数字化作业平台”、“植物造景虚拟仿真实验平台”，实现植物类课程的沉浸式虚拟认知以及植物造景方案的虚拟仿真搭建与观察。（图1）

（二） 学习效果预期

基于“以问题为导向”、“以学生为中心的”教学理念，坚持“能实不虚、以虚补实”的建设思路，将虚拟现实技术应用于“植物造景”课程教学，通过园林植物虚拟认知与园林造景虚拟仿真搭建、观察，以期能够达到以下学习效果：第一，通过对不同生境条件下植物景观效果的认知观察，了解影响植物生长的各种环境因子。第二，通过改变设计作品的生境参数，观察植物的季相变化与园林造景效果，在方案的推敲优化中掌握园林造景的基本原则。第三，通过时间推演观察植物生长，培养学生具备四维空间设计能力，即：三维空间+一维时间，使学生在关注三维园林空间构建的同时也关注园林植物生长给空间带来的变化。第四，通过新的教学方式方法，提高了人才培养效率与质量，为打造虚拟“金课”做准备，满足国家对于新工科人才培养的要求。第五，通过虚拟仿真的教学方式充分调动学生的积极性，使之成为激发自主学习动力的有效途径。

（三）教学效果评价

经过三年时间的教学探索，“植物造景”课程将虚拟现实手段融入课堂教学弥补传统教学方式的不足，采用“传统+实物+虚拟”相结合的教学方式方法，授课过程逐步演变成：课堂讲授→户外认知→虚拟认知→绘制方案→虚拟仿真搭建→调整方案→上传作业平台→教师评价，八个环节。

其中传统的理论教学部分，教师主要依靠语言和图片传达造园法则等知识点。比如，多样与统一是植物造景基本原则之一。以往的教学，教师就原则讲原则，学生没有代入感，难以产生共鸣。通过园林造景虚拟仿真搭建，师生多人协同进入同一虚拟场景，教师用精确的重复种植体现植物景观的统一感，再用大小、树形、色彩不同的植物材料构成变化多端，无序凌乱的植物景观空间。用这样的教学方法，教师无需多言，学生就能体会过于统一、没有变化的单调呆板和变化太多、杂乱无章的心烦意乱。（图2）

虚拟园林植物认知环节，打破了传统的户外考查受时间、空间等多因素制约的限制，传统教学方式中学生通常只能就近观察当季的植物景观，教师依靠语言和影像资料也不能给予学生沉浸式体验。比如，学生能方便地对自己所在城市的植被群落进行考查。但是，自然界中因地理区域的不同分布着不同的植物生态景观。如热带雨林、季雨林景观、亚热带的常绿阔叶林、常绿硬叶林景观，温带的夏绿阔叶林、针叶林景观，寒带的苔原等。本实验中，学生通过移动端，配合VR眼睛，足不出户就能对各植被类型进行直观地沉浸式认知。（图3）

傳统的设计训练依托二维图纸，师生无法真实感受园林景观的三维效果，也不能观察方案中植物的生长变化状况。通过本虚拟仿真实验，学生可将自己的植物造景方案在场景中利用丰富的植物材料模型库进行真实搭建，并借助VR头盔端，进入自己搭建的场景中，感受三维空间中所呈现的植物高低、树形、色彩、组合等效果，并通过一天中早、中、晚的参数设置观察植物的光影变化，通过一年中春、夏、秋、冬的季节设置观察植物的季相变化，通过设置时间进度观察植物的生长发育情况。（图4）

四、基于虚拟现实技术的植物造景课程改革的创新点

支持体验和观察的教学环节，有助于学生推敲优化方案。课程结束后将作业成果上传数字作业平台，不同年级的同学都可以访问作业库，实现学习过程的开放与共享，教师和同学通过头盔一起进入场景进行沉浸式观察并给予评价。在整个教学过程中，实现了教学工具与教学方法的以下创新：

（一）认知方式的创新

建立合理有序的植物类虚拟现实认知资料库体系，开展多角度、多层次的典型案例认知，扩大了教育内容的广度与深度。

（二）教学过程管理的创新

通过网站后台的课程教育大数据管理，精准了解学生的认知需求，调整资源的分布情况，最大限度地调动学生主动学习的积极性，真正做到因材施教。

（三） 教学过程安排的创新

技术的革新带来教学方式的改变，将技术深度融入课堂，对传统的授课模式进行深入细致的研究，将传统教学过程变成：课堂讲授→户外认知→虚拟认知→绘制方案→虚拟仿真搭建→调整方案→上传作业平台→教师评价，八个环节。

实现教学过程的开放与协同，搭建了可以互动交流的虚拟学习场景，在学习过程中融入社交属性，变被动接受为主动交流。

（四）教学平台的创新

目前已经开发了虚拟现实认知平台“左看右看上看下看”、“数字化作业平台”、“植物造景虚拟仿真实验平台”，下一步在完善优化现有平台的基础上，开发基于AR互动技术的专业教材，并逐步面向社会开放。

（五）教学评价方式的创新

“线上、线下”相结合评价体系。依托平台的相应课程，按照教学计划制定实验各阶段的评价办法。课程的实验阶段和评价标准在数字作业平台中由任课教师预先设定，平台保存全过程实验文件，每个实验阶段的模型场景由系统发布为各终端使用文件，方便师生交流、互动以及评比打分。平台建立的学生实验档案，永久保留，为学科建设发展提供依据。

新技术的发展不可阻挡，合理有效的利用新技术让植物生境、影响因子、思维设计等抽象知识变得更加生动化、形象化和直观化。在教学中加大对教师队伍的培训力度，使教师能够认可新技术、学习新技术、使用新技术，从而帮助学生感性地去理解相关知识和概念，引导学生创造思维方式转变，适应未来发展需求，培养一流创新人才。

五、前景与展望

随着虚拟现实技术不断融入教学过程，大量传统学科的教学方式都得到了优化与提升，未来基于虚拟现实技术的实践探索与教学改革必定越来越普及越来越深入，“植物造景”课程中以虚拟现实技术为依托的认知方式并不是为了代替传统园林植物的认知方式，而是对传统認知方式深度、广度的有效补充，未来一定会被更多的院校所采用。除了认知环节之外利用虚拟现实技术实现教学场景的虚拟搭建、效果体验、空间感知、过程控制等也将能很好地得以呈现，这些环节的革新，将会更好地解决风景园林教学过程中的难点，为人才培养助力。

随着5G技术的到来、软硬件技术将会迎来新的突破，体验感会越来越强，全面拥抱新技术才是未来的趋势。不断学习新技术，探索新技术与传统教育方式的融合之道，必定是未来信息化教育教学改革的重要工作。

作者单位：吴岩    王凯    华北水利水电大学 建筑学院

参  考  文  献

[1] 冯利民.基于VR技术的虚拟教学应用探讨[J].教育科学（全文版），2016，（12）：243-243.

[2] 董璟，曾诚.虚拟现实技术在风景园林专业教学中的应用探讨[J].现代园艺，2018，（20）：224-225.