虚拟仿真教学平台的实践与探索

华亦雄　孙超然

摘要：目的：为符合信息时代社会发展的客观趋势，以及积极响应国家教育数字化战略、推动教育智能现代化，文章对虚拟仿真技术在高校实验教学中的应用展开讨论。文章以环境设计专业的景观设计课程为例，阐述虚拟仿真教学平台在景观设计实验教学中的优越性，介绍景观设计实验教学的课程改革思路和虚拟仿真教学平台的建设框架与建设内容，探讨虚拟仿真教学平台的构建策略，并对教学改革效果进行评价分析。方法：从资源库建设、教学实施系统建设、教学方法探索、教学评价体系构建、师资队伍及管理体系建设等多个方面总结虚拟仿真教学平台的正向影响及平台构建策略。结果：虚拟仿真技术能够全面展现景观设计效果，通过虚拟现实技术，学生能够身临其境地体验真实效果，从而在学习过程中深切领略景观设计的魅力和乐趣，有利于激发学生的学习兴趣、培养学生的自主学习能力。此外，虚拟仿真实验教学不仅能够补充和完善设计类专业课堂难以实现的教学功能，还能够培养学生的多维思维和创造性思考能力，提升其空间感知能力，激发其想象力，从而提升学生的实践创新能力。结论：虚拟仿真平台能够为景观设计实验教学提供新的思路和方法，对提高环境设计专业的教学质量具有积极意义。

关键词：虚拟仿真；实验教学；景观设计；三维建模；虚拟现实技术

中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1004-9436（2024）05-00-05

0 引言

景观设计是环境设计专业的必修课，包括初识景观、设计认知、专项设计、设计方法等内容［1］。景观设计课程在教学中关注学生实践技能的培养和知识应用能力的训练，培养学生多元化的知识结構和实践技能［2］，注重对其创新精神和专业实践能力的培养。

传统的教学模式存在一些弊端，如：学生缺乏空间逻辑想象力和现场体验，较难将抽象的二维图像转换成三维立体空间；教学课时不足，导致教师在重视理论教学的同时，缩减了实践环节的课时，对学生的实践动手能力培养不足［3］；“师生一对一”的单一教学方式，难以培养学生的基地调研、过程分析、设计逻辑等实践创新能力［4］；课程考核方式单一，仅采用作业评价的单一形式，难以考查学生的综合能力［5］。虚拟仿真教学是解决这些教学难点的有效途径。

虚拟仿真教学是指借助虚拟仿真技术营造一个“能实时体现实验场地特征以及实验所需的设施和条件”的虚拟仿真学习环境，学生可在线进行模拟操作［6］34。虚拟仿真教学打破了时间和空间的桎梏，学生可以更直观地感受设计过程的场景变化，实时交互，步移景异。

自2017年《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》发布以来，利用虚拟仿真技术进行实验教学改革的应用成果丰硕，大概分为“应用方式探讨、教学模式和方法探究、实验教学项目的设计与实践”三类（见表1）［7］118。由此可见，虚拟仿真技术对高校实验教学改革大有裨益。

笔者所在团队正在积极融合学校和企业的优质资源，推进产学合作、协同育人，搭建虚拟仿真实验教学平台，展开对教学模式的改革和探索，以培养符合数字时代的创新型设计人才。

1 虚拟仿真教学平台在景观设计实验教学中的优越性

虚拟仿真技术具有诸多特点，如情境性、交互性、多感知性［8］101等，这些特点使其在景观设计实验教学中具有较强的优越性。

1.1 情境性

利用虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通信等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和对象［9］，进行三维立体的展示与分析，展现丰富的景观设计内容。例如，利用景观设计要素（地形、水体、植物、小品等）建模，模拟真实场景，让学生在线即如实地体验，在虚拟空间内可随意游走，直观感受不同设计要素组合所产生的不同环境氛围和空间体验，从而提升空间思维能力。

1.2 交互性

传统教学方式主要靠教师口头讲授辅以图片或视频，虚拟仿真平台可对景观设计案例进行三维的虚拟现实展示，学生可以人为选择视角和游走路线，真实地体验空间环境。与此同时，学生可根据在线体验实时修改设计方案的不足之处，实现对设计场景的交互体验和设计创作实训。此外，对于复杂的设计构件，可进行拆解阅读，使学生以第一视角仔细观察，感受构件的制作工艺和材料。对于构件的制作和安装过程，有详细的视频分解步骤，学生可在学习后亲自操作安装，进行互动体验。

1.3 创造性

学生利用虚拟仿真平台体验三维空间的同时，可以对场景进行实时编辑，如改变各要素模型的大小和材质，变换其空间位置和组合方式，调整场景的风、光、热等自然模拟条件，对不同场景效果进行推敲和比对，从而锻炼学生的创造性思维［8］101。

1.4 普适性与先进性

环境设计专业注重培养学生的空间构建思维、空间感知和体验能力［10］。教学实践表明，即使是空间思维较好的学生，也存在难以准确理解环境空间尺度和景观设计元素组成的情况。而虚拟仿真教学平台能够实现对各元素构件的组成和结构以及整体空间环境的全景展示，提高学生对设计的感知度。

1.5 安全性与经济性

景观设计的教学内容涉及对实际场地状况的勘探和对外部空间尺度的把握，然而实际调研困难，存在环境危险、成本高、难实施等问题，因此在真实环境进行设计教学具有一定的风险和局限性，较难实现［11］。虚拟仿真实验平台可解决景观设计教学中提供实际场地困难、实地调研环境危险、成本高、设计施工过程不可逆、大型综合训练等问题，能有效节约成本［7］119。

2 基于虚拟仿真教学平台的景观设计实验教学改革思路和平台建设框架

2.1 改革思路

景观设计实验教学沿用传统景观设计课程的基本内容，并拓展相关课程内容。同时，借助校企联合搭建的虚拟仿真教学平台，引入多媒体数字资源，构建“多媒体+虚拟仿真+课堂训练”的景观设计实验教学模式（见图1）［12］76，达到提高课堂效率、学生理解能力和实践创新能力的目的。

2.2 平台建设框架

该平台建设框架由五个模块构成：场地模块、设计要素模块、设计工具模块、实验设计模块和交流合作模块。场地模块提供了一个与实际场地相似的环境，设计要素模块包含了各种可能用到的材料、植物、设计元素等，设计工具模块提供了各种可以用来设计的工具，交流合作模块为学生提供了交流合作的平台，实验设计模块则包括实验内容、实验流程、实验测试和实验报告四部分。

其中，实验内容包括场地规划、建筑设计、植物选择与搭配、景观元素设计与搭配等，景观元素主要有护栏、路灯、座椅、标牌、垃圾桶等。实验流程包括场地选择、设计方案制定、设计方案调整和完善。实验测试则针对实验内容和实验流程设置了相关的知识测试题。实验报告内容翔实，包括实验目的、原理、操作步骤、数据记录与处理、结果和结论、注意事项、评价和建议等内容［6］34（见图2）。

3 虚拟仿真教学平台构建策略

3.1 资源库建设

该平台基于校企协作支持，充分整合了学校、相关科研单位和合作企业的资源，由专业技术团队和专业教师合作建立数字库，教师负责搭建教学课程体系，根据课程需要提出数字库所需的设计素材，并由教研团队搭建基础素材模型，再由专业技术团队借助虚拟仿真技术建立相应的虚拟仿真资料库［8］102，以便给学生提供沉浸式的学习体验。

以景观建筑中常用的设计元素“罩槅”为例，专业教师团队提供相关二维设计图纸，并搭建基础的构件模型，再由专业技术团队将其转化为三维虚拟仿真模型，将造型、构造、工序流程、构件工艺、雕刻纹样、材料、分隔模式等内容在三维虚拟现实场景中进行模拟呈现，帮助学生理解并展开交互学习。学生可以通过虚拟仿真技术，按照功能要求选取罩槅类型、雕刻纹样、材料等进行自由搭配，并对其在空间中的分隔方式进行不同尝试，依据具体功能和条件，探索罩槅的使用场景和方法。

此外，该平台还建立了经典景观设计案例的虚拟现实场景，既能模拟设计方案的生成过程，又能模拟不同人物视角切换场景空间。由此，学生可以通过沉浸式体验，感受经典作品的空间细节和设计手法。

3.2 教学实施系统建设

该平台的教学实施系统包括学习、演示、测试和设计四个模块。学习模块包含实验前的预习内容和实验的指导方式两部分，首先可在实验前预习相关内容，如实验目的、原理、操作步骤等，然后利用文字、语音、图像、视频、人际交互等指导方式，指导学生完成学习和实验；演示模块是实验过程规范操作的录像，方便学生反复学习观看；测试模块是让学生在无任何提示的情况下考试，测试结束后系统自动打分；设计模块要求学生根据要求设计景观和场景，完成后提交，教师端可进行评分［6］34（见图3）。

仍以设计元素“罩槅”为例来说明学习模块的具体任务和流程，共分为三个学习任务：罩隔造型设计、罩槅制作工艺、罩槅在空间中位置的设置。每个任务下有详细的学习步骤（见图4）。

3.3 教学方法探索

传统设计类教学多是教师在课堂上讲授基础设计要点，选定基地后，学生自行前往考察，然后根据设计要求，完成并提交以二维图纸为表达方式的设计成果。虚拟现实技术将这一传统教学方法升级为三维沉浸式体验教学，让学生在教师的引导下积极展开探索，构建了课内+课外、线上+线下、虚实结合、学考结合的教学方法［6］35。

第一，课前，学生利用平台预习相关知识，初步了解上课内容，并针对教师的课前提问进行思考回应，教师收到反馈后进行学情分析，在课堂上进行针对性讲解。

第二，课中，学生在教师的引导下完成沉浸体验。学生通过交互设备体验虚拟空间的场景，同时学习理论知识和设计方法。随着课时的展开，学生逐步形成初步设计、详细设计，最终完成方案设计，并利用虚拟现实技术展示。

第三，课后，学生可對上课内容进行复习，反复学习经典设计案例，理解其设计思路和设计手法，并通过测试检查知识点的掌握情况。同时，教师可对学生作品进行评价反馈，并结合学生间的互评情况，进行总结性评价［13］。

3.4 教学评价体系构建

景观设计实验课程的传统教学评价体系多是终结性评价，以课堂考勤和最终递交的二维图纸成绩为主。该评价方式单一、客观性不够，学生的学习主动性不强。而虚拟仿真教学旨在培养学生的实践创新能力，应突出创新设计及与项目实践相关的能力考核。因此，对学生的评价考核要注重“形成性评价”，即侧重学生平时表现，将学生在实验实践过程中发现问题、思考问题、解决问题的能力作为考核标准［14］98，最终形成“过程性评价+终结性评价”相结合的虚拟仿真实验教学考核评价体系（见图5），从而提升学生学习的积极性和主动性。

该评价体系的总成绩由三部分组成，其中课前成绩占30%，课上成绩占50%，课后成绩占20%［15］。评价体系由过程性评价和终结性评价两部分组成，二者结合使教学评价体系更加系统全面。

此外，学生也可利用虚拟仿真教学平台对教师进行在线评价，包括教学的效果、内容、进度、方法等方面，从而提升实验教师教学水平。

3.5 师资队伍及管理体系建设

虚拟仿真实验教学的顺利展开，需要增加师资队伍的数量、提高质量及优化结构。本团队的师资队伍建设主要围绕以下几点展开（见表2）。

完善的制度保障有利于虚拟仿真实验教学平台高效运行。为此，本团队建立健全相关的管理制度，包括管理机构、师资、考核、安全、环境、设备、经费使用、规划等，以确保平台能够有序、高效、安全地运行［14］99。

4 景观设计虚拟仿真实验教学的改革效果

4.1 情境式体验激发学生的学习兴趣，提高学习效率

虚拟仿真实验教学平台塑造了具象的三维沉浸式体验场景，模拟了声、光、热、风等自然环境因素，学生在学习操作的过程中能身临其境地感受周围环境的变化。设计元素如护栏、路灯、长凳等的建模十分具体细致，学生在实验时可以第一视角随意游走观看，辅以声音的模拟，让学生的感官体验更加真实。

虚拟仿真教学的即时性、可重复性、对教学环境的低依赖性等特点充分弥补了传统课堂教学的不足［12］78，学生可以随时进行自主学习，大大提升了学习效率。

4.2 多途径组合，提升教学质量

线上线下、课内课外、虚实结合、学考结合的混合教学模式，全方位保证了教学质量。线上实验过程不仅生动真实，还包含了测试题，对基础理论知识、实验内容、实验流程等进行检验。此外，学习过程中可以反复修改设计方案，文件随时可以保存，确定完成后提交设计结果，教师可在线检验结果并打分，学生也可及时查看成绩和点评。这种互动交流提升了学生的学习主动性，作业质量明显提高。最重要的是，这种以形成性评价和终结性评价相结合的打分评价方式比传统纸质作业评分更加科学客观。

4.3 虚实结合，弥补了传统实践教学的不足

景观设计实验教学的景观设计知识和景观设计实践仍是课程的主体部分，由于所涉猎的知识体系繁杂，且对实际工程缺乏认识，学生在传统实践教学过程中遇到了诸多困难。例如，对空间设计的感知能力不足，不能很好地把控空间尺度、空间环境氛围和景观设计元素的搭配组合等方面；部分学生因为没有深入理解植物配置的原理，对植物的分类与选用存在困难；一些学生表达能力有限，不能充分地陈述设计方案。针对以上问题，虚拟仿真实验教学平台实现了让学生在不同层次对空间组合模式、植物搭配、景观设计元素组合等内容的多方位观察比较和分析研究，有助于学生直观地对比空间环境差异，拓展设计思路。此外，借助三维立体模型，学生还可以多角度立体化展示自己的设计方案。

5 结语

传统景观设计教学存在一些教学难点，如学生的空间构建思维、空间感知和体验能力不足，不能灵活、合理地应用设计知识和设计手法等。这使得部分学生缺乏学习兴趣，在设计过程中难以发现并准确快速地解决问题。虚拟仿真实验教学平台的三维仿真场景能够激发学生的学习热情和积极性，吸引学生主动参与和思考，反复练习和操作，积极构建和内化相关知识。

综上，虚拟仿真实验教学能够突破教学的重点和难点，提高教学质量和效率，提升学生专业实践能力，有助于培养数字时代的应用型人才。虚拟仿真实验教学平台能够全面提升学生的创新精神和实践能力，是培养新型设计人才的有效方式。

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作者简介：华亦雄（1979—），女，江苏无锡人，博士，副教授，研究方向：建筑遗产保护设计。

孙超然（1990—），女，江苏徐州人，硕士，系本文通讯

作者，研究方向：建筑遗产保护设计。

基金项目：本论文为2022年度教育部产学合作协同育人项目“基于虚拟仿真教学平台的景观设计实验教学”研究成果，项目编号：220606090164145；2020年度教育部青年课题项目“文化消费视角下明清江南地区环境营造技艺的宫廷传播研究”成果，项目编号：20YJCZH045；2022年度江苏省社会科学基金课题“口述史方法下的香山帮木作技艺研究”成果，项目编号：22YSD008；2022年度教育部国家一流本科专业建设点苏州科技大学环境设计专业研究成果