陳麗 曾艷 張辛陽

武漢設(shè)計(jì)工程學(xué)院 武漢 430000

0 引言

近年來，信息技術(shù)飛速發(fā)展，為教育現(xiàn)代化提供了強(qiáng)有力的工具，正在深刻影響教育形態(tài)和教育方式的發(fā)展變化[1]。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)創(chuàng)新精神、實(shí)踐能力和社會(huì)責(zé)任感的重要載體，利用虛擬仿真技術(shù)拓展實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容的廣度和深度，延伸實(shí)驗(yàn)教學(xué)的時(shí)間和空間，提升實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量和水平，是教育信息化的一個(gè)重要方向[2]。

武漢設(shè)計(jì)工程學(xué)院環(huán)境設(shè)計(jì)學(xué)院設(shè)有環(huán)境設(shè)計(jì)、風(fēng)景園林、園林三個(gè)本科專業(yè)，致力于培養(yǎng)具有實(shí)踐操作能力、創(chuàng)新思維能力、美學(xué)素養(yǎng)能力的高素質(zhì)應(yīng)用型人才。目前，學(xué)院已經(jīng)形成較為成熟的專業(yè)教育課程體系。其中，景觀砌體工程課程是三個(gè)專業(yè)的核心課程，也是一門實(shí)踐性極強(qiáng)的課程。景觀砌體工程涉及景觀工程材料的認(rèn)知、應(yīng)用和施工，是景觀工程的必要一環(huán)。在課堂教學(xué)中，僅通過部分圖片和視頻無法充分展示景觀施工過程。而在實(shí)地調(diào)研學(xué)習(xí)中，由于景觀施工結(jié)束后，很多結(jié)構(gòu)被隱藏，難見其全貌；若想進(jìn)入施工現(xiàn)場(chǎng)參觀學(xué)習(xí)，一則施工進(jìn)度與教學(xué)安排恰好合適的工地較難尋覓且不穩(wěn)定，二則由于參觀人數(shù)過多易對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)產(chǎn)生干擾以及出于對(duì)師生安全的考慮，此種實(shí)習(xí)較難實(shí)施[3]。

為解決這一難題，環(huán)境設(shè)計(jì)學(xué)院景觀工程教學(xué)團(tuán)隊(duì)充分發(fā)揮虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)即時(shí)性、交互性、沉浸式、現(xiàn)場(chǎng)操作性、多媒體化、小型化等特點(diǎn)，與武漢拾景創(chuàng)藝文化科技有限公司緊密合作，利用3D 仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，以庭院景觀砌體工程為對(duì)象，設(shè)計(jì)4 課時(shí)的仿真建造實(shí)驗(yàn)[4]。按照?qǐng)鼍邦A(yù)設(shè)、基礎(chǔ)施工、砌體施工、面層裝飾、布景設(shè)計(jì)的虛擬仿真思路和技術(shù)方法，解析景觀砌體工程施工的完整知識(shí)鏈，實(shí)現(xiàn)虛擬仿真技術(shù)與課堂教學(xué)的高度融合。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

該課程面向風(fēng)景園林、園林、環(huán)境設(shè)計(jì)專業(yè)（景觀方向）本科三、四年級(jí)的學(xué)生。在課堂教學(xué)中，學(xué)生已完成景觀規(guī)劃設(shè)計(jì)、景觀砌體工程中相關(guān)理論知識(shí)的學(xué)習(xí)，掌握了景觀工程材料的應(yīng)用原則，初步了解了花壇和擋土墻施工的基本施工流程。在此基礎(chǔ)上開展庭院景觀砌體工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，目的在于培養(yǎng)學(xué)生具備以下四方面的綜合能力。實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)與人才培養(yǎng)之間的關(guān)系如圖1 所示。

1.1 場(chǎng)地分析能力

通過本實(shí)驗(yàn)營(yíng)造出的仿真環(huán)境培養(yǎng)學(xué)生對(duì)場(chǎng)地的敏感度，掌握基本的場(chǎng)地分析方法，并能針對(duì)具體建造環(huán)境作出正確判斷，選擇適宜的砌體形式。

1.2 景觀砌體材料的認(rèn)知與應(yīng)用能力

在“基礎(chǔ)認(rèn)知及考核”模塊完成知識(shí)點(diǎn)（主要是景觀砌體材料的認(rèn)知）的學(xué)習(xí)和鞏固，并在砌體施工實(shí)操前先對(duì)預(yù)設(shè)場(chǎng)景內(nèi)的砌體工程進(jìn)行砌筑材料和面層裝飾材料的選用，檢驗(yàn)學(xué)生對(duì)景觀砌體材料的應(yīng)用能力。

1.3 景觀砌體工程的建造能力

利用虛擬仿真技術(shù)，模擬不同類型花壇和擋土墻建造的全過程，涵蓋定位放樣、開挖基槽、地基處理、墊層施工、墻身砌筑、面層裝飾等多個(gè)環(huán)節(jié)。學(xué)生須遵循真實(shí)建造順序進(jìn)行施工處理，以此訓(xùn)練學(xué)生的建造施工能力。

1.4 景觀工程的基本設(shè)計(jì)與施工能力

通過對(duì)景觀砌體工程建造過程的深入學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)以點(diǎn)帶面的教學(xué)效果，幫助學(xué)生形象地理解并掌握各類景觀工程的構(gòu)造原理和施工技法。在此基礎(chǔ)上，讓學(xué)生能夠在景觀設(shè)計(jì)與工程施工中綜合運(yùn)用這些知識(shí)，從而具備基本的設(shè)計(jì)與施工能力。

2 實(shí)驗(yàn)原理

通過對(duì)預(yù)設(shè)場(chǎng)景的分析，確定庭院的類型，了解該庭院的功能分區(qū)，并針對(duì)不同的功能區(qū)選擇與其相適應(yīng)的花壇與擋土墻的形式，包含墻體砌筑材料和面層裝飾方式。在完成對(duì)庭院砌體工程的選型后，針對(duì)不同類型的花壇和擋土墻按照施工工藝流程一一進(jìn)行模擬施工。在此過程中會(huì)涉及典型花壇的結(jié)構(gòu)、典型擋土墻的結(jié)構(gòu)、花壇砌筑施工工藝流程和擋土墻砌筑施工工藝流程四個(gè)主要內(nèi)容。共有場(chǎng)地分析、砌體材料類型及其特點(diǎn)、常用面層裝飾方式、常見花壇的類型、典型花壇的結(jié)構(gòu)、擋土墻的類型及其應(yīng)用、典型擋土墻的結(jié)構(gòu)、花壇砌筑施工工藝、擋土墻砌筑施工工藝和場(chǎng)景優(yōu)化布景十個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

該實(shí)驗(yàn)的核心要素仿真設(shè)計(jì)表現(xiàn)在兩點(diǎn)。一是模擬真實(shí)建造環(huán)境，訓(xùn)練學(xué)生的場(chǎng)地分析能力。實(shí)驗(yàn)?zāi)M搭建多個(gè)不同類型的庭院環(huán)境，學(xué)生通過對(duì)場(chǎng)地的背景情況的了解，場(chǎng)地內(nèi)的觀察、漫游，了解場(chǎng)地信息，并結(jié)合設(shè)計(jì)背景選定適宜的景觀砌體形式。二是通過對(duì)花壇和擋土墻施工流程的模擬操作，訓(xùn)練學(xué)生施工建造的能力。實(shí)驗(yàn)要求學(xué)生以花壇和擋土墻的實(shí)際施工流程進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，并進(jìn)行最后的場(chǎng)景優(yōu)化布景，直至整個(gè)庭院建造完成。

3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程與實(shí)驗(yàn)方法

在景觀砌體工程的教學(xué)中，采用課堂教學(xué)和虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)緊密結(jié)合的教學(xué)方法。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，采用“基礎(chǔ)認(rèn)知—示范演示—實(shí)驗(yàn)實(shí)操—考核評(píng)價(jià)”四位一體的教學(xué)模式，循序漸進(jìn)地展開實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容[5]。

3.1 基礎(chǔ)認(rèn)知階段

此階段采取自主式教學(xué)，學(xué)生可根據(jù)課程理論課學(xué)習(xí)到的基礎(chǔ)知識(shí)，在“基礎(chǔ)認(rèn)知及考核”模塊進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，鞏固掌握砌體材料、面層裝飾方式、花壇的設(shè)計(jì)與施工、擋土墻的設(shè)計(jì)與施工等知識(shí)?；A(chǔ)認(rèn)知及考核模塊界面如圖2 所示，擋土墻施工流程的學(xué)習(xí)如圖3 所示，基礎(chǔ)知識(shí)測(cè)試如圖4 所示。

圖2 基礎(chǔ)認(rèn)知及考核模塊界面

圖3 擋土墻施工流程的學(xué)習(xí)

圖4 基礎(chǔ)知識(shí)測(cè)試

3.2 示范演示階段

分步驟介紹該系統(tǒng)的功能，通過案例講解，學(xué)生可以了解實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容、步驟、操作、結(jié)果等。通常隨機(jī)選取一個(gè)景觀砌體為演示對(duì)象，一邊講解實(shí)驗(yàn)操作步驟和要點(diǎn)，一邊通過三維呈現(xiàn)說明設(shè)計(jì)的優(yōu)缺點(diǎn)，同時(shí)根據(jù)砌體對(duì)象的特點(diǎn)介紹施工需要注意的事項(xiàng)。

3.3 實(shí)驗(yàn)實(shí)操階段

不同類型的庭院在功能需求和設(shè)計(jì)風(fēng)格上有不同的要求，本實(shí)驗(yàn)選取辦公庭院、住宅庭院、商業(yè)中心庭院和教學(xué)樓中庭四種代表性庭院，要求學(xué)生在對(duì)該庭院的性質(zhì)、功能分區(qū)、景觀風(fēng)格等進(jìn)行深入分析后，選取合適的景觀砌體類型，再進(jìn)行砌體施工建造的模擬操作。

教師布置實(shí)驗(yàn)任務(wù)，要求學(xué)生根據(jù)要求逐項(xiàng)完成。學(xué)生通常根據(jù)教師的示范演示、系統(tǒng)的操作視頻或自己的體驗(yàn)分析逐步開展，教師通過巡視發(fā)現(xiàn)學(xué)生實(shí)驗(yàn)過程中存在的問題。這過程通常伴隨著學(xué)生的提問和教師的答疑解惑。實(shí)驗(yàn)實(shí)操模塊界面如圖5 所示，辦公庭院花壇選型如圖6 所示，毛石擋土墻砌筑過程實(shí)操如圖7 所示。

圖5 實(shí)驗(yàn)實(shí)操模塊界面

圖6 辦公庭院花壇選型

圖7 毛石擋土墻砌筑過程實(shí)操

3.4 考核評(píng)價(jià)階段

學(xué)生實(shí)驗(yàn)的操作過程和結(jié)果都將保存在服務(wù)器中，教師可查看、審閱學(xué)生的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)砌體選型的合理性、計(jì)劃進(jìn)度的優(yōu)劣、場(chǎng)景修飾的美感度進(jìn)行評(píng)分，并結(jié)合學(xué)員在在線考核環(huán)節(jié)（從題庫中隨機(jī)抽取15 道單項(xiàng)選擇題和8 道多項(xiàng)選擇題）的自動(dòng)評(píng)分結(jié)果給出一個(gè)綜合的成績(jī)。

學(xué)生通過“基礎(chǔ)認(rèn)知及考核”模塊的學(xué)習(xí)，基本掌握庭院景觀砌體工程的基礎(chǔ)知識(shí)，并通過在線考核環(huán)節(jié)及時(shí)檢驗(yàn)學(xué)習(xí)效果?！巴ピ浩鲶w建設(shè)實(shí)操”模塊由學(xué)生獨(dú)立完成，在虛擬的環(huán)境中，學(xué)生可以通過直觀的三維模式觀察不同功能、不同風(fēng)格庭院的特點(diǎn)，從而選取適宜的景觀砌體類型并進(jìn)行建造施工。該模塊考查面廣，因此對(duì)學(xué)生綜合能力要求較高，學(xué)生可在此過程中反復(fù)練習(xí)操作，對(duì)方案進(jìn)行改進(jìn)提升。借助本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)教師可準(zhǔn)確掌握學(xué)生實(shí)驗(yàn)每個(gè)步驟的完成情況，并提出更具針對(duì)性的指導(dǎo)意見，極大地提高教學(xué)效率。

4 實(shí)驗(yàn)教學(xué)特色

4.1 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目基于Unity3D 的三維呈現(xiàn)技術(shù)，逼真展示設(shè)計(jì)成果，以便多視角審視設(shè)計(jì)的合理性。從項(xiàng)目背景分析到景觀砌體選型，再到工程施工，最后場(chǎng)景優(yōu)化，完整表達(dá)出一項(xiàng)景觀工程施工的基本程序。同時(shí)，基于構(gòu)件化的分層分段模型，與花壇和擋土墻施工的各工序相對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)施工過程的動(dòng)態(tài)演示，并針對(duì)典型施工內(nèi)容講解不直觀的問題，開發(fā)相應(yīng)的動(dòng)畫演示視頻，內(nèi)嵌到施工任務(wù)的動(dòng)態(tài)推演中，便于學(xué)生查看、學(xué)習(xí)和掌握。項(xiàng)目還設(shè)計(jì)了考核答題環(huán)節(jié)，以補(bǔ)充虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)中難以覆蓋的內(nèi)容。該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)能貫穿景觀砌體工程施工的多個(gè)環(huán)節(jié)，以便從整體上掌握景觀砌體施工的知識(shí)點(diǎn)，加深對(duì)景觀砌體施工的理解。

本項(xiàng)目基于B/S 架構(gòu)進(jìn)行開發(fā)，部署于云服務(wù)器上，對(duì)客戶端的要求低，學(xué)生可以利用各種資源進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，突破地域和計(jì)算能力等的限制，為系統(tǒng)的開放共享奠定條件。

4.2 教學(xué)方法

在庭院景觀砌體工程虛擬仿真實(shí)驗(yàn)的教學(xué)中，秉持“以學(xué)生為中心、以應(yīng)用為導(dǎo)向、以虛仿為手段”的教學(xué)理念，循序漸進(jìn)地展開本實(shí)驗(yàn)教學(xué)內(nèi)容。具體包括學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、答題考核、庭院景觀砌體工程施工的實(shí)驗(yàn)示范演示、學(xué)生在線實(shí)踐操作、教師答疑解惑、學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)、教師綜合評(píng)分等多個(gè)環(huán)節(jié)。

4.3 評(píng)價(jià)體系

學(xué)生實(shí)驗(yàn)的操作過程和結(jié)果都將保存在服務(wù)器中，教師可查看、審閱學(xué)生的關(guān)鍵實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，對(duì)學(xué)生虛擬實(shí)驗(yàn)上傳的各項(xiàng)成果給出主觀評(píng)價(jià)。此外，學(xué)生被要求完成從題庫中隨機(jī)抽取的測(cè)試題，其結(jié)果由系統(tǒng)自動(dòng)給出客觀分值。主客觀結(jié)合得出的綜合評(píng)分更能體現(xiàn)成績(jī)的公平性。

4.4 對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的延伸與拓展

本項(xiàng)目配合環(huán)境設(shè)計(jì)、風(fēng)景園林、園林三個(gè)本科專業(yè)的景觀工程課程的教學(xué)開發(fā)。由于景觀砌體工程涉及景觀工程材料的認(rèn)知、應(yīng)用和施工，在課堂教學(xué)中僅通過部分圖片和視頻無法充分展示景觀施工過程。因此，需要有增強(qiáng)學(xué)生參與度、進(jìn)一步系統(tǒng)而直觀地掌握相關(guān)知識(shí)的環(huán)境。為了更好地實(shí)現(xiàn)教學(xué)的延伸與拓展，實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)現(xiàn)階段采用免費(fèi)開放服務(wù)的模式，以獲得更廣范圍的使用效果數(shù)據(jù)和建議，為后續(xù)的升級(jí)提供數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

5 實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程持續(xù)建設(shè)服務(wù)計(jì)劃

本課程計(jì)劃在五年內(nèi)進(jìn)一步完善和提升系統(tǒng)功能，包括功能模塊的進(jìn)一步完善、基礎(chǔ)理論知識(shí)點(diǎn)的視頻和動(dòng)畫的補(bǔ)充、更多的施工動(dòng)畫演示制作、景觀砌體選型的智能化評(píng)估、題庫的補(bǔ)充等。完成項(xiàng)目中VR 功能的建設(shè)，用戶可在完成作品的搭建后，穿戴VR 設(shè)備置身于庭院中，在虛擬環(huán)境中沉浸體驗(yàn)最終施工效果[6]。同時(shí)，結(jié)合景觀工程課程相關(guān)內(nèi)容，進(jìn)行景觀工程其他工程子項(xiàng)目，如場(chǎng)地工程、道路工程、水景工程等虛擬仿真實(shí)驗(yàn)建設(shè)，從而形成完整的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程體系。

項(xiàng)目在風(fēng)景園林、園林和環(huán)境設(shè)計(jì)三個(gè)專業(yè)的相關(guān)課程中應(yīng)用，上線后向武漢設(shè)計(jì)工程學(xué)院在校師生開放實(shí)驗(yàn)。持續(xù)改進(jìn)本項(xiàng)目，補(bǔ)充并更新虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)數(shù)據(jù)和案例；同時(shí)做好服務(wù)和推廣工作，有步驟有計(jì)劃地向兄弟院校實(shí)施教學(xué)推廣，爭(zhēng)取實(shí)現(xiàn)在華中地區(qū)乃至全國(guó)的示范和推廣運(yùn)用。

6 結(jié)束語

本項(xiàng)目的開放運(yùn)行依托開放式虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，集實(shí)物仿真、智能指導(dǎo)、結(jié)果驗(yàn)證、自動(dòng)批改和教學(xué)管理于一體，具有良好的自主性、交互性和可擴(kuò)展性。在實(shí)驗(yàn)過程中，學(xué)生單機(jī)操作，實(shí)驗(yàn)完成時(shí)間和地點(diǎn)不受限制，教師也能實(shí)時(shí)監(jiān)控學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度和學(xué)習(xí)狀況，隨時(shí)了解學(xué)生學(xué)習(xí)各個(gè)知識(shí)點(diǎn)的情況，準(zhǔn)確把握不同層次學(xué)生學(xué)習(xí)中的問題點(diǎn)、興趣點(diǎn)，有效和學(xué)生互動(dòng)、交流，優(yōu)化實(shí)踐教學(xué)，便于學(xué)生更好地突破教學(xué)重難點(diǎn)，提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量。此外，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)能夠逼真地模擬全過程，在師生互動(dòng)、交流中，學(xué)生可以利用所掌握的重難點(diǎn)知識(shí)進(jìn)行相關(guān)的實(shí)驗(yàn)操作，提高專業(yè)技能，從而全面提升實(shí)踐效果。通過本實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以形象化地理解景觀砌體工程的設(shè)計(jì)原理與建造邏輯，并在交互操作中激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，提高空間想象力和實(shí)踐動(dòng)手能力，進(jìn)而提升教學(xué)效果。