閆晨 林立 李房英 任維 謝祥財(cái)

1 福建農(nóng)林大學(xué)風(fēng)景園林與藝術(shù)學(xué)院 福州 350108 2 國(guó)家水利風(fēng)景區(qū)研究中心 福州 350108

0 引言

隨著全球范圍“碳達(dá)峰”與“碳中和”共識(shí)的形成，以“生態(tài)文明建設(shè)”為核心理念的人居環(huán)境學(xué)科迎來了良好的發(fā)展契機(jī)[1]。風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)應(yīng)在長(zhǎng)期以來“低碳景觀”定性設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)對(duì)“景觀碳循環(huán)”的定量設(shè)計(jì)。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是近年高等教育改革創(chuàng)新的主要形式之一，美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校、英國(guó)愛丁堡大學(xué)、德國(guó)慕尼黑工業(yè)大學(xué)等已率先將低碳設(shè)計(jì)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)課程應(yīng)用于建筑類專業(yè)的教學(xué)，而國(guó)內(nèi)院校的相關(guān)專業(yè)課程也在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開發(fā)的浪潮中開啟了探索之路[2]。因此，基于“智能+教育”技術(shù)[3]，“雙碳”目標(biāo)下的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)課程開發(fā)已然成為我國(guó)風(fēng)景園林專業(yè)現(xiàn)代教育發(fā)展的必然趨勢(shì)。

在風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)課程中，停車場(chǎng)綠地設(shè)計(jì)任務(wù)旨在訓(xùn)練和強(qiáng)化設(shè)計(jì)的規(guī)范性、實(shí)用性與生態(tài)性[4]。然而在線下實(shí)驗(yàn)教學(xué)過程中，調(diào)研分析常遭受極端天氣影響，存在具有交通安全隱患、耗時(shí)長(zhǎng)、成本高等實(shí)際問題；二維圖紙方案的癥結(jié)溯源難度大，易使學(xué)生在尺度感缺失的情況下，對(duì)知識(shí)點(diǎn)理解不充分；數(shù)據(jù)計(jì)算環(huán)節(jié)則存在指標(biāo)不完整、標(biāo)準(zhǔn)不統(tǒng)一、計(jì)算誤差大、過程煩瑣等問題。為解決以上問題，“零碳”停車場(chǎng)綠地設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)應(yīng)運(yùn)而生，旨在通過混合式教學(xué)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生從理論學(xué)習(xí)、分析、設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)到反饋，都能在“人機(jī)交互”的操作過程中實(shí)現(xiàn)具有個(gè)性化的有效教學(xué)。

1 實(shí)驗(yàn)教學(xué)目標(biāo)

1.1 掌握停車場(chǎng)綠地設(shè)計(jì)的基本規(guī)范

如出入口設(shè)計(jì)規(guī)范、車行道與人行道設(shè)計(jì)規(guī)范、坡道設(shè)計(jì)規(guī)范、停車位設(shè)計(jì)規(guī)范、綠化帶設(shè)計(jì)規(guī)范、植物配置規(guī)范、鋪裝及標(biāo)線設(shè)計(jì)規(guī)范、其他設(shè)施設(shè)計(jì)規(guī)范等。

1.2 熟悉“碳源”和“碳匯”的相關(guān)知識(shí)及核算方法

如不同機(jī)動(dòng)車的碳排放情況、不同植物的碳吸收情況、可再生能源的設(shè)計(jì)應(yīng)用、與節(jié)能減排相關(guān)的設(shè)計(jì)及建材應(yīng)用等。

1.3 增強(qiáng)對(duì)空間環(huán)境的認(rèn)知與分析能力

可通過仿真三維空間對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行直觀感受和景觀閱讀，增強(qiáng)空間尺度感；可通過嵌入式數(shù)據(jù)對(duì)場(chǎng)地內(nèi)外的自然環(huán)境和人文環(huán)境進(jìn)行分析、歸納和總結(jié)。

1.4 提升方案設(shè)計(jì)和推演等高階能力

通過平臺(tái)實(shí)時(shí)計(jì)算出的“碳數(shù)據(jù)”以及設(shè)計(jì)規(guī)范程序的反饋，了解設(shè)計(jì)方案的不足之處，并通過可逆的實(shí)驗(yàn)步驟對(duì)方案作出及時(shí)的修改和反復(fù)推演。

1.5 培養(yǎng)生態(tài)環(huán)保意識(shí)、樹立正確的行業(yè)價(jià)值觀

結(jié)合課程思政，通過“零碳”設(shè)計(jì)貫徹生態(tài)文明理念，增強(qiáng)環(huán)保意識(shí)，提高藝術(shù)修養(yǎng)，遵守行業(yè)道德及規(guī)范。

2 實(shí)驗(yàn)原理

2.1 碳中和數(shù)據(jù)核算原理

碳中和是指企業(yè)、團(tuán)體或個(gè)人在一定時(shí)間內(nèi)從事生產(chǎn)和生活活動(dòng)等過程中產(chǎn)生的以二氧化碳為主的溫室氣體排放總量，通過節(jié)能減排、植樹造林、購(gòu)買碳配額等形式而得到抵消，實(shí)現(xiàn)二氧化碳零排放[5]。對(duì)碳中和目標(biāo)進(jìn)行評(píng)估時(shí)，可分別對(duì)“碳源”和“碳匯”進(jìn)行核算?！疤荚础敝傅氖翘寂欧呕蛱枷模疤紖R”指的是碳補(bǔ)償或碳抵消。當(dāng)“碳源≤碳匯”時(shí)，碳中和目標(biāo)達(dá)成。在停車場(chǎng)綠地設(shè)計(jì)中，“碳源”主要來自車輛的碳排放和電力等設(shè)施的碳消耗，車輛類型、停車過程耗時(shí)、車位使用率和周轉(zhuǎn)率、設(shè)施耗能時(shí)長(zhǎng)等因素都將影響碳源數(shù)據(jù)；“碳匯”主要來自綠化、可再生能源、環(huán)保材料等碳抵消，植物種類、植物數(shù)量、遮陰率、能源轉(zhuǎn)化率等因素都將影響碳匯數(shù)據(jù)。

2.2 停車場(chǎng)綠地設(shè)計(jì)基本原理

依據(jù)《城市道路綠化規(guī)劃與設(shè)計(jì)規(guī)范》《城市停車規(guī)劃規(guī)范》等指導(dǎo)文件或國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)，停車場(chǎng)的出入口設(shè)置、坡道設(shè)計(jì)、車行道與人行道布置、車位尺寸與數(shù)量、殘疾人車位布置、鋪裝及標(biāo)線設(shè)計(jì)、綠化帶設(shè)置、樹種選擇與配置等，應(yīng)滿足規(guī)范的基本要求。學(xué)生在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上對(duì)停車場(chǎng)的各要點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，程序會(huì)在每一步的操作結(jié)束后給予提示。

2.3 風(fēng)景園林藝術(shù)原理

根據(jù)藝術(shù)設(shè)計(jì)與園林設(shè)計(jì)中空間營(yíng)造、植物造景、人體感知和景觀美學(xué)的基本原理，停車場(chǎng)綠地設(shè)計(jì)方案要對(duì)外部的自然環(huán)境和人文環(huán)境作出回應(yīng)，并重點(diǎn)從場(chǎng)地條件利用、景觀因借手法、空間序列變化、植物季相變化、景觀立面層次、視聽感知設(shè)計(jì)等藝術(shù)層面進(jìn)行綜合考量和評(píng)價(jià)。平臺(tái)將通過設(shè)置的參數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)方案給出線上反饋供學(xué)生參考，教師在此基礎(chǔ)上進(jìn)行線下補(bǔ)充反饋。

3 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與開發(fā)

3.1 實(shí)驗(yàn)平臺(tái)模塊設(shè)計(jì)

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)分為5 大模塊：知識(shí)模塊、素材模塊、方案建構(gòu)模塊、核算評(píng)估模塊和交流研討模塊。

3.1.1 知識(shí)模塊

主要用于理論學(xué)習(xí)，學(xué)生可在實(shí)驗(yàn)操作前進(jìn)行預(yù)習(xí)，也可在實(shí)驗(yàn)過程中或?qū)嶒?yàn)結(jié)束后隨時(shí)進(jìn)行復(fù)習(xí)；包含文字、圖片、視頻、已建成案例、參考文獻(xiàn)、網(wǎng)頁(yè)鏈接、配套小程序、自測(cè)題、參考答案等。

3.1.2 素材模塊

即素材庫(kù)，包含不同尺寸的車位、車道，各類植物、設(shè)施、鋪裝材料等景觀素材，用于實(shí)驗(yàn)過程的素材增刪與替換；還包含前期嵌入的場(chǎng)地信息數(shù)據(jù)、各素材相對(duì)應(yīng)的碳數(shù)據(jù)等。

3.1.3 方案建構(gòu)模塊

即模擬現(xiàn)實(shí)的三維空間，學(xué)生可在該空間內(nèi)對(duì)預(yù)先嵌入的場(chǎng)地信息進(jìn)行分析，再利用各類素材分步驟進(jìn)行方案搭建、修改，并可隨時(shí)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行360 度的旋轉(zhuǎn)查看；方案完成后學(xué)生可對(duì)車型、車行路線、停車位等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，生成空間漫游動(dòng)畫。

3.1.4 核算評(píng)估模塊

主要用于實(shí)時(shí)對(duì)學(xué)生選擇的素材進(jìn)行初步碳核算，學(xué)生也可以隨時(shí)查看核算結(jié)果；在方案建構(gòu)的過程中，該模塊還將給予是否符合設(shè)計(jì)規(guī)范的提示；在方案構(gòu)建完成之后，該模塊還將結(jié)合方案中的動(dòng)態(tài)變化因素（如時(shí)間、自然條件等）給出最終的碳核算結(jié)果與綜合景觀評(píng)估。

3.1.5 交流研討模塊

師生可在交流研討模塊中，采用文字、截圖、錄屏、音頻或視頻對(duì)話、群聊等方式進(jìn)行線上互動(dòng)討論；該模塊也可為學(xué)生、社會(huì)其他機(jī)構(gòu)提供課后答疑等相關(guān)教學(xué)服務(wù)。

3.2 實(shí)驗(yàn)流程與交互步驟設(shè)計(jì)

本實(shí)驗(yàn)是涵蓋“調(diào)研、分析、設(shè)計(jì)、評(píng)估”四位一體的綜合型訓(xùn)練任務(wù)，圍繞理念導(dǎo)入、現(xiàn)狀分析、方案設(shè)計(jì)、核算評(píng)估4 個(gè)實(shí)驗(yàn)流程，開發(fā)設(shè)計(jì)了14 個(gè)交互性步驟，如表1所示。所有實(shí)驗(yàn)流程都包含了碳中和相關(guān)知識(shí)、碳源碳匯的換算、場(chǎng)地內(nèi)外部條件、總體布局形式、出入口設(shè)置規(guī)范、車行道布置規(guī)范、停車位布置規(guī)范、殘疾人車位規(guī)范、停車綠化帶規(guī)范、植物配置規(guī)范、其他設(shè)計(jì)規(guī)范等知識(shí)點(diǎn)。

3.2.1 理念導(dǎo)入

實(shí)驗(yàn)開始前3 ～5 天布置課前預(yù)習(xí)任務(wù)，登錄實(shí)驗(yàn)平臺(tái)對(duì)停車場(chǎng)設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)、案例進(jìn)行閱讀和研究，理論學(xué)習(xí)完成后進(jìn)入課前自測(cè)題庫(kù)答題，核對(duì)參考答案和查看答案解析，針對(duì)疑問之處在交流研討區(qū)與學(xué)生和教師進(jìn)行討論。實(shí)驗(yàn)教學(xué)正式開始后，教師通過新聞、短視頻等將“碳中和”“碳達(dá)峰”“低碳景觀”等生態(tài)理念導(dǎo)入課堂，讓學(xué)生熟悉相關(guān)概念，并解讀相對(duì)應(yīng)的理論知識(shí)；隨后，教師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入碳核算小程序，通過植樹、生產(chǎn)制造、買賣等方式了解碳源和碳匯的影響因素及計(jì)算方法。

3.2.2 現(xiàn)狀分析

引導(dǎo)學(xué)生在模擬現(xiàn)實(shí)的三維空間內(nèi)認(rèn)識(shí)設(shè)計(jì)場(chǎng)地，學(xué)生根據(jù)系統(tǒng)提示，可以進(jìn)行以下操作：1）查看設(shè)計(jì)場(chǎng)地的上位規(guī)劃、區(qū)位、設(shè)計(jì)要求等；2）利用小工具對(duì)場(chǎng)地的面積、形狀、周長(zhǎng)等進(jìn)行勘測(cè)，查看場(chǎng)地內(nèi)部的實(shí)景照片和視頻等；3）觀看不同季節(jié)、不同時(shí)間段的模擬外部環(huán)境，查找場(chǎng)地周邊的重要信息；4）學(xué)生根據(jù)場(chǎng)地內(nèi)外的綜合現(xiàn)狀進(jìn)行問題分析和總結(jié)，制作思維導(dǎo)圖。

3.2.3 方案設(shè)計(jì)

完成現(xiàn)狀分析后，學(xué)生自主進(jìn)行方案設(shè)計(jì)、素材選擇和搭建，設(shè)計(jì)過程中可查看部分與碳核算相關(guān)素材的碳數(shù)據(jù)，每個(gè)設(shè)計(jì)步驟完成時(shí)系統(tǒng)會(huì)根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行正誤提示，學(xué)生可根據(jù)提示進(jìn)行修改或?qū)で蠼處煄椭?，直至最終方案滿足停車場(chǎng)綠地設(shè)計(jì)規(guī)范的基本要求。

3.2.4 核算評(píng)估

方案完成之后，學(xué)生可查看系統(tǒng)最終給出的碳核算結(jié)果與綜合景觀評(píng)估，并可查看評(píng)分細(xì)則；由于系統(tǒng)對(duì)景觀性、藝術(shù)性等方面的評(píng)估可能存在不完善之處，因此教師應(yīng)基于系統(tǒng)評(píng)估結(jié)果對(duì)方案進(jìn)行補(bǔ)充反饋和點(diǎn)評(píng)。此外，教師可指導(dǎo)學(xué)生在動(dòng)畫生成界面，對(duì)車型、車行路線、停車位等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，生成駕駛員視角下的空間漫游體驗(yàn)動(dòng)畫；學(xué)生可通過線上或線下的方式交流、互相觀摩和研討，最后結(jié)合心得體會(huì)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。

3.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)技術(shù)研發(fā)

3.3.1 采用MVC 和JQuery 的插件式開發(fā)模式

系統(tǒng)顛覆了WebForm 時(shí)代的設(shè)計(jì)思想，選用目前主流的MVC 開發(fā)方式，優(yōu)化了所有服務(wù)器控件，使用簡(jiǎn)潔服務(wù)器代碼或者純凈的HTML 進(jìn)行頁(yè)面呈現(xiàn)，使得表現(xiàn)層邏輯與業(yè)務(wù)分離[6]。MVC 模式允許使用各種不同樣式的視圖來訪問同一個(gè)服務(wù)器端的代碼，包括任何Web（HTTP）瀏覽器、無線瀏覽器（WAP）、移動(dòng)App（IOS 和安卓），以實(shí)現(xiàn)多途徑多端口訪問應(yīng)用程序的功能[6]。此外，界面上多處采用開源或自主開發(fā)的JQuery 插件，使得UI 業(yè)務(wù)代碼與呈現(xiàn)代碼分離，通用配置可使各插件在不同情景下呈現(xiàn)不同的數(shù)據(jù)和樣式，極大地提高了代碼的可復(fù)用性和可維護(hù)性。

3.3.2 采用ORM 框架實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的持久化

作為面向?qū)ο笏枷雽?shí)現(xiàn)的一個(gè)重要產(chǎn)物，ORM框架從誕生開始就引起了廣泛關(guān)注，目前ORM 框架技術(shù)已經(jīng)成熟并得到廣泛使用。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)采用了微軟的Entity Framework（以下簡(jiǎn)稱EF）作為系統(tǒng)的ORM 框架，它目前支持多表映射，支持多種主流數(shù)據(jù)庫(kù)。使用EF 后，軟件開發(fā)過程可以直接操作對(duì)象進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，避免了大量使用SQL 語(yǔ)句，降低了系統(tǒng)開發(fā)的復(fù)雜性，同時(shí)也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性[6]。

3.3.3 采用插件機(jī)制和策略機(jī)制增強(qiáng)業(yè)務(wù)

使用插件機(jī)制后，各業(yè)務(wù)的實(shí)現(xiàn)僅依賴于主程序的核心層以及對(duì)應(yīng)的插件接口，插件與主程序之間完全松耦合，主程序不直接操作和干涉插件的內(nèi)部實(shí)現(xiàn)，僅在相應(yīng)的業(yè)務(wù)場(chǎng)景調(diào)用對(duì)應(yīng)插件的對(duì)應(yīng)接口[6]。

對(duì)于某些業(yè)務(wù)可能存在多種不同的實(shí)現(xiàn)方式，虛擬仿真采用策略機(jī)制通過配置文件對(duì)這些業(yè)務(wù)進(jìn)行切換。插件可以在主程序運(yùn)行時(shí)實(shí)時(shí)地?zé)岵迦耄ò纬觯┫到y(tǒng)。因此，各類插件可以單獨(dú)開發(fā)，然后根據(jù)客戶需要加入系統(tǒng)，具有很高的可擴(kuò)展性。

3.3.4 基于主流的Bootstrap 框架自主設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)基于業(yè)界最優(yōu)秀的開源前端框架之一的Bootstrap 對(duì)平臺(tái)和商家中心進(jìn)行了UI 設(shè)計(jì)，使得界面外觀上簡(jiǎn)潔清爽、優(yōu)雅大氣，代碼結(jié)構(gòu)上簡(jiǎn)單明了易于維護(hù)[7]。

虛擬仿真系統(tǒng)采用完全的面向?qū)ο蟮乃枷脒M(jìn)行設(shè)計(jì)，無論是表現(xiàn)層的UI 呈現(xiàn)，還是業(yè)務(wù)層復(fù)雜的業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)，或者是數(shù)據(jù)庫(kù)的訪問方式均采用這種方式。得益于面向?qū)ο笏枷氲脑O(shè)計(jì)，虛擬仿真的開發(fā)過程更加符合人的思維方式，其具有的重用性也使得代碼量大大減少和開發(fā)周期大大縮短。

4 結(jié)束語(yǔ)

“零碳”停車場(chǎng)綠地設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)在投入筆者所在學(xué)校風(fēng)景園林規(guī)劃設(shè)計(jì)課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)后，得到了有關(guān)教師和廣大學(xué)生的普遍好評(píng)，該實(shí)驗(yàn)以其特有的多感知性、沉浸性和交互性彌補(bǔ)了常規(guī)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的不足[8]。它不僅有效解決了調(diào)研難度和工作量大、場(chǎng)地不足、操作不可逆及學(xué)習(xí)效率不高等問題，還充分發(fā)揮了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)軟件“真實(shí)”“交互”“顯隱”“廣用”的優(yōu)勢(shì)，豐富了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的形式、方法和內(nèi)容，為風(fēng)景園林專業(yè)實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革探索了新的有效途徑。

教育部在《加強(qiáng)碳達(dá)峰碳中和高等教育人才培養(yǎng)體系建設(shè)工作方案》中已明確，要加強(qiáng)綠色低碳教育，將綠色低碳理念納入教育教學(xué)體系[9]。

本虛擬仿真實(shí)驗(yàn)也將響應(yīng)教育部的號(hào)召，以“立足本省高校、輻射全國(guó)高校、走向社會(huì)大眾”為目標(biāo)進(jìn)行逐步推廣。全國(guó)范圍內(nèi)開設(shè)相關(guān)專業(yè)的院校都可以基于“零碳”停車場(chǎng)綠地設(shè)計(jì)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)開展合作教學(xué)，逐步形成多維協(xié)同教學(xué)模式；在重點(diǎn)服務(wù)高校學(xué)生實(shí)驗(yàn)教學(xué)的同時(shí)，該實(shí)驗(yàn)也將逐步向設(shè)計(jì)類的從業(yè)人員開放，將平臺(tái)資源和教學(xué)成果共享，提供在線教學(xué)服務(wù)，實(shí)現(xiàn)本項(xiàng)目的社會(huì)效益。