虚拟仿真技术在城乡规划设计实践课程中的应用

殷滋言，李冉 （安徽农业大学经济技术学院，安徽 合肥 230011）

虚拟仿真技术对教师的教和学生的学产生了深远的影响，是高等教育信息化建设的重要举措，推动本科教学过程的高质化改革[1]。城乡规划是实践性很强、动手能力要求高，实际应用型专业。虚拟仿真技术为城乡规划设计课程，提供新的视角，为教学提供了有效的指导。

1 城乡规划学科新要求

国土空间规划体系、乡村振兴战略规划的背景，给城乡规划学科带来了新的机遇与挑战，根据城乡规划专业实验教学的规律以及学科体系建设的目标，紧密结合城市发展趋势，培养适应工程建设发展需要，适应社会信息化技术进步，以解决实际问题为导向，开展城乡规划虚拟仿真实验教学，开发和丰富虚拟仿真实验教学资源，建立虚实结合的实验教学平台，提升学生的创新能力、专业实践能力、信息化应用能力、综合素质，提高应用型人才培养成效[2]。

2 虚拟仿真教学的必要性

城乡规划设计教学过程中如何表达教师的设计意图以及引导学生的思维是一个抽象复杂的过程，传统的教学手段不易将难懂的理论知识更加直观表达，难以有效吸纳前沿理论知识。而虚拟仿真教学有利于将抽象概念转化为可感知的画面，有利于培养学生创新能力和独立思考能力，为学生提供更多的学习资源，锻炼学生的发散性思维，激发学生学习的主动性与兴趣。

学生与仿真技术系统进行实时交互，养成学习的能动性，体验真实的环境场景。这种教学方式进一步拓展了教学手段，延伸了学习内容。学生是学习的探索者，改革者，更具有创新动力与实训积极性，学生真正掌握到自主探索的学习方法，激发学生积极性，参与各类竞赛，提高学生自信心，有助于学生培养合作精神与创新精神，学校针对竞赛学生集中开放虚拟仿真实验室，为学生竞赛提供实验环境，探索以赛促学，以赛促教，赛学结合的教学模式。

学生在制作方案过程中，遇到大型项目，做材料模型，成本很高，时间消耗大，虚拟仿真技术可以很好解决这些问题，通过身临其境体验规划的各节点空间，感受尺寸的人性化以及评估成本的合理性，实现项目的可实施性。

3 虚拟仿真教学的应用

3.1 虚拟仿真实践教学手段

城乡规划是一门综合学科，涉及社会、经济、地理、信息等学科交叉，学生进入工作岗位将面对的是复杂的社会问题、城市问题、乡村发展问题，需具备有综合的判断能力与举一反三的思路。虚拟仿真教学搭建了城乡规划专业与其它学科联系的桥梁，培养学生的学习热情与科学思维。虚拟仿真教学的教与学主要有以下三种方式呈现：①将设计意图与方案直观呈现。学生可以将自己设计的作品，如竞赛作品做成VR体验成果，面向社会人士，面向不同专业学生，展示作品成果，让评委、竞赛组织方体验设计成果与创意。②以学生认知为主，老师利用上课环节展示优秀案例模型或展示校企合作的实际项目模型，学生拿着手柄，带着VR眼镜，体验整套VR项目设计案例，理解设计者的思想以及设计过程，体验建筑或规划作品设计的空间是否合适，整体结构尺度是否人性化，各景观节点是否合理，这也是后期学生自己做设计，自己建立模型，检验设计成果，进一步完善方案的有效手段。③学生自己设计，老师辅助指导，从方案构思、方案模型建立，方案创作，到虚拟体验，直到最后设计出新颖、实用的设计作品。

3.2 虚拟仿真实践教学过程

针对课程特点，依托虚拟仿真，完善实践教学体系，在国土空间规划体系下，应对新形势，城乡规划学科需要有足够的灵活性以及科学性。

3.2.1 实验前准备

学生浏览实验大纲和实验步骤，提前了解实验环节，思考实验需要解决的问题。老师提前讲解实验理论知识或原理，阐明实验目的，讲解实验步骤，说明实验环节中容易犯的错误以及容易忽略的步骤，为学生具体操作做好准备。只有学生明白实验做什么，步骤是什么，实验结果是什么，学生实验过程中才能思路清晰，避免很多原则性的错误，同时，老师将模拟软件的操作讲解给学生听、演示给学生看，引导学生具体操作。

3.2.2 实验中探索

适应信息化技术，按照城乡规划设计相关实践课程需求，创造虚拟仿真实验环境，如建筑结构模拟实验、乡土环境模拟实验、交通环境模拟实验等，进行虚拟现实的实验教学，虚拟3D建模、虚拟环境空间建立等，老师及时关注学生操作过程中的共性问题，引导学生自主探索软件的操作方式，在仿真系统中自主研发软件。使学生能通过直观体验进一步理解教学内容，实时检查与交流规划设计作品，进行设计环境的人机交互，反映出问题与不足，学生可利用此实验系统在设计阶段建立模型，创新训练，从而修改、深化规划设计方案，这个过程中学生通过操作掌握实验的整体框架及领会学习内容，实现人机交互，身临其境体验逼真的场景，设计出好的规划设计方案，同时对理论原理有更深刻的掌握。

3.2.3 实验后思考

学生通过虚拟仿真实验，完成初步的方案设计，通过3D虚拟模型、深化方案设计、3D打印技术等方法深化设计方案。实验后总结学生在操作过程中容易出现问题的地方，进一步提升虚拟仿真实验教学效果。引导学生围绕实验原理进行总结反思，让学生把知识更好地联系起来，设计出科学、有创意、可实施的规划设计方案。这个过程中不仅让学生学会总结思考，而且加强处理问题的能力以及创新能力。

3.3 虚拟仿真实践教学内容

3.3.1 规划设计实践课程设置

改革传统教学方法，延伸实践教学内容，推动信息化实践教学的应用。城乡规划教学体系中包含理论教学、实验教学、创新训练三个层次。适当增加实践课程比例，理论教学融合于实践教学中，引导学生在实践操作过程中独立思考，自主学习。同时在人才培养计划中增加专业技能运用，可在大二、大三、大四阶段增加专业技能应用，将学科竞赛纳入人才培养计划中。城乡规划学的主要实践课程有建筑设计课程实践、城市设计课程实践、城市总体规划课程实践、乡村规划课程实践、城市景观设计课程实践等。一、二年级学生主要是建筑设计和场地设计等实训课程实习，三、四、五年级学生主要是城乡规划设计课程实训。

3.3.2 实验探索

虚拟仿真实验平台可提供课前、课中、课后的学习平台，包括预课平台、实验平台、互评平台，这三个平台分为学生用户角色和教师用户角色，预课平台包含有学生部分时段学习的各种资源，如视频、文档、模型等，加深学生对知识重难点的巩固与理解。实验平台为学生提供实验操作环境，记录学生实验操作过程、提交课后作品以及校企合作实际项目作品，检测学生学习效果以及专业培养目标。为学生参与各类竞赛提供有利的平台，由此延伸出竞赛板块，丰富教学形式，促进学生学习的主动性以及与同类院校的交流，参赛同学可以要求其他同学观摩其作品以及提出建议。互评平台上学生对教学质量以及教学水平进行评价，搜集教学质量评价信息，及时改进教学管理。

采用虚拟仿真平台，结合先进传感和3D沉浸式技术，搭建城乡规划设计实践课程专业实验教学模块[3]。

①虚拟仿真实验教学具体应用于建筑构造与建筑设计课程实践。传统教学中，由于资源条件的限制，很多建筑结构难以形成结构分解的画面，需要同学们根据经验来脑补画面效果。虚拟现实技术可以给同学们带来一个真实的结构分解的虚拟环境，促进绿色建筑的建设以及智慧生态城市的构建。虚拟设置建筑各部分结构，建立三维模型，展现仿真建筑，提高学生的学习兴趣。学生通过对建筑物的构件搭建、装饰呈现逼真的建筑，提升教学效果，培养学生创新思维，设计出优秀的作品。

②虚拟仿真实验教学的具体应用于城市景观设计及城市规划方案三维展现。一般来说，对于城乡规划专业课程实践，老师会通过网络搜集或实际项目来展示规划设计过程以及设计思想，这些往往只能通过多媒体图片或者借用三维软件展示一些局部效果，难以形成直观的真实场景感受，空间是虚拟现实第一特性“沉浸”的基础[4]。通过虚拟仿真实验给学生带来身临其境的空间，帮助同学们更直观的理解设计作品的方案形成过程及理念指导，通过对规划方案中的建筑单体的三维建模、墙面纹理材质添加、装饰物选择等[5]，观察到真实的三维立体效果。

虚拟仿真实验室与课程安排表

③虚拟仿真实验教学的具体应用于乡土建筑与环境设计表达。结合GIS深入分析，从宏观自然地理环境的模拟到乡村肌理的生动展现，为学生做设计时，前期分析提供了详实的现状环境，深入了解各项环境要素，再融入当地各方民意，设计出好的作品，而且与地方交流时，可以提供更为直观展示效果的产品。虚拟仿真技术为设计师在乡村空间规划中更好地思考乡土情感表达，邻里之间的公共交流空间，各功能空间的组合关系。学生结合宏观的地域环境和当地的乡土文化，掌握乡村环境处理的方法以及乡土建筑特征。

④虚拟仿真实验教学的具体应用于道路与交通规划课程实践。虚拟仿真实验提供沉浸式体验，很好解决了传统教学不能为学生提供可感知、可测度的场景。按照实验大纲要求，学生应当深刻理解和掌握流线组织、交通信号处理、交叉口设计、交通空间环境等多因素的设计组织与技能，实现学生设计多方案评选。通过虚拟仿真技术，学生可以更加快速、直观的了解掌握交通规划的基本理论，在虚拟平台下进行多维度的创新设计练习，让学生对自己的设计方案有清晰直观的认知，并通过评估反馈强化他们的综合能力。

⑤虚拟仿真教学应用于土地利用调查评价实践课程。让学生掌握利用航拍图片或卫星图片进行土地利用现状调查，数据处理等技术方法，增强学生对已学过专业知识的感性认识，锻炼学生在土地资源调查、资源环境承载能力评价、国土空间开发适宜性评价等方面的创新学习能力，加深对基础理论的理解。掌握国土空间重大情景要素模拟、国土空间情景演变分析与动态模拟等知识要点，增强对国土空间格局影响因素的感性认识。

4 结语

随着5G信息技术的深入发展，虚拟仿真实验教学探索性研究将进一步普及。通过仿真技术，人机交互，学生沉浸式体验，再到规划设计后的方案体验，通过规划前与规划后体验，促进学生对基本理论知识的深刻理解与规划方案设计的经验总结。让同学们充分理解学习建筑设计、城市规划设计等的核心技术，激发学生有了更多的想象空间，学生有独立思考的实验空间，促进学生设计出可操作、有创意的设计作品，利于教师指导学生创新、创业、训练计划，发挥学生的能动性。通过校企合作，结合专业教学指导学生参与实际项目实践，指导学生参加各类竞赛。虚拟仿真在教学过程中促进了教学创新改革与学生对前沿理论的探索。