双碳目标下的虚拟仿真实验教学课程开发*

闫晨 林立 李房英 任维 谢祥财

1 福建农林大学风景园林与艺术学院 福州 350108 2 国家水利风景区研究中心 福州 350108

0 引言

随着全球范围“碳达峰”与“碳中和”共识的形成，以“生态文明建设”为核心理念的人居环境学科迎来了良好的发展契机[1]。风景园林规划设计应在长期以来“低碳景观”定性设计的基础上，实现对“景观碳循环”的定量设计。虚拟仿真实验教学是近年高等教育改革创新的主要形式之一，美国加州大学伯克利分校、英国爱丁堡大学、德国慕尼黑工业大学等已率先将低碳设计的虚拟仿真实验课程应用于建筑类专业的教学，而国内院校的相关专业课程也在虚拟仿真实验开发的浪潮中开启了探索之路[2]。因此，基于“智能+教育”技术[3]，“双碳”目标下的虚拟仿真实验教学课程开发已然成为我国风景园林专业现代教育发展的必然趋势。

在风景园林规划设计课程中，停车场绿地设计任务旨在训练和强化设计的规范性、实用性与生态性[4]。然而在线下实验教学过程中，调研分析常遭受极端天气影响，存在具有交通安全隐患、耗时长、成本高等实际问题；二维图纸方案的症结溯源难度大，易使学生在尺度感缺失的情况下，对知识点理解不充分；数据计算环节则存在指标不完整、标准不统一、计算误差大、过程烦琐等问题。为解决以上问题，“零碳”停车场绿地设计虚拟仿真实验应运而生，旨在通过混合式教学设计，让学生从理论学习、分析、设计、评价到反馈，都能在“人机交互”的操作过程中实现具有个性化的有效教学。

1 实验教学目标

1.1 掌握停车场绿地设计的基本规范

如出入口设计规范、车行道与人行道设计规范、坡道设计规范、停车位设计规范、绿化带设计规范、植物配置规范、铺装及标线设计规范、其他设施设计规范等。

1.2 熟悉“碳源”和“碳汇”的相关知识及核算方法

如不同机动车的碳排放情况、不同植物的碳吸收情况、可再生能源的设计应用、与节能减排相关的设计及建材应用等。

1.3 增强对空间环境的认知与分析能力

可通过仿真三维空间对场地进行直观感受和景观阅读，增强空间尺度感；可通过嵌入式数据对场地内外的自然环境和人文环境进行分析、归纳和总结。

1.4 提升方案设计和推演等高阶能力

通过平台实时计算出的“碳数据”以及设计规范程序的反馈，了解设计方案的不足之处，并通过可逆的实验步骤对方案作出及时的修改和反复推演。

1.5 培养生态环保意识、树立正确的行业价值观

结合课程思政，通过“零碳”设计贯彻生态文明理念，增强环保意识，提高艺术修养，遵守行业道德及规范。

2 实验原理

2.1 碳中和数据核算原理

碳中和是指企业、团体或个人在一定时间内从事生产和生活活动等过程中产生的以二氧化碳为主的温室气体排放总量，通过节能减排、植树造林、购买碳配额等形式而得到抵消，实现二氧化碳零排放[5]。对碳中和目标进行评估时，可分别对“碳源”和“碳汇”进行核算。“碳源”指的是碳排放或碳消耗，“碳汇”指的是碳补偿或碳抵消。当“碳源≤碳汇”时，碳中和目标达成。在停车场绿地设计中，“碳源”主要来自车辆的碳排放和电力等设施的碳消耗，车辆类型、停车过程耗时、车位使用率和周转率、设施耗能时长等因素都将影响碳源数据；“碳汇”主要来自绿化、可再生能源、环保材料等碳抵消，植物种类、植物数量、遮阴率、能源转化率等因素都将影响碳汇数据。

2.2 停车场绿地设计基本原理

依据《城市道路绿化规划与设计规范》《城市停车规划规范》等指导文件或国家标准，停车场的出入口设置、坡道设计、车行道与人行道布置、车位尺寸与数量、残疾人车位布置、铺装及标线设计、绿化带设置、树种选择与配置等，应满足规范的基本要求。学生在虚拟仿真实验平台上对停车场的各要点进行设计时，程序会在每一步的操作结束后给予提示。

2.3 风景园林艺术原理

根据艺术设计与园林设计中空间营造、植物造景、人体感知和景观美学的基本原理，停车场绿地设计方案要对外部的自然环境和人文环境作出回应，并重点从场地条件利用、景观因借手法、空间序列变化、植物季相变化、景观立面层次、视听感知设计等艺术层面进行综合考量和评价。平台将通过设置的参数对设计方案给出线上反馈供学生参考，教师在此基础上进行线下补充反馈。

3 实验设计与开发

3.1 实验平台模块设计

本虚拟仿真实验系统分为5 大模块：知识模块、素材模块、方案建构模块、核算评估模块和交流研讨模块。

3.1.1 知识模块

主要用于理论学习，学生可在实验操作前进行预习，也可在实验过程中或实验结束后随时进行复习；包含文字、图片、视频、已建成案例、参考文献、网页链接、配套小程序、自测题、参考答案等。

3.1.2 素材模块

即素材库，包含不同尺寸的车位、车道，各类植物、设施、铺装材料等景观素材，用于实验过程的素材增删与替换；还包含前期嵌入的场地信息数据、各素材相对应的碳数据等。

3.1.3 方案建构模块

即模拟现实的三维空间，学生可在该空间内对预先嵌入的场地信息进行分析，再利用各类素材分步骤进行方案搭建、修改，并可随时对设计方案进行360 度的旋转查看；方案完成后学生可对车型、车行路线、停车位等参数进行设置，生成空间漫游动画。

3.1.4 核算评估模块

主要用于实时对学生选择的素材进行初步碳核算，学生也可以随时查看核算结果；在方案建构的过程中，该模块还将给予是否符合设计规范的提示；在方案构建完成之后，该模块还将结合方案中的动态变化因素（如时间、自然条件等）给出最终的碳核算结果与综合景观评估。

3.1.5 交流研讨模块

师生可在交流研讨模块中，采用文字、截图、录屏、音频或视频对话、群聊等方式进行线上互动讨论；该模块也可为学生、社会其他机构提供课后答疑等相关教学服务。

3.2 实验流程与交互步骤设计

本实验是涵盖“调研、分析、设计、评估”四位一体的综合型训练任务，围绕理念导入、现状分析、方案设计、核算评估4 个实验流程，开发设计了14 个交互性步骤，如表1所示。所有实验流程都包含了碳中和相关知识、碳源碳汇的换算、场地内外部条件、总体布局形式、出入口设置规范、车行道布置规范、停车位布置规范、残疾人车位规范、停车绿化带规范、植物配置规范、其他设计规范等知识点。

3.2.1 理念导入

实验开始前3 ～5 天布置课前预习任务，登录实验平台对停车场设计规范的相关知识点、案例进行阅读和研究，理论学习完成后进入课前自测题库答题，核对参考答案和查看答案解析，针对疑问之处在交流研讨区与学生和教师进行讨论。实验教学正式开始后，教师通过新闻、短视频等将“碳中和”“碳达峰”“低碳景观”等生态理念导入课堂，让学生熟悉相关概念，并解读相对应的理论知识；随后，教师引导学生进入碳核算小程序，通过植树、生产制造、买卖等方式了解碳源和碳汇的影响因素及计算方法。

3.2.2 现状分析

引导学生在模拟现实的三维空间内认识设计场地，学生根据系统提示，可以进行以下操作：1）查看设计场地的上位规划、区位、设计要求等；2）利用小工具对场地的面积、形状、周长等进行勘测，查看场地内部的实景照片和视频等；3）观看不同季节、不同时间段的模拟外部环境，查找场地周边的重要信息；4）学生根据场地内外的综合现状进行问题分析和总结，制作思维导图。

3.2.3 方案设计

完成现状分析后，学生自主进行方案设计、素材选择和搭建，设计过程中可查看部分与碳核算相关素材的碳数据，每个设计步骤完成时系统会根据设计规范进行正误提示，学生可根据提示进行修改或寻求教师帮助，直至最终方案满足停车场绿地设计规范的基本要求。

3.2.4 核算评估

方案完成之后，学生可查看系统最终给出的碳核算结果与综合景观评估，并可查看评分细则；由于系统对景观性、艺术性等方面的评估可能存在不完善之处，因此教师应基于系统评估结果对方案进行补充反馈和点评。此外，教师可指导学生在动画生成界面，对车型、车行路线、停车位等参数进行设置，生成驾驶员视角下的空间漫游体验动画；学生可通过线上或线下的方式交流、互相观摩和研讨，最后结合心得体会完成实验报告。

3.3 实验系统技术研发

3.3.1 采用MVC 和JQuery 的插件式开发模式

系统颠覆了WebForm 时代的设计思想，选用目前主流的MVC 开发方式，优化了所有服务器控件，使用简洁服务器代码或者纯净的HTML 进行页面呈现，使得表现层逻辑与业务分离[6]。MVC 模式允许使用各种不同样式的视图来访问同一个服务器端的代码，包括任何Web（HTTP）浏览器、无线浏览器（WAP）、移动App（IOS 和安卓），以实现多途径多端口访问应用程序的功能[6]。此外，界面上多处采用开源或自主开发的JQuery 插件，使得UI 业务代码与呈现代码分离，通用配置可使各插件在不同情景下呈现不同的数据和样式，极大地提高了代码的可复用性和可维护性。

3.3.2 采用ORM 框架实现数据的持久化

作为面向对象思想实现的一个重要产物，ORM框架从诞生开始就引起了广泛关注，目前ORM 框架技术已经成熟并得到广泛使用。

虚拟仿真实验采用了微软的Entity Framework（以下简称EF）作为系统的ORM 框架，它目前支持多表映射，支持多种主流数据库。使用EF 后，软件开发过程可以直接操作对象进行数据存储，避免了大量使用SQL 语句，降低了系统开发的复杂性，同时也提高了系统的稳定性[6]。

3.3.3 采用插件机制和策略机制增强业务

使用插件机制后，各业务的实现仅依赖于主程序的核心层以及对应的插件接口，插件与主程序之间完全松耦合，主程序不直接操作和干涉插件的内部实现，仅在相应的业务场景调用对应插件的对应接口[6]。

对于某些业务可能存在多种不同的实现方式，虚拟仿真采用策略机制通过配置文件对这些业务进行切换。插件可以在主程序运行时实时地热插入（拔出）系统。因此，各类插件可以单独开发，然后根据客户需要加入系统，具有很高的可扩展性。

3.3.4 基于主流的Bootstrap 框架自主设计

该系统基于业界最优秀的开源前端框架之一的Bootstrap 对平台和商家中心进行了UI 设计，使得界面外观上简洁清爽、优雅大气，代码结构上简单明了易于维护[7]。

虚拟仿真系统采用完全的面向对象的思想进行设计，无论是表现层的UI 呈现，还是业务层复杂的业务实现，或者是数据库的访问方式均采用这种方式。得益于面向对象思想的设计，虚拟仿真的开发过程更加符合人的思维方式，其具有的重用性也使得代码量大大减少和开发周期大大缩短。

4 结束语

“零碳”停车场绿地设计虚拟仿真实验在投入笔者所在学校风景园林规划设计课程的实验教学后，得到了有关教师和广大学生的普遍好评，该实验以其特有的多感知性、沉浸性和交互性弥补了常规实验教学的不足[8]。它不仅有效解决了调研难度和工作量大、场地不足、操作不可逆及学习效率不高等问题，还充分发挥了虚拟仿真实验教学软件“真实”“交互”“显隐”“广用”的优势，丰富了实验教学的形式、方法和内容，为风景园林专业实验教学改革探索了新的有效途径。

教育部在《加强碳达峰碳中和高等教育人才培养体系建设工作方案》中已明确，要加强绿色低碳教育，将绿色低碳理念纳入教育教学体系[9]。

本虚拟仿真实验也将响应教育部的号召，以“立足本省高校、辐射全国高校、走向社会大众”为目标进行逐步推广。全国范围内开设相关专业的院校都可以基于“零碳”停车场绿地设计虚拟仿真实验开展合作教学，逐步形成多维协同教学模式；在重点服务高校学生实验教学的同时，该实验也将逐步向设计类的从业人员开放，将平台资源和教学成果共享，提供在线教学服务，实现本项目的社会效益。