CDIO工程教学改革下的“虚拟+”风景园林工程教学探索

朱里莹，黄 河，闫 晨

(福建农林大学 园林学院，福建 福州 350002)

1 引言

作为风景园林专业的核心课程，风景园林工程是生态文明建设下各个风景园林项目得以实施，落地成型的基石，是培养风景园林应用型人才的重要基础。随着计算机建模和仿真技术的发展，虚拟现实技术如何与风景园林相结合成为工程教学的热点问题。自1960年Ivan Sutherland教授提出The Ultimate Display概念以来，虚拟现实技术备受关注。 20世纪80年代，虚拟现实开始应用于教育领域，包括美国、西班牙、德国、意大利等国家在内都在不断建设虚拟教育实验室、虚拟仪器工作平台等，并逐渐在我国教育领域扩大影响力[1, 2]。与传统教学以灌输语义式知识为主的特征不同，虚拟现实技术的沉浸性、交互性和构想性等特征，有助于将语义式知识转化为情节式知识，即从展现出的事件中获得细节和经验，帮助用户克服学习障碍和恐惧，完成通常繁琐枯燥的学习训练和知识汲取[3]。从虚拟现实技术在教育领域的应用来看，虚拟现实技术在实践性较强，更倾向于情节式知识传播的课程中获得了多方肯定，例如Jang等的3D解剖课程、Alho Barata的电力变压器操作课程、Rupasinhe Thashika的飞机维修技术培训课程、李静蓉的虚拟锻造工艺实习系统、王培涛的虚拟现实岩土工程技术、王宜衡的麻醉学教学等[4～6]。总体来说，虚拟现实除了可以降低土地和人力成本外，借助沉浸式场景教学，通过情节式知识的学习来代替传统语义式知识的灌输，可以增强对细节和经验的理解，在理论与实践之间搭建桥梁，更适用于应用性强的课程，与风景园林工程作为应用性课程的内核高度契合。

与虚拟现实呈现出的情节式片段式场景不同，风景园林工程教学也一直在探索CDIO工程教学的系统化路径。CDIO指的是“构思(Conceive)-设计(Design)-实施(Implement)-运行(Operate)”全生命周期的过程，是美国麻省理工学院与瑞典的查尔摩斯工业大学、林雪平大学、瑞典皇家工学院共同创立的工程教育模式[7, 8]。自2005年引入中国以来，从CDIO专业培养架构、CDIO专业培养标准体系、CDIO一体化课程体系等方面，对中国工程教育产生了深远的影响[9, 10]。近年来，在学习研讨CDIO的过程中，各校重新思考工程教育改革的模式与路径，对人才培养方案、课程体系、教学实施、实践环境、教师考评机制等方面也进行了部分环节的重新构建，多方面探索CDIO的中国化、本土化和特色化，将CDIO与不同的能力体系相结合，探索了独特的TOPCARES-CDIO、TP-CDIO、ART·CDIO等人才培养模式[11～13]。如何利用CDIO的体系化脉络串联虚拟现实教学和线下教学成为解决风景园林工程教学现有困境的关键问题。基于此，本研究提出引入CDIO全生命周期工程教学，总体把握课程构架，将虚拟现实与线下教学相结合，一体化设计教学内容，形成“虚拟+”风景园林工程教学模式探索。

2 风景园林工程教学现状问题

2.1 传统课堂教学难以弥补实践短板

随着研究的深入与科技的进步，风景园林教育工作者们根据自身学校资源和办学特色，做出多方面尝试，虽然在风景园林工程教学中取得了一定进步，但仍然存在诸多问题。首先，传统工程教育以图纸教学为主，缺乏实际演练；其次，由于课堂教学难以展示并贯穿工程项目的各个环节，不但增加了学生理解上的困难，也导致其动手能力差，缺少实际解决问题的能力。

2.2 实习基地成本高项目类型单一

为了弥补实践上的短板，建设实习基地成为目前培养学生实践能力的主要方式。然而实习基地由于成本高、危险系数大等问题，难以覆盖各类工程项目。无论是校内还是校外实习基地都涉及土地成本和人员管理成本，且由于工程建造存在潜在危险，同学们只能进行相对简单的工作，造成接触到的工程项目类型单一，难以拓宽知识视域。

2.3 地下结构和内部构造难以呈现

目前教学以对已建成工程项目进行实景考察为主，然而这一方式只呈现了地上部分的表面形态，难以认识到工程项目的地下结构以及内部构造。由此可见，即使是现场实习教学也存在理解上的巨大障碍。然而这种知识传播效率存在诟病的现场实习教学，也可能因为特殊事件而无限期延后，抗风险能力极差。如何解决这些问题成为风景园林工程教学中的难题。

3 风景园林工程“虚拟+”的CDIO探索

“虚拟+”指的是在现有教学的基础上融合虚拟现实技术，形成虚拟世界和现实世界相互叠加嵌套的教学模式。其中，虚拟现实技术指的是由图形处理计算机、应用软件系统、输入设备和输出设备共同组成的新型人机交互接口，通过具有真实感的图像、声音和其他感觉，在一个虚拟的环境中模拟用户与环境的交互行为[14]。

3.1 围绕C(Conceive构思)，制定符合行业需求的人才培养目标

学生能力不能符合工作岗位的需求是工程课程理论与实践脱节的表现结果，而这本质上也体现出了教学内容与市场需求的错位。因此，在确定教什么之前应当首先确定行业需要什么？ CDIO工程教育模式根据当代工程实践的准则推理出了工程师应当具备的4个部分的能力要求目标，并得到了众多领域的专家评审认可，其中包括技术学科知识(第一部分)的掌握；工程推理和解决问题能力、实验能力与知识探索能力、系统思维能力、批判性能力等个人能力培养(第二部分)；主要集中在个人与团队之间互动上的人际交往能力(第三部分)；强调在社会环境中对产品、过程和系统进行总体运作的产品、过程和系统建造能力(第四部分)[15]。然而，这些目标虽然细致且具有普适性，但是针对性不强。因此，需要针对风景园林行业特征和具体的需求对CDIO能力目标进行梳理和关联度强弱对应，从CDIO现有4大一级能力目标，17个二级目标，70个三级目标，筛选出与风景园林工程教学匹配度最高的目标层，并对可进行虚拟技术迭代的目标层，引入“虚拟+”技术手段，以针对性制定符合风景园林行业需求的“虚拟+”工程人才培养目标。

3.2 立足D(Design设计)，一体化设计“虚拟+”课程结构

不同于传统课程结构中各相关课程之间的各自为政，一体化课程结构意味着根据人才培养目标重新分配可用的教学资源和时间，课程内容之间相互嵌套，有机融合，形成一个总体效果大于各部分相加的模式[16]。一体化课程设计首先需要反映相关课程的已有条件以及相互之间的联系，以此协调并确定课程群结构、学习顺序等。由于虚拟现实教学与线下教学在教学途径、使用手段、表现形式等方面都不尽相同，容易出现相互脱节的问题。因此，一体化设计还应当包括针对虚拟现实和线下教学的特征，设计相应的教学内容，整体统筹各自教学内容之间的比例关系，出现的前后次序等，以求形成科学合理的课程结构。

图1 基于CDIO的“虚拟+”风景园林工程教学体系

3.3 基于I(Implement实施)，建立“虚拟+”实习基地教学模式

现有实习基地的困扰在于场地有限，而在有限的空间场地中，还会因为季节变换、气候条件等不确定因素，致使实际实践的时间得不到保证。采用“虚拟+”实践基地的模式可以不受现有实习基地的时空限制，开展等价现实的实践教学，并且在学生自主学习和个人能力成长方面也具有优势。当然，“虚拟+”实践基地并不意味着废弃现有的实习基地。现有实习基地的活动可以让学生对材料特性、体量结构、施工时长、团队合作等有更全面的认知，理当与虚拟情境互为补充。

3.4 依据O(Operate运行)，引入竞赛机制追踪学习效果

学生学习效果反馈一直是工程教学中的难点。引入竞赛机制，在奖项和荣誉感的驱动下，可以最大化地反映出学生的实际能力。为了掌握学生全方位的学习效果，该竞赛应当具有高度综合性，既具备利用虚拟现实技术进行项目推演和预判的能力，又具备实际动手操作现场处理问题的能力。因此，综合性竞赛应当反映出项目从构思、设计、实施，到运行的全过程，即全流程追踪，探测学生在项目推进各个环节中的能力。

4 基于CDIO的“虚拟+”风景园林工程课程体系构建

4.1 风景园林工程“虚拟+”CDIO人才培养目标

为了更好地了解本行业对风景园林工程人才的需求，本研究发放42份包含一级、二级和三级的CDIO工程培养目标，由行业管理人员筛选与风景园林工程强相关的目标需求。根据已收回的38份有效问卷可知，目前行业对风景园林工程人才的要求主要体现在“1技术知识和推理”，即强调已有的知识储备；“2个人能力、职业能力和态度”中解决问题的能力以及用于承担的个人和职业态度；“3人际交往能力：团队工作与交流”中对团队所处角色的人事以及任务事项的理解和表达能力；“4在企业和社会环境下构思、设计、实施、运行系统”中实践过程对多学科知识的综合运用能力，共计13项强相关二级目标，40项三级目标(表1)。其中，“虚拟+”易赋能目标21项。结果显示，虚拟+课程中除了体现现有虚拟课程场景融入知识的优势之外，还应当借助虚拟现实技术中易于进行角色添加的优势，融入更多的实景演练。

表1 风景园林工程“虚拟+”CDIO人才培养目标

4.2 一体化风景园林工程“虚拟+”课程群结构

为了打破课程孤立的现象，风景园林工程与相关课程组建以风景园林工程课程为核心的“工程课程群”，以测量学、园林制图、风景园林计算机辅助设计为前驱课程，以园林施工图设计、园林施工组织与管理和风景园林工程概预算为并行课程，以景观维护与管理为后续课程。引入虚拟现实技术，设计包括模拟暴雨水管理的“应对台风气候的生态公园地表径流调蓄虚拟仿真实验”等虚拟仿真课程，以及建立虚拟仿真实习基地，共同构建一体化风景园林工程课程结构(图2)。

图2 风景园林工程课程群

4.3 进阶升级的“虚拟+”实习基地

在遵循学生学习规律的前提下，为了加强学生的实践能力，将“虚拟+”实习基地教学分为3个阶段，根据课程进度和学生掌握情况，形成逐步进阶升级的实践教学模式。结合虚拟现实和真实情境的优势，按照适当的比例融入实践教学的各个阶段。实习基地教学划分为“基本操作——进阶操作——竞赛操作”3个阶段，其中，基础操作主要为个人独立完成，进阶操作鼓励两两合作，竞赛操作则要求3～5人组队完成，由个人能力夯实逐步向团队能力发展。

4.4 创意花园竞赛缝合线上线下全过程

以竞赛为载体，设置适当面积的现场地块(如5 m×5 m)，由教师与学生共同组队，在校园内搭建学生的风景园林工程作品。竞赛要求以学生为主，教师为辅，综合应用所学内容，完成具体竞赛项目的“构思——设计——实施——运行”全流程。在项目推进过程中，无论是虚拟现实部分的设计预判还是现场施工的临场表现，每一个细节所暴露出的问题都会得到及时反馈。为了增强学生的学习主动性，竞赛除了组织专家评奖评分外，还组织学生以组为单位互相评价，促进交流与反思，并将竞赛结果、专家评价和学生评价反馈至以风景园林工程为主的相关课程，以此调整和细化课程的结构和内容等。

5 结语

基于CDIO的风景园林工程“虚拟+”体系从“C构思-D设计-I实施-O运行”4个方面结合了CDIO和虚拟现实技术各自的优势和特色。在构思层面，根据时代和社会对风景园林工程人才的需求，借助“虚拟+”技术手段，从CDIO4大一级能力目标，17个二级目标，70项CDIO三级目标中筛选出13项强相关二级目标，40项三级目标，21项“虚拟+”易赋能目标，用于制定符合行业需求的人才培养目标。在设计层面，结合虚拟现实教学和线下实体教学，一体化设计包含前驱课程、并行课程和后续课程风景园林工程课程群结构。在实施层面上，为了打破物质空间对工程实践的限制，设置了进阶升级的“虚拟+”实践实习基地。在运行层面，引入竞赛机制全程追踪学习效果，最大化激发学生学习的积极性和自主性。基于CDIO的“虚拟+”风景园林工程体系探索还将进一步落实到应用层面，为风景园林工程教育提供参考。