2020风景园林专业线上课程丨参数化拟自然水景设计虚拟仿真实验

课程负责人：成玉宁

课程团队主要成员：成玉宁、李哲、袁旸洋

参与学生：累计学习人数7000余人

教学时间：2019年上线

1课程简介 

《参数化拟自然水景设计虚拟仿真实验》（以下简称为“实验”）是首批国家虚拟仿真实验教学一流课程。实验依托东南大学风景园林双一流学科、江苏省城乡与景观数字技术工程中心、江苏省数字景观环境综合训练中心以及东南大学数字景观实验室建设，由景观学系成玉宁、李哲、袁旸洋等教师设计开发。

拟自然水景是我国优秀传统园林文化的重要组成部分，更是对践行美丽中国与生态文明的积极响应。水景设计是风景园林专业必修内容，本实验采用虚拟仿真技术，通过参数调控设计变量，模拟自然水景，优化水系景观设计方案。有效弥补传统教学无法在课程设计环节实现多方案反复更改、比较与建造的短板，不仅提升教学效果，而且对于工程实践有重要运用价值。目前本实验线上浏览量已达20000余人次，已有全国50余所高校风景园林专业7000余人进行实验学习。

兄弟院校开展实验教学场景

2虚拟仿真实验的设计

本实验共设3个层级，第一层级由实验预习、基础分析、综合设计、成果模拟4个大环节构成；第二层级下设“实验简介、实验预习”2个准备模块，以及“地形分析、降水分析、水文分析、盆域选择、水量计算、水系设计、水景模拟、实验报告”8个重要设计操作模块;第三层级是对第二层级的展开，共22个实验步骤。平台采用WebGL技术开发，学生通过浏览器即可访问实验教学平台，登录实验项目。

实验架构与学习方法

实验界面

流向分析操作界面中的“知识点”按钮

（1）实验预习

实验预习环节让学生熟悉实验场景，回顾相关专业知识，了解实验的背景和目的，为进行仿真实验做好准备。本实验的目的在于：①充分理解拟自然水景设计原理及科学方法，充分利用有限的降水资源，结合由地形抽象提取的高程竖向数据，将集水区域合理分布在不同的地表位置；②分析地表径流路线，通过上下游之间自然径流情况形成天然的水补偿机制；通过合理延长地表雨水坡降时间，营造可持续的水景环境；③结合参数化分析手段，动态调节、优选地表水体位置、水坝设计高度，统筹库容、坝高、工程量、景观效应四个变量的关系；④综合上述目标，合理组织、设计系列水系，形成富有自然意趣的水景观。

实验场景：南京牛首山风景区（北部景区）涤心潭实景

实验背景中阐述了拟自然水景生成的机制与规律，对参数化拟自然水景设计模拟起到理论支撑作用，实验流程对应了实验操作的关键步骤，让学生了解整个实验的过程。

“池盆洼地”形成示意图

“实验预习”模块，由16道单选或多选题构成，包含了需要预习的相关知识点，学生可以对本次实验所涉及的知识点进行预习。

“实验预习”模块帮助学生预习实验涉及的知识点

（2）基础分析

 “地形分析”模块通过高程、坡度及坡向的分析帮助学生建立起对设计场地地形的认知，了解地形分析与拟自然水景设计之间的关联，以便在下一阶段能更好地理解汇水区、径流、汇水量等水文过程相关知识。

坡度分析及相关知识点

“降水分析”模块的目的在于让学生了解自然降水规律与年降水量计算方法。

降水量计算

 “水文分析”模块通过分析、了解场地水文过程，学生在操作中通过比选阈值参数，生成对应阈值的径流网络。

流量分析3D动态预览

以上各个模块均设计有“知识点”按钮，学生可以在实验的同时学习相关理论知识。

（3）综合设计

本环节是实验的核心部分，共分为3个步骤。“盆域选择”模块对应仿真功能设计，学生根据地形及盆域条件在场地内选取适合拟自然水景营造的区域，并进一步认知汇水线、汇水区以及倾泻点之间的关系，以及利用现状水体与自然汇水开展拟自然水景设计。

针对选择的盆域进行汇水线分析

根据土地利用现状，选择不同下垫面的径流系数与折减系数，确定相关参数后可进行“水量计算”。

 “水系设计”模块为虚拟仿真实验的关键，学生通过参数的调控及水景的模拟进一步理解“水量、工程量和水体形态”3个关键设计要素间的动态关联，学习拟自然水景设计的关键技术。

通过调控参数完成拟自然水系设计

在本阶段，实现了交互式、团队式设计，学生以团队方式研究不同参数对水景生成的影响，经讨论决定水量、坝高、水体形态等参数，自主进行水体形态与坝体设计，研讨参数化水景的优化设计途径。在“水景模拟”模块中能够直观观察设计结果，倘若未达到设计预期，可重新进行“水系设计”操作，对方案进行优化，直至得到满意的设计成果。该环节实现了设计结果的实时呈现与多方案的比选优化，可以提供多达1540种可能性方案。

（4）成果模拟

 “水景模拟”模块将参数化拟自然水景设计的成果模拟呈现，同步显示对应的参数，帮助学生直观感受设计成果并进行思考。

拟自然水系设计成果的虚拟仿真

“实验报告”模块记录了实验者所有的实验数据，系统根据评分规则给出客观分数，教师根据实验结果进行评价，同时还包括了学生互评的结果，一起提交教师后获得最终评分。

实验报告及师生互评

3虚拟仿真实验的优势

紧扣前沿，适应人才培养的新要求。虚拟仿真实验教学基于虚拟仿真技术，围绕立德树人根本任务，适应社会快速发展对人才培养的新要求，契合信息化时代教育教学的新规律。紧密联系风景园林专业设计课学习的特点和需求，在设计课中采用虚拟仿真实验教学，以多媒体、三维建模、虚拟现实、增强现实等现代信息技术为依托，能够借助虚拟仿真技术模拟真实设计环境、全面反映设计过程、实时呈现设计效果，不仅拓展了设计学习的内容、广度和深度，而且延伸了教学时间和空间，可有效提高设计课学习的质量和水平。

直观形象，弥补传统设计类课程教学的方法不足。虚拟仿真教学平台不仅通过虚拟仿真直观地展示场地环境与设计效果，而且配合知识学习模块，引导学生系统化学习拟自然水景设计逻辑与知识要点，以此提升学生对于拟自然水景从设计到营造全过程的认识和理解。同时，仿真建模基于真实数据，不仅能实现对自然水景的模拟，而且借助虚拟仿真技术将设计结果实时呈现，具有形象性，帮助学生高效掌握拟自然水景设计方法。

激发兴趣，培养学生创新意识。通过虚拟仿真实验教学，可使学生直观地认知参数化拟自然水景设计全过程，熟悉相关设计过程和设计参数，激发学生对参数化规划设计这一风景园林学科前沿研究领域的兴趣，并培养其创新意识。通过虚拟仿真平台的“在线讨论”功能，开展线上线下交流，将实体课堂教学延伸到课外线上虚拟课堂，可有效提高设计类课程学习的师生互动率与交流质量。在实验报告与评价环节，将传统设计课教学以教师点评为主的模式转变为师生之间、学生之间互相讨论优化方案、比较方案优缺点，开展团队协同教学，提高学生的表达能力、沟通能力。

资源共享，应用场景灵活多变。虚拟仿真教学项目采用在线的方式运行，通过互联网访问即可使用，不仅能够满足大批量学生同时学习，而且可向社会开放。本实验项目的建设依托东南大学数字景观实验室，是东南大学风景园林专业的教学与科研成果，在建成后已在本校风景园林专业学生中开展了2年教学应用，取得了良好的教学效果。此外，本项目也面向全国各高校、相关企事业单位进行开放访问，实现资源的交流与共享。形象性、知识性、易操作性，也可以供广大群众、学生、青少年等兴趣人群学习、科普相关知识。

4指导教师

成玉宁，东南大学特聘教授、博士生导师，风景园林学科带头人，景观学系系主任，江苏省城乡与景观数字技术工程中心主任，享受国务院特殊津贴专家，国务院学位委员会学科评议组成员。研究方向为风景园林规划设计及理论、景园历史及理论、数字景观及技术。

李哲，教授、博士生导师，景观学系副系主任。研究方向为景园规划与设计、数字景观及技术。

袁旸洋，景观学系副教授、硕士生导师。研究方向为风景园林规划设计及理论、数字景观及技术、风景建筑设计。

进入参数化拟自然水景设计虚拟仿真实验网站。（网址为：http://jsxngx.seu.edu.cn/XnfzZy/10286/zrsj/）

文字：施佳颖

信息提供：景观学系党支部