虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在航海類實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用研究

王利　鄭彤

摘要：本文論述了目前航海類實(shí)踐教學(xué)中的各種制約培養(yǎng)質(zhì)量的因素，分析了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的技術(shù)特點(diǎn)，以及虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于航海類實(shí)踐教學(xué)的各種優(yōu)勢(shì)，并且就虛擬實(shí)踐訓(xùn)練系統(tǒng)的開發(fā)流程進(jìn)行了闡述。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在航海類實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用，能夠進(jìn)一步提高航海類學(xué)生實(shí)踐教學(xué)的質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；航海類；實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2016）44-0183-02

一、前言

2012年1月1日生效的STCW公約馬尼拉修正案和2012年3月1日實(shí)施的《中華人民共和國(guó)海船船員適任考試和發(fā)證規(guī)則》（簡(jiǎn)稱11規(guī)則），對(duì)海船船員的職業(yè)資格標(biāo)準(zhǔn)提出了更高的要求。STCW公約馬尼拉修正案進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)緊密聯(lián)系實(shí)踐，重視實(shí)操評(píng)估和船上實(shí)訓(xùn)環(huán)節(jié)。隨著船舶朝著大型化、快速化、專業(yè)化、現(xiàn)代化的方向發(fā)展，船舶輔助設(shè)備會(huì)越來越多，越來越先進(jìn)，對(duì)海員的實(shí)踐要求必然越來越高。海船船員不僅要掌握公約規(guī)定的專業(yè)理論知識(shí)外，還要能夠?qū)σ?guī)定的船舶設(shè)備熟練操作，能夠排除各種故障，能夠?qū)Υ霸O(shè)備進(jìn)行正確拆裝操作，等等。為了提高船舶設(shè)備操作教學(xué)的質(zhì)量，這些實(shí)踐性很強(qiáng)的科目，對(duì)于沒有實(shí)船實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的航海類在校學(xué)生以及航海類學(xué)校而言，都具有很大的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的實(shí)踐教學(xué)受到諸多因素的影響，很難滿足學(xué)員熟練實(shí)踐操作的要求，因此將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入到航海類實(shí)踐教學(xué)的過程，能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)的不足。

二、當(dāng)前實(shí)踐教學(xué)現(xiàn)狀

當(dāng)前國(guó)內(nèi)眾多的航海院校，都開設(shè)有船舶設(shè)備實(shí)踐操作課程，都有船舶設(shè)備操作實(shí)踐的設(shè)備和場(chǎng)地，在實(shí)踐教學(xué)過程中，對(duì)于影響實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量的提高，學(xué)生實(shí)際操作能夠的增強(qiáng)，主要有以下幾個(gè)因素的影響。

1.實(shí)踐教學(xué)資源的限制。實(shí)踐教學(xué)要求有充足的設(shè)備讓學(xué)生能夠進(jìn)行操作訓(xùn)練，有充足的師資力量能夠在現(xiàn)場(chǎng)予以全程指導(dǎo)。雖然按照航海類學(xué)校的要求，航海類專業(yè)學(xué)校都有自己的船舶設(shè)備和場(chǎng)地，但是隨著招生人數(shù)的增加，設(shè)備的臺(tái)套數(shù)明顯不足，同時(shí)由于后期經(jīng)費(fèi)投入有限，設(shè)備存在維護(hù)不當(dāng)、老化和故障損壞等各種情況，新要求規(guī)定的設(shè)備需要購(gòu)買，等等，加劇了設(shè)備不足的狀態(tài)。

2.實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的限制。在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，一般都是指導(dǎo)教師講授的設(shè)備正常工況下的操作要求，學(xué)生訓(xùn)練的也是正常工況下的操作要求。對(duì)于故障狀態(tài)下的設(shè)備表現(xiàn)以及解決的辦法等，可能存在設(shè)備的損害和人員的傷害，不可能在實(shí)踐環(huán)節(jié)進(jìn)行操作，實(shí)踐環(huán)節(jié)內(nèi)容的限制使得教學(xué)范圍局限在一部分內(nèi)容上。

3.實(shí)踐教學(xué)時(shí)間的限制。在實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，學(xué)生只有在規(guī)定的課時(shí)范圍內(nèi)，由指導(dǎo)教師講授和監(jiān)督的情況下，才有可能對(duì)實(shí)機(jī)進(jìn)行操作，并且最多只能保證每個(gè)學(xué)生都有幾次實(shí)機(jī)的操作機(jī)會(huì)。因?yàn)椴僮鲗?shí)踐較短，實(shí)踐學(xué)習(xí)和實(shí)踐考核中間隔的時(shí)間較長(zhǎng)，使得很多學(xué)生課后對(duì)于設(shè)備的操作仍然是模糊狀態(tài)。實(shí)踐教學(xué)在時(shí)間上的限制也對(duì)學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)產(chǎn)生了影響。

4.實(shí)踐教學(xué)安全的限制。船舶設(shè)備都是用電設(shè)備，而且功率很大，在操作過程中任何失誤都有可能造成設(shè)備損害或者人身傷亡。一般的船舶設(shè)備價(jià)格昂貴，一旦損害，需要大筆經(jīng)費(fèi)維修，同時(shí)也會(huì)影響后續(xù)其他人員的實(shí)際操作培訓(xùn)，同時(shí)，設(shè)備的故障也會(huì)對(duì)操作人員造成意想不到的傷害，因此在設(shè)備實(shí)操過程中，指導(dǎo)教師必須全程在場(chǎng)監(jiān)督，確保整個(gè)實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)的安全。

從以上的分析可以看出，目前實(shí)踐教學(xué)受到各種限制和約束，也有合理的成分在內(nèi)。為了進(jìn)一步提高和改善航海類學(xué)生實(shí)踐教學(xué)的效果和質(zhì)量，可以考慮建立虛擬的船舶設(shè)備實(shí)操訓(xùn)練系統(tǒng)。通過計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，建立虛擬船舶設(shè)備的訓(xùn)練場(chǎng)所，不用購(gòu)買和維修現(xiàn)實(shí)世界中昂貴的產(chǎn)品，學(xué)生可以在虛擬訓(xùn)練場(chǎng)中按照規(guī)定的章程來操作設(shè)備，對(duì)設(shè)備設(shè)置各種故障狀態(tài)，讓學(xué)生虛擬排除故障；建立虛擬拆裝過程，了解設(shè)備的內(nèi)部結(jié)構(gòu)的裝配過程；合理的規(guī)劃自己的學(xué)習(xí)時(shí)間，通過系統(tǒng)的考核功能驗(yàn)證學(xué)習(xí)效果；可以反復(fù)訓(xùn)練，不受時(shí)間和空間的限制。增加學(xué)生在實(shí)踐上操作的時(shí)間，提高學(xué)生的實(shí)踐技能，進(jìn)一步提高海船船員的培養(yǎng)質(zhì)量。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)[1]（VIRTUAL REALITY，簡(jiǎn)稱VR）是一種能夠高度逼真的模擬人在自然環(huán)境中視、聽、動(dòng)等行為的人機(jī)交互技術(shù)，它以獨(dú)特的沉浸性（Immension）、交互性（Interaction）和構(gòu)想性（Imagination）特征，在仿真領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過利用計(jì)算機(jī)構(gòu)建虛擬環(huán)境，產(chǎn)生逼真的三維視覺、聽覺和觸覺等感官世界，借助硬件設(shè)備，與虛擬世界的客體進(jìn)行交互觀察，能夠有效模擬人在自然環(huán)境中的行為，使用者具有全身心的參與感和體驗(yàn)感。

目前市場(chǎng)上虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的開發(fā)工具眾多，每種開發(fā)產(chǎn)品都具備共同的交互功能，也各有優(yōu)勢(shì)。比較常用的開發(fā)工具有[2-5]以下幾種。

1.VRP，中國(guó)獨(dú)立自主研發(fā)的一款虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)軟件，該軟件操作簡(jiǎn)單，費(fèi)用低廉，打破了國(guó)外虛擬現(xiàn)實(shí)軟件壟斷的局面，在國(guó)內(nèi)具有極高的性價(jià)比。

2.Quest-3D是荷蘭出品的虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品，功能強(qiáng)大，渲染效果好，支持力反饋設(shè)備，擁有真實(shí)的物理引擎、人工智能數(shù)據(jù)庫等功能。

3.EON Studio是美國(guó)出品的虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品，是一套適合工商業(yè)、學(xué)術(shù)及軍事單位使用的多用途3D/VR內(nèi)容整合制作套件，通過編寫C++程序代碼編寫交互動(dòng)作程序，能夠?qū)崿F(xiàn)各種復(fù)雜多元的交互操作。

4.UNITY3D是丹麥出品的最親民好用的虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)軟件，能夠輕松創(chuàng)建游戲、虛擬漫游、虛擬展示等交互內(nèi)容，能夠?qū)⑺_發(fā)的作品發(fā)布成不同的平臺(tái)格式，如Andrio、Mac和windows等。

5.VIRTOOLS（VT）是由法國(guó)達(dá)索公司開發(fā)的一款引擎，基本交互開發(fā)不用編寫程序，只需要將自帶的具有特定功能的模塊按照一定的操作邏輯關(guān)系連線即可完成復(fù)雜的交互操作。當(dāng)開發(fā)的項(xiàng)目需要更加復(fù)雜的功能，而BB實(shí)現(xiàn)過于繁雜時(shí)，VIRTOOLS提供了VSL腳本語言和SDK開發(fā)包。

四、虛擬實(shí)踐教學(xué)系統(tǒng)開發(fā)流程

一般虛擬現(xiàn)實(shí)軟件自身都不具備建模功能，要搭建虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景和設(shè)備模型，需要在其他專門的CAD軟件中進(jìn)行，虛擬現(xiàn)實(shí)軟件完成交互操作各種程序編寫。對(duì)于航海類教育虛擬實(shí)踐教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)開發(fā)的一般流程如下圖所示。

1.CAD建模：主要通過三維實(shí)體建模軟件（如PROE、UG和SOLIDWORKS等），根據(jù)船舶設(shè)備的圖紙，完成各設(shè)備零件的三維圖形和由零件組合成的裝配體模型。

2.模型優(yōu)化：由CAD軟件生成的三維模型還不能直接導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)軟件中，需要對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化的過程要通過諸如3DSMAX或者M(jìn)AYA等程序完成，優(yōu)化的目的是對(duì)CAD生成的三維模型的零件的面進(jìn)行優(yōu)化，對(duì)零件賦予各種材質(zhì)貼圖，使模型更具視覺真實(shí)感。

3.將優(yōu)化后的模型導(dǎo)入到虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)軟件環(huán)境中，通過軟件交互開發(fā)功能進(jìn)行程序編寫和功能調(diào)試，完成實(shí)踐教學(xué)訓(xùn)練系統(tǒng)要求各種交互操作，實(shí)現(xiàn)虛擬操作的流暢感、現(xiàn)場(chǎng)感和趣味性。

4.將完成的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)踐訓(xùn)練系統(tǒng)發(fā)布成可以在計(jì)算機(jī)或者網(wǎng)絡(luò)上獨(dú)立運(yùn)行的安裝系統(tǒng)，供學(xué)員學(xué)習(xí)。

五、結(jié)論

當(dāng)前的航海類實(shí)踐教學(xué)受到諸多條件的限制，學(xué)生沒有充足的時(shí)間和機(jī)會(huì)對(duì)設(shè)備進(jìn)行操作探索，對(duì)實(shí)踐教學(xué)的效果有一定的影響。將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到航海類學(xué)生的實(shí)踐教學(xué)領(lǐng)域，開發(fā)出虛擬的船舶設(shè)備操作訓(xùn)練平臺(tái)，能夠彌補(bǔ)現(xiàn)實(shí)中的種種不足，能夠使得學(xué)生對(duì)設(shè)備進(jìn)行虛擬拆裝訓(xùn)練、虛擬操作訓(xùn)練、虛擬故障排除訓(xùn)練等，這種訓(xùn)練不受時(shí)間和空間的限制，不受現(xiàn)實(shí)設(shè)備昂貴的硬件資源和場(chǎng)地的限制，能夠拓展實(shí)踐教學(xué)的內(nèi)涵，進(jìn)一步增強(qiáng)和提高航海類學(xué)生的實(shí)踐操作能力，為世界培養(yǎng)合格的國(guó)際化海員。

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