多學(xué)科虛擬實驗平臺的研究與構(gòu)建

林勝青

摘要：信息社會科技發(fā)展迅猛，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在高校教育中一些復(fù)雜的操作和實踐過程如果用虛擬現(xiàn)實的方式體現(xiàn)，可以大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和效率。文章闡述虛擬技術(shù)在實踐課程教學(xué)中的優(yōu)勢，提出虛擬實驗平臺搭建的思路及系統(tǒng)架構(gòu)，從虛擬技術(shù)在實踐課程上的應(yīng)用環(huán)境角度進行研究。成功搭建虛擬實驗平臺，為后續(xù)多學(xué)科互動實驗的深入研究提供了必要的條件。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實 VR 實踐教學(xué)

中圖分類號：TP391.9 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）12-0072-02

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式對人類的發(fā)展貢獻巨大，而隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，信息量成幾何倍數(shù)增加，以課堂教學(xué)為主的知識傳播途徑，已經(jīng)無法滿足信息時代對教育的要求。高校的各個學(xué)科如理工科（包括網(wǎng)絡(luò)、通信、汽車等專業(yè)）、醫(yī)學(xué)，包括生物、化學(xué)、天文等都需要大量的動手實踐，但目前高校的專業(yè)實驗室一方面實體投入巨大，另一方面存在應(yīng)用效率不高，設(shè)備陳舊，與最新技術(shù)脫鉤等問題。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)這幾年的飛速發(fā)展在科技與教育等領(lǐng)域都引起了極大關(guān)注。將虛擬現(xiàn)實運用到教育領(lǐng)域可達到傳統(tǒng)方式無法提供的逼真、沉浸式的體驗。虛擬現(xiàn)實技術(shù)引入課堂教學(xué)已成為時代所需，因此多學(xué)科虛擬實驗平臺的設(shè)計和實現(xiàn)有著廣泛的應(yīng)用前景和巨大的價值。

1 虛擬實驗平臺介紹

虛擬現(xiàn)實技術(shù)整合了多門前沿技術(shù)，如圖形學(xué)、智能感知、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖像識別等，將高速計算的數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為人體能感知的圖像、視頻、音頻、觸感等形式，并對人體的行為作出實時交互。虛擬實驗平臺是由虛擬現(xiàn)實技術(shù)和傳統(tǒng)實驗相結(jié)合產(chǎn)生和發(fā)展出來的新型實驗?zāi)Ｊ?。本平臺致力于將不同技術(shù)、不同學(xué)科的學(xué)習(xí)和實驗環(huán)境綜合在一起，集合成統(tǒng)一的實驗平臺。

2 設(shè)計思路及系統(tǒng)功能分析

2.1 設(shè)計思路

本虛擬實驗平臺突破傳統(tǒng)教學(xué)模式，以實際的校園建筑物、布局、教學(xué)及生活環(huán)境為藍本，通過3D建模將校園完整的在虛擬環(huán)境中展現(xiàn)，并將多學(xué)科實驗室靈活的安排在虛擬校園中，可通過漫游方式到達，也可通過菜單選擇方式進入。這種技術(shù)開發(fā)的虛擬漫游給人一種身臨其境、逼真的效果。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計

本系統(tǒng)主要包括VR模式選擇、漫游模式、課堂的動態(tài)更換、實驗內(nèi)容等。具體功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.3 系統(tǒng)技術(shù)平臺架構(gòu)

虛擬環(huán)境采用3D Max建模，設(shè)計系統(tǒng)采用Unity 3D。

Unity 3D系統(tǒng)可對數(shù)量龐大的模型、光照進行實時處理及動態(tài)渲染。Unity同時對C#，JS，BO等開發(fā)語言有良好的支持。展示平臺分為數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)庫、Unity 3D服務(wù)、開發(fā)接口和表現(xiàn)層5層結(jié)構(gòu)。Unity 3D：系統(tǒng)的運行邏輯。包括VR相機控制、碰撞檢測、動作觸發(fā)、藍牙連接、多平臺控制等。

2.4 功能描述

2.4.1 本系統(tǒng)兩個主要功能

（1）校園漫游功能：為學(xué)校提供極佳的展示平臺，可進行如招生宣傳、校貌展示等。本平臺虛擬了現(xiàn)實校園的全部場景，訪問者通過佩戴虛擬設(shè)備即可實現(xiàn)校園中的自動漫游和手動漫游，以及轉(zhuǎn)動頭部進行環(huán)視，訪問者還可通過藍牙手柄進行移動和跳躍等動作。

（2）虛擬實驗室。本系統(tǒng)設(shè)計了兩種版本：PC版、移動版。PC版通過PC鼠標(biāo)、鍵盤進行控制；移動版通過虛擬眼鏡、藍牙手柄等虛擬現(xiàn)實硬件設(shè)備使得用戶能夠和虛擬場景進行交互。

2.4.2 功能特點

（1）提高教學(xué)效果：本平臺不僅可以給學(xué)生展示實驗對象的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、工作原理，還可以在具體的情境中通過主動的學(xué)習(xí)獲得知識，大大的提高了教學(xué)效果。

（2）教學(xué)手段突破傳統(tǒng)：利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)造出教學(xué)環(huán)境和教具，并讓學(xué)生置身其中，使其產(chǎn)生真實的感覺，就像在真正的世界一樣。

（3）互動：訪問者能通過設(shè)備在虛擬場景產(chǎn)生動作，如前進后退，擺動頭部進行環(huán)境的觀看或走近虛擬零件設(shè)備進行細節(jié)觀察。后期將通過手持設(shè)備以及攝像頭的動作捕捉，識別人體的行為，進行相應(yīng)，即可進行全面的操作。

（4）虛擬校園漫游：是數(shù)字校園建設(shè)的重要組成部分，它的研究和創(chuàng)建對以后數(shù)字校園的建設(shè)有重要的現(xiàn)實意義。同時也提高了校園管理的效率和科學(xué)化水平新生在入學(xué)前就可以全面的了解校園的布局，交互式的查詢，可以了解校園的所有信息，為盡快的適應(yīng)學(xué)習(xí)生活提供方便。

2.4.3 系統(tǒng)實現(xiàn)價值

（1）節(jié)約成本。很多實踐性的課程因為沒有相應(yīng)設(shè)備或者場地受限以及型號不一致，而導(dǎo)致不能執(zhí)行。虛擬實驗平臺上，老師和學(xué)生帶上虛擬眼鏡，就可做各種想要的實驗，學(xué)習(xí)到與真實操作一樣的知識。而且，很多情況下會比真實世界中學(xué)到更多東西，因為可以不斷的試錯，而不用擔(dān)心設(shè)備損壞或物料損失。在保證教學(xué)效果前提下，極大地降低了學(xué)校投入成本。

（2）風(fēng)險降低。實際環(huán)境中很多操作也許會有各類的危險性，而采用虛擬實驗平臺進行操作，學(xué)生即使做這些危險地實踐操作也不會產(chǎn)生危險。比如：虛擬汽車駕駛教學(xué)系統(tǒng)，可避免實際駕駛過程操作失誤造成的汽車的嚴(yán)重事故。

（3）突破時空、想象的局限。利用虛擬實驗平臺，可突破時空限制。如：傳統(tǒng)教學(xué)只能在固定時間，固定地點進行學(xué)習(xí)，現(xiàn)在可以24小時，通過網(wǎng)絡(luò)遠程學(xué)習(xí)都不是問題。傳統(tǒng)教學(xué)一些抽象或無法表達的概念，比如大到星球天體，小到電子夸克，現(xiàn)在都能通過虛擬實驗進行學(xué)習(xí)。

3 系統(tǒng)實現(xiàn)

3.1 總體環(huán)境構(gòu)建

（1）學(xué)校的3D建模：使用AutoCAD平面構(gòu)建后，使用3D MAX建模，再導(dǎo)入Unity整合，如圖2所示。

（2）地形系統(tǒng)：增加草地、高山、森林、平地等豐富的地形結(jié)構(gòu)，讓環(huán)境更真實。

3.2 漫游功能實現(xiàn)

（1）攝像頭模式：系統(tǒng)提供了兩種攝像頭模式：VR模式與普通模式?？赏ㄟ^主菜單上的VR Mode 按鈕進行選擇，如圖3所示。

普通模式即正常單攝像頭顯示屏幕上的內(nèi)容。VR模式是通過兩個攝像頭的結(jié)合來模擬人左右眼所看到的不同影像，從而達到逼真的3D效果。下面是激活VR模式時的部分代碼：

（2）自動漫游模式：將VR的兩個攝像頭進行整體自動循跡移動。

（3）手動漫游模式：移動端模式：用戶可以佩戴VR眼鏡，通過頭部轉(zhuǎn)動改變視角，使用藍牙手柄控制運動方向、返回上級菜單、確定等動作。

PC端模式：用戶通過鍵盤的W、S、A、D按鍵控制前進后退，Alt按鍵、Ctrl按鍵與鼠標(biāo)配合調(diào)節(jié)視角。下面為部分代碼：

（4）藍牙手柄的連接控制：藍牙手柄采用暴風(fēng)生產(chǎn)的手柄，有六向搖桿、返回鍵、確認(rèn)鍵、開關(guān)機/菜單鍵等，可滿足一定需求。手柄主要作用是在手機上通過VR模式進行觀看時，實現(xiàn)與虛擬環(huán)境的互動。下面是藍牙設(shè)備連接時的部分代碼：

3.3 多學(xué)科實驗室搭建

本系統(tǒng)搭建了天文學(xué)實驗室、化學(xué)實驗室、汽車實驗室等。

（1）虛擬汽車實驗室（VR模式）說明：教室與學(xué)生可在虛擬汽車實驗室中進行對汽車進行維修、組裝，如圖4所示。

（2）虛擬天文實驗室。在天文實驗室里，太陽系，設(shè)置地球月球的自傳公轉(zhuǎn)，學(xué)生可以近距離探究宇宙星體，如圖5所示。

（3）虛擬化學(xué)實驗室。在虛擬化學(xué)實驗室里面學(xué)生可以進行化學(xué)試劑的調(diào)配、觀察物質(zhì)的分解與化合。

3.4 發(fā)布與測試

本系統(tǒng)通過Unity發(fā)布了安卓版應(yīng)用程序，APP名為“掌上課堂”。通過了華為、小米、魅族等手機的測試，只要是安卓4.0以上版本，屏幕4.7寸以上，均能運行，如圖6所示。

手柄和虛擬眼鏡目前支持暴風(fēng)魔鏡系列和谷歌Cardboard眼鏡。其他設(shè)備還待后期測試。

4 結(jié)語

本系統(tǒng)將虛擬現(xiàn)實作為一種新興的教學(xué)媒體應(yīng)用到校園信息化和教育教學(xué)中，帶給我們嶄新的教育思維，具有非常高的現(xiàn)實意義和科學(xué)性：首先，基于校園的教學(xué)、生活虛擬校園環(huán)境供瀏覽，可提高學(xué)校知名度和認(rèn)知度；其次，在此基礎(chǔ)上搭建多學(xué)科虛擬實驗平臺，可提高教學(xué)水平，并為學(xué)校的實踐教學(xué)和遠程教學(xué)點提供可移動的電子教學(xué)場所，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟效益與社會效益。

參考文獻

[1]劉輝，曾松.計算機類課程虛實結(jié)合的實驗室構(gòu)建[J].計算機教育，2011（20）.

[2]王元娟.基于高校虛擬實驗室發(fā)展若干問題的建議[J].科技信息，2009（7）：130.

[3]Grigore C·Burdea，[法]Philippe Coiffet.虛擬現(xiàn)實技術(shù)[M].魏迎梅譯.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

[4]Mel slater，Anthony Steed.計算機圖形學(xué)與虛擬環(huán)境[M].程成，徐玉田譯.北京：機械工業(yè)出版社，2004.

[5]朱敏.虛擬實驗與教學(xué)應(yīng)用研究[D].華東師范大學(xué)博士學(xué)位論文，2006.6.

[6]王艷華，李衛(wèi)寧，吳雨強.院校虛擬實驗室建設(shè)之我見[J].科技信息，2009（23）：496.