虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高職院校實驗課程教學中的探索研究

陳 珂，李金祥，吳建平

(蘇州市職業(yè)大學 計算機工程學院，江蘇 蘇州 215104)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高職院校實驗課程教學中的探索研究

陳 珂，李金祥，吳建平

(蘇州市職業(yè)大學 計算機工程學院，江蘇 蘇州 215104)

實驗教學是高職院校培養(yǎng)應(yīng)用型技術(shù)人才的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，但傳統(tǒng)實驗課程往往存在前期投入大、后期維護成本高、實驗功能單一、時間和空間受限等缺陷。虛擬仿真實驗室具有功能豐富、實驗維護成本低廉、時間和空間利用率高、遠程訪問等優(yōu)點。利用Unity3D、Solid Works、3DMAX等虛擬仿真技術(shù)，設(shè)計一套完整的虛擬實驗課程方案，包括支撐軟件、支撐硬件和教學資源等模塊。實驗證明：上述方案切實可行。

虛擬現(xiàn)實；仿真系統(tǒng)；虛擬實驗室；人機交互

虛擬現(xiàn)實是一種整合了計算機仿真技術(shù)、三維動畫渲染技術(shù)和人機交互技術(shù)的、用于模擬真實世界操控體驗的計算機虛擬技術(shù)。最早的虛擬現(xiàn)實教學系統(tǒng)可以追溯到虛擬飛行訓練模擬器。由于飛行器價格極其昂貴，而進行高空現(xiàn)場實際飛行訓練的成本和安全風險極高，隨著計算機技術(shù)的飛速發(fā)展，美國軍方20世紀70年代開始進行基于虛擬現(xiàn)實的模擬飛行器技術(shù)研究，并于20世紀80年代早期成功開發(fā)了帶有視覺反饋機制的虛擬飛行模擬器系統(tǒng)，后來這一技術(shù)先后在民用航空業(yè)、電影制作、游戲開發(fā)等方面獲得廣泛應(yīng)用。近年來，隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和虛擬仿真技術(shù)的快速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實作為一種潛在的、低成本實驗教學替代手段，逐漸獲得教育機構(gòu)的廣泛重視，而虛擬現(xiàn)實方法在高校實踐教學和課程建設(shè)中的普及應(yīng)用，也成為了教學方法改革的一個熱點研究問題[1-5]。

在傳統(tǒng)的實驗教學中，學生需要進入真實的實驗室場景，接受實際的實驗技能訓練。這一教學模式受到許多內(nèi)在因素的制約，如最為常見的由于操作不當?shù)热藶橐蛩卦斐傻膶嶒炘O(shè)備功能故障和元器件損壞導致的實驗可持續(xù)性問題、購置備件和雇傭?qū)ｉT實驗維護人員帶來的管理成本問題、實驗室功能單一(一個實驗室僅能開展幾項實驗)導致的場地和設(shè)備利用率低下的問題、以及高風險實驗(如飛行訓練、?；凡僮饔柧毜?暴露的生命或財產(chǎn)風險問題，成為高等教育中實驗教學環(huán)節(jié)的棘手問題。同時，實驗課時少，時間、空間和實驗設(shè)備不足等諸多因素，也一定程度上影響了學生對實驗課程的參與熱情和學習主動性，從而導致實驗過程難以達到理想效果。

虛擬實驗室把計算機三維動畫技術(shù)、人機交互技術(shù)、傳感器技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)進行有機結(jié)合，通過綜合運用不同設(shè)備產(chǎn)生的多元化信息，從多個方位生動逼真地模擬真實的實驗場景和過程，在很多實驗課程中除可達到甚至超過真實實驗對學生操作技能的培訓目標，還可有效緩解傳統(tǒng)實驗教學難以克服的各種問題，因此是一種理想的傳統(tǒng)實驗替代方案和有益補充。首先，虛擬實驗室中的設(shè)備和元件均由計算機軟件創(chuàng)建，因此不會產(chǎn)生任何實際的設(shè)備損壞和元件損耗問題，使得原本繁瑣的實驗室維護和更新工作簡化為單純的軟件維護和更新問題，從而大大降低實驗室的使用和維護成本；其次，虛擬實驗室僅需購置必要的通用硬件和軟件，可以通過在每一臺設(shè)備上安裝不同的虛擬實驗軟件從而允許同一個實驗室供多種不同的實驗課共享，從而徹底解決了以往實驗室功能單一和效率低下的問題，大大提高實驗場地和實驗設(shè)備的利用效率；再次，虛擬實驗使得一些原本高風險和高成本的實驗教學任務(wù)(機動車、列車、飛機駕駛，?；凡僮鞯?在完全零風險和低成本的環(huán)境中進行模擬；最后，與傳統(tǒng)教學相比，虛擬仿真教學擁有優(yōu)秀的可操作性、卓越的交互性和高度的時空自由度，因而能帶給學生全新的真實感和沉浸感，激發(fā)學生的參與積極性和學習熱情，最終達到改善學生學習效果的目的。從長遠來看，虛擬現(xiàn)實技術(shù)與教育領(lǐng)域的結(jié)合是對教育信息化發(fā)展趨勢的有力響應(yīng)，是對傳統(tǒng)教育觀念和教學模式的升華和變革，如合理使用，既能有效提高實驗教學的質(zhì)量，又可顯著降低實驗綜合成本。因此，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高等教育領(lǐng)域的應(yīng)用，是深化我國高等教育實驗教學改革的一條捷徑。

1 虛擬課程設(shè)計

在大多數(shù)理工科課程教學中，實驗教學是培養(yǎng)學生實踐能力和操作技能的必要環(huán)節(jié)。本課程開發(fā)虛擬現(xiàn)實教學資源的目的，是加深學生對課程基礎(chǔ)知識和操作技能的全面理解和掌握，進一步提高學生的空間思維能力、實際操作技能和工程意識素養(yǎng)。

本文通過虛擬現(xiàn)實的開發(fā)手段對教學模式完成一次改革與創(chuàng)新，分為兩部分內(nèi)容：準備部分和實驗部分。準備部分利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)把實驗原理和設(shè)計思想、實驗設(shè)備分解、部件的結(jié)構(gòu)和接口方式、性能指標等知識模塊通過三維可視化、交互操作、動畫展示等手段表現(xiàn)出來。實驗部分主要以模擬操作為主，借助頭盔式VR顯示器和觸感手套等交互設(shè)備，使學生與虛擬環(huán)境進行深度交互，以便學生全方位接觸和了解實驗設(shè)備，根據(jù)相關(guān)實驗流程進行虛擬操作，產(chǎn)生相應(yīng)效果(當發(fā)生實驗誤操作時應(yīng)通過聲音或虛擬場景中的紅色警示標志予以提醒)等一系列操作流程。

目前虛擬現(xiàn)實開發(fā)工具眾多?；诰W(wǎng)絡(luò)瀏覽器的虛擬仿真實驗一般利用Java3d、Cult3d、VRML等技術(shù)實現(xiàn)[5-6]。出于網(wǎng)絡(luò)安全考慮，上述嵌入瀏覽器中的虛擬技術(shù)一般必須工作于虛擬機或其他插件中，其交互性受到虛擬機和網(wǎng)絡(luò)傳播速度的雙重影響，往往只能處理一些簡單的場景且粒度普遍比較粗糙，而應(yīng)付復雜場景處理時往往存在著清晰度和流暢性均顯著低于直接運行于本地操作系統(tǒng)中的虛擬現(xiàn)實軟件(如SolidWorks)的不足。LabVIEW軟件[1]是另一種常用的虛擬現(xiàn)實軟件，作為一種圖形化的編程語言開發(fā)環(huán)境，LabVIEW的主要功能為創(chuàng)建具有數(shù)據(jù)采集和分析功能的虛擬儀器，由于LabBIEW本質(zhì)上仍然是一種二維圖形開發(fā)軟件，其生成的軟件并不具有三維場景的真實感和沉浸感，其實驗效果值得懷疑。

SolidWorks是由世界著名系統(tǒng)軟件供應(yīng)商達索系統(tǒng)公司(Dassault Systems S.A)旗下的三維計算機輔助設(shè)計(computer aided design， CAD)系統(tǒng)，也是世界上第一個基于微軟視窗平臺打造的3D CAD軟件平臺。該軟件自從1993年推出以來，經(jīng)過二十余年的發(fā)展，憑借功能強大、簡單易用的特點以及擁有的與CAD和其他大多數(shù)主流三維軟件(如3DMAX)良好的兼容性和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換靈活性、對網(wǎng)絡(luò)訪問的高度支持性、高品質(zhì)的視覺渲染效果在業(yè)界獲得了廣泛的認可，成為3D CAD領(lǐng)域首屈一指的旗艦軟件。SolidWorks提供豐富的標準件庫，因此可以方便地用于創(chuàng)建機會所有主流實驗課程所涉及的大部分虛擬組裝件。本文利用SolidWorks創(chuàng)建虛擬課程所需的各個部件。

Unity3D是由Unity Technologies公司開發(fā)的3D互動類游戲開發(fā)工具，也是目前3D游戲開發(fā)的主流工具。類似的軟件如Virtools、Director、Blender game engine、VPR等。本文選擇Unity3D的主要原因在于其卓越的跨平臺特性(Windows、Android、MAC OS、HTML5)、對其他3D素材文件(如3DMAX和AUTOCAD軟件輸出的圖形素材)的廣泛的兼容性，以及優(yōu)異的實時性和互動性。最重要的一點，Unity3D具有強大的腳本編輯能力，能對素材的播放次序、動畫過程和周期進行腳本控制，并能通過腳本編碼對素材的擺放次序和位置關(guān)系非常方便地進行檢驗，因而是一款特別合適于對虛擬實驗過程進行檢驗和跟蹤的三維虛擬現(xiàn)實工具軟件。整個教學項目的功能架構(gòu)見圖1。

圖1 虛擬仿真實驗室功能結(jié)構(gòu)圖

虛擬實驗部分采用Unity3D平臺搭建計算機硬件各個部件模型的方式，以動畫、三維互動展示、模擬操作等多種形式來傳授相關(guān)實驗教學內(nèi)容。并使用SolidWorks和模型轉(zhuǎn)換工具3DMax建立各實驗部件的實體模型，然后將模型數(shù)據(jù)導入Unity3D平臺，通過該平臺的Shader著色器系統(tǒng)和圖形用戶界面完成渲染效果、繪制貼圖、場景制作、特效制作和操作界面的設(shè)計，最后將開發(fā)完成的教學資源發(fā)布到Windows、Android、OSX或IOS等平臺上，已實現(xiàn)教學資源的跨平臺共享，更大程度滿足學生移動、在線學習的需求。

2 虛擬現(xiàn)實教學資源的開發(fā)

2.1 課程基本資源建設(shè)

1) 開發(fā)桌面式虛擬仿真教學資源，讓學生能在貼近真實的環(huán)境中構(gòu)建相關(guān)的實驗知識系統(tǒng)，學生通過移動智能終端或者計算機屏幕觀察虛擬環(huán)境，并且通過鍵盤、鼠標等外部設(shè)備操縱虛擬環(huán)境。

a) 教學資源素材制作：采用三維建模軟件SolidWorks和模型轉(zhuǎn)換工具3DMax，構(gòu)建3D模型和實驗場景；并對界面圖像、動畫效果、精靈物體、實驗背景等所有的圖形圖像元素進行處理。

b) 教學資源發(fā)布：運用Unity3D平臺進行數(shù)據(jù)處理，交互控制，對所設(shè)計的教學模型進行開發(fā)與實現(xiàn)；并建設(shè)網(wǎng)上授課所需的所有資源，能夠開展在線學習、課間提問、作業(yè)、實驗報告、隨堂測驗、考試、答疑和討論等。

2) 開發(fā)沉浸式虛擬仿真教學資源，設(shè)計驗證性和探究性實驗內(nèi)容，將最新技術(shù)與實際問題結(jié)合，擴大學生知識視野，培養(yǎng)學生創(chuàng)新思維。這類實驗需要借助頭盔式VR 顯示器和觸感手套等智能交互設(shè)備，使學生與虛擬環(huán)境進行交互，真正成為系統(tǒng)內(nèi)部的一個參與者。

2.2 拓展資源建設(shè)

開發(fā)三維情境式游戲教學資源，包括設(shè)計游戲主題、游戲任務(wù)、游戲場景、過關(guān)策略、游戲角色、活動流程圖等元素，將教學內(nèi)容和結(jié)構(gòu)化的知識融入到游戲場景和任務(wù)中，引導學生進入游戲情境中，完成學習任務(wù)，使玩游戲的過程與其學習過程緊密結(jié)合，激發(fā)學生的學習興趣。

3 總體方案設(shè)計和實現(xiàn)

本課程教學資源的設(shè)計方案是將三維計算機硬件的各個部件模型、二維界面UI圖片、模型動畫等素材元素導入虛擬現(xiàn)實平臺Unity3D中，并在Unity3D平臺中完成教學資源的開發(fā)。實現(xiàn)方法如下：

3.1 三維模型的建立及格式轉(zhuǎn)化

使用三維建模軟件SolidWorks以實體建模方法構(gòu)建計算機硬件各部件的三維實體模型，該方法能夠極大地還原虛擬仿真實驗構(gòu)件的真實尺寸，但是介于構(gòu)建的實體模型無法直接導入至Unity3D虛擬現(xiàn)實平臺中使用，本文使用3D Max模型轉(zhuǎn)換工具將實體模型轉(zhuǎn)換為網(wǎng)格模型文件。

此外，考慮到SolidWorks軟件所使用的左手坐標系與3DMax軟件和Unity3D虛擬現(xiàn)實平臺所采用的右手坐標系之間的差異，為了避免模型混亂導致的元件無法合理顯示的問題，不影響模型文件在虛擬現(xiàn)實平臺中的使用，本文在3D Max中對Solid Works中創(chuàng)建的模型文件，進行一次簡單的數(shù)據(jù)格式轉(zhuǎn)換后，再把模型數(shù)據(jù)導入到Unity3D平臺中使用。

3.2 渲染效果的實現(xiàn)及操作界面的設(shè)計和實現(xiàn)

虛擬仿真實驗室的界面圖像、動畫效果、精靈物體、實驗背景等所有的圖形圖像元素的渲染，均通過Unity3D提供的內(nèi)置著色器系統(tǒng)Surface Shader予以實現(xiàn)，該著色器輸出的實體模型兼具高度的真實感和理想的沉浸感。另外，本文通過對Unity3D平臺的圖形用戶界面進行二次編程開發(fā)來實現(xiàn)軟件界面和交互操作等功能，在圖形用戶界面中設(shè)置本課程中所需要的各種交互按鈕，學生通過點擊按鈕即可完成交互操作和模擬操作的學習。

4 結(jié)語

使用虛擬現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計和開發(fā)的教學資源，除可滿足本地學生單機學習和獨立操作外，也可供遠程學生通過網(wǎng)絡(luò)訪問線上資源進行在線學習和操作，給學生提供從任意地點進行隨性、泛在學習的靈活性。本文開發(fā)的教學資源可以發(fā)布到Windows、Android、OSX或IOS等平臺上，實現(xiàn)教學資源的跨平臺共享，能更大程度滿足學生泛在學習的需求，拓展了學習的時間，突破了學習的地域限制。

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Explorative Research of Virtual Reality’s Application in Laboratory Instruction of Vocational Colleges

CHEN Ke，LI Jinxiang，WU Jianping
(School of Computer Engineering，Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China)

Laboratory instruction is a critical part in vocational colleges’ cultivation of application-oriented technical talents. However， the traditional experimental courses are usually impeded by high procurement expenditure and maintenance costs， single functionality， and limited time and space， etc. In many situations，virtual laboratory can be a more cost-effective alternative due to its rich functionalities， relatively low frontend investment and maintenance costs， and higher time and space utilization， and remote access， etc. This paper proposes a complete virtual experimental course design using modern virtual reality technologies including Unity3D， SolidWorks and 3DMAX. The designed system consists of 3 modules， including supporting software，supporting hardware， and instruction resources. The preliminary experiment con firms the feasibility of the method.

virtual reality；simulated system；virtual laboratory；human-computer interaction

G718.5

A

1008-5475(2017)04-0064-04

10.16219/j.cnki.szxbzk.2017.04.016

2017-06-20；

2017-09-10

蘇州市科技發(fā)展計劃(SYG201547)

陳 珂(1974-)，女，貴州貴陽人，副教授，碩士，主要從事計算機視覺研究。

陳珂，李金祥，吳建平.虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高職院校實驗課程教學中的探索研究[J].蘇州市職業(yè)大學學報，2017，28(4)：64-67.

(責任編輯：施建平)