虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在氣象專業(yè)實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的應(yīng)用＊

段云峰

（蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州730000）

1 研究背景及意義

1.1 研究背景

根據(jù)國(guó)家《教育信息化十年發(fā)展規(guī)劃（2011—2020 年）》，要求高等職業(yè)院校要深入推進(jìn)信息技術(shù)與高等教育實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的深度融合。而當(dāng)前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用讓虛擬仿真進(jìn)入了一個(gè)新的時(shí)代，不僅如此，教育部也越來越重視高校在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人工智能等方面的學(xué)科建設(shè)和人才培養(yǎng)。同時(shí)，根據(jù)國(guó)務(wù)院關(guān)于《國(guó)家職業(yè)教育改革實(shí)施方案》，要求職業(yè)院校完善職業(yè)教育和培訓(xùn)體系，進(jìn)一步推進(jìn)現(xiàn)代信息技術(shù)在職業(yè)教育教學(xué)過程中的應(yīng)用，優(yōu)化學(xué)校專業(yè)布局，加強(qiáng)實(shí)訓(xùn)條件建設(shè)，適應(yīng)“互聯(lián)網(wǎng)+職業(yè)教育”發(fā)展要求，運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)，改進(jìn)教學(xué)方式方法，推進(jìn)虛擬工廠等網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)空間的建設(shè)和普遍應(yīng)用。

1.2 研究意義

信息技術(shù)領(lǐng)域的飛速發(fā)展，極大地改變了人們的生活和工作方式，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality，以下簡(jiǎn)稱VR）作為該領(lǐng)域的一項(xiàng)最新技術(shù)，已成為教育應(yīng)用中的一大熱點(diǎn)。在職業(yè)教育領(lǐng)域，VR 對(duì)改善教學(xué)環(huán)境、提高學(xué)生技能水平都將起到積極作用，在職業(yè)教育領(lǐng)域有著極好的應(yīng)用前景[1]。此外，目前國(guó)內(nèi)高校對(duì)氣象類課堂應(yīng)用VR 教學(xué)模式的研究很少。然而，職業(yè)教育在實(shí)踐性課程中一直都比較重視學(xué)生的綜合實(shí)踐能力，本課題的研究在一定意義上將填補(bǔ)了校本教材和當(dāng)前氣象類專業(yè)實(shí)踐課程教學(xué)中VR 教學(xué)模式的空白，具有一定的現(xiàn)實(shí)意義。

2 職業(yè)教育實(shí)訓(xùn)教學(xué)存在的問題

目前傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)在職業(yè)院校的開展已經(jīng)普遍化、常規(guī)化，但同時(shí)也可以看到，在職業(yè)教育發(fā)展的今天，傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)教學(xué)也暴露出諸多問題：①實(shí)訓(xùn)內(nèi)容與社會(huì)實(shí)際需求錯(cuò)位，實(shí)訓(xùn)課程不能根據(jù)崗位需求的變化及時(shí)調(diào)整，實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目不能結(jié)合社會(huì)企業(yè)對(duì)人才的技能要求進(jìn)行設(shè)計(jì)和啟動(dòng)，已經(jīng)很難適應(yīng)當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展對(duì)人才的要求。②缺乏實(shí)訓(xùn)建設(shè)項(xiàng)目資金。一些實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的建設(shè)需要復(fù)雜的設(shè)備、昂貴的原材料和大量的材料，導(dǎo)致許多實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目由于缺少經(jīng)費(fèi)支持而流于形式。③實(shí)訓(xùn)條件有待改善。實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地的建設(shè)與學(xué)校的發(fā)展規(guī)模不適應(yīng)，實(shí)訓(xùn)設(shè)備不足，技術(shù)落后，更新速度慢，這些都會(huì)降低實(shí)踐教學(xué)的有效性。④實(shí)訓(xùn)操作中的安全問題。傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)仍存在一定的安全隱患。教師方面，一個(gè)教師不能同時(shí)顧及全部的學(xué)生，所以，很難充分關(guān)注每個(gè)學(xué)生操作中存在的安全隱患問題。學(xué)生方面，由于缺乏安全意識(shí)、自我保護(hù)意識(shí)和風(fēng)險(xiǎn)防范意識(shí)，粗心操作和不規(guī)范操作也可能導(dǎo)致安全事故發(fā)生；此外，一些學(xué)生過于重視安全問題，忽視了專業(yè)技能培訓(xùn)的重要性，不敢進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，錯(cuò)過了很多實(shí)訓(xùn)機(jī)會(huì)[2]。

3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在職業(yè)教育實(shí)訓(xùn)教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)是通過軟件操作來模擬實(shí)訓(xùn)過程的，從而得出仿真結(jié)果。氣象專業(yè)課程使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)相比具有以下優(yōu)勢(shì)。

3.1 打造沉浸教學(xué)體驗(yàn)，創(chuàng)新教學(xué)模式

通過引入VR/AR[3]技術(shù)及配套的教學(xué)資源，搭建高度逼真的全新實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境，為師生帶來全新的沉浸式教學(xué)體驗(yàn)。解決學(xué)校實(shí)訓(xùn)教學(xué)面臨的應(yīng)用管理難、開放共享難、創(chuàng)新難、可持續(xù)可擴(kuò)展性弱、資源利用率低下等困境，而且能夠?yàn)樯婕案呶；驑O端的環(huán)境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等提供可靠、安全和經(jīng)濟(jì)的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，滿足學(xué)校多學(xué)科專業(yè)的虛擬仿真教學(xué)實(shí)訓(xùn)需求，為教師提供嶄新的教學(xué)手段和教學(xué)方式。

3.2 豐富課堂教學(xué)內(nèi)容、提升學(xué)生學(xué)習(xí)效果

應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可恰如其分地演示一些復(fù)雜、抽象、不宜直接觀察的自然過程和現(xiàn)象，全方位、多角度地展示虛擬情境下的教學(xué)內(nèi)容，從而極大豐富課堂的教學(xué)內(nèi)容。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有沉浸性、交互性、感知性，實(shí)驗(yàn)者能夠進(jìn)行友好人機(jī)交互，真實(shí)感受互動(dòng)的實(shí)驗(yàn)過程，身臨其境地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，滿足學(xué)生全方位實(shí)訓(xùn)需求，還可以為學(xué)生開創(chuàng)全新的沉浸式學(xué)習(xí)情景，調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，為教師提供嶄新的教學(xué)手段，豐富課堂教學(xué)內(nèi)容，提升了教師的教學(xué)效果。

3.3 創(chuàng)新人才培養(yǎng)模式，培育高端人才

著眼產(chǎn)業(yè)及行業(yè)發(fā)展，依托學(xué)校自身的專業(yè)資源，建立VR 實(shí)訓(xùn)創(chuàng)新中心，打造人才培養(yǎng)的“第一課堂”，真正實(shí)現(xiàn)以產(chǎn)業(yè)發(fā)展為主進(jìn)行人才培養(yǎng)，沖出人才短缺的困境，分層培養(yǎng)復(fù)合型、管理型、技術(shù)型等不同類型的人才，為區(qū)域和國(guó)家產(chǎn)業(yè)發(fā)展輸送急需的技術(shù)技能人才。

3.4 節(jié)約有限的教育成本

虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)以虛擬現(xiàn)實(shí)一體機(jī)為載體，同一設(shè)備可以完成不同課程、實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目的虛擬仿真。大多數(shù)課程可以在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，大多數(shù)的技能可以在虛擬實(shí)訓(xùn)車間中進(jìn)行訓(xùn)練，可以解決教學(xué)中因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地、教學(xué)經(jīng)費(fèi)等方面的原因而無法進(jìn)行的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，虛擬訓(xùn)練又可避免實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)備的損壞，相對(duì)于現(xiàn)實(shí)中的實(shí)訓(xùn)儀器設(shè)備出現(xiàn)故障和損壞的概率更低，極大地降低了實(shí)訓(xùn)的成本。

3.5 實(shí)訓(xùn)內(nèi)容靈活、安全性高

學(xué)生在沒有熟練掌握操作流程的情況下，實(shí)際操作很容易產(chǎn)生人機(jī)傷害，這樣就給實(shí)訓(xùn)室埋下了極大的安全隱患。虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)可以避免上述問題，虛擬設(shè)備不會(huì)對(duì)人機(jī)造成任何傷害。虛擬系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)提示錯(cuò)誤操作，學(xué)生在實(shí)際操作前通過虛擬過程直觀了解了一些操作上的注意事項(xiàng)，在一定程度上指導(dǎo)了實(shí)際操作，規(guī)范了實(shí)際操作流程。

4 VR 系統(tǒng)及開發(fā)工具

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的根本目的是要達(dá)到如臨其境的真實(shí)體驗(yàn)和基于現(xiàn)實(shí)技能的人機(jī)交互，一個(gè)典型的VR 系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)軟、硬件系統(tǒng)（包括VR 軟件和VR 軟件數(shù)據(jù)庫(kù)）和VR 輸入、輸出等輔助設(shè)備組成[3]。根據(jù)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在沉浸性、交互性的不同以及用戶使用的范圍大小不同，將其分為桌面式、沉浸式、增強(qiáng)式和分布式四類。

在軟件開發(fā)方面，采用建模工具3ds Max 和虛擬現(xiàn)實(shí)制作工具Virtools、Cult3D 軟件、Unity3D[4]等開發(fā)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的三維虛擬部分，把虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)作為一個(gè)整體，將其分為模型建構(gòu)和實(shí)訓(xùn)交互功能等模塊，通過相關(guān)技術(shù)逐步實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊、模型的開發(fā)創(chuàng)建，最后集成為一個(gè)完整的虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)。

5 VR 教學(xué)資源開發(fā)

以蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院氣象學(xué)院為例，蘭州資源環(huán)境職業(yè)技術(shù)學(xué)院氣象學(xué)院所有班級(jí)開設(shè)的專業(yè)基礎(chǔ)課程大多為實(shí)踐課，諸如地面氣象觀測(cè)、高空大氣探測(cè)、氣象裝備保障與維護(hù)、防雷技術(shù)、氣象服務(wù)等，目前，氣象專業(yè)學(xué)生有1 200 余人，都要學(xué)習(xí)“自動(dòng)站維護(hù)與維修”“臺(tái)站氣象裝備保障”“天氣雷達(dá)原理與維護(hù)”等課程，為了提高氣象專業(yè)學(xué)生的實(shí)訓(xùn)效率和實(shí)訓(xùn)質(zhì)量，建立氣象虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)中心，配套VR 硬件設(shè)備，搭載氣象雷達(dá)、自動(dòng)氣象站VR教學(xué)及實(shí)訓(xùn)軟件及課程資源，實(shí)現(xiàn)展示、體驗(yàn)、教學(xué)、實(shí)訓(xùn)、共享的一體化，迫在眉睫。

5.1 氣象雷達(dá)（L 波段雷達(dá)）VR 教學(xué)及實(shí)訓(xùn)軟件開發(fā)

氣象雷達(dá)（L 波段雷達(dá)）VR 教學(xué)及實(shí)訓(xùn)軟件將對(duì)L 波段雷達(dá)6 部分硬件進(jìn)行1∶1 建模，以動(dòng)畫特效手段實(shí)現(xiàn)L波段雷達(dá)的原理、結(jié)構(gòu)、功能方面的教學(xué)，并對(duì)該軟件的功能模塊設(shè)計(jì)相應(yīng)的考核系統(tǒng)。通過氣象雷達(dá)（L 波段雷達(dá)）VR 教學(xué)及實(shí)訓(xùn)軟件進(jìn)行實(shí)訓(xùn)，可完善L 波段探測(cè)雷達(dá)的日常維護(hù)方法，熟練掌握和靈活運(yùn)用其檢修方法和技巧進(jìn)行分析判斷，可以縮短排除故障的時(shí)間、提高檢修效率，并提高L 波段雷達(dá)運(yùn)行的可靠性和數(shù)據(jù)可用性。

5.2 自動(dòng)氣象站VR 教學(xué)及實(shí)訓(xùn)軟件開發(fā)

自動(dòng)氣象站VR 教學(xué)及實(shí)訓(xùn)軟件，可實(shí)現(xiàn)氣壓、溫度、濕度、風(fēng)向、風(fēng)速、雨量等傳感器及采集器的工作原理、結(jié)構(gòu)、功能、操作、安裝調(diào)試、維護(hù)維修方面的教學(xué)，每個(gè)功能模塊設(shè)計(jì)相應(yīng)的考核系統(tǒng)。通過自動(dòng)氣象站VR 教學(xué)及實(shí)訓(xùn)軟件教學(xué)，學(xué)生可熟悉掌握自動(dòng)氣象站儀器設(shè)備的結(jié)構(gòu)、工作原理，熟悉儀器設(shè)備的保障及維護(hù)工作，進(jìn)而為保證觀測(cè)數(shù)據(jù)質(zhì)量和資料及時(shí)傳輸打下基礎(chǔ)。采用“虛實(shí)結(jié)合”的方法，結(jié)合全流程、高度仿真的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景，學(xué)生在虛擬環(huán)境中不受時(shí)間、空間的制約，可以隨時(shí)隨地地進(jìn)入實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行虛擬仿真操作，最大化利用教學(xué)資源。

6 結(jié)論與展望

通過分析論證，氣象虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)中心的建立完全可行，除了可以完成雷達(dá)及自動(dòng)站的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)外，氣象虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)中心的建立還可以有效解決傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)中存在的很多問題，比如目前人工影響天氣作為氣象服務(wù)的重要組成部分，因?yàn)槭馨踩蛩氐闹萍s不能完成實(shí)踐，觀測(cè)場(chǎng)地不能隨著氣象部門標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)的要求進(jìn)行儀器的安裝；遇到雨雪等惡劣天氣，一些室外實(shí)訓(xùn)課程不能順利進(jìn)行。未來，城市規(guī)劃[5]、安防、軍事以及一些高危行業(yè)也將出現(xiàn)VR 的身影，人們通過參與由VR 技術(shù)建立的各種培訓(xùn)，將減少生產(chǎn)作業(yè)中的各種風(fēng)險(xiǎn)，保護(hù)人身安全。讓培訓(xùn)人員在感官享受的技術(shù)輔助下，將被動(dòng)學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變成主動(dòng)學(xué)習(xí)，將厭倦課堂變成享受課堂，并在這種探究式的學(xué)習(xí)方式中獲取知識(shí)，培養(yǎng)新思維，孕育創(chuàng)新力。