基于zSpace的海洋生物認知及可視化研究與探討

宋 雨 單 柏 程旭揚 于佳禾 喬方圓

河北農(nóng)業(yè)大學海洋學院，河北 秦皇島 066000

1 背景分析

2021年，元宇宙(metaverse)新概念的提出，引起了眾多產(chǎn)業(yè)以及媒體的關注，而虛擬仿真(virtual reality，VR)作為元宇宙沉浸式體驗的代表性技術之一，在新冠肺炎疫情所帶來的“非接觸式”管控以及元宇宙概念流行的時代背景下，得到了迅猛的發(fā)展。其中教育部在2017年發(fā)布的《教育部辦公廳關于2017—2020年開展示范性虛擬仿真實驗教學項目建設的通知》和2018年發(fā)布的《教育部關于開展國家虛擬仿真實驗教學項目建設工作的通知》均對開展虛擬仿真實驗教學項目建設做了明確規(guī)定。

水產(chǎn)實驗室是學生鞏固課堂知識、培養(yǎng)實踐能力的重要場所，而實驗室的安全問題一直是各高校安全管理方面關注的焦點。此外，傳統(tǒng)的水產(chǎn)實驗室還存在新冠肺炎疫情期間無法線下實訓、實訓材料獲取困難以及浪費嚴重、教學評估機制僵化、實訓數(shù)據(jù)無法準確獲取等一系列問題。

為響應國家建設虛擬仿真實驗教學項目的政策，解決上述傳統(tǒng)水產(chǎn)實驗室存在的問題，組建了由計算機科學與技術、能源動力與工程、水產(chǎn)養(yǎng)殖、海洋漁業(yè)科學與技術等多個專業(yè)組成的師生團隊，發(fā)揮各師生不同專業(yè)優(yōu)勢和特長，提出了海洋生物認知與實訓可視化研究的解決方案。該項目致力于打造一個多功能的海洋生物類智慧虛擬實訓平臺，采用虛實結(jié)合的教學方式，滿足學生不同的學習要求，為學生提供一種交互式、沉浸式、趣味式的學習體驗，提高教學效率，節(jié)約教學成本，實現(xiàn)實驗教學的個性化。

2 zSpace設備介紹

zSpace虛擬交互一體機是由美國硅谷一家公司以STEAM教育為理念而推出的交互式軟硬件平臺，可以讓學生在虛擬的三維空間中自由想象、創(chuàng)造、探索，為學生提供更豐富的內(nèi)容、更真實的體驗、更高效的學習環(huán)境。

zSpace的硬件系統(tǒng)由3D觸控一體機、3D追蹤眼睛、六自由度的VR紅外觸控筆組成。軟件系統(tǒng)為開發(fā)者提供了SDK軟件包、zCore和zView等核心開發(fā)軟件，結(jié)合Unity3D開發(fā)引擎對zSpace應用程序進行開發(fā)。

本項目基于zSpace進行海洋生物認知與實訓教學系統(tǒng)的開發(fā)，為學生提供一個沉浸式的智慧虛擬實訓平臺，在解決傳統(tǒng)實驗室所帶來的一系列潛在問題的同時，還能激發(fā)學生探索知識的興趣，提高學生的動手能力。

3 海洋生物認知與實訓教學系統(tǒng)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)

海洋生物認知與實訓教學系統(tǒng)作為一個多功能的智慧虛擬實訓平臺，能夠滿足學生沉浸式的學習體驗，其分為認知層、實訓層和數(shù)據(jù)層（圖1），其中，認知層由實訓簡介模塊和魚類科普模塊構(gòu)成；實訓層由綜合實訓模塊和任務考核模塊構(gòu)成；數(shù)據(jù)層則由數(shù)據(jù)分析模塊構(gòu)成。

圖1 教學系統(tǒng)框架

3.2 功能介紹

3.2.1 認知層

認知層由實訓簡介模塊和魚類科普模塊構(gòu)成。實訓簡介模塊主要是為學生提供訓前輔導、儀器介紹等功能，老師可以結(jié)合實訓簡介模塊為學生們講解設備儀器的使用、實驗內(nèi)容以及實驗的操作步驟。學生通過訓前預習可明確實訓的目的，避免了煩瑣復雜的操作流程，提高了課堂的教學效率。

3.2.2 實訓層

實訓層分為綜合實訓和任務考核兩大模塊。綜合實訓模塊為學生提供實訓內(nèi)容，學生結(jié)合訓前預習來完成相應的實訓任務，與傳統(tǒng)的實訓不同，虛擬實訓平臺突破了空間、試驗器械、人身安全等一系列限制性條件，充分調(diào)動學生的學習興趣，讓學生可以更加開放地進行實訓。為了讓學生更加細致地了解生物解剖的全過程，虛擬實訓平臺會將每個步驟都細化呈現(xiàn)，學生可以使用觸控筆完成生物某個系統(tǒng)、器官的單獨顯示、縮放以及還原功能，甚至可以讓學生查看同種生物幼體、成體的不同階段。

任務考核模塊分為隨堂測驗和實訓考核兩部分。隨堂測驗可以檢測學生本節(jié)課的學習情況，由教師在課堂后期發(fā)放到學生端，將測驗得到的數(shù)據(jù)作為學生的平時成績進行管理。實訓考核作為期末考試時的考核工具，由老師選擇考核內(nèi)容發(fā)放到學生端，學生在限定時間內(nèi)進行實訓考核，系統(tǒng)會根據(jù)學生的操作步驟進行打分，最后把學生的成績存入考核檔案。

3.2.3 數(shù)據(jù)層

在傳統(tǒng)的實訓教學中，學生進行實訓后無法及時完成實訓報告，隨著時間的推移，學生的實訓報告或者實訓數(shù)據(jù)準確度會出現(xiàn)偏差。而數(shù)據(jù)分析模塊在每次實訓結(jié)束后會及時讓學生填寫實訓報告，并且會將實訓數(shù)據(jù)存檔到學生的實訓檔案中，方便學生日后的翻看復習。教師端可實現(xiàn)學生實訓數(shù)據(jù)的可視化，教師可準確了解學生對實訓的掌握程度，且數(shù)據(jù)的可視化方便教師進行成績統(tǒng)計，有效解決傳統(tǒng)實訓評估機制僵化的問題，數(shù)據(jù)可視化是智慧虛擬教學平臺的優(yōu)勢，為傳統(tǒng)實訓帶來一種標準化、直觀化、具體化的教學評估體系。

模塊功能框架如圖2所示。

圖2 模塊功能框架

4 海洋生物認知與實訓可視化解決方案的問題分析

4.1 可行性分析

在國家對虛擬仿真教育的大力支持以及新冠肺炎疫情的影響下，各領域內(nèi)的虛擬仿真項目層出不窮，其相關的設計架構(gòu)、開發(fā)技術也逐步成熟。在此基礎上，對國家虛擬仿真實驗教學課程共享平臺上的“動物科學專業(yè)核心技能綜合訓練虛擬仿真項目”進行了考察研究，結(jié)合本校水產(chǎn)系、海洋系學生的實訓調(diào)研，提出了這套海洋類生物實訓教學系統(tǒng)的建設方案。

（1）根據(jù)實訓教學內(nèi)容選擇研究物種，充分調(diào)研得到相關理論知識與實訓要求，明確各模塊的內(nèi)容及功能。

（2）在ZBursh中進行生物基礎模型的構(gòu)建，根據(jù)需要進行材質(zhì)、光照等渲染，增強體驗感。將基礎模型導入3D MAX中進行材質(zhì)調(diào)節(jié)，設置解剖步驟，通過法線、置換等方式貼圖，將調(diào)節(jié)好的模型以f bx格式導入Unity3D中。

（3）在Unity3D中，將音效、圖形、文字等內(nèi)容與模型進行整合，通過C#語言編寫程序，實現(xiàn)模塊UI界面和功能。

（4）將內(nèi)容導出到zSpace平臺上進行測試，不斷優(yōu)化完善。

為了驗證項目開發(fā)流程的可行性，以國家重點保護動物中華鱘為例，進行了虛擬平臺的開發(fā)。

4.2 實施效果討論

基于虛擬仿真的教學系統(tǒng)可以讓學生獲得比傳統(tǒng)實訓更好的操作能力表現(xiàn)及學習效果。傳統(tǒng)實訓中師生之間的溝通交流局限于實驗室當中，這顯然已經(jīng)不能滿足現(xiàn)代教育和創(chuàng)新型人才培養(yǎng)的需求。虛擬仿真則可以突破時空的限制，學生隨時按照自己的意愿反復進行實驗，最大限度激發(fā)學生的想象力和創(chuàng)新力。此外，虛擬仿真教學系統(tǒng)的實施完善了實訓評估體系，即實現(xiàn)了過程考核，也實現(xiàn)了結(jié)果考核。這種新型的教學方式能夠更直觀地反映學生對知識的掌握情況，教師也能根據(jù)反饋數(shù)據(jù)“對癥下藥”，極大提升了教學效率。

5 結(jié)語

隨著新一代信息技術的發(fā)展與應用，教育模式也要隨之改變，將虛擬現(xiàn)實與實訓教學相結(jié)合，搭建一個具有交互性、智慧性、沉浸式的虛擬實訓教學平臺是教育發(fā)展的必然趨勢?；趜Space的海洋生物認知與實訓教學系統(tǒng)正是虛擬仿真技術在水產(chǎn)系、海洋系實訓中的應用實例，它能夠滿足傳統(tǒng)實訓對安全、設備、實驗材料等因素的需求，有效解決高成本、高消耗、不可逆操作、大型綜合訓練等問題，為師生提供一個全面的、多功能的、智慧的學習平臺。但此方案仍需在實踐中不斷完善，結(jié)合實訓中的教學需求，改造成一套以實領虛、以虛促實、虛實結(jié)合的教學方案，解決實訓教學過程中的高投入、高損耗、高風險及難實施、難觀摩、難再現(xiàn)的“三高三難”問題，在新型教育模式中發(fā)揮出自己的作用。