基于萬維引擎的虛擬現(xiàn)實(shí)信息化課程資源開發(fā)

摘? 要：應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行信息化課程資源的開發(fā)，可以讓枯燥的學(xué)習(xí)變得生動起來，讓學(xué)生獲得沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。以溢流閥VR課程資源的開發(fā)為例，基于萬維引擎技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)介紹和拆裝操作的資源開發(fā)，使學(xué)生更加直觀地了解溢流閥的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)和具體拆裝過程。VR信息化課程資源也可作為線上教學(xué)的重要補(bǔ)充，使學(xué)習(xí)不受時間、空間的限制，通過在虛擬環(huán)境中操作物體，提高學(xué)生學(xué)習(xí)課程的積極性，從而達(dá)到更好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)；萬維引擎；信息化課程資源

中圖分類號：TP391.9? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）17-0183-06

Development of Virtual Reality Informatization Course Resource Based on

the Very Engine

LI Yan

（Meizhouwan Vocational Technology College， Putian? 351119， China）

Abstract： This paper applies the Virtual Reality technology to develop information technology course resources， which makes the boring learning vivid and enable， so as to make students to get an immersive learning experience. Taking the development of VR course resources of overflow valve as an example， based on the resource development of structure introduction and disassembly operation of Very Engine technology， the students understand intuitively the internal and external structure and specific disassembly process of overflow valve. VR information technology course resources can also be used as an important supplement for online teaching， and learners are not limited by time and space. Through operating objects in the virtual environment， the enthusiasm of students in learning courses is improved， so as to achieve better teaching results.

Keywords： Virtual Reality; Very Engine; informatization course resource

0? 引? 言

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)，在現(xiàn)有人機(jī)交互的基礎(chǔ)上，加入了更為真實(shí)的體驗(yàn)和交互感，使得用戶獲取信息的行為更加具有“沉浸感”與“真實(shí)性”。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)可以讓使用者置身于重新創(chuàng)造的數(shù)字場景或者是虛擬的現(xiàn)實(shí)場景之中，實(shí)現(xiàn)影音式沉浸式的體驗(yàn)。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）技術(shù)進(jìn)行資源開發(fā)，使內(nèi)容、手段和方法發(fā)生了根本性的變革。

應(yīng)用VR技術(shù)進(jìn)行信息化課程資源的開發(fā)，把虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與課程教學(xué)結(jié)合起來，使學(xué)生獲得沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，達(dá)到可視化的教學(xué)效果[1]。基于萬維引擎技術(shù)進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)信息化課程資源的開發(fā)，將一些復(fù)雜難懂的知識點(diǎn)進(jìn)行可視化立體呈現(xiàn)，便于學(xué)生的理解應(yīng)用。對于受到實(shí)際條件或場地限制的實(shí)訓(xùn)設(shè)備，結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)資源的開發(fā)應(yīng)用，可以使學(xué)生不受限制近距離地進(jìn)行操作實(shí)踐。改變傳統(tǒng)教學(xué)方式，大大提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。這種由計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助生成的高技術(shù)仿真系統(tǒng)具有很強(qiáng)的交互性和情境化，讓學(xué)習(xí)者完全沉浸式的在虛擬學(xué)習(xí)空間里，進(jìn)行相關(guān)交互式虛擬化學(xué)習(xí)。在未來的交互性課程里面可以作為教學(xué)的重要補(bǔ)充。

1? 認(rèn)識虛擬現(xiàn)實(shí)

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality， VR）是20世紀(jì)80年代興起的一種計(jì)算機(jī)綜合集成技術(shù)，它通過對三維世界的模擬，創(chuàng)造出一種全新的交互式的虛擬仿真系統(tǒng)[2]。應(yīng)用傳感器及計(jì)算機(jī)軟硬件設(shè)備構(gòu)建出虛擬的三維世界，模擬仿真現(xiàn)實(shí)世界存在的甚至是現(xiàn)實(shí)不存在的事物或環(huán)境，提供給用戶有關(guān)視覺、聽覺、觸覺等感官的仿真，讓使用者仿佛置身于真實(shí)的環(huán)境當(dāng)中，還可以實(shí)時、全方位地觀察三維虛擬空間內(nèi)的事物并進(jìn)行親自操作，并進(jìn)行交互式的沉浸感體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)所具有的沉浸感、交互性、虛幻性等特征改變了人們對傳統(tǒng)世界的認(rèn)知，為人們提供了全新認(rèn)識世界的手段和方法[3]。

2? 萬維引擎簡介

萬維引擎是一款服務(wù)虛擬現(xiàn)實(shí)軟件開發(fā)的應(yīng)用平臺，采用Excel文本開發(fā)技術(shù)，無須編程，即可開發(fā)滿足各種需求的虛擬仿真軟件。其大幅降低了程序開發(fā)的難度，提高了軟件開發(fā)的效率，并可實(shí)現(xiàn)程序修改無須編譯直接運(yùn)行的效果，內(nèi)置示范教學(xué)、自主練習(xí)與考核模塊[4]。應(yīng)用其開發(fā)虛擬仿真信息化課程資源能夠更好地配合課堂教學(xué)活動。萬維引擎有軟件版和網(wǎng)頁版，目前已發(fā)展到4.0網(wǎng)頁版，其是基于WebGL技術(shù)的虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺，其無須安裝即可實(shí)現(xiàn)3A應(yīng)用（Anybody，Anywhere， Anytime），并可實(shí)時更新升級，無須重新下載安裝。使用網(wǎng)絡(luò)賬號進(jìn)行權(quán)限管理，靈活方便。在開發(fā)過程中還支持網(wǎng)絡(luò)協(xié)同開發(fā)，資源共享，仿真應(yīng)用支持多人多角色在線協(xié)同操作。開發(fā)中無須安裝任何軟件和插件，即可進(jìn)行虛擬仿真軟件開發(fā)，最終以HTML5的形式發(fā)布軟件。

3? 虛擬現(xiàn)實(shí)信息化課程資源的開發(fā)

虛擬現(xiàn)實(shí)信息化課程資源的開發(fā)包含項(xiàng)目調(diào)研、開發(fā)腳本規(guī)劃、開發(fā)工作單元等流程?？梢愿鶕?jù)項(xiàng)目需求的不同及軟件開發(fā)的方式不同，選擇合適的開發(fā)流程。本文以溢流閥虛擬仿真信息化課程資源的開發(fā)為例進(jìn)行介紹。

3.1? 項(xiàng)目調(diào)研

在項(xiàng)目調(diào)研階段，首先要學(xué)習(xí)溢流閥的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及拆裝流程，以確保開發(fā)出來的教學(xué)資源內(nèi)容的正確性和完整性。其次要對真實(shí)的溢流閥進(jìn)行尺寸測量以及拍攝真實(shí)的溢流閥照片，以便后續(xù)更好地進(jìn)行資源開發(fā)腳本的規(guī)劃及模型構(gòu)建工作。

溢流閥可以保證壓力管道、壓力容器的關(guān)鍵安全應(yīng)用，主要在液壓與氣動傳動課程中有涉及。其應(yīng)用于各種先進(jìn)設(shè)備中，特別是各種自動控制系統(tǒng)中。在各種系統(tǒng)中起到“神經(jīng)中樞”的作用。溢流閥的作用是控制并穩(wěn)定其入口壓力，從而實(shí)現(xiàn)溢流、調(diào)壓、安全保護(hù)，有時也可用作背壓閥。在平時的教學(xué)過程中，通過抽象的溢流閥工作原理圖和圖形符號，學(xué)生很難理解其組成結(jié)構(gòu)及原理。通過開發(fā)溢流閥VR信息化課程資源，可以讓學(xué)生更加形象直觀地了解溢流閥各部分的結(jié)構(gòu)、工作原理及拆裝過程，并通過交互式體驗(yàn)，加深理解。

3.2? 開發(fā)腳本規(guī)劃

要完成虛擬現(xiàn)實(shí)信息化課程資源的開發(fā)，開發(fā)前的腳本和資源規(guī)劃是很重要的，它直接關(guān)系到信息化課程資源的開發(fā)方向，保證VR資源開發(fā)的正確性。溢流閥的虛擬現(xiàn)實(shí)信息化課程資源開發(fā)腳本規(guī)劃將其分為溢流閥結(jié)構(gòu)介紹及溢流閥的拆裝介紹兩大部分。溢流閥VR資源開發(fā)流程圖如圖1所示。

3.3? 開發(fā)工作單元

虛擬仿真是內(nèi)容和設(shè)備的結(jié)合，而在開發(fā)虛擬仿真信息化課程資源的工作中，關(guān)鍵是內(nèi)容的開發(fā)。在資源開發(fā)的工作單元中，主要包括模型的搭建及導(dǎo)入與功能制作等。

3.3.1? 搭建及導(dǎo)入模型

模型搭建即建模，根據(jù)現(xiàn)實(shí)中的物體、運(yùn)動機(jī)制、環(huán)境等影響因素，應(yīng)用各種三維建模軟件，構(gòu)建繪制出與實(shí)際物體相對應(yīng)的虛擬模型。建模環(huán)節(jié)是虛擬仿真系統(tǒng)開發(fā)的前提。根據(jù)要開發(fā)的資源收集的素材進(jìn)行等比例建模，確保要開發(fā)的仿真對象的真實(shí)性[5]。

建模工具可應(yīng)用市面上各種建模軟件，如3D Max、UG、Inventor等。在本次溢流閥虛擬現(xiàn)實(shí)資源開發(fā)的建模過程中，應(yīng)用的是Inventor三維建模軟件。應(yīng)用Inventor軟件完成溢流閥各個零件的模型搭建，可以快速便捷地完成溢流閥各個零件和裝配體模型的搭建。溢流閥建模界面如圖2所示。

建模完成后還需要對模型格式進(jìn)行轉(zhuǎn)換。如應(yīng)用Inventor建模軟件進(jìn)行三維建模后，生成step格式模型文件，將step格式模型文件導(dǎo)入到3D Max軟件中，用3D Max軟件導(dǎo)出fbx格式模型文件。fbx格式的模型可以直接導(dǎo)入到萬維引擎軟件版中，而萬維引擎4.0網(wǎng)頁版用到的模型是babylon格式。因此還需要將模型通過3D Max加babylon插件或者應(yīng)用Blender軟件導(dǎo)出babylon格式模型。本次溢流閥虛擬現(xiàn)實(shí)信息化課程資源的開發(fā)應(yīng)用的是萬維引擎4.0網(wǎng)頁版，因此需將繪制好的溢流閥模型按前面所述方法導(dǎo)出babylon格式模型文件。導(dǎo)出界面如圖3所示。

再將導(dǎo)出的溢流閥babylon格式文件加載至萬維引擎4.0界面。從萬維引擎文件預(yù)覽板塊處操作導(dǎo)入模型，右鍵單擊該板塊的文件夾預(yù)覽處，在彈出的對話框中選擇“上傳”按鈕，即可選擇導(dǎo)入的溢流閥模型。將溢流閥模型導(dǎo)入到萬維引擎4.0，刷新網(wǎng)頁后再在資源面板中找到溢流閥模型文件，將其加載到場景中，如圖4所示。并對其進(jìn)行初始化操作，調(diào)整模型的位置、角度、比例等方位信息。通過平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等對初始相機(jī)視角進(jìn)行設(shè)置。通過對相機(jī)的方位調(diào)整，得到最佳的相機(jī)視角。使場景中相機(jī)視角呈現(xiàn)出最佳效果，保證更好的用戶體驗(yàn)[6]。

3.3.2? 功能制作

虛擬仿真系統(tǒng)內(nèi)容的開發(fā)是整個虛擬仿真信息化課程資源開發(fā)的核心。溢流閥虛擬仿真信息化課程資源的開發(fā)，應(yīng)用萬維引擎進(jìn)行開發(fā)制作。萬維引擎是一款不用編程就能開發(fā)虛擬仿真軟件的引擎工具，其應(yīng)用可視化界面，以UNITY界面為載體，采用Excel表格編輯技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬仿真軟件的開發(fā)與運(yùn)行[7]。本次溢流閥虛擬仿真信息化課程資源開發(fā)應(yīng)用的是萬維引擎4.0網(wǎng)頁版，開發(fā)邏輯延續(xù)了之前軟件版引擎的特點(diǎn)，并在個別開發(fā)語句上做了一些優(yōu)化，在開發(fā)過程中比上一代引擎更加簡便易懂。其開發(fā)所應(yīng)用的Excel表格也是網(wǎng)頁版，可直接在編輯的軟件中創(chuàng)建。Excel表格編輯界面如圖5所示?？梢詰?yīng)用對象、觸發(fā)、邏輯條件、變量、狀態(tài)、響應(yīng)以及關(guān)聯(lián)狀態(tài)等進(jìn)行所需內(nèi)容的開發(fā)。

溢流閥虛擬現(xiàn)實(shí)資源的編輯開發(fā)過程中，通過溢流閥觸發(fā)參數(shù)、邏輯條件、變量定義、狀態(tài)定義、響應(yīng)參數(shù)、關(guān)聯(lián)狀態(tài)等的編輯設(shè)置，實(shí)現(xiàn)溢流閥結(jié)構(gòu)介紹、拆裝操作說明的功能實(shí)現(xiàn)。部分功能實(shí)現(xiàn)表格編輯語句如圖6、圖7所示。

在虛擬仿真資源開發(fā)的過程中，在場景編輯界面，可以點(diǎn)擊“運(yùn)行”功能按鈕，進(jìn)入模擬發(fā)布測試界面，進(jìn)行運(yùn)行測試。在資源開發(fā)過程中邊開發(fā)邊調(diào)試，以此來檢驗(yàn)表格編寫的邏輯有沒有出錯。如有錯誤可以及時修改，再進(jìn)行調(diào)試，直到達(dá)到所要求的功能效果。

4? 溢流閥虛擬現(xiàn)實(shí)信息化課程資源介紹

以溢流閥虛擬現(xiàn)實(shí)信息化課程資源的開發(fā)為例，介紹VR信息化課程資源的開發(fā)內(nèi)容。其分成結(jié)構(gòu)介紹和拆裝操作說明兩大部分。

4.1? 結(jié)構(gòu)介紹部分

為了更好地觀察溢流閥各部分的結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)介紹部分分成爆炸觀察、內(nèi)部觀察和結(jié)構(gòu)認(rèn)知，部件認(rèn)知部分。

通過一鍵爆炸觀察功能，可以看到溢流閥各部分的詳細(xì)結(jié)構(gòu)，如圖8所示。這樣可以使學(xué)生更直觀地觀察溢流閥的結(jié)構(gòu)組成。

通過內(nèi)部觀察功能，點(diǎn)擊外部物體，使該物體透明顯示，透明之后，被該物體擋住的所有物體就能可見了，可以看清內(nèi)部的物體的結(jié)構(gòu)，再次點(diǎn)擊物體，又會恢復(fù)原形。應(yīng)用部件透明顯示功能，可以點(diǎn)擊想要了解的溢流閥各個部位進(jìn)行內(nèi)部結(jié)構(gòu)觀察。如圖9所示。

在結(jié)構(gòu)認(rèn)知功能部分，通過設(shè)置引出線，對溢流閥各部位結(jié)構(gòu)名稱進(jìn)行文字標(biāo)注。直觀認(rèn)知溢流閥各部分的結(jié)構(gòu)名稱，引出線結(jié)構(gòu)認(rèn)知界面如圖10所示。

在部件認(rèn)知部分，通過點(diǎn)擊物體，該物體高亮顯示，物體的輪廓顏色紅綠交替變化，起到聚焦物體的作用。并應(yīng)用文字和語音同步播放的指令，來介紹高亮物體，進(jìn)行部件認(rèn)知。文字顯示在屏幕中，并且應(yīng)用電腦自動配音朗讀。通過視覺和聽覺共同作用，加深對溢流閥各部件結(jié)構(gòu)功能的認(rèn)知，語音文字顯示界面如圖11所示。

4.2? 操作說明部分

在操作說明部分，分為溢流閥的拆卸和裝配兩個部分。分別進(jìn)行溢流閥的拆卸和裝配實(shí)操演示如圖12所示。通過拆裝過程的分步驟演示，詳細(xì)演示每一步流程，并有文字語音講解同步說明，讓學(xué)生更直觀形象地掌握具體的拆裝過程步驟。

4.3? 考核部分

開發(fā)的溢流閥虛擬現(xiàn)實(shí)信息化課程資源不僅有教學(xué)模塊，還有考核模塊。通過編輯設(shè)置考核模塊，對溢流閥的相應(yīng)知識點(diǎn)進(jìn)行考核，判斷學(xué)生相應(yīng)知識點(diǎn)的學(xué)習(xí)是否達(dá)標(biāo)，考核答題界面如圖13所示。完成所有考核題目后，會顯示考核成績，考核評分界面如圖14所示。及時對學(xué)生考核結(jié)果進(jìn)行反饋，查缺補(bǔ)漏。

5? 結(jié)? 論

在傳統(tǒng)的課程教學(xué)中，一般教學(xué)內(nèi)容較為枯燥，教學(xué)方法單一，學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并不大，對于一些需要實(shí)物模型設(shè)備進(jìn)行演示說明，對外景地進(jìn)行實(shí)地考察調(diào)研的場合，又會受到場地設(shè)備等多方面的限制約束。目前一般只能借用于網(wǎng)絡(luò)上的視頻，圖片等進(jìn)行輔助教學(xué)，對學(xué)生來說并不能真正地深入了解學(xué)習(xí)，這就對傳統(tǒng)的課程教學(xué)提出了新的要求。應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)信息化課程資源，可以讓枯燥的學(xué)習(xí)變得生動有趣，讓學(xué)習(xí)者獲得沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，讓教育變的可視化?；谌f維引擎技術(shù)進(jìn)行溢流閥虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源的開發(fā)，在此資源中，通過結(jié)構(gòu)介紹和拆裝應(yīng)用，使學(xué)習(xí)者更加直觀地了解溢流閥的內(nèi)外部結(jié)構(gòu)和具體拆裝過程。應(yīng)用爆炸觀察、物體透明顯示觀察內(nèi)部結(jié)構(gòu)，設(shè)置引出線、物體高亮顯示、語音文字介紹等介紹各部分結(jié)構(gòu)名稱，使學(xué)習(xí)者可以多角度觀察溢流閥，并通過拆卸和裝配的過程演示與練習(xí)，讓學(xué)習(xí)者掌握溢流閥的裝拆過程。在結(jié)構(gòu)介紹和裝拆過程演練之后，還可以通過考核模塊，考察學(xué)習(xí)者對溢流閥基本知識的掌握程度，鞏固所學(xué)知識。

虛擬現(xiàn)實(shí)信息化課程資源的開發(fā)，在未來的交互性課程中可以作為教學(xué)的重要補(bǔ)充。特別是在疫情線上教學(xué)期間，線上教學(xué)資源的開發(fā)顯得尤其重要。在線上教學(xué)過程中，虛擬現(xiàn)實(shí)信息化課程資源的應(yīng)用可以作為傳統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容及方法的重要補(bǔ)充。采用沉浸式的教學(xué)，學(xué)生可以不受時間空間的限制，讓學(xué)生有如身臨其境的感覺。隨著5G時代的來臨，VR技術(shù)得到了更大的發(fā)展空間。讓VR走進(jìn)高校課堂，結(jié)合高校課程特點(diǎn)及需求，研究開發(fā)出適用于高校課程的VR實(shí)景體驗(yàn)，而不再僅僅局限于圖片資料，在課堂教學(xué)上就可以進(jìn)行不同場景的體驗(yàn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣及學(xué)習(xí)積極性，教學(xué)效果獲得進(jìn)一步的提升。

參考文獻(xiàn)：

[1] 鄭戌冰，曲克晨.沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)對學(xué)習(xí)效果促進(jìn)作用研究 [J].新疆廣播電視大學(xué)學(xué)報(bào)，2019，23（4）：1-6.

[2] 鄧赫男.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在基礎(chǔ)教學(xué)中的應(yīng)用案例分析 [J].集成電路應(yīng)用，2022，39（1）：78-80.

[3] 王帥.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)訓(xùn)平臺的設(shè)計(jì)開發(fā)與教學(xué)實(shí)踐研究 [J].現(xiàn)代信息科技，2022，6（17）：191-194.

[4] 鄧鵬玲，傅駿，廖先強(qiáng)，等.利用萬維引擎開發(fā)鑄造車間漫游VR作品 [J].河北農(nóng)機(jī)，2019（9）：68.

[5] 鄒永新，陳曉瑩.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的場景設(shè)計(jì)可視化建模研究 [J].現(xiàn)代電子技術(shù)，2021，44（1）：83-87.

[6] 宮海曉，賀杰.基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維場景重現(xiàn)方法研究 [C]//國家新聞出版廣電總局中國新聞文化促進(jìn)會學(xué)術(shù)期刊專業(yè)委員會.2020年第四屆國際科技創(chuàng)新與教育發(fā)展學(xué)術(shù)會議論文集（卷一）.北京：香港新世紀(jì)文化出版社有限公司，2020：304-306.

[7] 朱海豐，楊駿，滕緒山，等.基于萬維引擎平臺的VR虛擬仿真實(shí)驗(yàn)自主開發(fā)——以模擬法測靜電場實(shí)驗(yàn)為例 [J].物理與工程，2022，32（1）：131-135+142.

作者簡介：李艷（1984—），女，漢族，福建莆田人，副教授，碩士，研究方向：機(jī)械設(shè)計(jì)、VR理論教學(xué)。