廉靜靜，楊 曉

大連海事大學(xué)，遼寧大連 116026

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最早于20 世紀(jì)80 年代提出，又稱為人工環(huán)境或靈境技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)通常由兩部分組成：一部分為創(chuàng)建的虛擬世界（環(huán)境），另一個(gè)部分為介入者（人），虛擬現(xiàn)實(shí)的核心是強(qiáng)調(diào)兩者之間的交互操作，即反映出人在虛擬世界（環(huán)境） 的體驗(yàn)[1]。早期虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)大多集中在軍事仿真系統(tǒng)和航空航天應(yīng)用上，但由于虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)成本太高，無(wú)法推廣普及。自20 世紀(jì)90 年代中期以后，隨著技術(shù)進(jìn)步以及相關(guān)軟硬件產(chǎn)品性能提高和價(jià)格下降，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)得到了飛速發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域出現(xiàn)了全新局面，開(kāi)始在科學(xué)計(jì)算可視化、建筑設(shè)計(jì)漫游、教育培訓(xùn)和娛樂(lè)等方面獲得富有成效的應(yīng)用。

近年來(lái)，我國(guó)教育部批準(zhǔn)了多個(gè)國(guó)家級(jí)虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心；2018 年教育部又公布了首批國(guó)家虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)項(xiàng)目[2]；2022 年教育部辦公廳公布了首批虛擬教研室建設(shè)試點(diǎn)名單[3]，一系列政策的實(shí)施，其目的是加強(qiáng)虛擬仿真優(yōu)質(zhì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的建設(shè)，重視實(shí)驗(yàn)教學(xué)信息化，持續(xù)提高實(shí)踐教學(xué)質(zhì)量，促進(jìn)高等教育內(nèi)涵式發(fā)展，注重人才培養(yǎng)，提升教育教學(xué)能力，使其充分運(yùn)用信息技術(shù)，將現(xiàn)代信息技術(shù)與教育教學(xué)深度融合，探索突破時(shí)空限制、形式多樣的教學(xué)模式，從而提升學(xué)生學(xué)習(xí)積極性、主動(dòng)性和探索發(fā)現(xiàn)以及解決科學(xué)問(wèn)題的能力。

我國(guó)海事院校航海類專業(yè)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)是受國(guó)際公約規(guī)范的必需環(huán)節(jié)，由于海上船舶工作環(huán)境的特殊性，航海類專業(yè)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目涉及高危或極端環(huán)境、不可逆操作、高成本、高消耗、大型或綜合訓(xùn)練等情況[4]，因此，航海教育十分重視學(xué)生實(shí)踐能力的培訓(xùn)，構(gòu)建以高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)對(duì)象為主的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方式是航海教育與培訓(xùn)的必然趨勢(shì)。航海儀器課程是航海技術(shù)專業(yè)的必修課程之一，航海儀器使用是航海儀器理論課程相對(duì)應(yīng)配套的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，是對(duì)航海實(shí)踐技能要求較高的航海專業(yè)課程，其中，船用陀螺羅經(jīng)的結(jié)構(gòu)組成和啟動(dòng)開(kāi)機(jī)關(guān)機(jī)操作過(guò)程，是航海儀器使用重要的環(huán)節(jié)之一。傳統(tǒng)的船用陀螺羅經(jīng)設(shè)備比較昂貴，頻繁開(kāi)關(guān)機(jī)器會(huì)減少設(shè)備使用壽命，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于船用陀螺羅經(jīng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，可有效解決該問(wèn)題。

1 現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)課程存在的問(wèn)題

船用陀螺羅經(jīng)是利用陀螺儀的特性[5]，在地球自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的影響下，借助于力矩器使陀螺儀主軸自動(dòng)地找北，并精確地跟蹤地理子午面的指向儀器?，F(xiàn)有航海儀器設(shè)備船用陀螺羅經(jīng)實(shí)驗(yàn)課程主要存在真設(shè)備無(wú)法進(jìn)行頻繁開(kāi)關(guān)、真設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足等問(wèn)題。

1.1 真設(shè)備無(wú)法進(jìn)行頻繁開(kāi)關(guān)

船用陀螺羅經(jīng)正常穩(wěn)定時(shí)間大約4 個(gè)小時(shí)，即便有些船用陀螺羅經(jīng)可以快速啟動(dòng)，但也需要1 個(gè)半小時(shí)，由于船用陀螺羅經(jīng)屬于貴重儀器設(shè)備，頻繁開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)對(duì)設(shè)備會(huì)造成損壞。每次上課對(duì)真設(shè)備進(jìn)行講解時(shí)，只能開(kāi)關(guān)機(jī)一次向?qū)W生講解開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)操作流程的注意事項(xiàng)。

1.2 真設(shè)備臺(tái)套數(shù)不足

實(shí)驗(yàn)室里航海儀器船用陀螺羅經(jīng)每種型號(hào)的真設(shè)備每個(gè)房間一般只放置一臺(tái)，有些真設(shè)備包含操作單元，真設(shè)備開(kāi)機(jī)后，學(xué)生可以在操作面板單元進(jìn)行操作，但由于每次上課人數(shù)較多，并不能保證每名學(xué)生都在操作面板單元操作一遍。

1.3 船用陀螺羅經(jīng)主羅經(jīng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)無(wú)法被看到

船舶陀螺羅經(jīng)的主羅經(jīng)是陀螺羅經(jīng)的重要組成部分，對(duì)于真設(shè)備，學(xué)生無(wú)法看到主羅經(jīng)內(nèi)部結(jié)構(gòu)，以Sperry MK 37E 型為例，在航海儀器實(shí)驗(yàn)室里，結(jié)合真設(shè)備講解實(shí)驗(yàn)課程時(shí)，學(xué)生無(wú)法直觀看到主羅經(jīng)內(nèi)部的部件如液體連通器、叉形隨動(dòng)環(huán)、方位隨動(dòng)電機(jī)等。

2 虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)設(shè)計(jì)

2.1 場(chǎng)景建模

場(chǎng)景建模的質(zhì)量直接決定了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的真實(shí)感和實(shí)時(shí)性。目前常用的場(chǎng)景建模軟件有MultiGen Creator、3D Studio MAX、Maya、DWB 等，這幾種場(chǎng)景建模軟件各有優(yōu)劣。由于3D Studio MAX 軟件完全基于PC 平臺(tái)開(kāi)發(fā)[6]，對(duì)硬件的要求相對(duì)較低，易于學(xué)習(xí)和掌握，被廣泛應(yīng)用于仿真、建筑、游戲、動(dòng)畫等領(lǐng)域，在建模技術(shù)、環(huán)境控制、動(dòng)畫設(shè)計(jì)、渲染輸出和后期制作方面日趨完善，內(nèi)部算法也改進(jìn)了很多，極大提高了制作和渲染輸出過(guò)程的速度。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)選用3D Studio MAX 軟件對(duì)船用陀螺羅經(jīng)整套設(shè)備場(chǎng)景建模，包含主羅經(jīng)、電子控制箱、航向發(fā)送箱、分羅經(jīng)等，船用陀螺羅經(jīng)主羅經(jīng)內(nèi)部的陀螺球、液體連通器、叉形隨動(dòng)環(huán)、阻尼重物、航向刻度盤、方位隨動(dòng)電機(jī)等部件。

場(chǎng)景建模的真實(shí)感很大程度上依賴紋理來(lái)體現(xiàn)。紋理的處理可選用Adobe Photoshop 軟件完成，三維紋理貼圖可用DeepPaint 3D 輔助，燈光效果貼圖可用LightsScape 軟件。

為了場(chǎng)景建模軟件更加逼真，首先是場(chǎng)景建模素材收集，需要在實(shí)驗(yàn)室里實(shí)地?cái)z影和攝像，這樣可以對(duì)所建物體的形狀、顏色和外觀有真實(shí)的了解，拍攝的照片可處理成紋理后續(xù)使用，然后進(jìn)行場(chǎng)景建模，此時(shí)需要設(shè)置建模軟件的單位、背景顏色和坐標(biāo)系，根據(jù)建模物體的信息如長(zhǎng)、寬、高等建造三維幾何實(shí)體模型，設(shè)置模型的顏色、材質(zhì)、紋理和明暗等。

2.2 可視化過(guò)程

場(chǎng)景建模的可視化過(guò)程，需要視景驅(qū)動(dòng)引擎，目前視景驅(qū)動(dòng)引擎主要有OpenGVS、VTree、Vega、OSG、Unity3D 等，對(duì)這些視景驅(qū)動(dòng)引擎進(jìn)行了比較，各有優(yōu)劣，例如OSG 是開(kāi)源的，基于OSG 的三維仿真應(yīng)用，效果不亞于商業(yè)軟件，但是技術(shù)要求較高；OpenGVS 是Quantum3D公司的產(chǎn)品，具有良好的模塊性，但不支持GPU編程。

虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)的視景驅(qū)動(dòng)引擎選用Unity3D 軟件[7]，該軟件支持多平臺(tái)，支持3d Studio MAX、Maya、Blender 等主流的三維格式，貼圖材質(zhì)可以自動(dòng)轉(zhuǎn)換為U3D 格式，支持C#、JavaScript 編程，提供具有柔和陰影以及高度完善烘焙效果的光影渲染系統(tǒng)，界面簡(jiǎn)單直觀，易于上手。通過(guò)該視景驅(qū)動(dòng)引擎，實(shí)現(xiàn)了船用陀螺羅經(jīng)MK37 可視化過(guò)程。

2.3 實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)課程內(nèi)容

結(jié)合中華人民共和國(guó)國(guó)家海事海船船員適任考試要求和教學(xué)大綱要求，航海儀器使用船用陀螺羅經(jīng)實(shí)驗(yàn)課程主要包含兩部分內(nèi)容：部件識(shí)別和設(shè)備操作啟動(dòng)過(guò)程。

2.3.1 部件識(shí)別

在航海儀器實(shí)驗(yàn)室，為解決真設(shè)備無(wú)法拆卸，學(xué)生無(wú)法了解其內(nèi)部結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，教師可利用虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)船用陀螺羅經(jīng)的拆卸，精細(xì)地了解船用陀螺羅經(jīng)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)組成，以及這些部件的工作原理和作用。

2.3.2 設(shè)備操作啟動(dòng)過(guò)程

船用陀螺羅經(jīng)斯伯利SPERRY 37MK 真設(shè)備啟動(dòng)過(guò)程復(fù)雜，設(shè)備啟動(dòng)后穩(wěn)定時(shí)間較長(zhǎng)，有時(shí)正常下課后，真設(shè)備仍沒(méi)有達(dá)到穩(wěn)定。由于頻繁啟動(dòng)關(guān)閉真設(shè)備會(huì)影響真設(shè)備的使用壽命，教師授課時(shí)，針對(duì)真設(shè)備只做一次啟動(dòng)過(guò)程。為了調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)包含了設(shè)備操作啟動(dòng)過(guò)程，使學(xué)生學(xué)習(xí)由被動(dòng)變?yōu)橹鲃?dòng)，極大地提高了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和實(shí)踐創(chuàng)新性。圖1 為船舶陀螺羅經(jīng)的啟動(dòng)過(guò)程，此時(shí)控制發(fā)送箱上的指示燈已亮起，從圖中可以看出，方式轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)的MODE 開(kāi)關(guān)已轉(zhuǎn)到START 擋位，此刻陀螺馬達(dá)已經(jīng)接通電源，為使陀螺馬達(dá)高速旋轉(zhuǎn)，在該擋位停留10 分鐘（時(shí)間以墻上的鐘表走時(shí)為準(zhǔn)），在圖的左上面虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)多開(kāi)了一個(gè)視口，用于觀察主羅經(jīng)航向刻度盤的轉(zhuǎn)動(dòng)。當(dāng)船用陀螺羅經(jīng)主羅經(jīng)正常啟動(dòng)后，要考慮速度和緯度誤差補(bǔ)償。

圖1 船舶陀螺羅經(jīng)的啟動(dòng)過(guò)程

利用3D Studio MAX 建模軟件和視景驅(qū)動(dòng)引擎結(jié)合Unity 3D，開(kāi)發(fā)了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)即斯伯利船用陀螺羅經(jīng)37MK 設(shè)備。在實(shí)驗(yàn)室里，教師利用真實(shí)的設(shè)備講解，將理論知識(shí)有效地與實(shí)驗(yàn)過(guò)程相結(jié)合。當(dāng)學(xué)生對(duì)真設(shè)備有了感性的認(rèn)識(shí)后，帶領(lǐng)學(xué)生在實(shí)驗(yàn)室利用該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，讓學(xué)生在虛擬仿真軟件中動(dòng)手展開(kāi)相關(guān)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目，教師對(duì)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)過(guò)程進(jìn)行指導(dǎo)和監(jiān)督。該虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)使得傳統(tǒng)的以教師為中心的教學(xué)方式逐漸演變?yōu)閹熒⒅厣踔烈詫W(xué)生為中心的教學(xué)方式，由傳統(tǒng)的被動(dòng)教學(xué)方式轉(zhuǎn)變成了寓教于樂(lè)的主動(dòng)學(xué)習(xí)過(guò)程，有效補(bǔ)充和促進(jìn)了傳統(tǒng)教學(xué)，是對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)的課外延伸和拓展。

3 結(jié)語(yǔ)

利用虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)平臺(tái)，船用陀螺羅經(jīng)采用虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合、認(rèn)知與操作相結(jié)合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)方法，通過(guò)理論學(xué)習(xí)、實(shí)驗(yàn)室真設(shè)備學(xué)習(xí)、虛擬仿真設(shè)備操作訓(xùn)練相結(jié)合的教學(xué)模式，可以拓展學(xué)生的學(xué)習(xí)資源，豐富學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性，激發(fā)了學(xué)生參與實(shí)驗(yàn)的積極性，符合現(xiàn)代化的實(shí)驗(yàn)教學(xué)發(fā)展。