虛擬實訓教學系統(tǒng)的構(gòu)建過程探索

摘 要：對虛擬實訓教學與傳統(tǒng)實訓教學的相關(guān)特性進行了對比，指出虛擬實訓教學的顯著優(yōu)勢。并進一步描述了虛擬實訓教學系統(tǒng)的基本構(gòu)建過程與實施方法。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實 實訓 職業(yè)教育

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2014）05（b）-0123-02

實訓一直都是職業(yè)教育相關(guān)學科中的重要活動之一，通過實訓手段不僅可以促進學生對理論知識的鞏固，更可提高學生探索科學知識的能力，增強創(chuàng)新能力。然而，當前實訓方面存在的諸多難題卻嚴重限制了教學質(zhì)量的提高，由于真實實訓設備和儀器的多樣化、易損耗性、昂貴性，都導致實驗成本過高，甚至傳統(tǒng)實驗在空間和時間上的限制也可能無法滿足大量學生同時進行實驗的需要。為緩解實驗教學的壓力，解決實驗教學的困境，提高教學質(zhì)量，需采用新的教學思路，先進的技術(shù)手段對實驗教學進行改革。而日瑧成熟的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，由于其技術(shù)特性，正迎合了實驗教學的需要，基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用的多媒體教學系統(tǒng)，已在教育領(lǐng)域獲得逐步運用及發(fā)展。

1 虛擬現(xiàn)實在教育領(lǐng)域中的應用

虛擬現(xiàn)實概念最早于20世紀60年代由哈佛大學的學者Sutherland I.E.提出構(gòu)想，至80年代初由Jaron Lanier正式提出Virtual Reality一詞。1993年，Burdea G提出了針對虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的3I，被認為是對虛擬現(xiàn)實技術(shù)的準確描述。這3I即是沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和構(gòu)想性（Imagination）。按學者J.Laniar的說法，虛擬現(xiàn)實又稱假想現(xiàn)實，意味著“用電子計算機合成的人工世界”。國內(nèi)張金釗等將虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要分為五類：（1）沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)，（2）分布式虛擬現(xiàn)實技術(shù)，（3）桌面式虛擬現(xiàn)實技術(shù)，（4）純軟件虛擬現(xiàn)實技術(shù)（也稱大眾化模式），（5）增強現(xiàn)實虛擬現(xiàn)實技術(shù)（AR）（也稱混合現(xiàn)實）。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特性使得它不僅僅可以被應用于當前蓬勃發(fā)展的互動游戲產(chǎn)業(yè)，而且在科技開發(fā)、國防安全、工程設計、商業(yè)展示，及文化教育等重要領(lǐng)域越發(fā)顯現(xiàn)出其重要作用。

目前，在教育與培訓領(lǐng)域基于虛擬現(xiàn)實的防真系統(tǒng)研究，多數(shù)以教學培訓為目標，多屬于純軟件虛擬現(xiàn)實技術(shù)型應用，在國內(nèi)高等院校的交通專業(yè)、機械專業(yè)、設計專業(yè)、醫(yī)學專業(yè)、藝術(shù)專業(yè)，以及旅游專業(yè)等均有廣泛應用。虛擬現(xiàn)實通常應用于視景仿真、結(jié)構(gòu)展示、故障模擬、維修實踐、流程演練等方面的技能訓練，能使學生更好地感受、理解知識的產(chǎn)生和發(fā)展過程，讓枯燥的理論知識變得形象，易于理解，強化學生對整個實驗過程的認知。虛擬現(xiàn)實技術(shù)與教育教學相結(jié)合，能在實踐教學中獲得良好收益，并能引起教育教學方式的改革，全面提升教育教學質(zhì)量。虛擬現(xiàn)實技術(shù)以其獨特的魅力必將在未來教育領(lǐng)域進一步拓展其深度和廣度，在教學平臺建設中引入虛擬現(xiàn)實應用是不可缺少的，也是系統(tǒng)構(gòu)建的中心內(nèi)容。

2 虛擬實訓教學與傳統(tǒng)實訓教學特性比較

實訓教學主要包括四方面內(nèi)容：定義實訓目的和內(nèi)容、選擇實訓器材、確定實驗過程和實訓結(jié)果評估。傳統(tǒng)實訓與虛擬實訓教學最大的區(qū)別在于實訓器材、實訓過程體驗感兩個方面的不同。傳統(tǒng)實訓在教具器材方面的真實感、實驗過程的沉浸感都較強。虛擬實訓教學在這兩方面具有先天的不足，但其所具有的虛擬性、實踐性卻賦予了它獨特的優(yōu)越性，虛擬教學可拓寬學習的時間、空間，突破學員數(shù)量的限制，并能強化學員對整個實驗過程的認知，且具有較強的可重復性。傳統(tǒng)實訓教學與虛擬實訓教學的主要特性比較參見表1所示。

通過兩者各項特性指標的對比，顯示出虛擬實訓教學的顯著優(yōu)勢，其綜合成本低、效率高、安全性高、功能全面、共享性強等特點。隨著計算機多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實技術(shù)的進一步發(fā)展，虛擬實訓應用會逐步克服其不足之處，并向網(wǎng)絡化、專業(yè)化、高逼真化方向發(fā)展。

3 虛擬實訓教學系統(tǒng)的構(gòu)建過程

聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）將“虛擬實驗”定義為利用分散的信息和通信技術(shù)在科研和其他的創(chuàng)造性活動中進行遠距離合作和實驗的一種電子協(xié)作過程。從虛擬實驗室的功能角度，學者們將其表述這：虛擬實驗室是一個創(chuàng)造和引導虛擬實驗的交互環(huán)境，它由實驗所依賴的模擬程序、實驗單元、工具和參考資料組成。虛擬實訓教學系統(tǒng)自然屬于“虛擬實驗”的廣義范疇之內(nèi)。所構(gòu)建的系統(tǒng)需具備沉浸感、交互性和構(gòu)想性三個方面的特點。

該文所闡述的虛擬實訓教學系統(tǒng)，指純軟件虛擬現(xiàn)實技術(shù)型的應用系統(tǒng)。實現(xiàn)系統(tǒng)的研發(fā)，可遵循以下步驟：需求分析、功能設計、數(shù)據(jù)設計、開發(fā)實現(xiàn)、驗證評估。

3.1 需求分析

包括課程需要分析、實訓需求分析，不同專業(yè)不同課程的實訓特點不同，所設實訓任務的性質(zhì)也有所不同，可區(qū)分為知識認知型實訓、綜合設計型實訓等。知識認知型實訓目標是讓學員體驗實驗操作過程，執(zhí)行步驟較為確定；綜合設計型實訓目標是訓練學員進行業(yè)務流程、管理規(guī)程等方面的認知演練。

3.2 功能設計

必須要實現(xiàn)實驗場景設計、教學元素設計（包括2D、3D模型、資料等元素）、教學信息管理、教學任務設計，以及教學成績管理等功能。功能設計結(jié)構(gòu)如圖2所示。

實驗場景設計是虛擬實訓展開的“實驗場所”，實驗場景設計的優(yōu)劣，是虛擬實訓系統(tǒng)是否具備“沉浸感”的重要評判，實驗場景通常以3D建模的方式實現(xiàn)。系統(tǒng)交互設計涉及到計算機技術(shù)、圖形藝術(shù)、用戶體驗等多領(lǐng)域的知識，具體指人機接口、用戶界面、人機交互方面設計，是“交互性”特性的重要體現(xiàn)。教學任務設計指實訓過程、實訓步驟、實訓指導方面的設計，總終形成系統(tǒng)腳本庫，腳本用于驅(qū)動模型的構(gòu)建、連接和運轉(zhuǎn)等。教學信息管理功能是服務于實訓教學并對實訓資源和結(jié)果等信息的管理，如用戶信息管理、教學資源的增刪改操作、瀏覽分類匯總、結(jié)果發(fā)布等功能。教學成績管理指學員成績的跟蹤與記錄以及匯總評價功能。

3.3 數(shù)據(jù)設計

數(shù)據(jù)設計教學元素設計主要包括虛擬實訓器具的設計、掛圖模型的設計，虛擬器具的設計至少包括器具的幾何模型和數(shù)學模型，幾何模型是真實設備的逼真化體現(xiàn)，數(shù)學模型則是真實設備變化規(guī)律的體現(xiàn)，幾何模型通常采用3D建模的方式，數(shù)學模型則采用數(shù)學建模的方式。各類教學元素的總合最終可構(gòu)建一致的模型數(shù)據(jù)庫，模型數(shù)據(jù)主要包含空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、物理屬性數(shù)據(jù)、行為屬性、動力及運動數(shù)據(jù)等。

3.4 開發(fā)實現(xiàn)

數(shù)據(jù)設計的開發(fā)實現(xiàn)較為復雜，建模首先涉及到種類繁多的模型數(shù)據(jù)，幾何模型的實現(xiàn)主要依據(jù)測量數(shù)據(jù)，借助建模軟件，如AutoCAD、3DMax等，利用人工制造的方式予以實現(xiàn)。數(shù)學模型的開發(fā)則更為復雜，通常需采用實驗分析、物理仿真、歸納抽象等方式，利用數(shù)學建模軟件，如MATLAB、Modelica等，最終建立起出用于描述模型變化規(guī)律的數(shù)學方程式，例如根據(jù)模型的運動方程，可獲得該模型的運動速度和位置數(shù)據(jù)。通常為了降低模型開發(fā)實現(xiàn)的難度，除非要求異常精準的模型運動活動，在精度要求不高的實訓教學系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)模型常采用抽象、簡化的方法進行實現(xiàn)。

虛擬實訓系統(tǒng)的場景與交互實現(xiàn)，需借助專業(yè)的技術(shù)或平臺軟件，目前流利的3D虛擬現(xiàn)實開發(fā)平臺有：國外Virtools公司的Virtools平臺、荷蘭Act3D 公司Quest3D平臺、Unity Technologies公司的Unity3D平臺、Cycore公司的Cult3D平臺，國內(nèi)中視典的VR-Platform平臺、曼恒數(shù)字的DVS3D（Design Virtual Reality Simulation）平臺、以及開源領(lǐng)域的OGRE（Open Source 3D Graphics Engine）和ODE（Open Dynamics Engine，開源動力引擎）等平臺。上述開發(fā)平臺都擁有人機界面的設計能力、3D場景和模型渲染展示的能力，以及腳本交互控制能力。此外，目前運行于互聯(lián)網(wǎng)的Java3D技術(shù)、VRML技術(shù)、Flash/Flex技術(shù)等也屬于構(gòu)建基本虛擬實訓教學系統(tǒng)的簡單而高效的手段。

3.5 驗證評估

教學平臺建設后，需要對平臺進行測試，根據(jù)實訓目標，評估實驗是否滿足教學要求。通過一系列的測試評估，包括功能測試、性能測試，以及兼容性測試。功能測試主要根據(jù)實驗要求，對實訓功能進行測試；性能測試主要是系統(tǒng)能否能流暢運行，兼容性測試主要是平臺與其它軟、硬件接口的測試，以及瀏覽器方面的兼容性。

4 實施方法

4.1 需求分析階段須明確實訓目標和內(nèi)容

在需求分析階段就須規(guī)劃教學的科目分類、各課程目標、教學環(huán)節(jié)、不同目標匹配的教學方式等。

4.2 基本教學元素的構(gòu)建方式

基本教學元素是系統(tǒng)數(shù)據(jù)層的核心內(nèi)容，特點是設計與制作成本較高、周期較長，且具有復雜的專業(yè)難度。由院校自身完成全部元素的設計工作并不現(xiàn)實，最佳獲取方式是根據(jù)對教學科目和內(nèi)容的規(guī)劃，與院校與院外專業(yè)的設計團隊合作，按需定制研發(fā)，才可使其性價比最大化。除此之外，通過互聯(lián)網(wǎng)一些模型發(fā)布網(wǎng)站也可下載免費或收費的專業(yè)模型作為教學元素來源的重要補充。

4.3 實施過程選擇

系統(tǒng)具體的研發(fā)工作，涉及到計算機信息化研發(fā)相關(guān)的專業(yè)技能，最佳模式是由院校自身組織需求開發(fā)的教學團隊，結(jié)合外部研發(fā)實現(xiàn)的專業(yè)團隊，共同設計，分步實現(xiàn)，才能最好的掌控教學需要與系統(tǒng)實現(xiàn)的最優(yōu)整合狀態(tài)。

5 結(jié)語

虛擬實訓應用是學生課前預習、校內(nèi)實踐、課后復習，以及老師輔助教學的有效工具，以虛擬實訓應用構(gòu)成的整體虛擬實驗室也是實驗教學改革以及遠程教育發(fā)展的強力支撐。虛擬實訓的應用能滿足現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展要求，具有廣闊的發(fā)展前景。

參考文獻

[1]Russel SJ，Norving P.Anificial Intelligence：A Modem Approach[M].Upper Saddle River：Prentice Hall，1995：20-25.

[2]張金釗，張金銳.2013三維立體動畫游戲開發(fā)設計-詳解與經(jīng)典案例[M].北京：郵電大學出版社，2013.

[3]喬非，王曉平.虛擬教學實驗設計和開發(fā)技術(shù)與應用[M].同濟大學出版社，2013.

[4]聯(lián)合國教科文組織，國際理論與應用物理研究所.虛擬教學實驗室專家會議文集[M].依阿華州：美國依阿華州立大學，1999.