虛擬現實技術在水污染控制教學中的應用研究

齊昕　劉嘉夫　李前杰　馬煥春

[摘 要]虛擬現實技術在教育領域的應用越來越廣泛。通過分析虛擬現實技術在水污染控制工程教學中的應用，利用Unity3D虛擬現實技術開發水污染控制工程交互式三維多媒體課件，并應用于教學實踐，取得良好的教學效果。

[關鍵詞]虛擬現實 水處理 Unity3D 交互控制 多媒體

[中圖分類號] TP391.9；G434 [文獻標識碼] B [文章編號] 2095-3437（2014）14-0171-02

虛擬現實技術，是模擬人類視覺、聽覺、力覺、觸覺等感知行為的高度逼真的人機交互技術。[1-3]它生成的視覺環境呈現出三維立體效果，可以把復雜、抽象的數據信息表示成直觀的、可交互的三維實體。虛擬現實技術的特點在于通過計算機產生一種人為虛擬的環境，這種虛擬的環境是通過計算機圖形構成三維立體空間，或是把其他現實環境編制到計算機中去產生逼真的“虛擬環境”，從而使得用戶在視覺上產生一種沉浸于虛擬環境的感覺。[2-5]

水污染控制工程是給排水、環境類專業的專業課程，主要是學習水處理工藝及構筑物的構造。水處理構筑物數量多而且內部構造復雜，認識和觀察水處理構筑物構造是學習水處理原理的重要環節。鑒于此，我們利用虛擬現實技術生成的交互式三維環境，開發水污染控制工程三維交互式多媒體課件，并應用于教學實踐中。

一、虛擬現實技術在水污染控制教學中的應用

（一） 構筑物三維立體演示

利用虛擬現實技術制作三維立體的水處理構筑物，可以按1：1的比例制作各種水處理構筑物，三維模型可以還原逼真的現場環境，避免了傳統多媒體課件中主要以二維平面展示為主，教學容量有限，教學的表現形式比較枯燥的問題。如圖1所示，將要學習的重力式無閥濾池制作成三維模型，能夠真實展現出實物外形和內部構造的方方面面，允許從各角度實時觀察重力式無閥濾池，并可以任意縮放、移動視圖，進行全方位的瀏覽，避免了教學中觀測角度不全面，內部構筑物難以觀察等不足，學生可以足不出戶就能像在現場一樣觀察到重力式無閥濾池的各個組成部分及內部構造。

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圖1 重力式無閥濾池三維展示

（二）虛擬教學情景

利用虛擬現實技術構建的三維場景，以第一視角在其中穿行漫游，高質量的三維畫面使人產生身臨其境的感覺。例如在講授污水處理廠巡視的注意事項時，利用三維污水處理廠的虛擬環境，使學生感覺自己就是在污水處理廠中行走，一路上會接觸到不同構筑物和設備，然后記錄下各種狀態。還可以創設各種異常問題的場景，等待學生自行解決。這樣就把抽象復雜的概念變成與現實接近的直觀感覺，使學習者能夠身臨其境，把復雜的問題簡單化，抽象的概念直觀化，老師和學生能夠互動，以一種很自然的方式來指導教與學，使學生在潛移默化中不斷提高自己的理論水平和實踐能力，從而彌補了一般多媒體課件的不足。[6]

（三）三維動態交互

動態交互是虛擬現實技術重要表現，在傳統的二維多媒體中很難做到動態交互。觀察視角有第一視角、第三視角和自由視角，這三種觀察視角可以隨時變化。比如在污水處理廠巡視的教學中，當巡視到某一閥門時，可以切換到自由視角，對該閥門進行全方位的觀察。 由于水處理構筑物內部構造復雜，但又被頂蓋遮擋，有時候需要實時地把構筑物剖切查看內部。利用虛擬現實技術能夠很容易實現這種實時的剖切效果。這種三維動態交互的表現，形成很強烈的視覺沖擊，能極大地激發學生的參與熱情和學習激情。

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圖2 重力式無閥濾池實時剖切

（四）水處理運行管理仿真訓練

水處理運行管理是水污染控制工程的重要內容，通常情況下是采用校外實踐的形式培養學生的動手能力。由于學生學習時間短，對專業知識掌握程度還不夠成熟，可提供的實際操作空間有限，而且實習的時間有限，使得校外實踐不能達到預想的效果，不能真正地提高學生的動手能力。

利用虛擬現實技術制作整個水廠的構筑物和設備，學生足不出戶便可以進行各項運行管理的操作，獲得與真實操作一樣的體會，既豐富了學習的感性認識，又加深了對教學內容的理解，減少了經費的投入。同時，采用虛擬現實技術可以避免真實操作所帶來的危險；虛擬環境中的設備可以重復使用，也可以隨時更新設備，使實踐訓練跟上技術的發展。通過仿真訓練，學生可以熟練掌握水處理運行中的各項操作技能，熟練掌握某些儀器設備的操作技能，增強安全意識、動手能力和經驗的積累。

二、基于Unity3D的虛擬現實教學課件開發

Unity3D 是一款多平臺的游戲開發工具，采用Unity3D作為虛擬現實開發平臺，開發效率高，效果逼真，交互能力強。

首先廣泛的收集水污染控制工程中所涉及的圖片、文字、聲音和視頻等，同時調研附件的水處理廠，收集構筑物標準圖集。然后利用3ds Max 進行各個構筑物的三維建模，并進行貼圖，建模完成后，將模型塌陷為網格物體，導出擴展名為FBX的文件。把模型文件導入Unity3D平臺，導入后可在Unity3D 中貼圖， 添加燈光效果。 場景構建完成后做系統交互設計。交互設計采用JavaScript腳本文件編寫控制代碼，開發第一視角、第三視角和自由視角三種視角交互模式。系統完成后進行性能測試， 最后生成可執行文件，同時發布到PC平臺和安卓系統平臺。

由于水處理構筑物的數量多，結構復雜，模型面數多，在程序執行時，渲染消耗系統資源較大，因此需要對場景進行優化。在Unity3D采用漫反射材質，貼圖的大小要適中，將不可移動的物體設置成static狀態，通過內置的Beast烘焙工具根據網格物體、材質貼圖和燈光屬性的設置來烘培場景，同時取消動態陰影效果。這樣就可以使課件在配置較低的計算機上也可流暢運行。

三、結語

虛擬現實技術作為新興的計算機技術，在教育領域的作用越來越明顯。傳統的水污染控制工程多媒體課件由于其本身所具有的缺陷，已經逐漸不能滿足水污染控制工程教學的需要，利用虛擬現實技術開發出虛擬現實教學課件能夠很好地彌補傳統多媒體課件的缺點，不僅使學生能夠感到模型和場景十分逼真地存在，能深入構筑物的各個位置進行觀察，而且能對學生的操作做出實時準確的響應，使學生獲得與現場操作一樣的感受，從而增強了感性認識，加深對教學內容的理解，改變人與計算機之間枯燥、生硬和被動的現狀，使學生能在虛擬的學習環境中扮演一個角色，全身心地投入學習環境中去，使學生陶醉于課程學習中。

[ 注 釋 ]

[1] 干建松.基于Unity3d的室內漫游仿真系統[J].淮陰師范學院學報（自然科學） ，2011（6） ：515-518.

[2] 閆海艇，高淑娟，洪玉玲.基于Unity 的虛擬現實技術在井下仿真中的應用[J] .煤礦安全，2013（8）：99-101.

[3] 倪樂波，戚鵬，遇麗娜，等.Unity3d 虛擬展示技術的研究與應用[J].數字技術與應用， 2010（12）：54-55.

[4] 陳洪，馬欽，朱德海.基于unity 3 d 的交互式虛擬農業仿真平臺研究[J].農機化研究，2012（3）：184-186.

[5] 李姝博.虛擬現實技術在職業教育中應用的理論研究[J].遼寧高職學報，2013（7）：13-15.

[6] 鄭培峰.虛擬現實技術在課件中的應用[J].福建廣播電視大學學報，2010（4）：93-95.

[責任編輯：鐘 嵐]