虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源的設(shè)計(jì)與研究

張凱　陳東方

摘要 虛擬仿真技術(shù)已廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、土木工程、軍事、化工、水利電力等科學(xué)與工程教育領(lǐng)域。虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)可以模擬微觀精密、宏觀復(fù)雜、貴重或高危的環(huán)境，讓學(xué)生在經(jīng)濟(jì)安全的環(huán)境中學(xué)習(xí)知識、開展實(shí)驗(yàn)。本文討論了虛擬仿真教學(xué)資源的構(gòu)建方法，將知識和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，分析了虛擬仿真教學(xué)資源的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，通過巖芯鉆機(jī)虛擬仿真教學(xué)資源的制作實(shí)例，分析討論了虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

關(guān)鍵詞 虛擬仿真 實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源 科學(xué)與工程教育

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.07.017

0引言

近年來，虛擬仿真技術(shù)被廣泛應(yīng)用于航空航天、醫(yī)療、土木工程、軍事、化工、水利電力等科學(xué)與工程教育領(lǐng)域。在這些領(lǐng)域中，有許多高溫高壓、有毒有害、易燃易爆的實(shí)驗(yàn)環(huán)境，給教師和學(xué)生的健康帶來極大的安全隱患。此外，還有很多實(shí)驗(yàn)耗材非常貴重，大量重復(fù)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)會導(dǎo)致資源的浪費(fèi)。虛擬仿真技術(shù)在教學(xué)培訓(xùn)領(lǐng)域的應(yīng)用有效的避免了這些傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)環(huán)境存在的不足，可以讓學(xué)生在經(jīng)濟(jì)安全的虛擬場景中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)和學(xué)習(xí)培訓(xùn)。

虛擬仿真技術(shù)應(yīng)用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、多媒體技術(shù)，構(gòu)建出真實(shí)逼真的三維場景和人性化的交互操作，讓學(xué)習(xí)知識的過程變得更加具有吸引力，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性。學(xué)生以第一人稱視角在三維場景漫游和操作，主動進(jìn)行更多的訓(xùn)練和學(xué)習(xí)，進(jìn)而有效提高實(shí)際動手能力。

本文介紹了虛擬仿真教學(xué)資源的制作方法，分析了虛擬仿真教學(xué)資源網(wǎng)絡(luò)平臺的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，進(jìn)一步從巖心鉆機(jī)虛擬仿真培訓(xùn)系統(tǒng)實(shí)例出發(fā)，探討了知識和三維模型的結(jié)合，以及虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)。

1虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源構(gòu)建模型

虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)資源是依據(jù)真實(shí)世界的學(xué)習(xí)對象制作得到，一方面需要考慮學(xué)習(xí)對象的知識內(nèi)涵，另一方面需要形象地表現(xiàn)出學(xué)習(xí)對象的形狀、材質(zhì)等特征。虛擬仿真教學(xué)實(shí)驗(yàn)資源制作的流程圖如圖1所示。

首先，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容選擇來自真實(shí)世界的建模目標(biāo)，通常這些對象具有一些性質(zhì)，如微觀精密、宏觀復(fù)雜、貴重或高危等。然后，針對建模目標(biāo)的知識和形狀兩個方面的屬性，選擇合適的三維建模軟件、虛擬現(xiàn)實(shí)軟件，以及面向?qū)ο箝_發(fā)工具制作虛擬仿真教學(xué)資源。

幾何模型可以通過Autodesk公司的3DS Max，Google公司的Sketchup等三維建模軟件制作模型，然后利用Unity3D、Virtools、Unreal、VRP等虛擬現(xiàn)實(shí)軟件添加三維場景漫游和人機(jī)交互等功能，進(jìn)一步還可以利用面向?qū)ο蟮募砷_發(fā)環(huán)境VisualStudio等進(jìn)行二次開發(fā)。由于需要把學(xué)習(xí)目標(biāo)蘊(yùn)含的知識點(diǎn)集成到系統(tǒng)中，因此需要根據(jù)教學(xué)內(nèi)容來設(shè)計(jì)軟件功能，完成虛擬仿真教學(xué)資源的設(shè)計(jì)制作。

2虛擬仿真教學(xué)資源網(wǎng)絡(luò)平臺

虛擬仿真教學(xué)資源可以采用瀏覽器服務(wù)器（BS，Browse/Server）的軟件架構(gòu)部署在校園網(wǎng)中，硬件設(shè)備通常包括數(shù)據(jù)庫服務(wù)器、應(yīng)用程序服務(wù)器，虛擬仿真教學(xué)資源服務(wù)器以及客戶端，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。這種基于Web模式的網(wǎng)絡(luò)平臺，使得客戶端只需要運(yùn)行Ⅲ、Chrome、Firefox等瀏覽器客戶端即可，通常需要安裝相應(yīng)的瀏覽器插件。教師和學(xué)生可以通過網(wǎng)絡(luò)在教室或?qū)嶒?yàn)室方便而高效地使用虛擬仿真教學(xué)資源。

3巖芯鉆機(jī)虛擬仿真教學(xué)培訓(xùn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

巖芯鉆機(jī)是巖心鉆探設(shè)備的一種，其主要用于金屬及非金屬固體礦產(chǎn)的普查與勘探，另外，也可用于工程地質(zhì)勘查，水文地質(zhì)調(diào)查，油氣田的普查和勘探以及水井鉆鑿等。巖芯鉆機(jī)的價(jià)格較昂貴，不可能為每個學(xué)生配備一臺進(jìn)行學(xué)習(xí)。此外，巖芯鉆機(jī)屬于重型機(jī)械設(shè)備，誤操作也將給學(xué)生和設(shè)備本身帶來較大的安全隱患。

我們選取了巖心鉆機(jī)作為建模對象，通過Autodesk公司的3DS max制作鉆機(jī)模型和三維場景。為了使巖芯鉆機(jī)模型看起來更加真實(shí)，我們拍照采集了真實(shí)鉆機(jī)的材質(zhì)貼圖，并通過全局和漫反射光照效果對模型進(jìn)行了烘焙。在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了鉆機(jī)操作、鉆進(jìn)過程等基礎(chǔ)動畫。

其次，我們選用中視典數(shù)字科技的VRP3D虛擬現(xiàn)實(shí)平臺，實(shí)現(xiàn)了相機(jī)的導(dǎo)航和切換，可以實(shí)現(xiàn)該三維場景的漫游、物體點(diǎn)選，繞物旋轉(zhuǎn)等交互。

最后，我們通過Microsoft公司的集成開發(fā)環(huán)境Visual Stu-dio進(jìn)行二次開發(fā)，與MS SQL Server關(guān)系數(shù)據(jù)庫相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)該虛擬仿真環(huán)境的設(shè)備信息維護(hù)、操作培訓(xùn)演示、考試考核等功能，如圖3所示。

4結(jié)語

虛擬仿真技術(shù)有效促進(jìn)了教育和培訓(xùn)的發(fā)展，虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)可以模擬微觀精密、宏觀復(fù)雜、貴重或高危的環(huán)境，學(xué)生可以在逼真的三維場景中獲得各類知識，基本概念、理論、技術(shù)，同時(shí)避免了真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境帶來的人身危險(xiǎn)和資源浪費(fèi)。虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)通過三維建模、交互制作、二次開發(fā)等步驟，將知識和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行有機(jī)結(jié)合。通過先進(jìn)的計(jì)算機(jī)圖形學(xué)技術(shù)、多媒體技術(shù)，讓學(xué)習(xí)知識的過程變得更加具有吸引力，極大地提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主觀能動性。