三維虛擬教學實訓基地建設技術探討

劉振 楊雪蓉 馬長清

摘 ? 要：在高職院校現代化教育教學的進程中，著眼學生理論與實踐結合的能力的教學實訓基地建設一直是其基礎資源建設的重要組成部分，尤其是針對不同的專業人才培養如何建設示范性強、社會影響大、教學成果高產出的現代化實訓基地是高職院校發展亟待解決的問題。本文通過對當前三維虛擬現實技術進行研究和總結，探討將當前三維虛擬現實技術應用于教學實訓基地建設的方法和對未來三維虛擬教學實訓基地建設進行技術上的展望。

關鍵詞：三維虛擬教學 ?實訓基地 ?構建方法

中圖分類號：G712 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2020）02（b）-0223-02

高校實訓基地作為在校學生技能培養和技能創新的搖籃，在學校建設中舉足輕重。近年來，各高校從政策支持、資金投入及建設模式等方面積極規劃，力爭建設行業領先、國內一流的實訓基地。然而，在建設過程中發現，一些專業，尤其是新興專業人才培養的硬件設備采購和硬軟件的更新速度所需的建設資金遠遠超過實訓基地的建設預算資金，這就嚴重限制了高校實訓基地的建設規模和推進速度。三維虛擬技術的引入，對有限資金投入、技能型強和技術設備更新較快的專業實訓基地建設有著十分重要的現實意義。

1 ?三維虛擬現實技術相關概念

三維虛擬現實技術由于它完全符合人類獲取外界信息的生理因素，即人類習慣于先通過視覺效果來對信息進行直觀獲取，已成為當前計算機技術和信息技術發展的一個熱門研究方向。該技術是一種可以創建和體驗虛擬世界的計算機仿真系統，它利用計算機生成一種模擬環境，是一種多源信息融合的、交互式的三維動態視景和實體行為的系統仿真使用戶沉浸到該環境中的技術。在三維虛擬環境中，用戶可以完成漫游、量測、查詢和分析等交互操作，目前已廣泛應用于教育、醫療、交通、機械制造、城市規劃以及三維視景等行業。

2 ?三維虛擬技術

目前三維虛擬現實技術作為一種集成技術，在根據其應用特征可以分為：

（1）桌面虛擬現實技術。

該類型虛擬現實技術主要通過計算機或工作站進行三維場景仿真或建模，完成三維虛擬現實環境的構建，并通過計算機屏幕或投影的方式給參與者一個感知的三維窗口。同時通過外部輸入設備，如鼠標、操縱桿和3D立體眼鏡等實現與虛擬現實世界的充分交互。該三維虛擬技術在參與者與虛擬環境間的交互過程只是通過屏幕或投影觀察360度范圍內的虛擬境界，并操縱其中的物體，參與者容易受到周圍現實環境的干擾，缺少沉浸感與現實體驗。但是該技術的配置成本相對較低且易實現，因此在各行業應用比較廣泛。

（2）沉浸型虛擬現實技術。

沉浸型虛擬現實技術是一種高級虛擬現實系統，能給參與者提供一種置身于虛擬境界之中的感覺和完全沉浸的體驗。該技術通過對外部輸入設備與三維場景進行人工美學設計與集成，如頭盔式顯示器，把參與者的視覺、聽覺和其它感覺封閉起來，并提供一個新的、虛擬的感覺空間，并利用傳感器產品，如位置跟蹤器、數據手套等使得參與者產生一種身臨其境、全心投入和沉浸其中的感覺。利用這一技術能模仿許多高成本的、危險的真實環境用于實驗數據采集與分析。其主要應用在較大型項目解決方案，如虛擬教育、數據和模型的可視化、軍事仿真訓練、工程設計、城市規劃等方面。

（3）增強型虛擬現實技術。

該技術是指利用計算機產生的虛擬信息對用戶所觀察的真實環境進行融合，真實環境和虛擬物體實時地疊加到了同一個畫面或空間同時存在，拓展和增強用戶對周圍世界的感知的一種虛擬現實技術。該技術區別于傳統的虛擬現實技術，傳統虛擬現實技術強調將用戶的感官與現實世界絕緣而沉浸在一個完全由計算機所控制的信息空間之中，而增強型虛擬現實技術則強調將計算機產生的虛擬環境信息與真實環境融為一體，從而增強用戶對真實環境的理解。其目前主要應用側重于輔助教學與培訓、醫療研究與解剖訓練、軍事偵察及作戰指揮、精密儀器制造和維修、遠程機器人控制、娛樂等領域。

（4）分布式虛擬現實技術。

分布式虛擬現實技術是單用戶虛擬現實技術發展的網絡化、多用戶化。較單個用戶在虛擬環境中的漫游、與虛擬環境及其中的物體進行交互，該技術旨在將不同的局部虛擬環境通過空間關聯以構造大范圍的虛擬環境，多個用戶通過計算機網絡連接在一起，同時參與到該虛擬環境中來，共同體驗虛擬經歷，共同對同一虛擬世界進行觀察和操作，以達到協同工作和共享信息的目的。當前分布式虛擬現實技術在遠程教育、科學計算可視化、工程技術、建筑、電子商務、交互式娛樂、藝術等領域都有著極其廣泛的應用前景。

3 ?三維虛擬教學實訓基地的構建方法

本文通過對三維虛擬現實技術進行總結與分析，結合專業教學實訓基地功能需求，在虛擬教學實訓基地的構建方法上進行了以下幾方面的總結。

（1）三維虛擬教學實訓基地建設必須進行系統設計。

專業實訓基地的建設必須進行系統設計，確定實訓基地項目功能主題，緊扣主題進行項目分類，確定實訓基地整體建設方案和實訓基地具體實訓項目與三維虛擬現實技術的結合點和創新點，解決項目實訓基地“為什么需要引入三維虛擬現實技術”，“引入新技術較傳統實現方式的優勢在哪里”等焦點問題。

（2）三維虛擬教學實訓基地虛擬現實技術平臺的確定

三維虛擬教學實訓基地系統設計完成后，根據建設方案，根據實訓基地教學功能進行三維虛擬現實技術平臺的比選。比選的主要因素應該是實訓室功能主題、實訓基地現有硬軟件條件、實訓基地布局、實訓基地建設的前瞻性、實訓基地實訓項目的操作性與效果和技術平臺的性價比等，尤其是實訓項目功能的三維虛擬互動操作性。總之，根據實訓基地建設要求，選擇合適的技術平臺十分關鍵。

（3）三維虛擬教學實訓基地虛擬教學資源的模塊化設計。

基于三維虛擬技術進行實訓基地建設，最終目的是為了更好地提高實訓教學效果，讓一些傳統實訓教學無法實現或實現起來較困難的實訓項目通過虛擬現實技術展現或者交互操作來實現。在虛擬教學實訓基地中，應該對每一個實訓項目進行教學資源，如教學設計、教學條件和虛擬教學所需數據模型等進行模塊化設計，讓每一個實訓項目成為一個成功的實訓案例。

4 ?三維虛擬教學實訓基地展望

三維虛擬現實技術在教育教學領域，尤其是在三維虛擬教學實訓基地建設方面的應用在將來肯定是大有可為的。三維虛擬教學實訓基地的建設，不僅能滿足傳統實訓教學項目實踐要求，而且在傳統實訓基地不能進行實踐的項目上提供了可行性。同時也解決了高職院校實訓基地在建設周期中面臨的因技術變革或崗位技能變化而造成的一投入就落后現場的建設難題，避免造成建設資金浪費和硬件的重復建設。

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