虛擬現實技術在氣象專業實訓教學中的應用＊

段云峰

（蘭州資源環境職業技術學院，甘肅 蘭州730000）

1 研究背景及意義

1.1 研究背景

根據國家《教育信息化十年發展規劃（2011—2020 年）》，要求高等職業院校要深入推進信息技術與高等教育實驗實訓教學的深度融合。而當前虛擬現實技術的應用讓虛擬仿真進入了一個新的時代，不僅如此，教育部也越來越重視高校在虛擬現實技術、人工智能等方面的學科建設和人才培養。同時，根據國務院關于《國家職業教育改革實施方案》，要求職業院校完善職業教育和培訓體系，進一步推進現代信息技術在職業教育教學過程中的應用，優化學校專業布局，加強實訓條件建設，適應“互聯網+職業教育”發展要求，運用現代信息技術，改進教學方式方法，推進虛擬工廠等網絡學習空間的建設和普遍應用。

1.2 研究意義

信息技術領域的飛速發展，極大地改變了人們的生活和工作方式，虛擬現實技術（Virtual Reality，以下簡稱VR）作為該領域的一項最新技術，已成為教育應用中的一大熱點。在職業教育領域，VR 對改善教學環境、提高學生技能水平都將起到積極作用，在職業教育領域有著極好的應用前景[1]。此外，目前國內高校對氣象類課堂應用VR 教學模式的研究很少。然而，職業教育在實踐性課程中一直都比較重視學生的綜合實踐能力，本課題的研究在一定意義上將填補了校本教材和當前氣象類專業實踐課程教學中VR 教學模式的空白，具有一定的現實意義。

2 職業教育實訓教學存在的問題

目前傳統的實訓教學在職業院校的開展已經普遍化、常規化，但同時也可以看到，在職業教育發展的今天，傳統的實訓教學也暴露出諸多問題：①實訓內容與社會實際需求錯位，實訓課程不能根據崗位需求的變化及時調整，實訓項目不能結合社會企業對人才的技能要求進行設計和啟動，已經很難適應當前社會經濟發展對人才的要求。②缺乏實訓建設項目資金。一些實訓項目的建設需要復雜的設備、昂貴的原材料和大量的材料，導致許多實訓項目由于缺少經費支持而流于形式。③實訓條件有待改善。實訓場地的建設與學校的發展規模不適應，實訓設備不足，技術落后，更新速度慢，這些都會降低實踐教學的有效性。④實訓操作中的安全問題。傳統實訓教學仍存在一定的安全隱患。教師方面，一個教師不能同時顧及全部的學生，所以，很難充分關注每個學生操作中存在的安全隱患問題。學生方面，由于缺乏安全意識、自我保護意識和風險防范意識，粗心操作和不規范操作也可能導致安全事故發生；此外，一些學生過于重視安全問題，忽視了專業技能培訓的重要性，不敢進行實訓，錯過了很多實訓機會[2]。

3 虛擬現實技術在職業教育實訓教學中的優勢

虛擬現實實訓是通過軟件操作來模擬實訓過程的，從而得出仿真結果。氣象專業課程使用虛擬現實技術與傳統實訓相比具有以下優勢。

3.1 打造沉浸教學體驗，創新教學模式

通過引入VR/AR[3]技術及配套的教學資源，搭建高度逼真的全新實訓教學環境，為師生帶來全新的沉浸式教學體驗。解決學校實訓教學面臨的應用管理難、開放共享難、創新難、可持續可擴展性弱、資源利用率低下等困境，而且能夠為涉及高危或極端的環境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或綜合訓練等提供可靠、安全和經濟的實訓項目，滿足學校多學科專業的虛擬仿真教學實訓需求，為教師提供嶄新的教學手段和教學方式。

3.2 豐富課堂教學內容、提升學生學習效果

應用虛擬現實技術還可恰如其分地演示一些復雜、抽象、不宜直接觀察的自然過程和現象，全方位、多角度地展示虛擬情境下的教學內容，從而極大豐富課堂的教學內容。虛擬現實技術具有沉浸性、交互性、感知性，實驗者能夠進行友好人機交互，真實感受互動的實驗過程，身臨其境地進行實驗操作，滿足學生全方位實訓需求，還可以為學生開創全新的沉浸式學習情景，調動學生的積極性，為教師提供嶄新的教學手段，豐富課堂教學內容，提升了教師的教學效果。

3.3 創新人才培養模式，培育高端人才

著眼產業及行業發展，依托學校自身的專業資源，建立VR 實訓創新中心，打造人才培養的“第一課堂”，真正實現以產業發展為主進行人才培養，沖出人才短缺的困境，分層培養復合型、管理型、技術型等不同類型的人才，為區域和國家產業發展輸送急需的技術技能人才。

3.4 節約有限的教育成本

虛擬現實實訓以虛擬現實一體機為載體，同一設備可以完成不同課程、實訓項目的虛擬仿真。大多數課程可以在虛擬實驗室中進行，大多數的技能可以在虛擬實訓車間中進行訓練，可以解決教學中因為實驗設備、實驗場地、教學經費等方面的原因而無法進行的教學實驗，虛擬訓練又可避免實驗實訓設備的損壞，相對于現實中的實訓儀器設備出現故障和損壞的概率更低，極大地降低了實訓的成本。

3.5 實訓內容靈活、安全性高

學生在沒有熟練掌握操作流程的情況下，實際操作很容易產生人機傷害，這樣就給實訓室埋下了極大的安全隱患。虛擬現實實訓可以避免上述問題，虛擬設備不會對人機造成任何傷害。虛擬系統會自動提示錯誤操作，學生在實際操作前通過虛擬過程直觀了解了一些操作上的注意事項，在一定程度上指導了實際操作，規范了實際操作流程。

4 VR 系統及開發工具

虛擬現實技術的根本目的是要達到如臨其境的真實體驗和基于現實技能的人機交互，一個典型的VR 系統主要由計算機軟、硬件系統（包括VR 軟件和VR 軟件數據庫）和VR 輸入、輸出等輔助設備組成[3]。根據虛擬現實系統在沉浸性、交互性的不同以及用戶使用的范圍大小不同，將其分為桌面式、沉浸式、增強式和分布式四類。

在軟件開發方面，采用建模工具3ds Max 和虛擬現實制作工具Virtools、Cult3D 軟件、Unity3D[4]等開發實驗實訓教學的三維虛擬部分，把虛擬實訓系統作為一個整體，將其分為模型建構和實訓交互功能等模塊，通過相關技術逐步實現各個模塊、模型的開發創建，最后集成為一個完整的虛擬實訓教學系統。

5 VR 教學資源開發

以蘭州資源環境職業技術學院氣象學院為例，蘭州資源環境職業技術學院氣象學院所有班級開設的專業基礎課程大多為實踐課，諸如地面氣象觀測、高空大氣探測、氣象裝備保障與維護、防雷技術、氣象服務等，目前，氣象專業學生有1 200 余人，都要學習“自動站維護與維修”“臺站氣象裝備保障”“天氣雷達原理與維護”等課程，為了提高氣象專業學生的實訓效率和實訓質量，建立氣象虛擬現實實訓中心，配套VR 硬件設備，搭載氣象雷達、自動氣象站VR教學及實訓軟件及課程資源，實現展示、體驗、教學、實訓、共享的一體化，迫在眉睫。

5.1 氣象雷達（L 波段雷達）VR 教學及實訓軟件開發

氣象雷達（L 波段雷達）VR 教學及實訓軟件將對L 波段雷達6 部分硬件進行1∶1 建模，以動畫特效手段實現L波段雷達的原理、結構、功能方面的教學，并對該軟件的功能模塊設計相應的考核系統。通過氣象雷達（L 波段雷達）VR 教學及實訓軟件進行實訓，可完善L 波段探測雷達的日常維護方法，熟練掌握和靈活運用其檢修方法和技巧進行分析判斷，可以縮短排除故障的時間、提高檢修效率，并提高L 波段雷達運行的可靠性和數據可用性。

5.2 自動氣象站VR 教學及實訓軟件開發

自動氣象站VR 教學及實訓軟件，可實現氣壓、溫度、濕度、風向、風速、雨量等傳感器及采集器的工作原理、結構、功能、操作、安裝調試、維護維修方面的教學，每個功能模塊設計相應的考核系統。通過自動氣象站VR 教學及實訓軟件教學，學生可熟悉掌握自動氣象站儀器設備的結構、工作原理，熟悉儀器設備的保障及維護工作，進而為保證觀測數據質量和資料及時傳輸打下基礎。采用“虛實結合”的方法，結合全流程、高度仿真的實訓場景，學生在虛擬環境中不受時間、空間的制約，可以隨時隨地地進入實訓室進行虛擬仿真操作，最大化利用教學資源。

6 結論與展望

通過分析論證，氣象虛擬現實實訓中心的建立完全可行，除了可以完成雷達及自動站的虛擬仿真實訓外，氣象虛擬現實實訓中心的建立還可以有效解決傳統實訓中存在的很多問題，比如目前人工影響天氣作為氣象服務的重要組成部分，因為受安全因素的制約不能完成實踐，觀測場地不能隨著氣象部門標準化建設的要求進行儀器的安裝；遇到雨雪等惡劣天氣，一些室外實訓課程不能順利進行。未來，城市規劃[5]、安防、軍事以及一些高危行業也將出現VR 的身影，人們通過參與由VR 技術建立的各種培訓，將減少生產作業中的各種風險，保護人身安全。讓培訓人員在感官享受的技術輔助下，將被動學習轉變成主動學習，將厭倦課堂變成享受課堂，并在這種探究式的學習方式中獲取知識，培養新思維，孕育創新力。