VR虛擬仿真實驗系統的設計與實現探討

薛巖

摘要：本文主要以VR虛擬仿真實驗系統的設計與實現為重點進行闡述，首先分析VR虛擬仿真實驗系統設計背景，其次從整體組成結構、功能設計、創設虛擬實驗模型、渲染三維模型、運作UI界面幾個方面深入說明并探討VR虛擬仿真實驗系統設計與實現的思路，進一步闡述VR虛擬仿真實驗系統的存在價值，讓教學過程順利進行，旨意在為相關研究提供參考資料。

關鍵詞：虛擬仿真;實驗系統;VR技術;設計思路

VR技術逐步成熟化發展，應用的范圍有所擴展，尤其是教育領域，依托VR技術的優勢強化教學成效。立足于VR技術的實際特征，結合課程結構體系與教學大綱需求，設計完整的VR虛擬仿真實驗系統，促使學生更多的掌握專業知識與技能。教師要借助此項技術給學生真實呈現仿真實驗過程，提供真實化的實驗設備操作場景，對學習內容充分展現，凸顯教學實踐的多樣性與靈活性。

一、VR虛擬仿真實驗系統設計背景

《事故管理與應急處置》是一門重要的課程，實驗過程的材料相對特殊，且設備數量匱乏，那么不能實現學生自主操作實驗。利用VR虛擬仿真系統，重現事故產生和發展過程，學生通過VR眼鏡了解多樣化的環境，開展目的性訓練活動，擴展學生對事故知識的掌握范圍。以往的課程教學，學生僅僅是死記硬背事故管理的關鍵點，不能真正掌握事故應急處置的原則，對應實踐技能培養需求提升。在虛擬仿真實驗系統的設計與實現上，學生產生身臨其境的感覺，在平時訓練中積累事故管理與處置的環節，發揮潛能適應事故處理對學生處理問題能力的需求，巧妙的處置應急事故，讓應急事故的處理成效不斷強化。對于“氯氣泄漏事故處置”實驗，明確仿真功能和實現流程，全面體現虛擬現實技術的優勢，學生可更多的了解氯氣理化特征、儲罐結構與事故處置的要點，針對性采取事故處置方案，提高教學有效性。并且借助VR虛擬實驗仿真系統，模擬經典事故的變動，組織學生參與人機交互學習流程，把自身置于突發場景與復雜場景，針對性的訓練知識技能，提升學生對事故危險性的掌握。

二、VR虛擬仿真實驗系統設計與實現的思路

（一）系統設計思路。1.整體組成結構。在設計“氯氣泄漏事故處置”教學活動中，設計的仿真實驗系統應包含30個學生，把五人或者六人劃分相同的小組，教師給學生介紹理論知識，確保理論知識和實踐操作互相結合，帶給學生一定的感知和真實體驗，樹立學生動手實踐意識，讓學生學習主觀能動性可提升。系統組成結構可劃分三個層面，第一個層面便是用戶操作、第二個層面便是虛擬場景、第三個層面便是數據存儲，實際情況如圖一。

其一是用戶操作層，操作層通過VR實踐過程引導學生進行動作，組織學生佩戴VR眼鏡加入課程活動，結合語言表示，學生利用VR眼鏡觸控板明確UI界面和場景內人物操作流程，利用生產辦公室得到液氯泄漏報警資料，隨后按照提示挑選防護裝備，完善液氯泄漏體系，收集廠房中毒人群的信息加以急救處理，全部的操作完成后，學生自主選取離開是否。其二是虛擬場景層，按照諸多游戲對象創設場景，游戲對象涉及界面固定，適當增加諸多組件，尤其是渲染、腳本、物理與位置等相關組件。嘗試改變界面外觀，在著色器的運用下渲染顯著的游戲對象成效。結合渲染元素畫布以及元素事件，構建3D虛擬場景。軟件Unity?3D元素比較多，即文本控件、布局組件、音頻組件、渲染組件與導航組件，控件科學規范搭配創設界面，體現VR虛擬仿真實驗系統的靈活性與科學性。其三是實驗信息存儲層，對于存儲層而言，其包含著學生實踐操作的所有行為數據，借助MySQL數據庫，能夠測評學生實驗內的報告信息與存儲信息，便于后階段教師把信息數據視作評估教學效率的依據，時效性優化試驗系統功能，內化實踐教學內容。

2.功能設計。其一是硬件系統，VR虛擬實驗系統應包含硬件系統，以智慧教室設備為主，學生學習時運用VR頭盔與眼鏡，通過電子設備和電子白板了解所學知識。教學過程中，相關硬件設備彼此之間配合，教師能夠充分講解操作的流程，讓學生自主解決問題。其二是軟件系統，即VR運用資源以及學習內容，開發對應的實踐活動與實訓內容，明確備課環節與授課環節，借助云端呈現知識體系，定時對課程資源的練習題進行發布，得到學生學習反饋信息。

（二）實現思路。1.創設虛擬實驗模型，在演示真實的環境中，依托實驗設備與實驗場景構建三維模型，利用軟件Solid?Works對模型進行構建，在Deep的轉換文件格式設置下把信息數據納入在3D資源文件庫內，完成實驗模型的創設。2.渲染三維模型，給予已經形成的三維模型，依托3D軟件渲染形式充分渲染，實現良好的美化操作。渲染工作有：辦公室中工作者渲染外關、裝備標注，即防化服設備、橡膠手套設備與呼吸器設備;液氯泄漏模塊內渲染儲罐、渲染儲罐附近環境、渲染廠房外風向標、渲染警戒標識。3.運作UI界面。VR虛擬仿真課程實踐，界面選取與人物設置以及設備選定，這些都是借助眼鏡呈現的，具體操作是移動界面中的光標與眼鏡觸控板，界面有課程標題模塊、防護裝備模塊、其他類型設備模塊、應急指令模塊、場景標識模塊與結束提示模塊。對眼鏡界面光標進行移動，促使其和UI界面充分重合，后續觸壓系統邊側的觸控板，落實界面選定。人物和設備的選擇，思考中毒人群、需要疏散人群、風向標項目、螺紋木塞的配置等，移動界面光標，讓光標和人物與設備模塊重合，后續觸壓觸控板，進行中毒人群疏散、廠房周圍人員轉移、儲罐泄漏處理、明確風向與噴淋稀堿溶液，由此完成VR技術的虛擬仿真實驗過程，提高課程教學的質量。

三、結束語

綜上所述，本次分析中進行VR虛擬仿真實驗系統設計，即便可初步落實基礎功能，在仿真實驗中結合實踐操作，可學生具體的應用和反饋中， 依舊呈現部分問題。教學內容的設計不夠全面化，系統僅僅支撐單人學習形式，不可實現多人同步操作目的，因此后期應深層次的整合與完善。

參考文獻：

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