虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建過程探索

摘 要：對(duì)虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的相關(guān)特性進(jìn)行了對(duì)比，指出虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)的顯著優(yōu)勢(shì)。并進(jìn)一步描述了虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)的基本構(gòu)建過程與實(shí)施方法。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí) 實(shí)訓(xùn) 職業(yè)教育

中圖分類號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1674-098X（2014）05（b）-0123-02

實(shí)訓(xùn)一直都是職業(yè)教育相關(guān)學(xué)科中的重要活動(dòng)之一，通過實(shí)訓(xùn)手段不僅可以促進(jìn)學(xué)生對(duì)理論知識(shí)的鞏固，更可提高學(xué)生探索科學(xué)知識(shí)的能力，增強(qiáng)創(chuàng)新能力。然而，當(dāng)前實(shí)訓(xùn)方面存在的諸多難題卻嚴(yán)重限制了教學(xué)質(zhì)量的提高，由于真實(shí)實(shí)訓(xùn)設(shè)備和儀器的多樣化、易損耗性、昂貴性，都導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)成本過高，甚至傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)在空間和時(shí)間上的限制也可能無法滿足大量學(xué)生同時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的需要。為緩解實(shí)驗(yàn)教學(xué)的壓力，解決實(shí)驗(yàn)教學(xué)的困境，提高教學(xué)質(zhì)量，需采用新的教學(xué)思路，先進(jìn)的技術(shù)手段對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)進(jìn)行改革。而日瑧成熟的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，由于其技術(shù)特性，正迎合了實(shí)驗(yàn)教學(xué)的需要，基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用的多媒體教學(xué)系統(tǒng)，已在教育領(lǐng)域獲得逐步運(yùn)用及發(fā)展。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實(shí)概念最早于20世紀(jì)60年代由哈佛大學(xué)的學(xué)者Sutherland I.E.提出構(gòu)想，至80年代初由Jaron Lanier正式提出Virtual Reality一詞。1993年，Burdea G提出了針對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的3I，被認(rèn)為是對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的準(zhǔn)確描述。這3I即是沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和構(gòu)想性（Imagination）。按學(xué)者J.Laniar的說法，虛擬現(xiàn)實(shí)又稱假想現(xiàn)實(shí)，意味著“用電子計(jì)算機(jī)合成的人工世界”。國(guó)內(nèi)張金釗等將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要分為五類：（1）沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，（2）分布式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，（3）桌面式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，（4）純軟件虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（也稱大眾化模式），（5）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）（也稱混合現(xiàn)實(shí)）。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特性使得它不僅僅可以被應(yīng)用于當(dāng)前蓬勃發(fā)展的互動(dòng)游戲產(chǎn)業(yè)，而且在科技開發(fā)、國(guó)防安全、工程設(shè)計(jì)、商業(yè)展示，及文化教育等重要領(lǐng)域越發(fā)顯現(xiàn)出其重要作用。

目前，在教育與培訓(xùn)領(lǐng)域基于虛擬現(xiàn)實(shí)的防真系統(tǒng)研究，多數(shù)以教學(xué)培訓(xùn)為目標(biāo)，多屬于純軟件虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)型應(yīng)用，在國(guó)內(nèi)高等院校的交通專業(yè)、機(jī)械專業(yè)、設(shè)計(jì)專業(yè)、醫(yī)學(xué)專業(yè)、藝術(shù)專業(yè)，以及旅游專業(yè)等均有廣泛應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)通常應(yīng)用于視景仿真、結(jié)構(gòu)展示、故障模擬、維修實(shí)踐、流程演練等方面的技能訓(xùn)練，能使學(xué)生更好地感受、理解知識(shí)的產(chǎn)生和發(fā)展過程，讓枯燥的理論知識(shí)變得形象，易于理解，強(qiáng)化學(xué)生對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的認(rèn)知。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育教學(xué)相結(jié)合，能在實(shí)踐教學(xué)中獲得良好收益，并能引起教育教學(xué)方式的改革，全面提升教育教學(xué)質(zhì)量。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其獨(dú)特的魅力必將在未來教育領(lǐng)域進(jìn)一步拓展其深度和廣度，在教學(xué)平臺(tái)建設(shè)中引入虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用是不可缺少的，也是系統(tǒng)構(gòu)建的中心內(nèi)容。

2 虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)與傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)特性比較

實(shí)訓(xùn)教學(xué)主要包括四方面內(nèi)容：定義實(shí)訓(xùn)目的和內(nèi)容、選擇實(shí)訓(xùn)器材、確定實(shí)驗(yàn)過程和實(shí)訓(xùn)結(jié)果評(píng)估。傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)與虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)最大的區(qū)別在于實(shí)訓(xùn)器材、實(shí)訓(xùn)過程體驗(yàn)感兩個(gè)方面的不同。傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)在教具器材方面的真實(shí)感、實(shí)驗(yàn)過程的沉浸感都較強(qiáng)。虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)在這兩方面具有先天的不足，但其所具有的虛擬性、實(shí)踐性卻賦予了它獨(dú)特的優(yōu)越性，虛擬教學(xué)可拓寬學(xué)習(xí)的時(shí)間、空間，突破學(xué)員數(shù)量的限制，并能強(qiáng)化學(xué)員對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)過程的認(rèn)知，且具有較強(qiáng)的可重復(fù)性。傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)教學(xué)與虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)的主要特性比較參見表1所示。

通過兩者各項(xiàng)特性指標(biāo)的對(duì)比，顯示出虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)的顯著優(yōu)勢(shì)，其綜合成本低、效率高、安全性高、功能全面、共享性強(qiáng)等特點(diǎn)。隨著計(jì)算機(jī)多媒體技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，虛擬實(shí)訓(xùn)應(yīng)用會(huì)逐步克服其不足之處，并向網(wǎng)絡(luò)化、專業(yè)化、高逼真化方向發(fā)展。

3 虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建過程

聯(lián)合國(guó)教科文組織（UNESCO）將“虛擬實(shí)驗(yàn)”定義為利用分散的信息和通信技術(shù)在科研和其他的創(chuàng)造性活動(dòng)中進(jìn)行遠(yuǎn)距離合作和實(shí)驗(yàn)的一種電子協(xié)作過程。從虛擬實(shí)驗(yàn)室的功能角度，學(xué)者們將其表述這：虛擬實(shí)驗(yàn)室是一個(gè)創(chuàng)造和引導(dǎo)虛擬實(shí)驗(yàn)的交互環(huán)境，它由實(shí)驗(yàn)所依賴的模擬程序、實(shí)驗(yàn)單元、工具和參考資料組成。虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)自然屬于“虛擬實(shí)驗(yàn)”的廣義范疇之內(nèi)。所構(gòu)建的系統(tǒng)需具備沉浸感、交互性和構(gòu)想性三個(gè)方面的特點(diǎn)。

該文所闡述的虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)，指純軟件虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)型的應(yīng)用系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的研發(fā)，可遵循以下步驟：需求分析、功能設(shè)計(jì)、數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)、開發(fā)實(shí)現(xiàn)、驗(yàn)證評(píng)估。

3.1 需求分析

包括課程需要分析、實(shí)訓(xùn)需求分析，不同專業(yè)不同課程的實(shí)訓(xùn)特點(diǎn)不同，所設(shè)實(shí)訓(xùn)任務(wù)的性質(zhì)也有所不同，可區(qū)分為知識(shí)認(rèn)知型實(shí)訓(xùn)、綜合設(shè)計(jì)型實(shí)訓(xùn)等。知識(shí)認(rèn)知型實(shí)訓(xùn)目標(biāo)是讓學(xué)員體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)操作過程，執(zhí)行步驟較為確定；綜合設(shè)計(jì)型實(shí)訓(xùn)目標(biāo)是訓(xùn)練學(xué)員進(jìn)行業(yè)務(wù)流程、管理規(guī)程等方面的認(rèn)知演練。

3.2 功能設(shè)計(jì)

必須要實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)、教學(xué)元素設(shè)計(jì)（包括2D、3D模型、資料等元素）、教學(xué)信息管理、教學(xué)任務(wù)設(shè)計(jì)，以及教學(xué)成績(jī)管理等功能。功能設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)是虛擬實(shí)訓(xùn)展開的“實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所”，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)計(jì)的優(yōu)劣，是虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)是否具備“沉浸感”的重要評(píng)判，實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景通常以3D建模的方式實(shí)現(xiàn)。系統(tǒng)交互設(shè)計(jì)涉及到計(jì)算機(jī)技術(shù)、圖形藝術(shù)、用戶體驗(yàn)等多領(lǐng)域的知識(shí)，具體指人機(jī)接口、用戶界面、人機(jī)交互方面設(shè)計(jì)，是“交互性”特性的重要體現(xiàn)。教學(xué)任務(wù)設(shè)計(jì)指實(shí)訓(xùn)過程、實(shí)訓(xùn)步驟、實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)方面的設(shè)計(jì)，總終形成系統(tǒng)腳本庫，腳本用于驅(qū)動(dòng)模型的構(gòu)建、連接和運(yùn)轉(zhuǎn)等。教學(xué)信息管理功能是服務(wù)于實(shí)訓(xùn)教學(xué)并對(duì)實(shí)訓(xùn)資源和結(jié)果等信息的管理，如用戶信息管理、教學(xué)資源的增刪改操作、瀏覽分類匯總、結(jié)果發(fā)布等功能。教學(xué)成績(jī)管理指學(xué)員成績(jī)的跟蹤與記錄以及匯總評(píng)價(jià)功能。

3.3 數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)教學(xué)元素設(shè)計(jì)主要包括虛擬實(shí)訓(xùn)器具的設(shè)計(jì)、掛圖模型的設(shè)計(jì)，虛擬器具的設(shè)計(jì)至少包括器具的幾何模型和數(shù)學(xué)模型，幾何模型是真實(shí)設(shè)備的逼真化體現(xiàn)，數(shù)學(xué)模型則是真實(shí)設(shè)備變化規(guī)律的體現(xiàn)，幾何模型通常采用3D建模的方式，數(shù)學(xué)模型則采用數(shù)學(xué)建模的方式。各類教學(xué)元素的總合最終可構(gòu)建一致的模型數(shù)據(jù)庫，模型數(shù)據(jù)主要包含空間結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)、物理屬性數(shù)據(jù)、行為屬性、動(dòng)力及運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)等。

3.4 開發(fā)實(shí)現(xiàn)

數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的開發(fā)實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜，建模首先涉及到種類繁多的模型數(shù)據(jù)，幾何模型的實(shí)現(xiàn)主要依據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)，借助建模軟件，如AutoCAD、3DMax等，利用人工制造的方式予以實(shí)現(xiàn)。數(shù)學(xué)模型的開發(fā)則更為復(fù)雜，通常需采用實(shí)驗(yàn)分析、物理仿真、歸納抽象等方式，利用數(shù)學(xué)建模軟件，如MATLAB、Modelica等，最終建立起出用于描述模型變化規(guī)律的數(shù)學(xué)方程式，例如根據(jù)模型的運(yùn)動(dòng)方程，可獲得該模型的運(yùn)動(dòng)速度和位置數(shù)據(jù)。通常為了降低模型開發(fā)實(shí)現(xiàn)的難度，除非要求異常精準(zhǔn)的模型運(yùn)動(dòng)活動(dòng)，在精度要求不高的實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)模型常采用抽象、簡(jiǎn)化的方法進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。

虛擬實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的場(chǎng)景與交互實(shí)現(xiàn)，需借助專業(yè)的技術(shù)或平臺(tái)軟件，目前流利的3D虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺(tái)有：國(guó)外Virtools公司的Virtools平臺(tái)、荷蘭Act3D 公司Quest3D平臺(tái)、Unity Technologies公司的Unity3D平臺(tái)、Cycore公司的Cult3D平臺(tái)，國(guó)內(nèi)中視典的VR-Platform平臺(tái)、曼恒數(shù)字的DVS3D（Design Virtual Reality Simulation）平臺(tái)、以及開源領(lǐng)域的OGRE（Open Source 3D Graphics Engine）和ODE（Open Dynamics Engine，開源動(dòng)力引擎）等平臺(tái)。上述開發(fā)平臺(tái)都擁有人機(jī)界面的設(shè)計(jì)能力、3D場(chǎng)景和模型渲染展示的能力，以及腳本交互控制能力。此外，目前運(yùn)行于互聯(lián)網(wǎng)的Java3D技術(shù)、VRML技術(shù)、Flash/Flex技術(shù)等也屬于構(gòu)建基本虛擬實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)的簡(jiǎn)單而高效的手段。

3.5 驗(yàn)證評(píng)估

教學(xué)平臺(tái)建設(shè)后，需要對(duì)平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，根據(jù)實(shí)訓(xùn)目標(biāo)，評(píng)估實(shí)驗(yàn)是否滿足教學(xué)要求。通過一系列的測(cè)試評(píng)估，包括功能測(cè)試、性能測(cè)試，以及兼容性測(cè)試。功能測(cè)試主要根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，對(duì)實(shí)訓(xùn)功能進(jìn)行測(cè)試；性能測(cè)試主要是系統(tǒng)能否能流暢運(yùn)行，兼容性測(cè)試主要是平臺(tái)與其它軟、硬件接口的測(cè)試，以及瀏覽器方面的兼容性。

4 實(shí)施方法

4.1 需求分析階段須明確實(shí)訓(xùn)目標(biāo)和內(nèi)容

在需求分析階段就須規(guī)劃教學(xué)的科目分類、各課程目標(biāo)、教學(xué)環(huán)節(jié)、不同目標(biāo)匹配的教學(xué)方式等。

4.2 基本教學(xué)元素的構(gòu)建方式

基本教學(xué)元素是系統(tǒng)數(shù)據(jù)層的核心內(nèi)容，特點(diǎn)是設(shè)計(jì)與制作成本較高、周期較長(zhǎng)，且具有復(fù)雜的專業(yè)難度。由院校自身完成全部元素的設(shè)計(jì)工作并不現(xiàn)實(shí)，最佳獲取方式是根據(jù)對(duì)教學(xué)科目和內(nèi)容的規(guī)劃，與院校與院外專業(yè)的設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)合作，按需定制研發(fā)，才可使其性價(jià)比最大化。除此之外，通過互聯(lián)網(wǎng)一些模型發(fā)布網(wǎng)站也可下載免費(fèi)或收費(fèi)的專業(yè)模型作為教學(xué)元素來源的重要補(bǔ)充。

4.3 實(shí)施過程選擇

系統(tǒng)具體的研發(fā)工作，涉及到計(jì)算機(jī)信息化研發(fā)相關(guān)的專業(yè)技能，最佳模式是由院校自身組織需求開發(fā)的教學(xué)團(tuán)隊(duì)，結(jié)合外部研發(fā)實(shí)現(xiàn)的專業(yè)團(tuán)隊(duì)，共同設(shè)計(jì)，分步實(shí)現(xiàn)，才能最好的掌控教學(xué)需要與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的最優(yōu)整合狀態(tài)。

5 結(jié)語

虛擬實(shí)訓(xùn)應(yīng)用是學(xué)生課前預(yù)習(xí)、校內(nèi)實(shí)踐、課后復(fù)習(xí)，以及老師輔助教學(xué)的有效工具，以虛擬實(shí)訓(xùn)應(yīng)用構(gòu)成的整體虛擬實(shí)驗(yàn)室也是實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革以及遠(yuǎn)程教育發(fā)展的強(qiáng)力支撐。虛擬實(shí)訓(xùn)的應(yīng)用能滿足現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展要求，具有廣闊的發(fā)展前景。

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