虛擬仿真實驗教學資源的設計與研究

張凱　陳東方

摘要 虛擬仿真技術已廣泛應用于航空航天、醫療、土木工程、軍事、化工、水利電力等科學與工程教育領域。虛擬仿真教學系統可以模擬微觀精密、宏觀復雜、貴重或高危的環境，讓學生在經濟安全的環境中學習知識、開展實驗。本文討論了虛擬仿真教學資源的構建方法，將知識和虛擬現實技術進行有機結合，分析了虛擬仿真教學資源的系統結構，通過巖芯鉆機虛擬仿真教學資源的制作實例，分析討論了虛擬仿真教學實驗系統的功能設計和實現。

關鍵詞 虛擬仿真 實驗教學資源 科學與工程教育

中圖分類號：G642 文獻標識碼：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.07.017

0引言

近年來，虛擬仿真技術被廣泛應用于航空航天、醫療、土木工程、軍事、化工、水利電力等科學與工程教育領域。在這些領域中，有許多高溫高壓、有毒有害、易燃易爆的實驗環境，給教師和學生的健康帶來極大的安全隱患。此外，還有很多實驗耗材非常貴重，大量重復的教學實驗會導致資源的浪費。虛擬仿真技術在教學培訓領域的應用有效的避免了這些傳統實驗環境存在的不足，可以讓學生在經濟安全的虛擬場景中進行實驗和學習培訓。

虛擬仿真技術應用先進的計算機圖形學技術、多媒體技術，構建出真實逼真的三維場景和人性化的交互操作，讓學習知識的過程變得更加具有吸引力，極大地提高了學生的學習興趣和主動性。學生以第一人稱視角在三維場景漫游和操作，主動進行更多的訓練和學習，進而有效提高實際動手能力。

本文介紹了虛擬仿真教學資源的制作方法，分析了虛擬仿真教學資源網絡平臺的系統結構，進一步從巖心鉆機虛擬仿真培訓系統實例出發，探討了知識和三維模型的結合，以及虛擬仿真教學實驗系統的功能設計和實現。

1虛擬現實教學資源構建模型

虛擬現實教學資源是依據真實世界的學習對象制作得到，一方面需要考慮學習對象的知識內涵，另一方面需要形象地表現出學習對象的形狀、材質等特征。虛擬仿真教學實驗資源制作的流程圖如圖1所示。

首先，根據教學內容選擇來自真實世界的建模目標，通常這些對象具有一些性質，如微觀精密、宏觀復雜、貴重或高危等。然后，針對建模目標的知識和形狀兩個方面的屬性，選擇合適的三維建模軟件、虛擬現實軟件，以及面向對象開發工具制作虛擬仿真教學資源。

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等虛擬現實軟件添加三維場景漫游和人機交互等功能，進一步還可以利用面向對象的集成開發環境VisualStudio等進行二次開發。由于需要把學習目標蘊含的知識點集成到系統中，因此需要根據教學內容來設計軟件功能，完成虛擬仿真教學資源的設計制作。

2虛擬仿真教學資源網絡平臺

虛擬仿真教學資源可以采用瀏覽器服務器（BS，Browse/Server）的軟件架構部署在校園網中，硬件設備通常包括數據庫服務器、應用程序服務器，虛擬仿真教學資源服務器以及客戶端，其系統結構如圖2所示。這種基于Web模式的網絡平臺，使得客戶端只需要運行Ⅲ、Chrome、Firefox等瀏覽器客戶端即可，通常需要安裝相應的瀏覽器插件。教師和學生可以通過網絡在教室或實驗室方便而高效地使用虛擬仿真教學資源。

3巖芯鉆機虛擬仿真教學培訓系統設計與實現

巖芯鉆機是巖心鉆探設備的一種，其主要用于金屬及非金屬固體礦產的普查與勘探，另外，也可用于工程地質勘查，水文地質調查，油氣田的普查和勘探以及水井鉆鑿等。巖芯鉆機的價格較昂貴，不可能為每個學生配備一臺進行學習。此外，巖芯鉆機屬于重型機械設備，誤操作也將給學生和設備本身帶來較大的安全隱患。

我們選取了巖心鉆機作為建模對象，通過Autodesk公司的3DS max制作鉆機模型和三維場景。為了使巖芯鉆機模型看起來更加真實，我們拍照采集了真實鉆機的材質貼圖，并通過全局和漫反射光照效果對模型進行了烘焙。在此基礎上實現了鉆機操作、鉆進過程等基礎動畫。

其次，我們選用中視典數字科技的VRP3D虛擬現實平臺，實現了相機的導航和切換，可以實現該三維場景的漫游、物體點選，繞物旋轉等交互。

最后，我們通過Microsoft公司的集成開發環境Visual Stu-dio進行二次開發，與MS SQL Server關系數據庫相結合，實現該虛擬仿真環境的設備信息維護、操作培訓演示、考試考核等功能，如圖3所示。

4結語

虛擬仿真技術有效促進了教育和培訓的發展，虛擬仿真教學系統可以模擬微觀精密、宏觀復雜、貴重或高危的環境，學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，同時避免了真實實驗環境帶來的人身危險和資源浪費。虛擬仿真教學系統通過三維建模、交互制作、二次開發等步驟，將知識和虛擬現實技術進行有機結合。通過先進的計算機圖形學技術、多媒體技術，讓學習知識的過程變得更加具有吸引力，極大地提高了學生的學習興趣和主觀能動性。