多學(xué)科虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的研究與構(gòu)建

林勝青

摘要：信息社會(huì)科技發(fā)展迅猛，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在很多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在高校教育中一些復(fù)雜的操作和實(shí)踐過(guò)程如果用虛擬現(xiàn)實(shí)的方式體現(xiàn)，可以大大提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性和效率。文章闡述虛擬技術(shù)在實(shí)踐課程教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)，提出虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建的思路及系統(tǒng)架構(gòu)，從虛擬技術(shù)在實(shí)踐課程上的應(yīng)用環(huán)境角度進(jìn)行研究。成功搭建虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，為后續(xù)多學(xué)科互動(dòng)實(shí)驗(yàn)的深入研究提供了必要的條件。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí) VR 實(shí)踐教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP391.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2016）12-0072-02

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式對(duì)人類的發(fā)展貢獻(xiàn)巨大，而隨著信息技術(shù)的快速發(fā)展，信息量成幾何倍數(shù)增加，以課堂教學(xué)為主的知識(shí)傳播途徑，已經(jīng)無(wú)法滿足信息時(shí)代對(duì)教育的要求。高校的各個(gè)學(xué)科如理工科（包括網(wǎng)絡(luò)、通信、汽車等專業(yè)）、醫(yī)學(xué)，包括生物、化學(xué)、天文等都需要大量的動(dòng)手實(shí)踐，但目前高校的專業(yè)實(shí)驗(yàn)室一方面實(shí)體投入巨大，另一方面存在應(yīng)用效率不高，設(shè)備陳舊，與最新技術(shù)脫鉤等問(wèn)題。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)這幾年的飛速發(fā)展在科技與教育等領(lǐng)域都引起了極大關(guān)注。將虛擬現(xiàn)實(shí)運(yùn)用到教育領(lǐng)域可達(dá)到傳統(tǒng)方式無(wú)法提供的逼真、沉浸式的體驗(yàn)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入課堂教學(xué)已成為時(shí)代所需，因此多學(xué)科虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)有著廣泛的應(yīng)用前景和巨大的價(jià)值。

1 虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)介紹

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)整合了多門前沿技術(shù)，如圖形學(xué)、智能感知、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、圖像識(shí)別等，將高速計(jì)算的數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為人體能感知的圖像、視頻、音頻、觸感等形式，并對(duì)人體的行為作出實(shí)時(shí)交互。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)是由虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)相結(jié)合產(chǎn)生和發(fā)展出來(lái)的新型實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｊ健１酒脚_(tái)致力于將不同技術(shù)、不同學(xué)科的學(xué)習(xí)和實(shí)驗(yàn)環(huán)境綜合在一起，集合成統(tǒng)一的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

2 設(shè)計(jì)思路及系統(tǒng)功能分析

2.1 設(shè)計(jì)思路

本虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)突破傳統(tǒng)教學(xué)模式，以實(shí)際的校園建筑物、布局、教學(xué)及生活環(huán)境為藍(lán)本，通過(guò)3D建模將校園完整的在虛擬環(huán)境中展現(xiàn)，并將多學(xué)科實(shí)驗(yàn)室靈活的安排在虛擬校園中，可通過(guò)漫游方式到達(dá)，也可通過(guò)菜單選擇方式進(jìn)入。這種技術(shù)開(kāi)發(fā)的虛擬漫游給人一種身臨其境、逼真的效果。

2.2 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)主要包括VR模式選擇、漫游模式、課堂的動(dòng)態(tài)更換、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容等。具體功能結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.3 系統(tǒng)技術(shù)平臺(tái)架構(gòu)

虛擬環(huán)境采用3D Max建模，設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用Unity 3D。

Unity 3D系統(tǒng)可對(duì)數(shù)量龐大的模型、光照進(jìn)行實(shí)時(shí)處理及動(dòng)態(tài)渲染。Unity同時(shí)對(duì)C#，JS，BO等開(kāi)發(fā)語(yǔ)言有良好的支持。展示平臺(tái)分為數(shù)據(jù)模型、數(shù)據(jù)庫(kù)、Unity 3D服務(wù)、開(kāi)發(fā)接口和表現(xiàn)層5層結(jié)構(gòu)。Unity 3D：系統(tǒng)的運(yùn)行邏輯。包括VR相機(jī)控制、碰撞檢測(cè)、動(dòng)作觸發(fā)、藍(lán)牙連接、多平臺(tái)控制等。

2.4 功能描述

2.4.1 本系統(tǒng)兩個(gè)主要功能

（1）校園漫游功能：為學(xué)校提供極佳的展示平臺(tái)，可進(jìn)行如招生宣傳、校貌展示等。本平臺(tái)虛擬了現(xiàn)實(shí)校園的全部場(chǎng)景，訪問(wèn)者通過(guò)佩戴虛擬設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)校園中的自動(dòng)漫游和手動(dòng)漫游，以及轉(zhuǎn)動(dòng)頭部進(jìn)行環(huán)視，訪問(wèn)者還可通過(guò)藍(lán)牙手柄進(jìn)行移動(dòng)和跳躍等動(dòng)作。

（2）虛擬實(shí)驗(yàn)室。本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了兩種版本：PC版、移動(dòng)版。PC版通過(guò)PC鼠標(biāo)、鍵盤進(jìn)行控制；移動(dòng)版通過(guò)虛擬眼鏡、藍(lán)牙手柄等虛擬現(xiàn)實(shí)硬件設(shè)備使得用戶能夠和虛擬場(chǎng)景進(jìn)行交互。

2.4.2 功能特點(diǎn)

（1）提高教學(xué)效果：本平臺(tái)不僅可以給學(xué)生展示實(shí)驗(yàn)對(duì)象的復(fù)雜結(jié)構(gòu)、工作原理，還可以在具體的情境中通過(guò)主動(dòng)的學(xué)習(xí)獲得知識(shí)，大大的提高了教學(xué)效果。

（2）教學(xué)手段突破傳統(tǒng)：利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)造出教學(xué)環(huán)境和教具，并讓學(xué)生置身其中，使其產(chǎn)生真實(shí)的感覺(jué)，就像在真正的世界一樣。

（3）互動(dòng)：訪問(wèn)者能通過(guò)設(shè)備在虛擬場(chǎng)景產(chǎn)生動(dòng)作，如前進(jìn)后退，擺動(dòng)頭部進(jìn)行環(huán)境的觀看或走近虛擬零件設(shè)備進(jìn)行細(xì)節(jié)觀察。后期將通過(guò)手持設(shè)備以及攝像頭的動(dòng)作捕捉，識(shí)別人體的行為，進(jìn)行相應(yīng)，即可進(jìn)行全面的操作。

（4）虛擬校園漫游：是數(shù)字校園建設(shè)的重要組成部分，它的研究和創(chuàng)建對(duì)以后數(shù)字校園的建設(shè)有重要的現(xiàn)實(shí)意義。同時(shí)也提高了校園管理的效率和科學(xué)化水平新生在入學(xué)前就可以全面的了解校園的布局，交互式的查詢，可以了解校園的所有信息，為盡快的適應(yīng)學(xué)習(xí)生活提供方便。

2.4.3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)價(jià)值

（1）節(jié)約成本。很多實(shí)踐性的課程因?yàn)闆](méi)有相應(yīng)設(shè)備或者場(chǎng)地受限以及型號(hào)不一致，而導(dǎo)致不能執(zhí)行。虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上，老師和學(xué)生帶上虛擬眼鏡，就可做各種想要的實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)到與真實(shí)操作一樣的知識(shí)。而且，很多情況下會(huì)比真實(shí)世界中學(xué)到更多東西，因?yàn)榭梢圆粩嗟脑囧e(cuò)，而不用擔(dān)心設(shè)備損壞或物料損失。在保證教學(xué)效果前提下，極大地降低了學(xué)校投入成本。

（2）風(fēng)險(xiǎn)降低。實(shí)際環(huán)境中很多操作也許會(huì)有各類的危險(xiǎn)性，而采用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行操作，學(xué)生即使做這些危險(xiǎn)地實(shí)踐操作也不會(huì)產(chǎn)生危險(xiǎn)。比如：虛擬汽車駕駛教學(xué)系統(tǒng)，可避免實(shí)際駕駛過(guò)程操作失誤造成的汽車的嚴(yán)重事故。

（3）突破時(shí)空、想象的局限。利用虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可突破時(shí)空限制。如：傳統(tǒng)教學(xué)只能在固定時(shí)間，固定地點(diǎn)進(jìn)行學(xué)習(xí)，現(xiàn)在可以24小時(shí)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)都不是問(wèn)題。傳統(tǒng)教學(xué)一些抽象或無(wú)法表達(dá)的概念，比如大到星球天體，小到電子夸克，現(xiàn)在都能通過(guò)虛擬實(shí)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)。

3 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

3.1 總體環(huán)境構(gòu)建

（1）學(xué)校的3D建模：使用AutoCAD平面構(gòu)建后，使用3D MAX建模，再導(dǎo)入U(xiǎn)nity整合，如圖2所示。

（2）地形系統(tǒng)：增加草地、高山、森林、平地等豐富的地形結(jié)構(gòu)，讓環(huán)境更真實(shí)。

3.2 漫游功能實(shí)現(xiàn)

（1）攝像頭模式：系統(tǒng)提供了兩種攝像頭模式：VR模式與普通模式。可通過(guò)主菜單上的VR Mode 按鈕進(jìn)行選擇，如圖3所示。

普通模式即正常單攝像頭顯示屏幕上的內(nèi)容。VR模式是通過(guò)兩個(gè)攝像頭的結(jié)合來(lái)模擬人左右眼所看到的不同影像，從而達(dá)到逼真的3D效果。下面是激活VR模式時(shí)的部分代碼：

（2）自動(dòng)漫游模式：將VR的兩個(gè)攝像頭進(jìn)行整體自動(dòng)循跡移動(dòng)。

（3）手動(dòng)漫游模式：移動(dòng)端模式：用戶可以佩戴VR眼鏡，通過(guò)頭部轉(zhuǎn)動(dòng)改變視角，使用藍(lán)牙手柄控制運(yùn)動(dòng)方向、返回上級(jí)菜單、確定等動(dòng)作。

PC端模式：用戶通過(guò)鍵盤的W、S、A、D按鍵控制前進(jìn)后退，Alt按鍵、Ctrl按鍵與鼠標(biāo)配合調(diào)節(jié)視角。下面為部分代碼：

（4）藍(lán)牙手柄的連接控制：藍(lán)牙手柄采用暴風(fēng)生產(chǎn)的手柄，有六向搖桿、返回鍵、確認(rèn)鍵、開(kāi)關(guān)機(jī)/菜單鍵等，可滿足一定需求。手柄主要作用是在手機(jī)上通過(guò)VR模式進(jìn)行觀看時(shí)，實(shí)現(xiàn)與虛擬環(huán)境的互動(dòng)。下面是藍(lán)牙設(shè)備連接時(shí)的部分代碼：

3.3 多學(xué)科實(shí)驗(yàn)室搭建

本系統(tǒng)搭建了天文學(xué)實(shí)驗(yàn)室、化學(xué)實(shí)驗(yàn)室、汽車實(shí)驗(yàn)室等。

（1）虛擬汽車實(shí)驗(yàn)室（VR模式）說(shuō)明：教室與學(xué)生可在虛擬汽車實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行對(duì)汽車進(jìn)行維修、組裝，如圖4所示。

（2）虛擬天文實(shí)驗(yàn)室。在天文實(shí)驗(yàn)室里，太陽(yáng)系，設(shè)置地球月球的自傳公轉(zhuǎn)，學(xué)生可以近距離探究宇宙星體，如圖5所示。

（3）虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室。在虛擬化學(xué)實(shí)驗(yàn)室里面學(xué)生可以進(jìn)行化學(xué)試劑的調(diào)配、觀察物質(zhì)的分解與化合。

3.4 發(fā)布與測(cè)試

本系統(tǒng)通過(guò)Unity發(fā)布了安卓版應(yīng)用程序，APP名為“掌上課堂”。通過(guò)了華為、小米、魅族等手機(jī)的測(cè)試，只要是安卓4.0以上版本，屏幕4.7寸以上，均能運(yùn)行，如圖6所示。

手柄和虛擬眼鏡目前支持暴風(fēng)魔鏡系列和谷歌Cardboard眼鏡。其他設(shè)備還待后期測(cè)試。

4 結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)將虛擬現(xiàn)實(shí)作為一種新興的教學(xué)媒體應(yīng)用到校園信息化和教育教學(xué)中，帶給我們嶄新的教育思維，具有非常高的現(xiàn)實(shí)意義和科學(xué)性：首先，基于校園的教學(xué)、生活虛擬校園環(huán)境供瀏覽，可提高學(xué)校知名度和認(rèn)知度；其次，在此基礎(chǔ)上搭建多學(xué)科虛擬實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，可提高教學(xué)水平，并為學(xué)校的實(shí)踐教學(xué)和遠(yuǎn)程教學(xué)點(diǎn)提供可移動(dòng)的電子教學(xué)場(chǎng)所，創(chuàng)造更大的經(jīng)濟(jì)效益與社會(huì)效益。

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