虛擬現實技術在教育培訓中的應用

蓋勝芬 李文星 鄒宇野

摘 要：虛擬現實技術作為一種新的知識載體，一種新的認知工具，對教育培訓中教育模式和培訓方法的更新變革產生了積極的作用。通過對虛擬現實技術在教育培訓中的應用做了介紹，以虛擬自動氣象觀測站培訓為例，對虛擬現實技術在教育培訓中的設計理念和技術應用進行了闡述，并對今后虛擬現實技術在教育培訓領域的發展做了總結與展望。

關鍵詞：虛擬現實技術；教育培訓；氣象培訓

中圖分類號：G712 文獻標識碼：A

一、虛擬現實技術簡介

虛擬現實技術（Virtual Reality）是一種綜合運用計算機圖形學、人工智能、多媒體等多種技術創建并體驗虛擬世界的計算機技術。在虛擬環境中用戶通過使用傳感頭盔、數據手套等輔助設備，實時感知、操作虛擬環境中的對象實體，最終通過視覺、觸覺和聽覺等人體感知獲得身臨其境的逼真感受。想象、交互和沉浸是虛擬現實技術的3個基本特征，想象：這里強調了想象力的重要性。虛擬現實技術創造了豐富想象力的空間，我們可以利用虛擬現實技術實現已知空間的虛擬，亦可實現位置空間的構造，拓寬了人類視野。交互：即用戶與虛擬環境中之間的互動。沉浸：即身臨其境感。指用戶身處虛擬環境時卻產生“錯覺”，仿佛自己身處真實的環境中，并作為主角參與其中。虛擬現實技術憑借其想象、交互和沉浸的特性在軍事、教育與培訓、設計與規劃、旅游展覽、工程技術、科技探索等多領域領域得到應用。

二、虛擬現實技術在教育培訓中的應用

教育領域中運用虛擬現實技術是現代教育技術發展的一個飛躍。對于操作性、實驗性強的課程，在教學培訓中使用虛擬現實技術學習者學習方式將產生重大的轉變：學習者將以自身與虛擬環境的相互作用獲得直接經驗的學習方式，代替傳統以教育者講授知識為主的獲取間接經驗的學習方式。同時該技術的使用能夠更好地調動學習積極性，激發學習興趣，有助于教學培訓的組織與實施。虛擬現實技術在教育培訓中的應用大致可分為以下幾個方面：技能訓練、虛擬實驗研究、虛擬場景漫游。

技能訓練：訓練和練習是技能發展的重要環節。隨著虛擬現實技術的應用，職業教育領域“實訓內容、實訓手段、實訓模式都將發生深刻的變革，傳統的基地實訓模式將向著基地實訓與虛擬現實實訓相結合的教育模式發展”。使用虛擬現實技術的技能訓練系統不僅可以實現模擬仿真，還要實現各類知識的內嵌、錯誤診斷與反饋機制，為學生提供反思分析問題的機會，這也正是虛擬現實技術應用于技能培訓最大的優勢之一。

虛擬實驗研究：在物理、化學、生物、醫學、軍事等需要大量實驗的學科領域中，利用虛擬現實技術搭建實驗環境，進行虛擬實驗操作研究具有重要的意義。一般認為虛擬實驗室分為兩類：一種是由開發人員設計，規定只能對虛擬場景中的物體進行操作，這是現今大多數虛擬實驗室系統的工作環境；另外一種是基于廣泛學科領域知識的虛擬現實系統。

虛擬場景漫游：即利用虛擬現實技術采取幾何構建或圖像數據構建方法，為生活中的場景量身構建逼真模型，用戶通過VR顯示設備（如3D立體眼鏡、穿戴式頭盔顯示器）、力觸覺交互設備（即在虛擬環境中實現觸覺和物理力感應的設備）等工具實現對整個場景的漫游瀏覽。該方式常見于旅游教育、旅游職業實訓、博物館展覽、高校虛擬校園等方面。

三、虛擬現實技術在教育培訓中的實現（以虛擬自動氣象觀測站培訓的實現為例）

教育培訓主要針對專業技術人員，培訓目的即進行知識更新、補充、拓展和能力的提高，是教育現代化的重要組成部分。以氣象教育培訓中觀測技能培訓為例，對虛擬現實技術在教育培訓中的實現做詳細介紹。利用虛擬現實技術，可逼真模擬構建真實的自動氣象觀測站環境，突破時間、場地、天氣等因素的約束，實現自動氣象站觀測培訓的隨時化、隨地化。在培訓教學過程中，虛擬現實的沉浸性與交互性特征在增強學員沉浸感的同時，也提高了學員的認知興趣，結合教學系統的設計，最終提升氣象觀測的培訓質量。在當前培訓改革的新形勢下，墨守成規、故步自封難以實現氣象培訓的跨越發展，將虛擬現實技術與氣象教育培訓并相融合發展，有利于提高培訓的效果與質量，實現自動氣象觀測站培訓教學的創新發展。

虛擬現實技術綜合利用多種計算機技術，構建了具有沉浸效果、具備實時交互的虛擬場景，通過實時的交互使學員在構建的虛擬場景中可身臨其境地模擬實際觀測過程，從而激發學習興趣、強化學習效果。為有效實現上述培訓效果，需建立完備的培訓環境。

此處培訓環境的建設主要指培訓系統的開發。培訓系統的開發是虛擬培訓的關鍵，系統開發建成后受訓人員能夠以第一人稱視角在場景中自由行動，實現人與現場觀測設備的互動。系統核心功能的開發主要包括以下兩個方面：

（一）構建虛擬場景

該環節是實現虛擬培訓系統的基礎，自動氣象觀測站培訓系統，包含“自主學習”“虛擬實訓”與“虛擬考核”三個模塊。虛擬現實技術主要應用于“自主學習”和“虛擬實訓”模塊，實訓場景模型的搭建主要涉及到自動氣象觀測站觀測場地和觀測設備兩個方面的內容。該工作以CAWS600型自動氣象站為參考原型，前期使用3DS MAX軟件，綜合利用各種建模技術對觀測場地和觀測設備進行模型構建和貼圖工作，后期使用Unity3D軟件，結合碰撞檢測、C#技術實現場景的環境烘焙、物理設置和漫游功能，以增強學員身臨其境的感覺。

虛擬場景建成后學員可通過“自主學習”“虛擬實訓”模塊利用鼠標和光標鍵在線進行直觀生動的理論學習，模擬實際觀測業務的工作流程，同時可模擬故障環節，主動了解實際業務中的問題，掌握解決問題的方法。

（二）開發虛擬培訓功能

該功能是自動氣象觀測站培訓系統的核心，本系統緊密結合觀測業務的實際情況進行設計開發，使學員在虛擬場景漫游過程中，有選擇地實現“教、學、練、測”等功能。在培訓功能設計開發過程中嚴格遵循學習規律，首先學員必須通過“自主學習”模塊進行課程的理論學習，學習過程中結合虛擬現實技術，可對設備進行結構剖析，360°全面深入地觀察設備的結構特征。隨后通過“虛擬實訓”模塊，實現對氣象觀測設備的安裝拆卸、維護保養、故障排除、運行監控等多方面的模擬操作訓練。在學習實訓過后，學員可通過“虛擬考核”模塊，實現在線的虛擬觀測考核，及時發現薄弱環節，從而進行有針對性的實訓學習。該系統使學員在形象生動地認知自動氣象觀測站設備的同時，掌握溫度、濕度、壓強、風等氣象觀測要素的觀測技能，提高觀測業務能力。

四、總結與展望

虛擬現實技術發展至今已60余年，其基本概念和實現方法已初步形成并在教育培訓中得到應用。在應用過程中應注意以下幾點：一是虛擬現實技術在教育培訓領域應用真正的目的是輔助教育培訓，不應沉迷于技術，只重視新技術的應用而忽略了教育培訓的效果。二是目前虛擬現實技術可交互操作功能有限，多數培訓系統的交互功能僅限于簡單地使用鼠標鍵盤等工具點擊實現，交互方式有待豐富。三是虛擬環境的智能程度較低，虛擬環境呈現的整體沉浸感不足，直接影響到用戶的培訓效果。

虛擬現實技術在教育培訓領域有廣闊的應用前景，它利用高效能的計算機技術，結合行業教育培訓的特點，有針對性地開發相關的培訓教學系統，如煤礦安全培訓系統、醫學教育培訓系統等，豐富教學方式，增強培訓效果。展望未來，虛擬現實技術逐步發展完善，現代教育培訓技術逐漸提高，虛擬現實技術在培訓模式和培訓方式上將引發變革，今后的教育培訓工作定會與虛擬現實技術碰撞出璀璨的花火。

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