論虛擬現實技術在大氣科學實踐教學中的應用

張敬林?譚惠文?張國宇

摘 要 虛擬現實技術（Virtual Reality， VR）是一種新型交互集成技術，通過交互式的場景使用戶沉浸在由計算機模擬的仿真環境當中。在高等教育的領域，虛擬現實的教育應用需要改變傳統教學方法和理念。目前，虛擬現實技術在高等教育的應用遠遠落后于虛擬現實產業的發展，特別是在大氣科學的教學實踐領域。因此國內高等教育需要綜合利用虛擬現實技術的潛力，不斷完善教學手段和方法。本文通過調研虛擬現實技術應用方向和特點，綜合分析了虛擬現實在高等教育領域特別是大氣科學教學的實踐的應用前景，基于Unity Web3D和Leap Motion體感控制器開發出一套氣象云類的虛擬仿真專業教學平臺。

關鍵詞 虛擬現實；大氣科學；實踐教學；云分類；尾跡云

1 虛擬現實技術

虛擬現實技術是一種多技術的融合，富有挑戰性的交叉學科研究領域[1-2]。Unity Web3D是將顯示的物體2D和3D模型通過互聯網形式進行虛擬的三維展示，并提供交互的虛擬現實技術。與二維圖片、FLASH動畫以及HTML等表現形式相比較，Unity Web3D能夠提供更多的自主感給不同的終端用戶，以及虛擬和互動等操作[3-5]。目前高等教育的教學不再單純地依靠書本和教師授課，通過計算機輔助和多媒體技術彌補傳統教學的缺陷。特別在教授一些如空間結構和機械運動等課程時，三維的展現使得課堂教學更加豐富，學生學習的過程更加具體，更輕松地掌握專業知識[6-8]。實際經驗得知，動手操作比單純地聽或者說能夠接受更多的信息。具有交互功能虛擬展示特性的Unity Web3D課件，可以讓學生在動手操作中快速的學習知識，并對教授的課程有更深入的理解。

2 高等教育應用

虛擬現實技術應用于高等教育是由一個傳統學習方式到現代學習方式的飛躍發展，其不僅能夠構建自主學習的教學環境，而且能夠通過與信息環境的交互來得到相應的知識和技能。

2.1 科技研究

近幾年很多高等教育的學府都在積極探索如何虛擬現實技術的研究與高校專業知識的教授結合起來。通過建起了多方位的虛擬現實實驗室，可以迅速轉化已有的科研成果。通過與純粹的課堂教學相比，結合虛擬現實的教學方案可以讓學生親身去經歷、感受和操作，因此基于虛擬現實的主動交互學習方式可以完全替代被動的被灌輸專業知識[9]。與此同時，虛擬實驗室利用虛擬現實技術，可以設計多種不同實驗涵蓋如計算機、化學、物理等方向，為學生創造和提供一個全新的、生動逼真的學習環境。例如建造計算機三維建模，游戲人物模型，場景漫游等等，可以提供無限的虛擬交互體驗在不同的教學領域，從而成倍的提高學生學習的積極性，加速學習過程和鞏固知識。

2.2 虛擬實訓基地

虛擬實訓基地就是利用虛擬現實技術虛擬建立各種“設備”與“部件”，可以根據教學情況的需要隨時更新和完善設備。不但教學內容可以隨時更新，使實踐訓練的方法也可以及時滿足技術的發展與要求。同時，虛擬現實提供的的沉浸與交互，可以使學生在一個虛擬的學習環境中扮演角色，全神貫注地投入到學習中，有利于學生的技能訓練與提高[10]。這其中就包括師范類的教學技能、技術類的汽車駕駛、電器維修以及危險品加工處理等技能等的訓練。由于虛擬現實構造的虛擬訓練系統是沒有任何危險的，學生可以不斷地反復練習，直至各項操作技能熟練地掌握。例如：在虛擬的飛機駕駛訓練系統中，學員可以反復操作和熟悉如何控制各種復雜的設備，運用最小的成本掌握在各種惡劣的天氣情況下駕駛飛機起飛、降落等不同的操作，從而達到熟練掌握駕駛技術的目的。

3 大氣科學教學的案例

大氣科學不僅研究大氣各種現象演變的規律，還包括人類活動的影響以及如何利用這些規律為人類服務的一門學科。作為地球科學的一個組成部分，大氣科學研究對象主要是覆蓋地球的低層大氣，以及相對應的水圈、巖石圈、生物圈。而云作為整個大氣系統最為重要的一個環節，同時也是影響氣候系統的最大不確定因素。一般來說，云可以吸收從地面散發的熱量，并將一部分熱量反射回地面，有助于使地球保溫。但是云也可以將太陽光的熱量直接反射回外太空，這樣便有助于地球降溫。上述的保溫還是降溫作用取決于云的形狀、位置以及光學性質等等。因此，全面細致地學習云分類識別方法，可以更好地開展其對區域和全球氣候影響的研究。

所以云的分類與識別在大氣科學的相關教學當中顯得尤為重要。不再局限于課本的文字描述和圖片展示，我們基于Unity Web3D和Leap Motion控制器開發出一套云類識別的虛擬仿真專業教學平臺。通過該平臺我們可以實現快速直觀的學習各種云類知識。而Leap Motion是一種基于骨骼手勢識別的體感控制器，它與鍵盤、鼠標、觸控板等協同工作，完成手勢識別等不同功能。利用Leap Motion，我們只需用手勢即可來完成瀏覽、翻看不同云圖照片等操作，并完成相應的云圖分類，知識講解，背景介紹等相應學考練等教學實踐過程。同學生還可以在3D空間中了解不同云類生成的條件，拉伸、放大、漫游在不同的云類場景等高階操作，從而體驗一種全新的交互學習方式。

4 結束語

本文通過對國內外虛擬現實技術應用狀況的研究調研，分析了虛擬現實技術在高等教育領域的應用，并結合大氣科學教學的實踐，基于Unity Web3D和Leap Motion開發出一套云類識別的虛擬仿真專業教學平臺。

參考文獻

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