基于虛擬現實技術的大學生創新訓練實踐

王歡，米憲儒，何琳玨，羅信君，曹旺財

(四川工程職業技術學院，四川 德陽 618000)

引言

創新是一個國家、一個民族不斷進步、發展的動力，習總書記強調，人才人才是創新的根基，是創新的核心要素。高校作為培養國家創新人才的基地和搖籃，已經開始從傳統教育向創新教育轉型，但是培養大學生創新意識、塑造大學生創新思維、提高大學生創新能力是一個長期、系統且復雜的過程。

“大學生創新創業訓練計劃項目”(以下簡稱“大創項目”)是“十二五”期間教育部面向大學生實施的創新創業訓練[1]，其目的主要是讓大學生在校期間通過實踐模式提前感受就業發展形式，并對自身的綜合能力進行充分鍛煉，幫助大學生通過實踐實現自我競爭力的提升[2,3]。在此背景下，現代高校將“大創項目”作為培養創新人才的一個重要途徑，四川工程職業技術學院(以下簡稱“學院”)積極開展“大創項目”。

1 創新訓練實踐的選題和意義

虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)將模擬環境、視景系統和仿真系統結合為一體，把操作者與計算機生成的三維虛擬環境連結在一起，具有多感知性、浸沒感及交互性的特點[4]。在推進校園數字化背景下，將VR技術應用到學院形象建設是很有必要的。創新訓練實踐依托學院材料成型虛擬仿真實訓中心。材料成型虛擬仿真實訓中心目前擁有熔煉生產虛擬仿真系統、鍛壓工藝優化設計仿真軟件、華鑄CAE鑄造模擬軟件等，建成了虛擬仿真實訓室、虛擬仿真云平臺等。并在云平臺的基礎上，聯合企業、校企共同開發了一系列生產虛擬仿真系統，搭建虛擬仿真實訓教學管理和共享平臺，組建師資隊伍，制定管理規范制度。目前，材料成型虛擬仿真實訓中心已具備一定規模，具有服務社會能力。基于此，確定組建團隊開展“基于Unity3D的虛擬校園漫游系統”的“大創項目”實踐，項目開展具有以下重要意義：

1.1 直觀宣傳校園文化與良好形象，提升學校知名度

虛擬校園漫游系統的建立，除去傳統的以文字及圖片進行宣傳的方式外，為學校宣傳提供了另一種高效的、新穎的方法。行走在虛擬漫游的校園中，學校的各個教學區、住宿區及不同院系的文化特色都能直觀且清晰地展現在用戶眼前。一方面縮短了了解校園的時間，節省了體力；另一方面，為外地生源了解學校提供了一種有效的、便捷的途徑，身臨其境的體驗校園的美麗風光，有助于擴大生源，促進學校的發展。

1.2 促進校園數字化、信息化建設發展

虛擬校園是在傳統校園的基礎上，結合先進的技術，將現實校園的各項具體資料數字化，變為可供教育發展所利用的信息資源，是校園信息化平臺建設的重要組成部分。隨著學校發展，將來的建設有可能涉及到新樓位置規劃和舊樓的拆遷、擴建、綠化等，急需對校園整體布局最直觀的呈現，這時就可依托虛擬校園系統進行規劃設計和方案評審。同時，教職員工及學生也可通過虛擬校園對校園規劃提出自己的建議，更好地參與到校園的建設發展過程中來，提高校園規劃管理的現代化、數字化水平。

1.3 塑造和提高學生的實踐能力與創新能力

由于大學生項目實踐機會普遍較少，創新能力不足，往往不能利用所學知識獨立解決實際工程問題。通過參加“大創項目”，學生作為項目負責人和參與人，可在理論課堂之外自主探索、協同合作、積極思考，充分調動其主觀能動性，在整個項目實施過程中潛移默化塑造和提高自身實踐能力和創新能力。并且，依托學院虛擬仿真中心開展虛擬仿真創新訓練項目，學生可充分利用中心相關軟硬件，提高其實踐能力和創新能力。

2 創新訓練項目的實踐和分析

2.1 組建團隊

“基于Unity3D的虛擬校園漫游系統”創新項目團隊由6位成員組成，其中包括4名學生和2名指導教師。學生均來自大二年級，選修過《VR作品技術開發》課程，掌握了VR產品開發基本知識和能力，且均具備Sketch Up、3Dmax、Inventor等三維建模技能。兩位指導老師均為材料成型虛擬仿真實訓中心建設人員，經過了數次Unity3D平臺應用培訓并取得了萬維引擎虛擬現實開發工程師證件，承擔了多學科虛擬仿真軟件開發項目。

2.2 項目實施方案擬定

“大創項目”實踐團隊成員在老師指導下，針對項目需要進一步基于杭州萬維鏡像科技有限公司二次開發的Unity3D平臺關鍵技術培訓，掌握Unity3D平臺應用，并進行合理的項目分工，完成項目前期調研，擬訂了以下項目實施路線：

首先根據學校建設地圖和地球衛星圖等資料確定校園平面地圖，同時通過拍照、測繪等手段完成校園建筑物外觀紋理、內部結構、尺寸及其他場景的信息采集工作。采用Sketch Up、3Dmax、Inventor等三維建模軟件[5]對校園建筑物、地形植被等進行建模和渲染；利用基于杭州萬維鏡像科技有限公司二次開發的Unity3D平臺實現虛擬校園漫游，最后測試與發布虛擬校園系統，并提供虛擬軟件開發培訓教程供對虛擬現實技術感興趣的在校學生學習。

2.3 項目實施

2.3.1 信息采集及建模

結合校園規劃圖、地球衛星圖及實地測量，根據對校園建筑的信息采集，采用Sketch Up、3Dmax、Inventor等免費三維建模軟件對校園的主要建筑物進行建模，建筑物模型外觀見圖1。

對整個學院進行場景建模，工作量巨大，所以團隊成員采取區域負責制，每人負責一部分區域的建模工作，分工合作后再進行整合。同時，為了減輕計算負擔，建模時將實際建筑和地形較為復雜的細節忽略掉。

建模后進行模型渲染，簡單來說就是對三維軟件搭建好的模型進行貼圖和著色，使模型產生與現實實物一樣逼真的視覺效果，包括了燈光效果、材質效果、物體表面顏色效果、物體光滑與反射效果、物體透明與折射效果等。這個過程對于虛擬仿真來說，也是必不可少的一個步驟，試想如果仿真對象只是一個簡單的模型，而外觀沒有任何視覺效果，那我們仿真出來的作品就直接失去了“仿真”的意義了。

2.3.2 Unity3D平臺三維場景構建

通過Basic VeryEngine開發引擎將建好的校園建筑及地形植被等模型導入Unity3D平臺，由于Basic VeryEngine所兼容的常用3D模型是通過三維建模軟件導出成FBX后綴格式的文件，這種格式的模型可以直接將其放置到Basic VeryEngine工程里，放置路徑是在工程的Assets目錄下，最好是在該目錄下新建一個文件夾，然后再將該模型放置到該文件夾中，方便管理查看。如果模型已經做好了貼圖渲染，則該3D模型不僅包含模型文件，還包括貼圖文件(貼圖文件包括材質球和圖片素材)，那么放置的時候，需要連帶這些貼圖文件一同放置到工程當中[6,7]。

主要建筑物導入Unity3D平臺后，對其他地面設施、天空等環境細節進行添加補充，搭建校園三維場景。

2.3.3 虛擬校園漫游實現

在Unity3D平臺創建第一人稱視角模擬器，通過編寫腳本，設置好模擬器的行走速度、視角高度等屬性，可實現模擬角色在虛擬校園自由行走、觀察、停留。

2.4 項目效果分析

2.4.1 豐富學院數字化資源

基于虛擬現實技術的大學生創新訓練實踐項目測試發布了PC版虛擬校園漫游軟件，使用戶能通過操作設備(鼠標、鍵盤等)漫游整個校園，為社會各界參觀、了解學校增加了一種有效的、便捷的途徑，且將現實校園的各項具體資料數字化，豐富了學院數字化資源。

同時在項目進行期間，團隊成員編寫了虛擬軟件開發培訓教程，為對虛擬仿真技術有興趣、想學習虛擬仿真技術的在校學生提供有效的指導。

2.4.2 學生個人綜合能力提升。

整個項目過程以學生為項目負責人，老師輔助指導。學生全程參與項目選題、項目調研、可行性分析及項目具體實施，通過虛擬仿真這些前沿技術激發了學生學習興趣，鍛煉了學生思維，提升了學生自主學習和探索的能力，塑造和提高了學生的工程實踐能力和創新能力。

擬定項目實踐方案前，學生自發查閱了大量文獻，在此期間，能熟練利用各種中文數據庫搜集資料，增強了個人的文獻調研能力。學生結合學院實際情況，提出學院建筑物建模主要利用“草圖大師”Sketch Up，并運用其他三維軟件輔助設計。團隊成員雖然都具備使用三維建模軟件技能，但是大家平常常用的三維軟件各異，不利于模型的整合，而Sketch Up操作簡便，在有其他三維軟件操作技能的基礎上，易于上手，并且可以直接將校園地圖CAD版及谷歌地圖影像直接導入，再采用軟件的推拉功能就可以進行建模了，極大縮減了建模的工作量。

項目實施過程中，學生每周定期進行項目進度匯報和交流，在此期間大家一起討論，發現問題、提出問題、解決問題、撰寫論文，學生組織管理能力、撰寫匯報材料能力、溝通能力及思考探索能力都得到了很好的鍛煉。

通過項目實施的整個過程，學生的發現問題能力、文獻研究能力、分析設計能力、實踐動手能力和團隊合作等綜合能力都有顯著提升。

2.4.3 學生對前沿技術的學習興趣受到激發

學生通過項目實施，對虛擬仿真技術、計算機編程等有了深入了解，并激發其對這些前沿技術更深入學習的興趣。由于項目實踐后期處于疫情最嚴重的時期，學生不能返校，導致虛擬校園漫游場地很多細節不得已被忽略掉。項目結束后，學生仍然做好計劃進一步完善軟件細節，完善各建筑物內部結構和漫游功能，更進一步豐富軟件內容。項目實踐豐富了學生的課外生活，并提升了個人擇業競爭力。

總結

本文通過“大創項目”——基于Unity3D的虛擬校園漫游系統實踐案例，圍繞項目選題、項目意義及實施等方面，對學生素質培養、團隊協作、綜合能力提升效果進行分析，通過此次“大創項目”實踐，一是豐富了學院數字化資源，二是學生分析問題、解決問題的綜合實踐技能得到切實提高，達到了“大創項目”開展的目的。