虛擬現實技術在環境實踐教育中的應用研究

韓小錚

（河北環境工程學院 河北秦皇島 066004）

虛擬現實技術簡介

虛擬現實技術（VR，VirtualReality）是利用計算機來模擬三維世界，用戶可以通過使用特定的設備來與模擬環境中的物體進行互動[1]，達到虛擬仿真的效果。由于其有仿真性、互動性、沉浸性等特征，非常適合應用于教育教學工作中。

環境實踐教育現狀

我國很多高校都開設有環境工程、環境科學等環境相關專業，在這些專業的課程體系中，實踐教學是必不可少的部分，但由于資金、安全等方面的問題，很多高校無法保證實踐教學內容的足額開設。實踐教學是理論教學的延伸，是保證學生掌握所學知識的基本條件，如無法保證實踐教學內容的開展，就會極大的影響教學效果。為解決此問題，很多學者從不同角度提出了解決方法[2]，其中應用虛擬現實技術輔助環境實踐教育，是當前技術條件下的較好選擇[3]。

虛擬現實技術在環境實踐教育中的應用研究

環境實踐教育內容與問題分析。通過分析當前環境實踐教育內容，按不同的實踐方法，可以將教學內容分成為參觀實習、操作實踐兩類，具體包括了污水處理廠、垃圾處理廠、固廢處理廠的參觀實習，化學分析實驗儀器、污染治理設施設備、污染檢測儀器設備的操作實踐等方面的內容。

從目前高校的現狀分析，制約環境實踐教育內容開展的主要原因在于兩方面。其一為資金問題，實踐教學內容區別于理論教學，在授課中要使用設施、設備和儀器，會產生勞務、交通、設備耗材等方面的費用，部分課程內容費用較為昂貴，如果學生人數較多，則費用問題就更為明顯。其二為安全問題，部分環境實踐教育內容具有一定的危險性，如工業企業的污染治理設施的參觀實習、涉及到有毒有害物質的化學分析儀器設備使用等。一些高?？紤]到上述問題，會選擇減少相應的學時，導致了實踐課程不足的問題。

虛擬現實技術在參觀實習類教學中的應用。參觀實習類的實踐教學，教學目的多是以設施設備的外觀、實際運行情況、運行的基本原理方面的內容為主。因此可以使用漫游技術實現對于參觀實習類的教學輔助功能[4]。在VR軟件開發工具中，普遍支持對于漫游類軟件的開發，而且所有開發工具都有開發漫游功能的組件，可以簡化開發的流程。

虛擬現實技術在操作實踐類教學中的應用。操作實踐類教學主要內容是化學分析、污染檢測、污染治理設施設備的使用，教學目標是讓學生掌握相關儀器和設備的使用方法。在VR軟件開發中，核心是實現互動功能，相對于漫游功能而言，互動功能的實現略為復雜，多數需要編寫程序[5]。

在教學過程中的應用分析。根據環境實踐教育的內容與要求，應用VR軟件時，可以在如下的教學過程中來輔助教學。

課前預習。在進行實踐課之前，讓學生通過使用VR軟件，對教學內容進行熟悉，這對于參觀實習類、操作實踐類的教學內容都適用。

完全替代教學內容。對于一些高危險性教學內容，和教學中涉及到較多設施內容結構、運行原理等方面內容的課程，可以完全使用VR軟件來完成教學工作。但對于儀器操作類的課程，則在教學中除使用VR軟件教學外，還應讓學生盡可能使用真實的儀器，保證教學效果。

考試考核。在一些參觀實踐類的教學課程中，往往無法讓學生在實地進行考核，對于這些課程，則可用VR軟件來完成考試和考核工作。

對于使用中的設備要求。由于VR軟件在使用時需要用到專用的VR設備，由于受到經費和場地的限制，高?；静豢赡芘渲猛暾鸙R設備。但高校計算機室的建設較為普及，因此可以使用傳統的鼠標與鍵盤使用VR軟件，同樣可達到教學要求。

主要開發技術研究

開發工具選擇

VR軟件的開發主要的工作包括2部分，一部分是軟件中所需的3D模型的構建工作。一部分是互動功能的實現，互動功能主要是依靠開發工具來完成。隨著技術的發展，VR軟件的開發的門檻在逐漸降低，目前可選擇的開發軟件有Unity3D、Unreal Engine等[6]，這些開發工具相對較為易用，降低了對于技術方面的需求。

筆者在工作中組織了以學生為主體的團隊，在保證滿足實踐教學需求的基礎上，為了能讓學生完成開發工作，軟件選擇以易用為主。3D建模軟件選擇了SketchUp軟件，開發軟件選用的是Unity3D。在開發中，參觀實習類的VR軟件直接使用了Unity3D中自帶的插件完成，使用很少量代碼就可以完成開發工作。對于模擬操作類的軟件開發，則使用Unity3D中的C#腳本語言完成程序的編寫，由于C#易學易用，因此開發難度并不高。

開發流程

環境實踐教學VR軟件的開發與傳統的VR軟件開發過程基本相同[7]，但對于教學軟件開發而言，需求分析要嚴格的依據課程教學大綱來進行，這是與其它類型VR軟件最主要的區別。

為降低開發工作量，開發中對教學大綱中的重點教學進行詳細制作，對于非重點內容則可簡化。如儀器使用類軟件開發中，對儀器使用流程進行梳理，開發時按用戶不同的操作組合條件給用戶反饋不同的檢測結果即可，如不涉及儀器結構等內容，則可不制作相關內容。對于參觀實習類的軟件，則針對教學內容的設施設備的外觀、運行時的情況等方面進行重點制作，簡化其它方面內容。

開發實例

筆者所在的團隊開發了多款用于環境實踐教育的VR軟件，其中在《污水處理設施運營管理》課程的軟件開發中，根據課程的教學大綱，確定出軟件主要的功能是實現對于污水處理設施的布局、外觀、基本功能方面的認知，因此在軟件開發中，重點放在對于設施的3D模型構建方面。通過給開發團隊學生講授設施工作原理、讓學生到污水處理廠實地參觀等方式讓學生對于要構建的模型有透徹的了解，在此基礎上完成模型的制作。制作完成的模型導入至Unity3D后，使用Unity3D中的CharacterFirstPerson免費組件，即可實現對于設施設備的漫游仿真，整體開發過程對編寫代碼的需求非常少。在《分析化學》實踐教育軟件開發中，則主要側重于對于互動功能的開發，在開發中，由學生完成模型制作并導入Unity3D后，使用C#完成了互動功能的開發。在開發中，根據儀器實際使用中不同的條件的組合對應的檢測結果，建立數據庫，然后根據軟件用戶不同的操作呈現對應的結果，從而達到仿真的效果。

展望

與其他類型的軟件開發工作一樣，VR教學軟件的核心是業務內容，也就是教學內容的設計與實現。隨著科技的發展，開發技術層面的需求會越來越低，因此教師可以構建以學生為主的開發團隊，完成環境實踐教學VR軟件開發。在我國大力推廣高校創新創業、課外科技活動等工作的背景下，可以將相應的活動與VR軟件開發進行結合，在提高實踐教學效果的同時，實現教、學、做等多方面的工作結合。