馮珊珊

（遼寧建筑職業(yè)學(xué)院，遼寧 遼陽 111000）

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關(guān)于虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺建設(shè)的探索研究

馮珊珊

（遼寧建筑職業(yè)學(xué)院，遼寧 遼陽 111000）

摘 要：文章主要就虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺建設(shè)的概念和特征、國內(nèi)外虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺建設(shè)的成果和現(xiàn)狀進(jìn)行分析，并對虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺建設(shè)的主要技術(shù)手段和技術(shù)難點(diǎn)進(jìn)行論述。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真實(shí)訓(xùn)；建構(gòu)主義；Unity 3D

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺是借助現(xiàn)代化的技術(shù)手段，以構(gòu)建主義和虛擬現(xiàn)實(shí)為理論基礎(chǔ)建立的與傳統(tǒng)教學(xué)截然不同的實(shí)訓(xùn)平臺。平臺應(yīng)以企業(yè)實(shí)際崗位設(shè)置為依據(jù)，對綜合實(shí)際教學(xué)中難以展現(xiàn)的細(xì)節(jié)、不易實(shí)施的小概率事件、產(chǎn)品的標(biāo)準(zhǔn)化生產(chǎn)過程、員工安全生產(chǎn)意識等方面進(jìn)行仿真。下面對虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺建立的理論依據(jù)和技術(shù)支撐進(jìn)行分析。

1　虛擬現(xiàn)實(shí)的概念和特征

虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）是近些年來新興的一種技術(shù)。VR對現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行虛擬化和數(shù)字化處理，給人身臨其境的體會。將計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)（Computer Graphics Technology）、視覺反饋技術(shù)（Visual feedback technology）、力覺反饋技術(shù)（Haptic feedback technology）以及廣角立體顯示（Wide stereo display technology）等技術(shù)融合一起，形成了多種現(xiàn)代化技術(shù)的融合體—虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將人在自然條件下的觸覺、視覺、聽覺感受幾乎真實(shí)地體現(xiàn)出來，并做出相應(yīng)的交互行為，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)有以下幾個(gè)主要特征：

（1）浸入性。人在虛擬環(huán)境中的視覺和聽覺感受將取代原有現(xiàn)實(shí)中的感覺，是因?yàn)樵谔摂M環(huán)境里會穿戴、使用虛擬設(shè)備，而且，虛擬設(shè)備能檢測到人的反應(yīng)，從而產(chǎn)生一種新的完全真實(shí)的感受。

（2）交互性。用戶進(jìn)入到虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境中之后，所有感受靠傳感器可以傳遞給系統(tǒng)，系統(tǒng)又將檢測到的信號反饋給用戶，從而產(chǎn)生非常真實(shí)的體驗(yàn)。例如，用戶揮動手臂用虛擬環(huán)境中的球拍擊打網(wǎng)球，在擊打的過程中用戶手臂不同的揮動速度和角度，可以產(chǎn)生不同的擊球力量和感受。

2　建構(gòu)主義的概念和特征

建構(gòu)主義最初由著名認(rèn)知發(fā)展領(lǐng)域的瑞士心理學(xué)家皮亞杰（J.Piaget）提出。眾多專家認(rèn)為建構(gòu)主義是有關(guān)知識、學(xué)習(xí)的一種理論，學(xué)習(xí)者的主動性是這一理論所強(qiáng)調(diào)的，學(xué)習(xí)是有學(xué)習(xí)需求的人基于原有的知識經(jīng)驗(yàn)生成意義、建構(gòu)理解的過程，而這一過程的完成是在社會文化互動中進(jìn)行的。

學(xué)習(xí)者作為中心、教師負(fù)責(zé)指導(dǎo)幫助是建構(gòu)主義所提倡的，在這種學(xué)習(xí)模式下，即重視學(xué)習(xí)者作為主體的認(rèn)知作用，又重視教師的作用—從傳統(tǒng)教學(xué)單純的知識傳輸者轉(zhuǎn)換身份為意義建構(gòu)的協(xié)作者（見圖1）。

圖1　學(xué)生作為學(xué)習(xí)中心的教學(xué)結(jié)構(gòu)示意

隨著現(xiàn)代多媒體技術(shù)的發(fā)展，教育領(lǐng)域的信息化程度逐步深入，越來越多的教育學(xué)家和教師重視建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)理論。建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)情境主要包括情境、協(xié)商、交流、意義建構(gòu)4大特征。

（1）情境。

情境是指在建構(gòu)主義的學(xué)習(xí)理論中所創(chuàng)設(shè)的真實(shí)情境，且必須有利于學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)知識

的意義建構(gòu)。而創(chuàng)設(shè)情境非常有效的工具則是多媒體技術(shù)與計(jì)算機(jī)工具的結(jié)合。

（2）協(xié)商、交流。

建構(gòu)主義特征中的協(xié)商和交流可視為一體。交流與協(xié)商都在過程學(xué)習(xí)中產(chǎn)生，雙方相互交換想法，使全部學(xué)習(xí)者的想法都能被共同的學(xué)習(xí)群體所共享，從而進(jìn)一步推進(jìn)學(xué)習(xí)者在的進(jìn)程學(xué)習(xí)。

（3）意義建構(gòu)。

情境化學(xué)習(xí)的最終目標(biāo)就是意義建構(gòu)，它的意義在于將學(xué)生從原來的被動學(xué)習(xí)中解放出來，鼓勵(lì)學(xué)生主動學(xué)習(xí)、積極探索。

3　國內(nèi)外虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

3.1 國外研究現(xiàn)狀

國外虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)應(yīng)用較多的技術(shù)手段主要包括以下10種：多媒體技術(shù)，可視化技術(shù)，人機(jī)交互技術(shù)，仿真技術(shù)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，虛擬仿真技術(shù)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，虛擬世界，3D打印技術(shù)，遙現(xiàn)技術(shù)。

國外高校的虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)主要以表1所示的形式進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)：

表1　國外虛擬仿真實(shí)驗(yàn)室的主要類別和形式

英國Open University的開放科學(xué)實(shí)驗(yàn)室可以開放所有在線實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)功能，還可以通過遙控儀器實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程實(shí)驗(yàn)。而且，該實(shí)驗(yàn)室還架設(shè)了一批集網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用和虛擬現(xiàn)實(shí)為一體的實(shí)驗(yàn)室，可以實(shí)現(xiàn)虛擬儀器設(shè)備的在線共享等功能。例如，地球科學(xué)實(shí)驗(yàn)室的虛擬顯微鏡，可以提供現(xiàn)今世界各地博物館和研究機(jī)構(gòu)存放的地質(zhì)標(biāo)本，避免了購買昂貴顯微鏡的費(fèi)用、切片標(biāo)本制作費(fèi)用，還可以實(shí)現(xiàn)設(shè)備的共享。

美國耶魯大學(xué)則注重發(fā)展實(shí)驗(yàn)室的可移動性和即時(shí)性。該校在分子生物學(xué)、發(fā)育生物學(xué)和細(xì)胞生物學(xué)等專業(yè)上利用PAD產(chǎn)品完成實(shí)驗(yàn)。教師和學(xué)生通過PAD上的移動應(yīng)用程序?qū)?shí)驗(yàn)室的數(shù)字顯微鏡記錄、分析，同時(shí)還可以將獲得的圖像和資料存檔。

加拿大的維多利亞大學(xué)則更重視3D打印技術(shù)的發(fā)展。該校通過3D打印機(jī)和掃描儀、激光切割機(jī)以及動作捕捉傳感器建成了創(chuàng)客實(shí)驗(yàn)室，鼓勵(lì)學(xué)生積極創(chuàng)新、勇于探索。

西班牙IE學(xué)院注重發(fā)展教育游戲類軟件。該校研究教育游戲類軟件，學(xué)生在該軟件中可以擔(dān)任英國各重要部門領(lǐng)導(dǎo)，甚至是英國首相，虛擬制定和國家經(jīng)濟(jì)、政治相關(guān)的重要議題，甚至可以組成“議會”討論政策的制定。該項(xiàng)目通過游戲積分的形式培養(yǎng)學(xué)生的領(lǐng)導(dǎo)力，使學(xué)生充分領(lǐng)悟決策的復(fù)雜性和重要性。

3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)及虛擬仿真技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺這一教育資源也逐漸受到了教育界人士的青睞。目前國內(nèi)投入運(yùn)營的虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺屈指可數(shù)。

以西南交通大學(xué)龍緒明教授為例，其率領(lǐng)團(tuán)隊(duì)開發(fā)的SMT虛擬實(shí)踐平臺已于2015年初完成，目前被西南交通大學(xué)、北京理工學(xué)院使用。

廈門大學(xué)的機(jī)電類虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程教學(xué)資源共享，可以虛擬教學(xué)資源，也能夠在數(shù)控專業(yè)、電氣專業(yè)、模具專業(yè)實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)，該校15個(gè)專業(yè)的學(xué)生受益于虛擬仿真實(shí)驗(yàn)中心。

杭州電子科技大學(xué)則成立了物聯(lián)網(wǎng)虛擬實(shí)驗(yàn)平臺，該平臺從物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)人才需求著手，設(shè)計(jì)了無線通信系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)和無線串口點(diǎn)對點(diǎn)通信實(shí)驗(yàn)，以及物聯(lián)網(wǎng)智能家居實(shí)驗(yàn)。

北京化工大學(xué)成立了化工安全與裝備中心，中心主要為面向過程、化工安全、以及材料加工過程方向的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心。中心在虛擬仿真實(shí)踐平臺上開設(shè)了超過100個(gè)實(shí)踐項(xiàng)目，惠及20多個(gè)專業(yè)的學(xué)生。

這些虛擬教學(xué)手段的使用在教學(xué)過程中改善了教學(xué)效果，但在具體的應(yīng)用過程中也體現(xiàn)出一些問題，具體問題如下：

4)高價(jià)值：大數(shù)據(jù)帶來的商業(yè)價(jià)值很高，價(jià)值密度卻很低。總之，大數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫相比較而言，前者相當(dāng)于在大海中捕魚或者相當(dāng)于在池塘中捕魚。前者獲取信息的范圍比較小，而后者獲取信息的范圍相當(dāng)廣泛，而且分析、處理、歸納、管理信息的功能也較前者強(qiáng)很多。

（1）推廣速度、覆蓋院校范圍不盡如人意。

（2）部分學(xué)校計(jì)算機(jī)設(shè)備老舊、網(wǎng)絡(luò)資源匱乏，虛擬平臺運(yùn)行速度較慢。

（3）虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺使用頻率較低，平臺資源沒有得到充分利用。

（4）虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺在實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用還處在起步階段，還需要探索出一條充分發(fā)揮其作用的路來。

4　系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺的實(shí)現(xiàn)需要三維建模軟件、數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件3大類。

4.1 建模軟件簡介

（1）3D MAX。它功能非常強(qiáng)大，廣泛應(yīng)用于游戲模型制作，2016年在建筑設(shè)計(jì)領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用。該軟件中文版本和英文版本同樣具備，操作便捷簡單，發(fā)展的已經(jīng)非常成熟了。

（2）SketchUp。它是GOOGLE（谷歌）公司所開發(fā)的三維建模軟件。它具備自動捕捉功能，能將模擬使用鉛筆繪制的圖形線條自動捕捉。同時(shí)，GOOGLE公司的3D模型庫中具有很多既定的SketchUp格式的模型。因此，采用SketchUp軟件可以避免很多繁重的、重復(fù)的模型建立工作。

（3）Maya。它是AutoDesk公司研發(fā)的一款應(yīng)用廣泛、功能強(qiáng)大的建模軟件，它的功能與3D MAX類似，但更適用于動畫和特效的制作。

4.2 數(shù)據(jù)庫軟件

伴隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，數(shù)據(jù)管理已經(jīng)從以往簡單的數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)管理逐步轉(zhuǎn)變成按照數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)來組織數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)的大型倉庫，而這種大倉庫就是常用的數(shù)據(jù)庫。

SQL server是微軟公司開發(fā)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，它作為平臺兼容性能良好，是WINDOWS操作系統(tǒng)中最為方便的數(shù)據(jù)庫平臺。并且界面友好，容易操作，編程接口豐富。

4.3 系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件

虛擬仿真實(shí)訓(xùn)平臺可以采用第一視角虛擬漫游，其模式與游戲有很多相似之處，采用游戲引擎完成平臺系統(tǒng)的設(shè)計(jì)可以說是一個(gè)非常好的選擇。

Unity是一款全面整合了三維場景、動畫效果和三維視頻的專業(yè)游戲引擎。作為系統(tǒng)開發(fā)平臺，主要具備以下幾個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：操作簡便、容易上手?？梢詮耐獠繉?dǎo)入FBX格式模型文件，只要在Unity中編輯地面信息資料，基本的虛擬漫游操作就可以被實(shí)現(xiàn)；Unity 3D程序的封裝性能非常好，有豐富的插件資源可以選用；發(fā)布范圍廣，通用性良好。采用Unity 3D制作的系統(tǒng)可以發(fā)布在個(gè)人電腦、網(wǎng)頁、安卓手機(jī)系統(tǒng)、游戲盒子以及Windows電話等當(dāng)今主流平臺上，只需要修改非常少量的代碼，就可以實(shí)現(xiàn)平臺的移植。對于日后移動端推廣虛擬仿真平臺系統(tǒng)具有非常重要的意義。

5　系統(tǒng)設(shè)計(jì)難點(diǎn)

虛擬仿真系統(tǒng)在設(shè)計(jì)過程中模型的建立非常重要，但在模型的加載會占用內(nèi)存，場景內(nèi)如果模型數(shù)量較多，則系統(tǒng)很可能存在卡頓現(xiàn)象，無法流暢運(yùn)行。這是模型建立時(shí)亟待解決的一個(gè)問題。

建模的標(biāo)準(zhǔn)之一就是重視簡模模型的使用，模型的面數(shù)盡量不要超過5000，將模型的面數(shù)盡可能地控制。

（1）巧用貼圖替代模型的建立。例如需要表現(xiàn)一些細(xì)長狀的物體，如窗欄、扶手等物體時(shí)，就可以采用這種技巧，減少模型的數(shù)量，避免渲染時(shí)出現(xiàn)的鋸齒和閃爍等現(xiàn)象。

（2）控制場景中模型數(shù)量，模型的分布要均勻，盡量轉(zhuǎn)化多邊形物體或使用塌陷命令。

（3）合并場景中距離較近的同樣材質(zhì)的模型，巧妙利用附加方式。

（4）嚴(yán)格控制模型不同面之間的距離，以免彼此距離過近出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。確實(shí)距離過近時(shí)，可以通過面的嵌套完成制作。

（5）刪減底面、高處邊沿等看不見或不被注意的面，從而減少面的總數(shù)。

綜上，本文對虛擬仿真實(shí)訓(xùn)的理論支撐、研究現(xiàn)狀、發(fā)展前景和主要技術(shù)方法進(jìn)行了全面的論述，希望對虛擬仿真實(shí)訓(xùn)的建設(shè)和推廣貢獻(xiàn)一份力量，最終實(shí)現(xiàn)“理、虛、實(shí)”一體化的新型教學(xué)模式，切實(shí)提高實(shí)踐教學(xué)的效果。

Exploration and Research on the Construction of Virtual Simulation Training Platform

Feng Shanshan
（Liaoning Jianzhu Vocational University，Liaoyang 111000，China）

Abstract:This review focuses on the concepts and features of virtual simulation training platform construction，to analyze the results and present situation of virtual simulation training platform construction，and the main technical means and technologies of virtual simulation training platform construction difficulties were discussed.

Key words:virtual simulation training；constructivism；unity 3D

作者簡介：馮珊珊（1981-），女，遼寧遼陽，講師，研究方向：應(yīng)用電子，信息化教學(xué)。