林勝青

摘要：信息社會科技發(fā)展迅猛，虛擬現實技術在很多領域得到了廣泛的應用。在高校教育中一些復雜的操作和實踐過程如果用虛擬現實的方式體現，可以大大提高學生學習積極性和效率。文章闡述虛擬技術在實踐課程教學中的優(yōu)勢，提出虛擬實驗平臺搭建的思路及系統(tǒng)架構，從虛擬技術在實踐課程上的應用環(huán)境角度進行研究。成功搭建虛擬實驗平臺，為后續(xù)多學科互動實驗的深入研究提供了必要的條件。

關鍵詞：虛擬現實 VR 實踐教學

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2016）12-0072-02

傳統(tǒng)的課堂教學模式對人類的發(fā)展貢獻巨大，而隨著信息技術的快速發(fā)展，信息量成幾何倍數增加，以課堂教學為主的知識傳播途徑，已經無法滿足信息時代對教育的要求。高校的各個學科如理工科（包括網絡、通信、汽車等專業(yè)）、醫(yī)學，包括生物、化學、天文等都需要大量的動手實踐，但目前高校的專業(yè)實驗室一方面實體投入巨大，另一方面存在應用效率不高，設備陳舊，與最新技術脫鉤等問題。

虛擬現實技術這幾年的飛速發(fā)展在科技與教育等領域都引起了極大關注。將虛擬現實運用到教育領域可達到傳統(tǒng)方式無法提供的逼真、沉浸式的體驗。虛擬現實技術引入課堂教學已成為時代所需，因此多學科虛擬實驗平臺的設計和實現有著廣泛的應用前景和巨大的價值。

1 虛擬實驗平臺介紹

虛擬現實技術整合了多門前沿技術，如圖形學、智能感知、網絡技術、圖像識別等，將高速計算的數字信息轉化為人體能感知的圖像、視頻、音頻、觸感等形式，并對人體的行為作出實時交互。虛擬實驗平臺是由虛擬現實技術和傳統(tǒng)實驗相結合產生和發(fā)展出來的新型實驗模式。本平臺致力于將不同技術、不同學科的學習和實驗環(huán)境綜合在一起，集合成統(tǒng)一的實驗平臺。

2 設計思路及系統(tǒng)功能分析

2.1 設計思路

本虛擬實驗平臺突破傳統(tǒng)教學模式，以實際的校園建筑物、布局、教學及生活環(huán)境為藍本，通過3D建模將校園完整的在虛擬環(huán)境中展現，并將多學科實驗室靈活的安排在虛擬校園中，可通過漫游方式到達，也可通過菜單選擇方式進入。這種技術開發(fā)的虛擬漫游給人一種身臨其境、逼真的效果。

2.2 系統(tǒng)架構設計

本系統(tǒng)主要包括VR模式選擇、漫游模式、課堂的動態(tài)更換、實驗內容等。具體功能結構如圖1所示。

2.3 系統(tǒng)技術平臺架構

虛擬環(huán)境采用3D Max建模，設計系統(tǒng)采用Unity 3D。

Unity 3D系統(tǒng)可對數量龐大的模型、光照進行實時處理及動態(tài)渲染。Unity同時對C#，JS，BO等開發(fā)語言有良好的支持。展示平臺分為數據模型、數據庫、Unity 3D服務、開發(fā)接口和表現層5層結構。Unity 3D：系統(tǒng)的運行邏輯。包括VR相機控制、碰撞檢測、動作觸發(fā)、藍牙連接、多平臺控制等。

2.4 功能描述

2.4.1 本系統(tǒng)兩個主要功能

（1）校園漫游功能：為學校提供極佳的展示平臺，可進行如招生宣傳、校貌展示等。本平臺虛擬了現實校園的全部場景，訪問者通過佩戴虛擬設備即可實現校園中的自動漫游和手動漫游，以及轉動頭部進行環(huán)視，訪問者還可通過藍牙手柄進行移動和跳躍等動作。

（2）虛擬實驗室。本系統(tǒng)設計了兩種版本：PC版、移動版。PC版通過PC鼠標、鍵盤進行控制；移動版通過虛擬眼鏡、藍牙手柄等虛擬現實硬件設備使得用戶能夠和虛擬場景進行交互。

2.4.2 功能特點

（1）提高教學效果：本平臺不僅可以給學生展示實驗對象的復雜結構、工作原理，還可以在具體的情境中通過主動的學習獲得知識，大大的提高了教學效果。

（2）教學手段突破傳統(tǒng)：利用虛擬現實技術創(chuàng)造出教學環(huán)境和教具，并讓學生置身其中，使其產生真實的感覺，就像在真正的世界一樣。

（3）互動：訪問者能通過設備在虛擬場景產生動作，如前進后退，擺動頭部進行環(huán)境的觀看或走近虛擬零件設備進行細節(jié)觀察。后期將通過手持設備以及攝像頭的動作捕捉，識別人體的行為，進行相應，即可進行全面的操作。

（4）虛擬校園漫游：是數字校園建設的重要組成部分，它的研究和創(chuàng)建對以后數字校園的建設有重要的現實意義。同時也提高了校園管理的效率和科學化水平新生在入學前就可以全面的了解校園的布局，交互式的查詢，可以了解校園的所有信息，為盡快的適應學習生活提供方便。

2.4.3 系統(tǒng)實現價值

（1）節(jié)約成本。很多實踐性的課程因為沒有相應設備或者場地受限以及型號不一致，而導致不能執(zhí)行。虛擬實驗平臺上，老師和學生帶上虛擬眼鏡，就可做各種想要的實驗，學習到與真實操作一樣的知識。而且，很多情況下會比真實世界中學到更多東西，因為可以不斷的試錯，而不用擔心設備損壞或物料損失。在保證教學效果前提下，極大地降低了學校投入成本。

（2）風險降低。實際環(huán)境中很多操作也許會有各類的危險性，而采用虛擬實驗平臺進行操作，學生即使做這些危險地實踐操作也不會產生危險。比如：虛擬汽車駕駛教學系統(tǒng)，可避免實際駕駛過程操作失誤造成的汽車的嚴重事故。

（3）突破時空、想象的局限。利用虛擬實驗平臺，可突破時空限制。如：傳統(tǒng)教學只能在固定時間，固定地點進行學習，現在可以24小時，通過網絡遠程學習都不是問題。傳統(tǒng)教學一些抽象或無法表達的概念，比如大到星球天體，小到電子夸克，現在都能通過虛擬實驗進行學習。

3 系統(tǒng)實現

3.1 總體環(huán)境構建

（1）學校的3D建模：使用AutoCAD平面構建后，使用3D MAX建模，再導入Unity整合，如圖2所示。

（2）地形系統(tǒng)：增加草地、高山、森林、平地等豐富的地形結構，讓環(huán)境更真實。

3.2 漫游功能實現

（1）攝像頭模式：系統(tǒng)提供了兩種攝像頭模式：VR模式與普通模式?？赏ㄟ^主菜單上的VR Mode 按鈕進行選擇，如圖3所示。

普通模式即正常單攝像頭顯示屏幕上的內容。VR模式是通過兩個攝像頭的結合來模擬人左右眼所看到的不同影像，從而達到逼真的3D效果。下面是激活VR模式時的部分代碼：

（2）自動漫游模式：將VR的兩個攝像頭進行整體自動循跡移動。

（3）手動漫游模式：移動端模式：用戶可以佩戴VR眼鏡，通過頭部轉動改變視角，使用藍牙手柄控制運動方向、返回上級菜單、確定等動作。

PC端模式：用戶通過鍵盤的W、S、A、D按鍵控制前進后退，Alt按鍵、Ctrl按鍵與鼠標配合調節(jié)視角。下面為部分代碼：

（4）藍牙手柄的連接控制：藍牙手柄采用暴風生產的手柄，有六向搖桿、返回鍵、確認鍵、開關機/菜單鍵等，可滿足一定需求。手柄主要作用是在手機上通過VR模式進行觀看時，實現與虛擬環(huán)境的互動。下面是藍牙設備連接時的部分代碼：

3.3 多學科實驗室搭建

本系統(tǒng)搭建了天文學實驗室、化學實驗室、汽車實驗室等。

（1）虛擬汽車實驗室（VR模式）說明：教室與學生可在虛擬汽車實驗室中進行對汽車進行維修、組裝，如圖4所示。

（2）虛擬天文實驗室。在天文實驗室里，太陽系，設置地球月球的自傳公轉，學生可以近距離探究宇宙星體，如圖5所示。

（3）虛擬化學實驗室。在虛擬化學實驗室里面學生可以進行化學試劑的調配、觀察物質的分解與化合。

3.4 發(fā)布與測試

本系統(tǒng)通過Unity發(fā)布了安卓版應用程序，APP名為“掌上課堂”。通過了華為、小米、魅族等手機的測試，只要是安卓4.0以上版本，屏幕4.7寸以上，均能運行，如圖6所示。

手柄和虛擬眼鏡目前支持暴風魔鏡系列和谷歌Cardboard眼鏡。其他設備還待后期測試。

4 結語

本系統(tǒng)將虛擬現實作為一種新興的教學媒體應用到校園信息化和教育教學中，帶給我們嶄新的教育思維，具有非常高的現實意義和科學性：首先，基于校園的教學、生活虛擬校園環(huán)境供瀏覽，可提高學校知名度和認知度；其次，在此基礎上搭建多學科虛擬實驗平臺，可提高教學水平，并為學校的實踐教學和遠程教學點提供可移動的電子教學場所，創(chuàng)造更大的經濟效益與社會效益。

參考文獻

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