，

(陜西廣播電視大學(xué) 資源建設(shè)中心，陜西 西安 710119)

基于VR技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境設(shè)計(jì)

孟科1，王偉2

(陜西廣播電視大學(xué) 資源建設(shè)中心，陜西 西安 710119)

虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，簡稱 VR)技術(shù)因其自身的特點(diǎn)、優(yōu)勢目前已廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)，取得了良好效果。開展虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)可以有效地解決職業(yè)院校實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)場地、設(shè)備不足的矛盾，而虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的實(shí)施必須依賴于相應(yīng)的虛擬環(huán)境，文章在分析虛擬教學(xué)環(huán)境構(gòu)成要素的基礎(chǔ)上，提出了一種基于VR技術(shù)采用B/S結(jié)構(gòu)的虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，以期為虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供一種新的思路和方法。

高校；虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)；教學(xué)環(huán)境

教育部《關(guān)于全面提高高等職業(yè)教育教學(xué)質(zhì)量的若干意見》(教高[2006]16號)文件中強(qiáng)調(diào)“要充分利用現(xiàn)代信息技術(shù)，開發(fā)虛擬工廠、虛擬車間、虛擬工藝、虛擬實(shí)驗(yàn)。”虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)是指借助于虛擬現(xiàn)實(shí)(Virtual Reality，又稱VR)、多媒體、仿真、互聯(lián)網(wǎng)和服務(wù)器等技術(shù)在計(jì)算機(jī)上營造可輔助、部分替代甚至全部替代傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)各操作環(huán)節(jié)的相關(guān)軟硬件操作環(huán)境，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)者可以像在真實(shí)的教學(xué)環(huán)境中一樣完成各種實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，所取得的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)效果等價(jià)于甚至優(yōu)于在真實(shí)教學(xué)環(huán)境中所取得的效果。虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的實(shí)施必須依賴于相應(yīng)的虛擬環(huán)境，本文在分析虛擬教學(xué)環(huán)境構(gòu)成要素的基礎(chǔ)上，提出了一種基于VR技術(shù)采用B/S結(jié)構(gòu)的虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，以期為虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)提供一種新的思路和方法。

一、虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境構(gòu)成要素

圖1 虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境構(gòu)成要素

虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)的實(shí)施必須依賴于相應(yīng)的虛擬環(huán)境，在虛擬環(huán)境中有學(xué)習(xí)所需的各種虛擬資源。虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境是指借助于多媒體(音頻、視頻、圖像)技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、輸入輸出技術(shù)構(gòu)建一種高度虛擬現(xiàn)實(shí)仿真的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境，使學(xué)習(xí)者體驗(yàn)置身其中的感覺，能夠?qū)崿F(xiàn)互動(dòng)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，能最大限度地激發(fā)學(xué)生的自主實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)的興趣，有助于發(fā)展學(xué)生的構(gòu)建思維，提升教學(xué)效果。

在虛擬環(huán)境中，需要具備一個(gè)場景環(huán)境模型，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)者與環(huán)境中的虛擬對象或?qū)嶓w相互交互和相互影響。虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)場景環(huán)境的創(chuàng)建要以真實(shí)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境為原型，對其進(jìn)行模擬和仿真，場景環(huán)境中的景物與實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)室儀器設(shè)備都要和真實(shí)環(huán)境中保持一致，并且為了突出教學(xué)效果，還需要利用技術(shù)的手段，對于真實(shí)環(huán)境中無法感覺到或者難于理解的內(nèi)容進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)行特效創(chuàng)造。虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境構(gòu)成如圖1所示，通常包括實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)場景環(huán)境、虛擬角色、其他等要素。

二、基于VR技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于VR技術(shù)的虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境系統(tǒng)采用B/S結(jié)構(gòu)，即瀏覽器和服務(wù)器結(jié)構(gòu)。它是WEB興起后的一種網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模式，WEB瀏覽器是客戶端最主要的應(yīng)用軟件，而瀏覽器是隨操作系統(tǒng)就有的，方便就是它的優(yōu)勢，而且B/S是基于網(wǎng)頁語言的與操作系統(tǒng)無關(guān)，所以跨平臺也是它的優(yōu)勢。這種模式統(tǒng)一了客戶端，將系統(tǒng)功能實(shí)現(xiàn)的核心部分集中到服務(wù)器上，簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護(hù)和使用，可以充分發(fā)揮Web服務(wù)技術(shù)的優(yōu)勢，在使用過程中能夠快速的在服務(wù)器端增加新的虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，具有良好的可擴(kuò)充性。

虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境系統(tǒng)主要包括硬件部分、平臺部分、軟件部分。硬件部分主要為整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行提供物理設(shè)備支持，平臺部分是整個(gè)系統(tǒng)的“神經(jīng)中樞”——控制中心，負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)過程中系統(tǒng)的協(xié)調(diào)、管理與控制。平臺主要有兩大功能，一是進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)，二是作為學(xué)習(xí)資源中心。

硬件部分如圖2所示，包括計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)互聯(lián)設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備、輸入輸出設(shè)備、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)儀器設(shè)備等，功能是為虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)提供硬件支持。

平臺部分如圖3所示，平臺部分主要包括虛擬平臺、教學(xué)資源模塊、學(xué)習(xí)交流模塊、虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)模塊、分析決策模塊、評價(jià)反饋模塊六個(gè)部分。虛擬平臺能利用多媒體(音頻、視頻、圖像)技術(shù)、虛擬仿真技術(shù)、傳感技術(shù)、輸入輸出技術(shù)將現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)儀器設(shè)備、教學(xué)場景、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)和現(xiàn)象進(jìn)行完全虛擬，達(dá)到現(xiàn)實(shí)儀器設(shè)備的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)效果，并且在出現(xiàn)誤操作時(shí)只會(huì)給予相應(yīng)的提示，而不會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)成本的提高。教學(xué)資源模塊包括大量的實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)相關(guān)文字、圖片、視頻等資料。學(xué)習(xí)交流模塊是學(xué)生之間、師生之間互相幫助的地方，可分享實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)過程中遇到的問題及解決辦法。分析決策模塊作為虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的核心，完成實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)分析、錯(cuò)誤分析、過程模擬、策略選擇等功能。虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)模塊是系統(tǒng)的重要組成部分，學(xué)生通過此模塊在非常逼真的虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)環(huán)境中完成相關(guān)內(nèi)容的訓(xùn)練。評估反饋模塊對實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)全過程進(jìn)行實(shí)時(shí)評估，采集實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)數(shù)據(jù)，反饋實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)效果。

圖2 虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境系統(tǒng)硬件部分 圖3 虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境系統(tǒng)平臺部分

軟件部分如圖4所示，可分為三大模塊。實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)所有參與者因其角色的不同，而擁有不同的權(quán)限，具有不同的操作虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)的能力。根據(jù)權(quán)限由高到低，依次為管理員模塊、教師模塊、學(xué)生模塊。管理員享有教師、學(xué)生權(quán)限之上的最高的權(quán)限，通過管理員模塊可以管理其他用戶、在服務(wù)器端調(diào)整增加刪減實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)儀器設(shè)備、實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容等。教師可以通過教師模塊組織開展虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)演示，全過程跟蹤學(xué)生實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)，在線適時(shí)指導(dǎo)學(xué)生等業(yè)務(wù)；學(xué)生可以通過學(xué)生模塊隨時(shí)隨地進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)訓(xùn)練，根據(jù)考核要求進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)考試，自主設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，通過平臺學(xué)習(xí)交流模塊和老師以及其他實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)參與者就遇到的疑問和難題進(jìn)行交流互動(dòng)。

圖4 虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境系統(tǒng)軟件部分

三、結(jié)論

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)于實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境系統(tǒng)的應(yīng)用還處于不斷適應(yīng)、磨合、探索的過程中，還存在著很多需要解決的理論與技術(shù)上的問題。隨著教育改革的深入和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容、手段、模式都將發(fā)生深刻的變革，實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)模式將向著校內(nèi)、校外實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)基地與虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)相結(jié)合的教育模式發(fā)展。

[1]鄭仕華.關(guān)于高職院校利用虛擬實(shí)訓(xùn)室的思考[J].經(jīng)濟(jì)研究導(dǎo)刊，2010(31):297～298．

[2]李金國等.虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于高職模具實(shí)訓(xùn)教學(xué)的有效性探究[J].職教論壇,2010(3):69-71.

[3]宋蔚.基于虛擬現(xiàn)實(shí)的虛擬實(shí)驗(yàn)研究[碩士學(xué)位論文].中國學(xué)位論文文摘數(shù)據(jù)庫，重慶大學(xué)，2005.

[4]鄭穎立.體驗(yàn)式虛擬實(shí)驗(yàn)研究[博士學(xué)位論文].中國學(xué)位論文文摘數(shù)據(jù)庫，華東師范大學(xué)， 2008.

[5]虞江鋒等.虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中協(xié)同支撐的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中南大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2011(8):2332-2337.

[6]宋正國等.虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)境研究現(xiàn)狀及趨勢探悉[J].現(xiàn)代教育技術(shù)2009(12):115-118.

[7]曾靚.虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)在現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育中的設(shè)計(jì)與開發(fā)[碩士學(xué)位論文].中國學(xué)位論文文摘數(shù)據(jù)庫，西南大學(xué)，2011.

[責(zé)任編輯王愛萍]

DesignofTeachingEnvironmentofVirtualExperimentandPracticalTrainingbasedonVirtualRealityTechnique

Meng ke，Wang wei

(Shaanxi Radio and Television University, Xi’an 710119)

The virtual reality technique has been widely used with good effects because of its characteristics and advantages. Promotion of virtual experiment and practical training can solve the shortage of venue and equipment in experiment and practical training teaching in vocational college. The implementation of virtual experiment and practical training must rely on the virtual environment, thus, a design of virtual experiment and practical training environment system based on virtual reality technique using B/S structure is proposed on the basis of analysis of the elements of virtual teaching environment, which provides a new way for the research of virtual experiment and practical training.

Vocational college; Virtual reality technique; Virtual experiment and practical training; Teaching environment

2017-06-08

1.孟科(1975— )，陜西省涇陽縣人，陜西廣播電視大學(xué)資源建設(shè)中心副教授，工學(xué)博士。2.王偉(1971— )，陜西省興平市人，陜西廣播電視大學(xué)副教授。

本文系陜西工商職業(yè)學(xué)院教改項(xiàng)目“虛擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)教學(xué)環(huán)境構(gòu)設(shè)研究”(項(xiàng)目編號：GJ1525)階段性研究成果之一。

G434

A

1008-4649(2017)03-0025-03