劉煜，楊建，李志強(qiáng)

（鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017020）

0 引言

將VR技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)相結(jié)合是當(dāng)下的研究熱點(diǎn)之一，實(shí)驗(yàn)教學(xué)無(wú)論是在中學(xué)教育還是高等教育過(guò)程中始終是一項(xiàng)核心的教學(xué)環(huán)節(jié)。以普通高校為例，實(shí)驗(yàn)室既是開(kāi)展實(shí)驗(yàn)教學(xué)，研究新型技術(shù)的地點(diǎn)，也是鍛煉學(xué)生實(shí)踐能力，提高學(xué)生自主思考和解決難題能力的絕佳場(chǎng)所。實(shí)驗(yàn)屬于實(shí)踐一類，將教師講述的知識(shí)應(yīng)用到現(xiàn)實(shí)中，可以更好地使同學(xué)接受新知識(shí)，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。近年來(lái)，我國(guó)在科技領(lǐng)域高速發(fā)展，對(duì)具有深度研究能力人才的需求也是持續(xù)增長(zhǎng)。我國(guó)高校的招生人數(shù)逐年都在增加，學(xué)校的實(shí)驗(yàn)室負(fù)擔(dān)極大，超負(fù)荷運(yùn)行更會(huì)加快設(shè)備的損壞程度。

2017年4月，在天津大學(xué)舉辦的工科建設(shè)研討會(huì)上，全體參會(huì)人一致認(rèn)為：為保證國(guó)家持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，同時(shí)在一些尖端領(lǐng)域占有一席之地，就必須培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才。自改革開(kāi)放以來(lái)，我國(guó)的發(fā)展非常迅速，因此也急需一大批在領(lǐng)域內(nèi)具有高水平操作能力的人才來(lái)繼續(xù)保持這種發(fā)展勢(shì)頭。實(shí)踐能力在學(xué)生的綜合評(píng)價(jià)中占據(jù)著重要地位，將理論充分運(yùn)用到實(shí)踐之中，確保學(xué)生就業(yè)后不是只會(huì)“紙上談兵”之人。目前的高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在諸多問(wèn)題，如：實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源不足，學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)課重視程度不夠，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容主要以驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)為主，實(shí)驗(yàn)考核方式不夠合理等。實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的硬件資源，如實(shí)驗(yàn)室的環(huán)境、實(shí)驗(yàn)設(shè)備等是制約實(shí)驗(yàn)室發(fā)展的重要因素之一。以通信類專業(yè)為例，實(shí)驗(yàn)設(shè)備多為電子器件，器材制造精密，輕微磕碰或者通電時(shí)間過(guò)長(zhǎng)都會(huì)導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果的偏差，為保證偏差結(jié)果不會(huì)誤導(dǎo)學(xué)生，通常以縮短器材使用周期來(lái)?yè)Q取結(jié)果的可靠性，這是一個(gè)惡性循環(huán)[1]。

1 VR技術(shù)與實(shí)驗(yàn)操作的結(jié)合

本文所述的系統(tǒng)是以數(shù)電實(shí)驗(yàn)為操作模板。將VR技術(shù)引入到電路實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，通過(guò)3Dmax建模軟件將電路實(shí)驗(yàn)所需要的基本器件和設(shè)備按1：1比例進(jìn)行建模。根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)需求進(jìn)行電路的預(yù)先搭建，并在初學(xué)者常出現(xiàn)的錯(cuò)誤之處進(jìn)行提示操作，對(duì)常見(jiàn)問(wèn)題（如短路、斷路等）的后果進(jìn)行實(shí)時(shí)展現(xiàn)，讓體驗(yàn)者切身實(shí)地地感受誤操作可能會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果帶來(lái)的影響。該系統(tǒng)可強(qiáng)化安全操作意識(shí)，使學(xué)生熟練掌握實(shí)驗(yàn)操作流程，培養(yǎng)學(xué)生解決實(shí)際問(wèn)題的能力，從而達(dá)到保護(hù)器材，理論聯(lián)系實(shí)際，加強(qiáng)學(xué)生實(shí)踐操作能力的目的[2]。

2 基于VR技術(shù)的智能實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)功能

根據(jù)當(dāng)前學(xué)生實(shí)驗(yàn)操作中普遍存在的問(wèn)題，基于VR技術(shù)的實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)可分為以下四個(gè)功能模塊。

2.1 學(xué)習(xí)模式

在學(xué)習(xí)模式中系統(tǒng)會(huì)根據(jù)體驗(yàn)者選擇的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行文檔解讀，包括實(shí)驗(yàn)流程介紹、注意事項(xiàng)、所需器材及規(guī)格等，同時(shí)有選擇性地觀看專業(yè)實(shí)驗(yàn)員對(duì)該實(shí)驗(yàn)的操作視頻和要點(diǎn)介紹等。

2.2 實(shí)操模式

在學(xué)習(xí)模式跟學(xué)完成之后，體驗(yàn)者就可以進(jìn)行實(shí)操。該模式下，體驗(yàn)者頭戴VR頭盔，手持手柄在虛擬實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景中進(jìn)行操作。虛擬場(chǎng)景中存在與視頻講解中的設(shè)備一樣的按等比例建模出的實(shí)驗(yàn)臺(tái)，電子器件和學(xué)生電源等，同時(shí)前置黑板上有詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)操作流程，如體驗(yàn)者在實(shí)操過(guò)程中有疑問(wèn)或者無(wú)從下手時(shí)可以隨時(shí)觀看講解視頻和文檔。同時(shí)系統(tǒng)具有錯(cuò)誤提示功能，如果在某一環(huán)節(jié)體驗(yàn)者出現(xiàn)錯(cuò)誤，場(chǎng)景中會(huì)懸浮出提示框進(jìn)行提示[3]。

2.3 考試模式

在進(jìn)行完學(xué)習(xí)和體驗(yàn)之后，學(xué)生可以根據(jù)自身情況或者老師要求進(jìn)行考試?？荚囘^(guò)程中無(wú)任何提示功能，真實(shí)檢驗(yàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和動(dòng)手能力，方便學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，加深實(shí)驗(yàn)印象。

2.4 擴(kuò)展模式

該模式下學(xué)生可以自由發(fā)揮，不受實(shí)驗(yàn)內(nèi)容的限制，學(xué)生可以自由發(fā)揮想法進(jìn)行電路搭建，極大提高學(xué)生探索興趣和創(chuàng)新能力。

3 基于VR技術(shù)的智能實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

3.1 運(yùn)行系統(tǒng)及軟件介紹

實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)是以極限矩陣獵豹V8臺(tái)式主機(jī)作為系統(tǒng)運(yùn)行主機(jī)，搭載了一顆擁有四核八線程、主頻高達(dá)3.4GHz的i5-6700CPU，配以8GB的DDR4高速內(nèi)存和512GSSD的存儲(chǔ)，計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)為windows10專業(yè)版，在硬件和軟件方面盡最大程度保證系統(tǒng)的流暢運(yùn)行。開(kāi)發(fā)軟件為由U-T公司開(kāi)發(fā)、市面上目前最主流的VR虛擬現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)軟件——Unity3D。本文所用的開(kāi)發(fā)軟件提供運(yùn)行時(shí)的音頻、特效、渲染服務(wù)。套件采用HTC公司于2017年推出的VR頭顯產(chǎn)品—HTCVIVE。頭顯的刷新率高，佩戴兩個(gè)無(wú)線定位器，可實(shí)時(shí)確定用戶的位置和手部動(dòng)作。實(shí)驗(yàn)室模擬圖形搭建軟件采用Discreet公司開(kāi)發(fā)的3DMax建模軟件，其具有設(shè)計(jì)方案更全面，導(dǎo)出文件格式融合性高等優(yōu)點(diǎn)[4]。

3.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)共分為五層，各層次說(shuō)明如下：

（1）軟件層：軟件運(yùn)行于微軟電腦操作平臺(tái)上，使用steamVR提供基礎(chǔ)的驅(qū)動(dòng)程序。

（2）引擎層：Unity3D為軟件提供動(dòng)畫(huà)渲染支持，包括視頻、音頻和振動(dòng)反饋等

（3）硬件層：VR頭盔設(shè)備、手持手柄和入耳式耳機(jī)構(gòu)成體驗(yàn)系統(tǒng)硬件部分。

（4）服務(wù)層：軟件層、引擎層和硬件層同時(shí)為服務(wù)層服務(wù)，服務(wù)層提供視覺(jué)管理，音頻管理，UI管理和玩家管理。視覺(jué)管理提供最真實(shí)的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景；音頻管理則根據(jù)場(chǎng)景中顯示情況的不同提供音頻的破防，停止和混響功能；UI管理提供了軟件的初始化界面和操作界面；玩家管理提供了角色的控制，引導(dǎo)功能。

（5）應(yīng)用層：不同的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及事故體驗(yàn)的具體實(shí)現(xiàn)。

3.3 系統(tǒng)交互設(shè)計(jì)

（1）用Unity3D進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)室及實(shí)驗(yàn)器材的繪制，對(duì)虛擬場(chǎng)景進(jìn)行優(yōu)化處理。

（2）進(jìn)行交互的流程設(shè)計(jì)，完善判斷條件，將交互設(shè)計(jì)儲(chǔ)存成文檔，把各個(gè)場(chǎng)景串起來(lái)，完成交互模型。

（3）在場(chǎng)景中設(shè)計(jì)各種事故觸發(fā)點(diǎn)，用戶可以主動(dòng)通過(guò)手柄按鈕觸發(fā)事故，也可以在連接過(guò)程中判斷器件交互是否正確來(lái)觸發(fā)事故，如短路、虛接、電流過(guò)大等。

3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)流程

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)軟件為Unity3D，邏輯實(shí)現(xiàn)語(yǔ)言為C#，開(kāi)發(fā)流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程圖

3.5 系統(tǒng)硬件

該系統(tǒng)的硬件成分包含：VR頭盔、兩個(gè)操作手柄、VR位置跟蹤器設(shè)備和入耳式耳機(jī)。VR頭盔和入耳式耳機(jī)作為系統(tǒng)的輸出設(shè)備，實(shí)現(xiàn)了視覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)上的模擬。操作手柄和VR位置跟蹤器設(shè)備作為系統(tǒng)的輸入，采集用戶手部動(dòng)作和位置，在虛擬場(chǎng)景中以人手的形式展現(xiàn)出來(lái)。VR位置跟蹤器主要為紅外線定位器，它的基本原理就是在矩形空間內(nèi)安裝兩個(gè)可發(fā)射遠(yuǎn)紅外的裝置，對(duì)空間快速發(fā)射感應(yīng)光線，VR頭盔和手柄中放置了多個(gè)光線接收裝置，通過(guò)計(jì)算光線到達(dá)接收器的時(shí)間以及角度，計(jì)算機(jī)就可以得到使用者在定位器范圍內(nèi)的坐標(biāo)，也就得到了動(dòng)作信息，完成動(dòng)作的捕捉，設(shè)備如圖2和圖3所示。

圖2 HTCVIVE手柄示意圖

圖3 HTCVIVE定位器示意圖

4 基于VR技術(shù)的智能實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用

在實(shí)際的操作中，一套上述中的電腦和一套HTCVIVE在約4平方米的空間內(nèi)設(shè)備就可以進(jìn)行操作。首先連接好VR頭盔和主機(jī)，打開(kāi)系統(tǒng)軟件，體驗(yàn)者頭戴VR頭盔，用VR手柄進(jìn)行操作，選擇好要操作的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目后進(jìn)入體驗(yàn)場(chǎng)景。在場(chǎng)景內(nèi)可以以第一視角向任意方向行走，場(chǎng)景中會(huì)通過(guò)手柄發(fā)出指示前進(jìn)的光線，如果手柄的扳機(jī)按下，場(chǎng)景中的人員就會(huì)到達(dá)該區(qū)域，隨后就可以通過(guò)扳機(jī)模擬手部的抓取動(dòng)作，將器件放到相應(yīng)的位置進(jìn)行連接，完成后就可以打開(kāi)開(kāi)關(guān)，進(jìn)行查驗(yàn)。同時(shí)還能以第三視角體驗(yàn)事故還原，總結(jié)錯(cuò)誤發(fā)生原因，避免在以后的實(shí)驗(yàn)中發(fā)生類似的事故。目前系統(tǒng)已實(shí)現(xiàn)上述功能，完整了重現(xiàn)了實(shí)際實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程[5]。

5 結(jié)語(yǔ)

基于VR技術(shù)的智能實(shí)驗(yàn)操作系統(tǒng)以模擬實(shí)驗(yàn)為基礎(chǔ)，以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為支撐，搭建了按1：1還原的實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)景和實(shí)驗(yàn)器材，結(jié)合VR頭盔和手柄實(shí)現(xiàn)了人的行走和手部的抓取，讓體驗(yàn)者有更加逼真的感受，從而增加體驗(yàn)者的實(shí)操興趣，提高學(xué)生的安全意識(shí)，避免基礎(chǔ)錯(cuò)誤的發(fā)生，極大程度減小對(duì)昂貴實(shí)驗(yàn)器材的損害。將VR技術(shù)與現(xiàn)實(shí)高度結(jié)合，不僅提高了學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，而且極大程度上推動(dòng)了學(xué)生的發(fā)展。