薛巖

摘要：本文主要以VR虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)為重點(diǎn)進(jìn)行闡述，首先分析VR虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景，其次從整體組成結(jié)構(gòu)、功能設(shè)計(jì)、創(chuàng)設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?、渲染三維模型、運(yùn)作UI界面幾個(gè)方面深入說(shuō)明并探討VR虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的思路，進(jìn)一步闡述VR虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的存在價(jià)值，讓教學(xué)過(guò)程順利進(jìn)行，旨意在為相關(guān)研究提供參考資料。

關(guān)鍵詞：虛擬仿真;實(shí)驗(yàn)系統(tǒng);VR技術(shù);設(shè)計(jì)思路

VR技術(shù)逐步成熟化發(fā)展，應(yīng)用的范圍有所擴(kuò)展，尤其是教育領(lǐng)域，依托VR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)強(qiáng)化教學(xué)成效。立足于VR技術(shù)的實(shí)際特征，結(jié)合課程結(jié)構(gòu)體系與教學(xué)大綱需求，設(shè)計(jì)完整的VR虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，促使學(xué)生更多的掌握專業(yè)知識(shí)與技能。教師要借助此項(xiàng)技術(shù)給學(xué)生真實(shí)呈現(xiàn)仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程，提供真實(shí)化的實(shí)驗(yàn)設(shè)備操作場(chǎng)景，對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容充分展現(xiàn)，凸顯教學(xué)實(shí)踐的多樣性與靈活性。

一、VR虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)背景

《事故管理與應(yīng)急處置》是一門(mén)重要的課程，實(shí)驗(yàn)過(guò)程的材料相對(duì)特殊，且設(shè)備數(shù)量匱乏，那么不能實(shí)現(xiàn)學(xué)生自主操作實(shí)驗(yàn)。利用VR虛擬仿真系統(tǒng)，重現(xiàn)事故產(chǎn)生和發(fā)展過(guò)程，學(xué)生通過(guò)VR眼鏡了解多樣化的環(huán)境，開(kāi)展目的性訓(xùn)練活動(dòng)，擴(kuò)展學(xué)生對(duì)事故知識(shí)的掌握范圍。以往的課程教學(xué)，學(xué)生僅僅是死記硬背事故管理的關(guān)鍵點(diǎn)，不能真正掌握事故應(yīng)急處置的原則，對(duì)應(yīng)實(shí)踐技能培養(yǎng)需求提升。在虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)上，學(xué)生產(chǎn)生身臨其境的感覺(jué)，在平時(shí)訓(xùn)練中積累事故管理與處置的環(huán)節(jié)，發(fā)揮潛能適應(yīng)事故處理對(duì)學(xué)生處理問(wèn)題能力的需求，巧妙的處置應(yīng)急事故，讓?xiě)?yīng)急事故的處理成效不斷強(qiáng)化。對(duì)于“氯氣泄漏事故處置”實(shí)驗(yàn)，明確仿真功能和實(shí)現(xiàn)流程，全面體現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，學(xué)生可更多的了解氯氣理化特征、儲(chǔ)罐結(jié)構(gòu)與事故處置的要點(diǎn)，針對(duì)性采取事故處置方案，提高教學(xué)有效性。并且借助VR虛擬實(shí)驗(yàn)仿真系統(tǒng)，模擬經(jīng)典事故的變動(dòng)，組織學(xué)生參與人機(jī)交互學(xué)習(xí)流程，把自身置于突發(fā)場(chǎng)景與復(fù)雜場(chǎng)景，針對(duì)性的訓(xùn)練知識(shí)技能，提升學(xué)生對(duì)事故危險(xiǎn)性的掌握。

二、VR虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的思路

（一）系統(tǒng)設(shè)計(jì)思路。1.整體組成結(jié)構(gòu)。在設(shè)計(jì)“氯氣泄漏事故處置”教學(xué)活動(dòng)中，設(shè)計(jì)的仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)包含30個(gè)學(xué)生，把五人或者六人劃分相同的小組，教師給學(xué)生介紹理論知識(shí)，確保理論知識(shí)和實(shí)踐操作互相結(jié)合，帶給學(xué)生一定的感知和真實(shí)體驗(yàn)，樹(shù)立學(xué)生動(dòng)手實(shí)踐意識(shí)，讓學(xué)生學(xué)習(xí)主觀能動(dòng)性可提升。系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)可劃分三個(gè)層面，第一個(gè)層面便是用戶操作、第二個(gè)層面便是虛擬場(chǎng)景、第三個(gè)層面便是數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，實(shí)際情況如圖一。

其一是用戶操作層，操作層通過(guò)VR實(shí)踐過(guò)程引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行動(dòng)作，組織學(xué)生佩戴VR眼鏡加入課程活動(dòng)，結(jié)合語(yǔ)言表示，學(xué)生利用VR眼鏡觸控板明確UI界面和場(chǎng)景內(nèi)人物操作流程，利用生產(chǎn)辦公室得到液氯泄漏報(bào)警資料，隨后按照提示挑選防護(hù)裝備，完善液氯泄漏體系，收集廠房中毒人群的信息加以急救處理，全部的操作完成后，學(xué)生自主選取離開(kāi)是否。其二是虛擬場(chǎng)景層，按照諸多游戲?qū)ο髣?chuàng)設(shè)場(chǎng)景，游戲?qū)ο笊婕敖缑婀潭ǎm當(dāng)增加諸多組件，尤其是渲染、腳本、物理與位置等相關(guān)組件。嘗試改變界面外觀，在著色器的運(yùn)用下渲染顯著的游戲?qū)ο蟪尚?。結(jié)合渲染元素畫(huà)布以及元素事件，構(gòu)建3D虛擬場(chǎng)景。軟件Unity?3D元素比較多，即文本控件、布局組件、音頻組件、渲染組件與導(dǎo)航組件，控件科學(xué)規(guī)范搭配創(chuàng)設(shè)界面，體現(xiàn)VR虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的靈活性與科學(xué)性。其三是實(shí)驗(yàn)信息存儲(chǔ)層，對(duì)于存儲(chǔ)層而言，其包含著學(xué)生實(shí)踐操作的所有行為數(shù)據(jù)，借助MySQL數(shù)據(jù)庫(kù)，能夠測(cè)評(píng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)內(nèi)的報(bào)告信息與存儲(chǔ)信息，便于后階段教師把信息數(shù)據(jù)視作評(píng)估教學(xué)效率的依據(jù)，時(shí)效性優(yōu)化試驗(yàn)系統(tǒng)功能，內(nèi)化實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容。

2.功能設(shè)計(jì)。其一是硬件系統(tǒng)，VR虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)包含硬件系統(tǒng)，以智慧教室設(shè)備為主，學(xué)生學(xué)習(xí)時(shí)運(yùn)用VR頭盔與眼鏡，通過(guò)電子設(shè)備和電子白板了解所學(xué)知識(shí)。教學(xué)過(guò)程中，相關(guān)硬件設(shè)備彼此之間配合，教師能夠充分講解操作的流程，讓學(xué)生自主解決問(wèn)題。其二是軟件系統(tǒng)，即VR運(yùn)用資源以及學(xué)習(xí)內(nèi)容，開(kāi)發(fā)對(duì)應(yīng)的實(shí)踐活動(dòng)與實(shí)訓(xùn)內(nèi)容，明確備課環(huán)節(jié)與授課環(huán)節(jié)，借助云端呈現(xiàn)知識(shí)體系，定時(shí)對(duì)課程資源的練習(xí)題進(jìn)行發(fā)布，得到學(xué)生學(xué)習(xí)反饋信息。

（二）實(shí)現(xiàn)思路。1.創(chuàng)設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ?，在演示真?shí)的環(huán)境中，依托實(shí)驗(yàn)設(shè)備與實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景構(gòu)建三維模型，利用軟件Solid?Works對(duì)模型進(jìn)行構(gòu)建，在Deep的轉(zhuǎn)換文件格式設(shè)置下把信息數(shù)據(jù)納入在3D資源文件庫(kù)內(nèi)，完成實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷膭?chuàng)設(shè)。2.渲染三維模型，給予已經(jīng)形成的三維模型，依托3D軟件渲染形式充分渲染，實(shí)現(xiàn)良好的美化操作。渲染工作有：辦公室中工作者渲染外關(guān)、裝備標(biāo)注，即防化服設(shè)備、橡膠手套設(shè)備與呼吸器設(shè)備;液氯泄漏模塊內(nèi)渲染儲(chǔ)罐、渲染儲(chǔ)罐附近環(huán)境、渲染廠房外風(fēng)向標(biāo)、渲染警戒標(biāo)識(shí)。3.運(yùn)作UI界面。VR虛擬仿真課程實(shí)踐，界面選取與人物設(shè)置以及設(shè)備選定，這些都是借助眼鏡呈現(xiàn)的，具體操作是移動(dòng)界面中的光標(biāo)與眼鏡觸控板，界面有課程標(biāo)題模塊、防護(hù)裝備模塊、其他類(lèi)型設(shè)備模塊、應(yīng)急指令模塊、場(chǎng)景標(biāo)識(shí)模塊與結(jié)束提示模塊。對(duì)眼鏡界面光標(biāo)進(jìn)行移動(dòng)，促使其和UI界面充分重合，后續(xù)觸壓系統(tǒng)邊側(cè)的觸控板，落實(shí)界面選定。人物和設(shè)備的選擇，思考中毒人群、需要疏散人群、風(fēng)向標(biāo)項(xiàng)目、螺紋木塞的配置等，移動(dòng)界面光標(biāo)，讓光標(biāo)和人物與設(shè)備模塊重合，后續(xù)觸壓觸控板，進(jìn)行中毒人群疏散、廠房周?chē)藛T轉(zhuǎn)移、儲(chǔ)罐泄漏處理、明確風(fēng)向與噴淋稀堿溶液，由此完成VR技術(shù)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)過(guò)程，提高課程教學(xué)的質(zhì)量。

三、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，本次分析中進(jìn)行VR虛擬仿真實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，即便可初步落實(shí)基礎(chǔ)功能，在仿真實(shí)驗(yàn)中結(jié)合實(shí)踐操作，可學(xué)生具體的應(yīng)用和反饋中， 依舊呈現(xiàn)部分問(wèn)題。教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)不夠全面化，系統(tǒng)僅僅支撐單人學(xué)習(xí)形式，不可實(shí)現(xiàn)多人同步操作目的，因此后期應(yīng)深層次的整合與完善。

參考文獻(xiàn)：

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