韓小錚
(河北環(huán)境工程學院 河北秦皇島 066004)
虛擬現(xiàn)實技術(shù)(VR,VirtualReality)是利用計算機來模擬三維世界,用戶可以通過使用特定的設(shè)備來與模擬環(huán)境中的物體進行互動[1],達到虛擬仿真的效果。由于其有仿真性、互動性、沉浸性等特征,非常適合應用于教育教學工作中。
我國很多高校都開設(shè)有環(huán)境工程、環(huán)境科學等環(huán)境相關(guān)專業(yè),在這些專業(yè)的課程體系中,實踐教學是必不可少的部分,但由于資金、安全等方面的問題,很多高校無法保證實踐教學內(nèi)容的足額開設(shè)。實踐教學是理論教學的延伸,是保證學生掌握所學知識的基本條件,如無法保證實踐教學內(nèi)容的開展,就會極大的影響教學效果。為解決此問題,很多學者從不同角度提出了解決方法[2],其中應用虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助環(huán)境實踐教育,是當前技術(shù)條件下的較好選擇[3]。
環(huán)境實踐教育內(nèi)容與問題分析。通過分析當前環(huán)境實踐教育內(nèi)容,按不同的實踐方法,可以將教學內(nèi)容分成為參觀實習、操作實踐兩類,具體包括了污水處理廠、垃圾處理廠、固廢處理廠的參觀實習,化學分析實驗儀器、污染治理設(shè)施設(shè)備、污染檢測儀器設(shè)備的操作實踐等方面的內(nèi)容。
從目前高校的現(xiàn)狀分析,制約環(huán)境實踐教育內(nèi)容開展的主要原因在于兩方面。其一為資金問題,實踐教學內(nèi)容區(qū)別于理論教學,在授課中要使用設(shè)施、設(shè)備和儀器,會產(chǎn)生勞務(wù)、交通、設(shè)備耗材等方面的費用,部分課程內(nèi)容費用較為昂貴,如果學生人數(shù)較多,則費用問題就更為明顯。其二為安全問題,部分環(huán)境實踐教育內(nèi)容具有一定的危險性,如工業(yè)企業(yè)的污染治理設(shè)施的參觀實習、涉及到有毒有害物質(zhì)的化學分析儀器設(shè)備使用等。一些高??紤]到上述問題,會選擇減少相應的學時,導致了實踐課程不足的問題。
虛擬現(xiàn)實技術(shù)在參觀實習類教學中的應用。參觀實習類的實踐教學,教學目的多是以設(shè)施設(shè)備的外觀、實際運行情況、運行的基本原理方面的內(nèi)容為主。因此可以使用漫游技術(shù)實現(xiàn)對于參觀實習類的教學輔助功能[4]。在VR軟件開發(fā)工具中,普遍支持對于漫游類軟件的開發(fā),而且所有開發(fā)工具都有開發(fā)漫游功能的組件,可以簡化開發(fā)的流程。
虛擬現(xiàn)實技術(shù)在操作實踐類教學中的應用。操作實踐類教學主要內(nèi)容是化學分析、污染檢測、污染治理設(shè)施設(shè)備的使用,教學目標是讓學生掌握相關(guān)儀器和設(shè)備的使用方法。在VR軟件開發(fā)中,核心是實現(xiàn)互動功能,相對于漫游功能而言,互動功能的實現(xiàn)略為復雜,多數(shù)需要編寫程序[5]。
在教學過程中的應用分析。根據(jù)環(huán)境實踐教育的內(nèi)容與要求,應用VR軟件時,可以在如下的教學過程中來輔助教學。
課前預習。在進行實踐課之前,讓學生通過使用VR軟件,對教學內(nèi)容進行熟悉,這對于參觀實習類、操作實踐類的教學內(nèi)容都適用。
完全替代教學內(nèi)容。對于一些高危險性教學內(nèi)容,和教學中涉及到較多設(shè)施內(nèi)容結(jié)構(gòu)、運行原理等方面內(nèi)容的課程,可以完全使用VR軟件來完成教學工作。但對于儀器操作類的課程,則在教學中除使用VR軟件教學外,還應讓學生盡可能使用真實的儀器,保證教學效果。
考試考核。在一些參觀實踐類的教學課程中,往往無法讓學生在實地進行考核,對于這些課程,則可用VR軟件來完成考試和考核工作。
對于使用中的設(shè)備要求。由于VR軟件在使用時需要用到專用的VR設(shè)備,由于受到經(jīng)費和場地的限制,高校基本不可能配置完整VR設(shè)備。但高校計算機室的建設(shè)較為普及,因此可以使用傳統(tǒng)的鼠標與鍵盤使用VR軟件,同樣可達到教學要求。
VR軟件的開發(fā)主要的工作包括2部分,一部分是軟件中所需的3D模型的構(gòu)建工作。一部分是互動功能的實現(xiàn),互動功能主要是依靠開發(fā)工具來完成。隨著技術(shù)的發(fā)展,VR軟件的開發(fā)的門檻在逐漸降低,目前可選擇的開發(fā)軟件有Unity3D、Unreal Engine等[6],這些開發(fā)工具相對較為易用,降低了對于技術(shù)方面的需求。
筆者在工作中組織了以學生為主體的團隊,在保證滿足實踐教學需求的基礎(chǔ)上,為了能讓學生完成開發(fā)工作,軟件選擇以易用為主。3D建模軟件選擇了SketchUp軟件,開發(fā)軟件選用的是Unity3D。在開發(fā)中,參觀實習類的VR軟件直接使用了Unity3D中自帶的插件完成,使用很少量代碼就可以完成開發(fā)工作。對于模擬操作類的軟件開發(fā),則使用Unity3D中的C#腳本語言完成程序的編寫,由于C#易學易用,因此開發(fā)難度并不高。
環(huán)境實踐教學VR軟件的開發(fā)與傳統(tǒng)的VR軟件開發(fā)過程基本相同[7],但對于教學軟件開發(fā)而言,需求分析要嚴格的依據(jù)課程教學大綱來進行,這是與其它類型VR軟件最主要的區(qū)別。
為降低開發(fā)工作量,開發(fā)中對教學大綱中的重點教學進行詳細制作,對于非重點內(nèi)容則可簡化。如儀器使用類軟件開發(fā)中,對儀器使用流程進行梳理,開發(fā)時按用戶不同的操作組合條件給用戶反饋不同的檢測結(jié)果即可,如不涉及儀器結(jié)構(gòu)等內(nèi)容,則可不制作相關(guān)內(nèi)容。對于參觀實習類的軟件,則針對教學內(nèi)容的設(shè)施設(shè)備的外觀、運行時的情況等方面進行重點制作,簡化其它方面內(nèi)容。
筆者所在的團隊開發(fā)了多款用于環(huán)境實踐教育的VR軟件,其中在《污水處理設(shè)施運營管理》課程的軟件開發(fā)中,根據(jù)課程的教學大綱,確定出軟件主要的功能是實現(xiàn)對于污水處理設(shè)施的布局、外觀、基本功能方面的認知,因此在軟件開發(fā)中,重點放在對于設(shè)施的3D模型構(gòu)建方面。通過給開發(fā)團隊學生講授設(shè)施工作原理、讓學生到污水處理廠實地參觀等方式讓學生對于要構(gòu)建的模型有透徹的了解,在此基礎(chǔ)上完成模型的制作。制作完成的模型導入至Unity3D后,使用Unity3D中的CharacterFirstPerson免費組件,即可實現(xiàn)對于設(shè)施設(shè)備的漫游仿真,整體開發(fā)過程對編寫代碼的需求非常少。在《分析化學》實踐教育軟件開發(fā)中,則主要側(cè)重于對于互動功能的開發(fā),在開發(fā)中,由學生完成模型制作并導入Unity3D后,使用C#完成了互動功能的開發(fā)。在開發(fā)中,根據(jù)儀器實際使用中不同的條件的組合對應的檢測結(jié)果,建立數(shù)據(jù)庫,然后根據(jù)軟件用戶不同的操作呈現(xiàn)對應的結(jié)果,從而達到仿真的效果。
與其他類型的軟件開發(fā)工作一樣,VR教學軟件的核心是業(yè)務(wù)內(nèi)容,也就是教學內(nèi)容的設(shè)計與實現(xiàn)。隨著科技的發(fā)展,開發(fā)技術(shù)層面的需求會越來越低,因此教師可以構(gòu)建以學生為主的開發(fā)團隊,完成環(huán)境實踐教學VR軟件開發(fā)。在我國大力推廣高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、課外科技活動等工作的背景下,可以將相應的活動與VR軟件開發(fā)進行結(jié)合,在提高實踐教學效果的同時,實現(xiàn)教、學、做等多方面的工作結(jié)合。