摘要：為解決現有課程教育資源交互仿真平臺流暢性和仿真度不足的問題，文章設計了基于桌面虛擬現實技術的交互仿真平臺。平臺硬件選型包括桌面虛擬現實設備和數據采集器，軟件方面通過點云配準實現交互場景仿真并利用桌面虛擬現實技術更新場景，以實現高質量的人機交互。實驗結果顯示，該平臺在單位時間幀數量超過230，流暢性較好，交互場景仿真度達到95%以上，整體交互仿真效果優(yōu)良。

關鍵詞：桌面虛擬現實技術；課程教育資源；交互仿真；點云配準

中圖分類號：TP391.9

文獻標志碼：A

0 引言

隨著信息技術的迅猛發(fā)展，教育領域正經歷著前所未有的變革。傳統(tǒng)的教學方式往往受限于時間和空間的限制，難以提供沉浸式、互動性的學習體驗。特別是在一些需要實踐操作和模擬演練的學科中，傳統(tǒng)的課堂教學方法往往難以滿足學生的需求。為此，課程教育資源交互仿真平臺應運而生，為教育領域帶來了新的發(fā)展機遇。課程教育資源交互仿真平臺是一種集教學、學習、實踐、評估于一體的綜合性平臺。通過該平臺，教師可以利用平臺提供創(chuàng)建逼真的虛擬環(huán)境，模擬真實的教學場景，為學生提供豐富的學習資源和多樣化的學習路徑。學生則可以在虛擬環(huán)境中進行實踐操作和模擬演練，通過互動性的學習方式加深對知識的理解和掌握。隨著互聯網與教育教學不斷融合，課程教育資源交互仿真平臺設計與開發(fā)受到研究領域關注。

近年來，已經有很多學者對課程教育資源交互仿真平臺設計進行了研究。陳曉輝等^［1］設計了土木類專業(yè)測量課程的仿真平臺，通過模擬真實的測量環(huán)境和過程，讓學生在虛擬環(huán)境中進行實驗操作。刁培培等^［2］提出了基于MR技術的仿真平臺，利用MR技術模擬真實的課程場景，讓學生在虛擬環(huán)境中進行實踐操作和模擬演練。傳統(tǒng)平臺雖然在一定程度上提升了課程教學網絡化和數字化，但是仍然存在一些問題和弊端。桌面虛擬現實技術作為虛擬現實技術的一種重要分支，以其低成本、易實現、對硬件要求相對較低等優(yōu)勢，在教育領域展現出廣闊的應用前景，為此，本文提出基于桌面虛擬現實技術的課程教育資源交互仿真平臺設計。

1 課程教育資源交互仿真平臺硬件設計

1.1 桌面虛擬現實設備選型與設計

本文構建的課程教育資源交互仿真平臺基于桌面虛擬現實設備。該設備集成了顯示屏、六自由度操控筆和被動式偏振3D眼鏡。顯示屏型號為IHFA-A4F8，刷新頻率120 Hz，確保圖像流暢；操控筆型號為JKHFA-A4F415，用于交互輸入，支持旋轉、縮放、移動等操作；3D眼鏡型號為GIFVA-A4F4，提供沉浸式立體視覺體驗。這些組件由IHFA-A5G8芯片控制，通過芯片IO串口協(xié)同工作，實現虛擬仿真場景中的人機交互。

1.2 數據采集器選型與設計

為了實現教育資源交互仿真，該平臺需要課程教育資源數據和仿真場景數據。本文選用型號為KHFA-A5F885的三維激光掃描儀，將其部署在實際教育資源應用場景中。該掃描儀通過激光器發(fā)射調制后的激光束，照射到物體表面后反射，光電二極管接收反射光并將其轉換為電信號。通過測量激光脈沖的往返時間，計算出激光束與物體間的距離，結合角度信息確定被測點的三維坐標。這些數據用于構建平臺軟件中的虛擬交互場景。

2 課程教育資源交互仿真平臺軟件設計

2.1 課程教育資源交互場景仿真

從平臺數據庫中抽取課程教育資源和三維激光掃描到的點云數據，通過點云配準完成課程教育資源交互場景仿真。建立一個空間坐標系，空間中的任意一點可以通過3個坐標值X、Y、Z來標定^［3-6］。在虛擬仿真場景中，課程教育資源的應用可以看作空間坐標系某一點的移動。為了表示這種移動，本文引入一個向量來描繪這一過程，用公式表示為：

H（G_a，b）=λX+αY+βZ（1）

式中，H（G_a，b）表示課程教育資源交互場景變換模型；G_a，b表示移動向量；a表示向量在空間坐標系中的起點位置；b表示向量在空間坐標系中的終點位置；λ表示靠近指數；α表示定位指數；β表示法線向量^［7］。在空間坐標系中，向量從一個點向另一個點移動，通過以上建立的交換模型描述在三維空間中的移動路徑。

2.2 基于桌面虛擬現實技術的人機交互仿真

在以上基礎上，本文利用桌面虛擬現實技術實現虛擬場景中人機交互。在平臺人機交互單元中采用三元組建立桌面虛擬現實設備虛擬化模型，用公式表示為：

F_{H（Ga，b}）=（S，U，P）（2）

式中，F_H（Ga，b）表示桌面虛擬現實虛擬化模型；S表示虛擬化顯示器；U表示虛擬化六自由度操控筆；P表示虛擬化被動式偏振3D眼鏡^［8-10］。在人機交互過程中，通過操控筆的位置發(fā)射出一條虛擬射線，這條射線就像是用戶的手，幫助用戶在虛擬環(huán)境中選擇并操作物體。當虛擬射線與某個物體發(fā)生接觸時，用戶只須按住相應的交互鍵并移動操控筆，即可實現對該零件的抓取或縮放操作^［9］。在課程教育資源虛擬仿真交互場景中，用戶做出每一個交互動作都需要一次場景交換，而場景交換過程中要實時更新場景中虛擬化六自由度操控筆發(fā)射出虛擬射線碰撞點的位置，假設虛擬化六自由度操控筆的初始坐標點為z，結合場景中物體的坐標，得到虛擬化六自由度操控筆發(fā)射射線碰撞點坐標：

z₀=R+ω［H（G_a，b）e］（3）

式中，z₀表示更新的虛擬仿真場景中物體的位置；ω表示虛擬仿真場景中物體的初始轉角；e表示物體與射線碰撞點的偏移向量；R表示更新后的虛擬化六自由度操控筆發(fā)射射線碰撞點坐標。

3 實驗論證

3.1 實驗準備與設計

本實驗旨在評估基于桌面虛擬現實技術的課程教育資源交互仿真平臺性能，以某高中課程為例，數據源自某高校課程教學資源數據庫。實驗配置了三維激光掃描儀和桌面虛擬現實設備，通過掃描獲取2.15 GB點云數據并在平臺上構建了8個交互仿真場景。本實驗選取50名學生作為用戶，在平臺上注冊登錄后，在仿真場景中進行人機交互體驗。

3.2 實驗結果與討論

本文以場景仿真度為指標對平臺仿真性能進行評價。仿真度是指仿真場景與真實場景的貼近程度和相符程度，即隨機選擇8個課程教學資源樣本，根據樣本構建仿真場景，在場景內隨機選擇5個點，測量仿真場景中節(jié)點的真實坐標，與仿真場景內顯示坐標對比，估算出仿真場景的仿真度，計算公式為：

式中，ρ表示課程教育資源交互場景仿真度；n表示場景內節(jié)點數量；x_n 、x_n，0分別表示節(jié)點n在平臺交互場景中和實際中的橫坐標；y_n、y_n，0分別表示節(jié)點n在平臺交互場景中和實際中的縱坐標。利用以上公式計算出8個場景的仿真度，如表1所示。

通過對表1中數據分析得出實驗結論：該平臺對課程教育資源交互場景的仿真度可以達到95%以上，陳曉輝等^［1］平臺仿真度最高為89.53%，刁培培等^［2］平臺仿真度最高為78.42%，相比之下本文設計的平臺仿真性能最好。本次實驗證明，該平臺無論是在交互響應性能方面還是在仿真性能方面，均具有絕對的優(yōu)勢，更適用于課程教育資源交互仿真。

4 結語

隨著教育技術的進步，桌面虛擬現實技術為課程

教育資源交互仿真平臺帶來了創(chuàng)新。本文探討了該技術如何革新教育領域，增強教學手段，提升學習體驗并創(chuàng)造直觀、生動的互動學習環(huán)境。本文結合了虛擬現實技術的優(yōu)勢與教育需求，旨在構建符合教育規(guī)律且滿足個性化需求的平臺。然而，該平臺在教學應用中仍面臨成本、普及率、虛擬環(huán)境逼真度和資源整合等挑戰(zhàn)，須要未來進一步研究解決。

參考文獻

［1］陳曉輝，王群，潘際帆.面向土木類專業(yè)測量學的虛擬交互仿真實驗教學平臺研究［J］.黑龍江科學，2021（19）：60-61.

［2］刁培培，何娜敏.基于MR技術的智能配送中心虛擬仿真實訓平臺教學實踐研究［J］.湖北開放職業(yè)學院學報，2024（8）：144-146.

［3］周永軍，王凱，孫偉倫，等.基于Unity3D的光電效應虛擬仿真實驗平臺設計與開發(fā)［J］.大學物理實驗，2024（2）：3-99.

［4］左文娟，寧萌，王琨，等.基于數字孿生的機器人工程專業(yè)虛擬仿真實踐平臺設計［J］.實驗室研究與探索，2024（3）：6-11.

［5］陳怡然，馮秀芝，劉立萍，等.高等醫(yī)學教育虛擬仿真實訓平臺的建設現狀與思考：基于VOSviewer軟件的可視化分析［J］.中國醫(yī)學教育技術，2024（2）：183-189.

［6］樓飛，沈巍.工業(yè)機器人協(xié)同制造虛擬仿真實驗平臺建設研究：以制造產線智能化改造虛擬仿真實驗建設為例［J］.中國現代教育裝備，2024（7）：54-56，64.

［7］陳梅，費玉環(huán).基于MATLAB GUI的自動控制原理仿真實驗平臺設計［J］.曲阜師范大學學報（自然科學版），2024（2）：125-128.

［8］陳振雷，石凡，于春令.海洋工程結構物設計虛擬仿真實驗平臺建設及其在教學中的應用［J］.高教學刊，2024（10）：27-30.

［9］李作美.工程教育認證背景下食品科學與工程專業(yè)虛擬仿真實踐教學平臺的構建［J］.農產品加工，2024（6）：114-117.

［10］徐美清，蔣逢靈.基于Unity3D的電子電路交互仿真教學平臺的設計［J］.電工技術，2024（6）：85-87，90.

（編輯 王雪芬）

Design of interactive simulation platform based on desktop virtual reality technology

ZHOU Jiale， WANG Wen， YUAN Zilong， LIU Zhaoran， ZHANG Qiangsen

（Boda Collage of Jilin Normal University， Siping 136000， China）

Abstract：To solve the problems of insufficient fluency and simulation degree in the existing interactive simulation platform for curriculum education resources， a design of an interactive simulation platform based on desktop virtual reality technology is proposed. The hardware selection of the platform includes desktop virtual reality devices and data collectors. In terms of software， interactive scene simulation is achieved through point cloud registration， and desktop virtual reality technology is used to update the scene to achieve high-quality human-computer interaction. The experimental results show that the platform has good fluency when the number of frames per unit time exceeds 230， and the simulation degree of interaction scenes reaches over 95%. The overall interaction simulation effect is excellent.

Key words：desktop virtual reality technology; course education resources; interactive simulation; point cloud registration