虚拟仿真实验教学资源的设计与研究
2016-09-24张凯陈东方
张凯 陈东方
摘要 虛拟仿真技术已广泛应用于航空航天、医疗、土木工程、军事、化工、水利电力等科学与工程教育领域。虚拟仿真教学系统可以模拟微观精密、宏观复杂、贵重或高危的环境，让学生在经济安全的环境中学习知识、开展实验。本文讨论了虚拟仿真教学资源的构建方法，将知识和虚拟现实技术进行有机结合，分析了虚拟仿真教学资源的系统结构，通过岩芯钻机虚拟仿真教学资源的制作实例，分析讨论了虚拟仿真教学实验系统的功能设计和实现。
关键词 虚拟仿真 实验教学资源 科学与工程教育
中图分类号：G642 文献标识码：A DOI：10.16400/j.cnki.kjdkx.2016.07.017
0引言
近年来，虚拟仿真技术被广泛应用于航空航天、医疗、土木工程、军事、化工、水利电力等科学与工程教育领域。在这些领域中，有许多高温高压、有毒有害、易燃易爆的实验环境，给教师和学生的健康带来极大的安全隐患。此外，还有很多实验耗材非常贵重，大量重复的教学实验会导致资源的浪费。虚拟仿真技术在教学培训领域的应用有效的避免了这些传统实验环境存在的不足，可以让学生在经济安全的虚拟场景中进行实验和学习培训。
虚拟仿真技术应用先进的计算机图形学技术、多媒体技术，构建出真实逼真的三维场景和人性化的交互操作，让学习知识的过程变得更加具有吸引力，极大地提高了学生的学习兴趣和主动性。学生以第一人称视角在三维场景漫游和操作，主动进行更多的训练和学习，进而有效提高实际动手能力。
本文介绍了虚拟仿真教学资源的制作方法，分析了虚拟仿真教学资源网络平台的系统结构，进一步从岩心钻机虚拟仿真培训系统实例出发，探讨了知识和三维模型的结合，以及虚拟仿真教学实验系统的功能设计和实现。
1虚拟现实教学资源构建模型
虚拟现实教学资源是依据真实世界的学习对象制作得到，一方面需要考虑学习对象的知识内涵，另一方面需要形象地表现出学习对象的形状、材质等特征。虚拟仿真教学实验资源制作的流程图如图1所示。
首先，根据教学内容选择来自真实世界的建模目标，通常这些对象具有一些性质，如微观精密、宏观复杂、贵重或高危等。然后，针对建模目标的知识和形状两个方面的属性，选择合适的三维建模软件、虚拟现实软件，以及面向对象开发工具制作虚拟仿真教学资源。
几何模型可以通过Autodesk公司的3DS Max，Google公司的Sketchup等三维建模软件制作模型，然后利用Unity3D、Virtools、Unreal、VRP等虚拟现实软件添加三维场景漫游和人机交互等功能，进一步还可以利用面向对象的集成开发环境VisualStudio等进行二次开发。由于需要把学习目标蕴含的知识点集成到系统中，因此需要根据教学内容来设计软件功能，完成虚拟仿真教学资源的设计制作。
2虚拟仿真教学资源网络平台
虚拟仿真教学资源可以采用浏览器服务器（BS，Browse/Server）的软件架构部署在校园网中，硬件设备通常包括数据库服务器、应用程序服务器，虚拟仿真教学资源服务器以及客户端，其系统结构如图2所示。这种基于Web模式的网络平台，使得客户端只需要运行Ⅲ、Chrome、Firefox等浏览器客户端即可，通常需要安装相应的浏览器插件。教师和学生可以通过网络在教室或实验室方便而高效地使用虚拟仿真教学资源。
3岩芯钻机虚拟仿真教学培训系统设计与实现
岩芯钻机是岩心钻探设备的一种，其主要用于金属及非金属固体矿产的普查与勘探，另外，也可用于工程地质勘查，水文地质调查，油气田的普查和勘探以及水井钻凿等。岩芯钻机的价格较昂贵，不可能为每个学生配备一台进行学习。此外，岩芯钻机属于重型机械设备，误操作也将给学生和设备本身带来较大的安全隐患。
我们选取了岩心钻机作为建模对象，通过Autodesk公司的3DS max制作钻机模型和三维场景。为了使岩芯钻机模型看起来更加真实，我们拍照采集了真实钻机的材质贴图，并通过全局和漫反射光照效果对模型进行了烘焙。在此基础上实现了钻机操作、钻进过程等基础动画。
其次，我们选用中视典数字科技的VRP3D虚拟现实平台，实现了相机的导航和切换，可以实现该三维场景的漫游、物体点选，绕物旋转等交互。
最后，我们通过Microsoft公司的集成开发环境Visual Stu-dio进行二次开发，与MS SQL Server关系数据库相结合，实现该虚拟仿真环境的设备信息维护、操作培训演示、考试考核等功能，如图3所示。
4结语
虚拟仿真技术有效促进了教育和培训的发展，虚拟仿真教学系统可以模拟微观精密、宏观复杂、贵重或高危的环境，学生可以在逼真的三维场景中获得各类知识，基本概念、理论、技术，同时避免了真实实验环境带来的人身危险和资源浪费。虚拟仿真教学系统通过三维建模、交互制作、二次开发等步骤，将知识和虚拟现实技术进行有机结合。通过先进的计算机图形学技术、多媒体技术，让学习知识的过程变得更加具有吸引力，极大地提高了学生的学习兴趣和主观能动性。
