多学科虚拟实验平台的研究与构建

林胜青

摘要：信息社会科技发展迅猛，虚拟现实技术在很多领域得到了广泛的应用。在高校教育中一些复杂的操作和实践过程如果用虚拟现实的方式体现，可以大大提高学生学习积极性和效率。文章阐述虚拟技术在实践课程教学中的优势，提出虚拟实验平台搭建的思路及系统架构，从虚拟技术在实践课程上的应用环境角度进行研究。成功搭建虚拟实验平台，为后续多学科互动实验的深入研究提供了必要的条件。

关键词：虚拟现实 VR 实践教学

中图分类号：TP391.9 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2016）12-0072-02

传统的课堂教学模式对人类的发展贡献巨大，而随着信息技术的快速发展，信息量成几何倍数增加，以课堂教学为主的知识传播途径，已经无法满足信息时代对教育的要求。高校的各个学科如理工科（包括网络、通信、汽车等专业）、医学，包括生物、化学、天文等都需要大量的动手实践，但目前高校的专业实验室一方面实体投入巨大，另一方面存在应用效率不高，设备陈旧，与最新技术脱钩等问题。

虚拟现实技术这几年的飞速发展在科技与教育等领域都引起了极大关注。将虚拟现实运用到教育领域可达到传统方式无法提供的逼真、沉浸式的体验。虚拟现实技术引入课堂教学已成为时代所需，因此多学科虚拟实验平台的设计和实现有着广泛的应用前景和巨大的价值。

1 虚拟实验平台介绍

虚拟现实技术整合了多门前沿技术，如图形学、智能感知、网络技术、图像识别等，将高速计算的数字信息转化为人体能感知的图像、视频、音频、触感等形式，并对人体的行为作出实时交互。虚拟实验平台是由虚拟现实技术和传统实验相结合产生和发展出来的新型实验模式。本平台致力于将不同技术、不同学科的学习和实验环境综合在一起，集合成统一的实验平台。

2 设计思路及系统功能分析

2.1 设计思路

本虚拟实验平台突破传统教学模式，以实际的校园建筑物、布局、教学及生活环境为蓝本，通过3D建模将校园完整的在虚拟环境中展现，并将多学科实验室灵活的安排在虚拟校园中，可通过漫游方式到达，也可通过菜单选择方式进入。这种技术开发的虚拟漫游给人一种身临其境、逼真的效果。

2.2 系统架构设计

本系统主要包括VR模式选择、漫游模式、课堂的动态更换、实验内容等。具体功能结构如图1所示。

2.3 系统技术平台架构

虚拟环境采用3D Max建模，设计系统采用Unity 3D。

Unity 3D系统可对数量庞大的模型、光照进行实时处理及动态渲染。Unity同时对C#，JS，BO等开发语言有良好的支持。展示平台分为数据模型、数据库、Unity 3D服务、开发接口和表现层5层结构。Unity 3D：系统的运行逻辑。包括VR相机控制、碰撞检测、动作触发、蓝牙连接、多平台控制等。

2.4 功能描述

2.4.1 本系统两个主要功能

（1）校园漫游功能：为学校提供极佳的展示平台，可进行如招生宣传、校貌展示等。本平台虚拟了现实校园的全部场景，访问者通过佩戴虚拟设备即可实现校园中的自动漫游和手动漫游，以及转动头部进行环视，访问者还可通过蓝牙手柄进行移动和跳跃等动作。

（2）虚拟实验室。本系统设计了两种版本：PC版、移动版。PC版通过PC鼠标、键盘进行控制；移动版通过虚拟眼镜、蓝牙手柄等虚拟现实硬件设备使得用户能够和虚拟场景进行交互。

2.4.2 功能特点

（1）提高教学效果：本平台不仅可以给学生展示实验对象的复杂结构、工作原理，还可以在具体的情境中通过主动的学习获得知识，大大的提高了教学效果。

（2）教学手段突破传统：利用虚拟现实技术创造出教学环境和教具，并让学生置身其中，使其产生真实的感觉，就像在真正的世界一樣。

（3）互动：访问者能通过设备在虚拟场景产生动作，如前进后退，摆动头部进行环境的观看或走近虚拟零件设备进行细节观察。后期将通过手持设备以及摄像头的动作捕捉，识别人体的行为，进行相应，即可进行全面的操作。

（4）虚拟校园漫游：是数字校园建设的重要组成部分，它的研究和创建对以后数字校园的建设有重要的现实意义。同时也提高了校园管理的效率和科学化水平新生在入学前就可以全面的了解校园的布局，交互式的查询，可以了解校园的所有信息，为尽快的适应学习生活提供方便。

2.4.3 系统实现价值

（1）节约成本。很多实践性的课程因为没有相应设备或者场地受限以及型号不一致，而导致不能执行。虚拟实验平台上，老师和学生带上虚拟眼镜，就可做各种想要的实验，学习到与真实操作一样的知识。而且，很多情况下会比真实世界中学到更多东西，因为可以不断的试错，而不用担心设备损坏或物料损失。在保证教学效果前提下，极大地降低了学校投入成本。

（2）风险降低。实际环境中很多操作也许会有各类的危险性，而采用虚拟实验平台进行操作，学生即使做这些危险地实践操作也不会产生危险。比如：虚拟汽车驾驶教学系统，可避免实际驾驶过程操作失误造成的汽车的严重事故。

（3）突破时空、想象的局限。利用虚拟实验平台，可突破时空限制。如：传统教学只能在固定时间，固定地点进行学习，现在可以24小时，通过网络远程学习都不是问题。传统教学一些抽象或无法表达的概念，比如大到星球天体，小到电子夸克，现在都能通过虚拟实验进行学习。

3 系统实现

3.1 总体环境构建

（1）学校的3D建模：使用AutoCAD平面构建后，使用3D MAX建模，再导入Unity整合，如图2所示。

（2）地形系统：增加草地、高山、森林、平地等丰富的地形结构，让环境更真实。

3.2 漫游功能实现

（1）摄像头模式：系统提供了两种摄像头模式：VR模式与普通模式。可通过主菜单上的VR Mode 按钮进行选择，如图3所示。

普通模式即正常单摄像头显示屏幕上的内容。VR模式是通过两个摄像头的结合来模拟人左右眼所看到的不同影像，从而达到逼真的3D效果。下面是激活VR模式时的部分代码：

（2）自动漫游模式：将VR的两个摄像头进行整体自动循迹移动。

（3）手动漫游模式：移动端模式：用户可以佩戴VR眼镜，通过头部转动改变视角，使用蓝牙手柄控制运动方向、返回上级菜单、确定等动作。

PC端模式：用户通过键盘的W、S、A、D按键控制前进后退，Alt按键、Ctrl按键与鼠标配合调节视角。下面为部分代码：

（4）蓝牙手柄的连接控制：蓝牙手柄采用暴风生产的手柄，有六向摇杆、返回键、确认键、开关机/菜单键等，可满足一定需求。手柄主要作用是在手机上通过VR模式进行观看时，实现与虚拟环境的互动。下面是蓝牙设备连接时的部分代码：

3.3 多学科实验室搭建

本系统搭建了天文学实验室、化学实验室、汽车实验室等。

（1）虚拟汽车实验室（VR模式）说明：教室与学生可在虚拟汽车实验室中进行对汽车进行维修、组装，如图4所示。

（2）虚拟天文实验室。在天文实验室里，太陽系，设置地球月球的自传公转，学生可以近距离探究宇宙星体，如图5所示。

（3）虚拟化学实验室。在虚拟化学实验室里面学生可以进行化学试剂的调配、观察物质的分解与化合。

3.4 发布与测试

本系统通过Unity发布了安卓版应用程序，APP名为“掌上课堂”。通过了华为、小米、魅族等手机的测试，只要是安卓4.0以上版本，屏幕4.7寸以上，均能运行，如图6所示。

手柄和虚拟眼镜目前支持暴风魔镜系列和谷歌Cardboard眼镜。其他设备还待后期测试。

4 结语

本系统将虚拟现实作为一种新兴的教学媒体应用到校园信息化和教育教学中，带给我们崭新的教育思维，具有非常高的现实意义和科学性：首先，基于校园的教学、生活虚拟校园环境供浏览，可提高学校知名度和认知度；其次，在此基础上搭建多学科虚拟实验平台，可提高教学水平，并为学校的实践教学和远程教学点提供可移动的电子教学场所，创造更大的经济效益与社会效益。

参考文献

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