虚拟现实技术在高职院校实验课程教学中的探索研究

陈 珂，李金祥，吴建平

(苏州市职业大学 计算机工程学院，江苏 苏州 215104)

虚拟现实技术在高职院校实验课程教学中的探索研究

陈 珂，李金祥，吴建平

(苏州市职业大学 计算机工程学院，江苏 苏州 215104)

实验教学是高职院校培养应用型技术人才的关键环节，但传统实验课程往往存在前期投入大、后期维护成本高、实验功能单一、时间和空间受限等缺陷。虚拟仿真实验室具有功能丰富、实验维护成本低廉、时间和空间利用率高、远程访问等优点。利用Unity3D、Solid Works、3DMAX等虚拟仿真技术，设计一套完整的虚拟实验课程方案，包括支撑软件、支撑硬件和教学资源等模块。实验证明：上述方案切实可行。

虚拟现实；仿真系统；虚拟实验室；人机交互

虚拟现实是一种整合了计算机仿真技术、三维动画渲染技术和人机交互技术的、用于模拟真实世界操控体验的计算机虚拟技术。最早的虚拟现实教学系统可以追溯到虚拟飞行训练模拟器。由于飞行器价格极其昂贵，而进行高空现场实际飞行训练的成本和安全风险极高，随着计算机技术的飞速发展，美国军方20世纪70年代开始进行基于虚拟现实的模拟飞行器技术研究，并于20世纪80年代早期成功开发了带有视觉反馈机制的虚拟飞行模拟器系统，后来这一技术先后在民用航空业、电影制作、游戏开发等方面获得广泛应用。近年来，随着互联网技术和虚拟仿真技术的快速发展，虚拟现实作为一种潜在的、低成本实验教学替代手段，逐渐获得教育机构的广泛重视，而虚拟现实方法在高校实践教学和课程建设中的普及应用，也成为了教学方法改革的一个热点研究问题[1-5]。

在传统的实验教学中，学生需要进入真实的实验室场景，接受实际的实验技能训练。这一教学模式受到许多内在因素的制约，如最为常见的由于操作不当等人为因素造成的实验设备功能故障和元器件损坏导致的实验可持续性问题、购置备件和雇佣专门实验维护人员带来的管理成本问题、实验室功能单一(一个实验室仅能开展几项实验)导致的场地和设备利用率低下的问题、以及高风险实验(如飞行训练、危化品操作训练等)暴露的生命或财产风险问题，成为高等教育中实验教学环节的棘手问题。同时，实验课时少，时间、空间和实验设备不足等诸多因素，也一定程度上影响了学生对实验课程的参与热情和学习主动性，从而导致实验过程难以达到理想效果。

虚拟实验室把计算机三维动画技术、人机交互技术、传感器技术和网络通讯技术进行有机结合，通过综合运用不同设备产生的多元化信息，从多个方位生动逼真地模拟真实的实验场景和过程，在很多实验课程中除可达到甚至超过真实实验对学生操作技能的培训目标，还可有效缓解传统实验教学难以克服的各种问题，因此是一种理想的传统实验替代方案和有益补充。首先，虚拟实验室中的设备和元件均由计算机软件创建，因此不会产生任何实际的设备损坏和元件损耗问题，使得原本繁琐的实验室维护和更新工作简化为单纯的软件维护和更新问题，从而大大降低实验室的使用和维护成本；其次，虚拟实验室仅需购置必要的通用硬件和软件，可以通过在每一台设备上安装不同的虚拟实验软件从而允许同一个实验室供多种不同的实验课共享，从而彻底解决了以往实验室功能单一和效率低下的问题，大大提高实验场地和实验设备的利用效率；再次，虚拟实验使得一些原本高风险和高成本的实验教学任务(机动车、列车、飞机驾驶，危化品操作等)在完全零风险和低成本的环境中进行模拟；最后，与传统教学相比，虚拟仿真教学拥有优秀的可操作性、卓越的交互性和高度的时空自由度，因而能带给学生全新的真实感和沉浸感，激发学生的参与积极性和学习热情，最终达到改善学生学习效果的目的。从长远来看，虚拟现实技术与教育领域的结合是对教育信息化发展趋势的有力响应，是对传统教育观念和教学模式的升华和变革，如合理使用，既能有效提高实验教学的质量，又可显著降低实验综合成本。因此，虚拟现实技术在高等教育领域的应用，是深化我国高等教育实验教学改革的一条捷径。

1 虚拟课程设计

在大多数理工科课程教学中，实验教学是培养学生实践能力和操作技能的必要环节。本课程开发虚拟现实教学资源的目的，是加深学生对课程基础知识和操作技能的全面理解和掌握，进一步提高学生的空间思维能力、实际操作技能和工程意识素养。

本文通过虚拟现实的开发手段对教学模式完成一次改革与创新，分为两部分内容：准备部分和实验部分。准备部分利用虚拟现实技术把实验原理和设计思想、实验设备分解、部件的结构和接口方式、性能指标等知识模块通过三维可视化、交互操作、动画展示等手段表现出来。实验部分主要以模拟操作为主，借助头盔式VR显示器和触感手套等交互设备，使学生与虚拟环境进行深度交互，以便学生全方位接触和了解实验设备，根据相关实验流程进行虚拟操作，产生相应效果(当发生实验误操作时应通过声音或虚拟场景中的红色警示标志予以提醒)等一系列操作流程。

目前虚拟现实开发工具众多。基于网络浏览器的虚拟仿真实验一般利用Java3d、Cult3d、VRML等技术实现[5-6]。出于网络安全考虑，上述嵌入浏览器中的虚拟技术一般必须工作于虚拟机或其他插件中，其交互性受到虚拟机和网络传播速度的双重影响，往往只能处理一些简单的场景且粒度普遍比较粗糙，而应付复杂场景处理时往往存在着清晰度和流畅性均显著低于直接运行于本地操作系统中的虚拟现实软件(如SolidWorks)的不足。LabVIEW软件[1]是另一种常用的虚拟现实软件，作为一种图形化的编程语言开发环境，LabVIEW的主要功能为创建具有数据采集和分析功能的虚拟仪器，由于LabBIEW本质上仍然是一种二维图形开发软件，其生成的软件并不具有三维场景的真实感和沉浸感，其实验效果值得怀疑。

SolidWorks是由世界著名系统软件供应商达索系统公司(Dassault Systems S.A)旗下的三维计算机辅助设计(computer aided design， CAD)系统，也是世界上第一个基于微软视窗平台打造的3D CAD软件平台。该软件自从1993年推出以来，经过二十余年的发展，凭借功能强大、简单易用的特点以及拥有的与CAD和其他大多数主流三维软件(如3DMAX)良好的兼容性和数据转换灵活性、对网络访问的高度支持性、高品质的视觉渲染效果在业界获得了广泛的认可，成为3D CAD领域首屈一指的旗舰软件。SolidWorks提供丰富的标准件库，因此可以方便地用于创建机会所有主流实验课程所涉及的大部分虚拟组装件。本文利用SolidWorks创建虚拟课程所需的各个部件。

Unity3D是由Unity Technologies公司开发的3D互动类游戏开发工具，也是目前3D游戏开发的主流工具。类似的软件如Virtools、Director、Blender game engine、VPR等。本文选择Unity3D的主要原因在于其卓越的跨平台特性(Windows、Android、MAC OS、HTML5)、对其他3D素材文件(如3DMAX和AUTOCAD软件输出的图形素材)的广泛的兼容性，以及优异的实时性和互动性。最重要的一点，Unity3D具有强大的脚本编辑能力，能对素材的播放次序、动画过程和周期进行脚本控制，并能通过脚本编码对素材的摆放次序和位置关系非常方便地进行检验，因而是一款特别合适于对虚拟实验过程进行检验和跟踪的三维虚拟现实工具软件。整个教学项目的功能架构见图1。

图1 虚拟仿真实验室功能结构图

虚拟实验部分采用Unity3D平台搭建计算机硬件各个部件模型的方式，以动画、三维互动展示、模拟操作等多种形式来传授相关实验教学内容。并使用SolidWorks和模型转换工具3DMax建立各实验部件的实体模型，然后将模型数据导入Unity3D平台，通过该平台的Shader着色器系统和图形用户界面完成渲染效果、绘制贴图、场景制作、特效制作和操作界面的设计，最后将开发完成的教学资源发布到Windows、Android、OSX或IOS等平台上，已实现教学资源的跨平台共享，更大程度满足学生移动、在线学习的需求。

2 虚拟现实教学资源的开发

2.1 课程基本资源建设

1) 开发桌面式虚拟仿真教学资源，让学生能在贴近真实的环境中构建相关的实验知识系统，学生通过移动智能终端或者计算机屏幕观察虚拟环境，并且通过键盘、鼠标等外部设备操纵虚拟环境。

a) 教学资源素材制作：采用三维建模软件SolidWorks和模型转换工具3DMax，构建3D模型和实验场景；并对界面图像、动画效果、精灵物体、实验背景等所有的图形图像元素进行处理。

b) 教学资源发布：运用Unity3D平台进行数据处理，交互控制，对所设计的教学模型进行开发与实现；并建设网上授课所需的所有资源，能够开展在线学习、课间提问、作业、实验报告、随堂测验、考试、答疑和讨论等。

2) 开发沉浸式虚拟仿真教学资源，设计验证性和探究性实验内容，将最新技术与实际问题结合，扩大学生知识视野，培养学生创新思维。这类实验需要借助头盔式VR 显示器和触感手套等智能交互设备，使学生与虚拟环境进行交互，真正成为系统内部的一个参与者。

2.2 拓展资源建设

开发三维情境式游戏教学资源，包括设计游戏主题、游戏任务、游戏场景、过关策略、游戏角色、活动流程图等元素，将教学内容和结构化的知识融入到游戏场景和任务中，引导学生进入游戏情境中，完成学习任务，使玩游戏的过程与其学习过程紧密结合，激发学生的学习兴趣。

3 总体方案设计和实现

本课程教学资源的设计方案是将三维计算机硬件的各个部件模型、二维界面UI图片、模型动画等素材元素导入虚拟现实平台Unity3D中，并在Unity3D平台中完成教学资源的开发。实现方法如下：

3.1 三维模型的建立及格式转化

使用三维建模软件SolidWorks以实体建模方法构建计算机硬件各部件的三维实体模型，该方法能够极大地还原虚拟仿真实验构件的真实尺寸，但是介于构建的实体模型无法直接导入至Unity3D虚拟现实平台中使用，本文使用3D Max模型转换工具将实体模型转换为网格模型文件。

此外，考虑到SolidWorks软件所使用的左手坐标系与3DMax软件和Unity3D虚拟现实平台所采用的右手坐标系之间的差异，为了避免模型混乱导致的元件无法合理显示的问题，不影响模型文件在虚拟现实平台中的使用，本文在3D Max中对Solid Works中创建的模型文件，进行一次简单的数据格式转换后，再把模型数据导入到Unity3D平台中使用。

3.2 渲染效果的实现及操作界面的设计和实现

虚拟仿真实验室的界面图像、动画效果、精灵物体、实验背景等所有的图形图像元素的渲染，均通过Unity3D提供的内置着色器系统Surface Shader予以实现，该着色器输出的实体模型兼具高度的真实感和理想的沉浸感。另外，本文通过对Unity3D平台的图形用户界面进行二次编程开发来实现软件界面和交互操作等功能，在图形用户界面中设置本课程中所需要的各种交互按钮，学生通过点击按钮即可完成交互操作和模拟操作的学习。

4 结语

使用虚拟现实技术设计和开发的教学资源，除可满足本地学生单机学习和独立操作外，也可供远程学生通过网络访问线上资源进行在线学习和操作，给学生提供从任意地点进行随性、泛在学习的灵活性。本文开发的教学资源可以发布到Windows、Android、OSX或IOS等平台上，实现教学资源的跨平台共享，能更大程度满足学生泛在学习的需求，拓展了学习的时间，突破了学习的地域限制。

[1] 陈聪，金洋，王轩，等.飞机系统虚拟仿真实践教学平台开发[J].实验室研究与探索， 2017，36(4)：83-86.

[2] 薛迎春，温贻芳. 高职院校虚拟项目教学模式的探索与实践—以苏州工业职业技术学院为例[J]. 苏州市职业大学学报，2013，24(1)：82-84.

[3] 杨俊.虚拟仿真教学资源的建立及教学时间应用研究[J].吉林工程技术师范学院学报，2016，32(2)：35-37.

[4] 赵阶晨，方凌霄.虚拟现实技术在线的教育中的应用[J].滁州职业技术学院学报，2017，16(1)：64-66.

[5] 巫红霞. 基于VRML的虚拟实验室研究[J]. 苏州市职业大学学报，2016，27(2)：34-39.

[6] 张建. 物理虚拟仿真实验室的设计与开发[J]. 软件开发，2009，13(1)：22-24.

Explorative Research of Virtual Reality’s Application in Laboratory Instruction of Vocational Colleges

CHEN Ke，LI Jinxiang，WU Jianping
(School of Computer Engineering，Suzhou Vocational University，Suzhou 215104，China)

Laboratory instruction is a critical part in vocational colleges’ cultivation of application-oriented technical talents. However， the traditional experimental courses are usually impeded by high procurement expenditure and maintenance costs， single functionality， and limited time and space， etc. In many situations，virtual laboratory can be a more cost-effective alternative due to its rich functionalities， relatively low frontend investment and maintenance costs， and higher time and space utilization， and remote access， etc. This paper proposes a complete virtual experimental course design using modern virtual reality technologies including Unity3D， SolidWorks and 3DMAX. The designed system consists of 3 modules， including supporting software，supporting hardware， and instruction resources. The preliminary experiment con firms the feasibility of the method.

virtual reality；simulated system；virtual laboratory；human-computer interaction

G718.5

A

1008-5475(2017)04-0064-04

10.16219/j.cnki.szxbzk.2017.04.016

2017-06-20；

2017-09-10

苏州市科技发展计划(SYG201547)

陈 珂(1974-)，女，贵州贵阳人，副教授，硕士，主要从事计算机视觉研究。

陈珂，李金祥，吴建平.虚拟现实技术在高职院校实验课程教学中的探索研究[J].苏州市职业大学学报，2017，28(4)：64-67.

(责任编辑：施建平)