虚拟现实技术在教育培训中的应用

盖胜芬 李文星 邹宇野

摘 要：虚拟现实技术作为一种新的知识载体，一种新的认知工具，对教育培训中教育模式和培训方法的更新变革产生了积极的作用。通过对虚拟现实技术在教育培训中的应用做了介绍，以虚拟自动气象观测站培训为例，对虚拟现实技术在教育培训中的设计理念和技术应用进行了阐述，并对今后虚拟现实技术在教育培训领域的发展做了总结与展望。

关键词：虚拟现实技术；教育培训；气象培训

中图分类号：G712 文献标识码：A

一、虚拟现实技术简介

虚拟现实技术（Virtual Reality）是一种综合运用计算机图形学、人工智能、多媒体等多种技术创建并体验虚拟世界的计算机技术。在虚拟环境中用户通过使用传感头盔、数据手套等辅助设备，实时感知、操作虚拟环境中的对象实体，最终通过视觉、触觉和听觉等人体感知获得身临其境的逼真感受。想象、交互和沉浸是虚拟现实技术的3个基本特征，想象：这里强调了想象力的重要性。虚拟现实技术创造了丰富想象力的空间，我们可以利用虚拟现实技术实现已知空间的虚拟，亦可实现位置空间的构造，拓宽了人类视野。交互：即用户与虚拟环境中之间的互动。沉浸：即身临其境感。指用户身处虚拟环境时却产生“错觉”，仿佛自己身处真实的环境中，并作为主角参与其中。虚拟现实技术凭借其想象、交互和沉浸的特性在军事、教育与培训、设计与规划、旅游展览、工程技术、科技探索等多领域领域得到应用。

二、虚拟现实技术在教育培训中的应用

教育领域中运用虚拟现实技术是现代教育技术发展的一个飞跃。对于操作性、实验性强的课程，在教学培训中使用虚拟现实技术学习者学习方式将产生重大的转变：学习者将以自身与虚拟环境的相互作用获得直接经验的学习方式，代替传统以教育者讲授知识为主的获取间接经验的学习方式。同时该技术的使用能够更好地调动学习积极性，激发学习兴趣，有助于教学培训的组织与实施。虚拟现实技术在教育培训中的应用大致可分为以下几个方面：技能训练、虚拟实验研究、虚拟场景漫游。

技能训练：训练和练习是技能发展的重要环节。随着虚拟现实技术的应用，职业教育领域“实训内容、实训手段、实训模式都将发生深刻的变革，传统的基地实训模式将向着基地实训与虚拟现实实训相结合的教育模式发展”。使用虚拟现实技术的技能训练系统不仅可以实现模拟仿真，还要实现各类知识的内嵌、错误诊断与反馈机制，为学生提供反思分析问题的机会，这也正是虚拟现实技术应用于技能培训最大的优势之一。

虚拟实验研究：在物理、化学、生物、医学、军事等需要大量实验的学科领域中，利用虚拟现实技术搭建实验环境，进行虚拟实验操作研究具有重要的意义。一般认为虚拟实验室分为两类：一种是由开发人员设计，规定只能对虚拟场景中的物体进行操作，这是现今大多数虚拟实验室系统的工作环境；另外一种是基于广泛学科领域知识的虚拟现实系统。

虚拟场景漫游：即利用虚拟现实技术采取几何构建或图像数据构建方法，为生活中的场景量身构建逼真模型，用户通过VR显示设备（如3D立体眼镜、穿戴式头盔显示器）、力触觉交互设备（即在虚拟环境中实现触觉和物理力感应的设备）等工具实现对整个场景的漫游浏览。该方式常见于旅游教育、旅游职业实训、博物馆展览、高校虚拟校园等方面。

三、虚拟现实技术在教育培训中的实现（以虚拟自动气象观测站培训的实现为例）

教育培训主要针对专业技术人员，培训目的即进行知识更新、补充、拓展和能力的提高，是教育现代化的重要组成部分。以气象教育培训中观测技能培训为例，对虚拟现实技术在教育培训中的实现做详细介绍。利用虚拟现实技术，可逼真模拟构建真实的自动气象观测站环境，突破时间、场地、天气等因素的约束，实现自动气象站观测培训的随时化、随地化。在培训教学过程中，虚拟现实的沉浸性与交互性特征在增强学员沉浸感的同时，也提高了学员的认知兴趣，结合教学系统的设计，最终提升气象观测的培训质量。在当前培训改革的新形势下，墨守成规、故步自封难以实现气象培训的跨越发展，将虚拟现实技术与气象教育培训并相融合发展，有利于提高培训的效果与质量，实现自动气象观测站培训教学的创新发展。

虚拟现实技术综合利用多种计算机技术，构建了具有沉浸效果、具备实时交互的虚拟场景，通过实时的交互使学员在构建的虚拟场景中可身临其境地模拟实际观测过程，从而激发学习兴趣、强化学习效果。为有效实现上述培训效果，需建立完备的培训环境。

此处培训环境的建设主要指培训系统的开发。培训系统的开发是虚拟培训的关键，系统开发建成后受训人员能够以第一人称视角在场景中自由行动，实现人与现场观测设备的互动。系统核心功能的开发主要包括以下两个方面：

（一）构建虚拟场景

该环节是实现虚拟培训系统的基础，自动气象观测站培训系统，包含“自主学习”“虚拟实训”与“虚拟考核”三个模块。虚拟现实技术主要应用于“自主学习”和“虚拟实训”模块，实训场景模型的搭建主要涉及到自动气象观测站观测场地和观测设备两个方面的内容。该工作以CAWS600型自动气象站为参考原型，前期使用3DS MAX软件，综合利用各种建模技术对观测场地和观测设备进行模型构建和贴图工作，后期使用Unity3D软件，结合碰撞检测、C#技术实现场景的环境烘焙、物理设置和漫游功能，以增强学员身临其境的感觉。

虚拟场景建成后学员可通过“自主学习”“虚拟实训”模块利用鼠标和光标键在线进行直观生动的理论学习，模拟实际观测业务的工作流程，同时可模拟故障环节，主动了解实际业务中的问题，掌握解决问题的方法。

（二）开发虚拟培训功能

该功能是自动气象观测站培训系统的核心，本系统紧密结合观测业务的实际情况进行设计开发，使学员在虚拟场景漫游过程中，有选择地实现“教、学、练、测”等功能。在培训功能设计开发过程中严格遵循学习规律，首先学员必须通过“自主学习”模块进行课程的理论学习，学习过程中结合虚拟现实技术，可对设备进行结构剖析，360°全面深入地观察设备的结构特征。随后通过“虚拟实训”模块，实现对气象观测设备的安装拆卸、维护保养、故障排除、运行监控等多方面的模拟操作训练。在学习实训过后，学员可通过“虚拟考核”模块，实现在线的虚拟观测考核，及时发现薄弱环节，从而进行有针对性的实训学习。该系统使学员在形象生动地认知自動气象观测站设备的同时，掌握温度、湿度、压强、风等气象观测要素的观测技能，提高观测业务能力。

四、总结与展望

虚拟现实技术发展至今已60余年，其基本概念和实现方法已初步形成并在教育培训中得到应用。在应用过程中应注意以下几点：一是虚拟现实技术在教育培训领域应用真正的目的是辅助教育培训，不应沉迷于技术，只重视新技术的应用而忽略了教育培训的效果。二是目前虚拟现实技术可交互操作功能有限，多数培训系统的交互功能仅限于简单地使用鼠标键盘等工具点击实现，交互方式有待丰富。三是虚拟环境的智能程度较低，虚拟环境呈现的整体沉浸感不足，直接影响到用户的培训效果。

虚拟现实技术在教育培训领域有广阔的应用前景，它利用高效能的计算机技术，结合行业教育培训的特点，有针对性地开发相关的培训教学系统，如煤矿安全培训系统、医学教育培训系统等，丰富教学方式，增强培训效果。展望未来，虚拟现实技术逐步发展完善，现代教育培训技术逐渐提高，虚拟现实技术在培训模式和培训方式上将引发变革，今后的教育培训工作定会与虚拟现实技术碰撞出璀璨的花火。

参考文献

[1]高建华，邓亚明.虚拟现实技术在现代教学中的应用[J].电脑开发与应用，2011（1）.

[2]宋达.虚拟现实技术在教育领域中的应用与设计[D].长春.东北师范大学，2005.

[3]李欣.虚拟现实及其教育应用[M].北京.科技出版社，2008.

[4]朱柱.基于Unity3D的虚拟实验系统设计与应用研究[D].武汉.华中师范大学，2012.

[5]王金岗.虚拟现实技术在高职实践教学中的应用研究[J].中国职业技术教育，2011（23）.

[6]张志祯，虚拟现实教育应用：追求身心一体的教育——从北京师范大学“智慧学习与VR教育应用学术周”说起[J].中国远程教育，2016（6）.

[7]赵沁平，周彬，李甲，陈小武.虚拟现实技术研究进展[J].科技导报，2016（14）.