基于虚拟现实技术的大学生创新训练实践

2021-05-13王欢米宪儒何琳珏罗信君曹旺财

西部皮革 2021年8期

王欢，米宪儒，何琳珏，罗信君，曹旺财

(四川工程职业技术学院，四川德阳 618000)

引言

创新是一个国家、一个民族不断进步、发展的动力，习总书记强调，人才人才是创新的根基，是创新的核心要素。高校作为培养国家创新人才的基地和摇篮，已经开始从传统教育向创新教育转型，但是培养大学生创新意识、塑造大学生创新思维、提高大学生创新能力是一个长期、系统且复杂的过程。

“大学生创新创业训练计划项目”(以下简称“大创项目”)是“十二五”期间教育部面向大学生实施的创新创业训练[1]，其目的主要是让大学生在校期间通过实践模式提前感受就业发展形式，并对自身的综合能力进行充分锻炼，帮助大学生通过实践实现自我竞争力的提升[2,3]。在此背景下，现代高校将“大创项目”作为培养创新人才的一个重要途径，四川工程职业技术学院(以下简称“学院”)积极开展“大创项目”。

1 创新训练实践的选题和意义

虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)将模拟环境、视景系统和仿真系统结合为一体，把操作者与计算机生成的三维虚拟环境连结在一起，具有多感知性、浸没感及交互性的特点[4]。在推进校园数字化背景下，将VR技术应用到学院形象建设是很有必要的。创新训练实践依托学院材料成型虚拟仿真实训中心。材料成型虚拟仿真实训中心目前拥有熔炼生产虚拟仿真系统、锻压工艺优化设计仿真软件、华铸CAE铸造模拟软件等，建成了虚拟仿真实训室、虚拟仿真云平台等。并在云平台的基础上，联合企业、校企共同开发了一系列生产虚拟仿真系统，搭建虚拟仿真实训教学管理和共享平台，组建师资队伍，制定管理规范制度。目前，材料成型虚拟仿真实训中心已具备一定规模，具有服务社会能力。基于此，确定组建团队开展“基于Unity3D的虚拟校园漫游系统”的“大创项目”实践，项目开展具有以下重要意义：

1.1 直观宣传校园文化与良好形象，提升学校知名度

虚拟校园漫游系统的建立，除去传统的以文字及图片进行宣传的方式外，为学校宣传提供了另一种高效的、新颖的方法。行走在虚拟漫游的校园中，学校的各个教学区、住宿区及不同院系的文化特色都能直观且清晰地展现在用户眼前。一方面缩短了了解校园的时间，节省了体力；另一方面，为外地生源了解学校提供了一种有效的、便捷的途径，身临其境的体验校园的美丽风光，有助于扩大生源，促进学校的发展。

1.2 促进校园数字化、信息化建设发展

虚拟校园是在传统校园的基础上，结合先进的技术，将现实校园的各项具体资料数字化，变为可供教育发展所利用的信息资源，是校园信息化平台建设的重要组成部分。随着学校发展，将来的建设有可能涉及到新楼位置规划和旧楼的拆迁、扩建、绿化等，急需对校园整体布局最直观的呈现，这时就可依托虚拟校园系统进行规划设计和方案评审。同时，教职员工及学生也可通过虚拟校园对校园规划提出自己的建议，更好地参与到校园的建设发展过程中来，提高校园规划管理的现代化、数字化水平。

1.3 塑造和提高学生的实践能力与创新能力

由于大学生项目实践机会普遍较少，创新能力不足，往往不能利用所学知识独立解决实际工程问题。通过参加“大创项目”，学生作为项目负责人和参与人，可在理论课堂之外自主探索、协同合作、积极思考，充分调动其主观能动性，在整个项目实施过程中潜移默化塑造和提高自身实践能力和创新能力。并且，依托学院虚拟仿真中心开展虚拟仿真创新训练项目，学生可充分利用中心相关软硬件，提高其实践能力和创新能力。

2 创新训练项目的实践和分析

2.1 组建团队

“基于Unity3D的虚拟校园漫游系统”创新项目团队由6位成员组成，其中包括4名学生和2名指导教师。学生均来自大二年级，选修过《VR作品技术开发》课程，掌握了VR产品开发基本知识和能力，且均具备Sketch Up、3Dmax、Inventor等三维建模技能。两位指导老师均为材料成型虚拟仿真实训中心建设人员，经过了数次Unity3D平台应用培训并取得了万维引擎虚拟现实开发工程师证件，承担了多学科虚拟仿真软件开发项目。

2.2 项目实施方案拟定

“大创项目”实践团队成员在老师指导下，针对项目需要进一步基于杭州万维镜像科技有限公司二次开发的Unity3D平台关键技术培训，掌握Unity3D平台应用，并进行合理的项目分工，完成项目前期调研，拟订了以下项目实施路线：

首先根据学校建设地图和地球卫星图等资料确定校园平面地图，同时通过拍照、测绘等手段完成校园建筑物外观纹理、内部结构、尺寸及其他场景的信息采集工作。采用Sketch Up、3Dmax、Inventor等三维建模软件[5]对校园建筑物、地形植被等进行建模和渲染；利用基于杭州万维镜像科技有限公司二次开发的Unity3D平台实现虚拟校园漫游，最后测试与发布虚拟校园系统，并提供虚拟软件开发培训教程供对虚拟现实技术感兴趣的在校学生学习。

2.3 项目实施

2.3.1 信息采集及建模

结合校园规划图、地球卫星图及实地测量，根据对校园建筑的信息采集，采用Sketch Up、3Dmax、Inventor等免费三维建模软件对校园的主要建筑物进行建模，建筑物模型外观见图1。

对整个学院进行场景建模，工作量巨大，所以团队成员采取区域负责制，每人负责一部分区域的建模工作，分工合作后再进行整合。同时，为了减轻计算负担，建模时将实际建筑和地形较为复杂的细节忽略掉。

建模后进行模型渲染，简单来说就是对三维软件搭建好的模型进行贴图和着色，使模型产生与现实实物一样逼真的视觉效果，包括了灯光效果、材质效果、物体表面颜色效果、物体光滑与反射效果、物体透明与折射效果等。这个过程对于虚拟仿真来说，也是必不可少的一个步骤，试想如果仿真对象只是一个简单的模型，而外观没有任何视觉效果，那我们仿真出来的作品就直接失去了“仿真”的意义了。

2.3.2 Unity3D平台三维场景构建

通过Basic VeryEngine开发引擎将建好的校园建筑及地形植被等模型导入Unity3D平台，由于Basic VeryEngine所兼容的常用3D模型是通过三维建模软件导出成FBX后缀格式的文件，这种格式的模型可以直接将其放置到Basic VeryEngine工程里，放置路径是在工程的Assets目录下，最好是在该目录下新建一个文件夹，然后再将该模型放置到该文件夹中，方便管理查看。如果模型已经做好了贴图渲染，则该3D模型不仅包含模型文件，还包括贴图文件(贴图文件包括材质球和图片素材)，那么放置的时候，需要连带这些贴图文件一同放置到工程当中[6,7]。

主要建筑物导入Unity3D平台后，对其他地面设施、天空等环境细节进行添加补充，搭建校园三维场景。

2.3.3 虚拟校园漫游实现

在Unity3D平台创建第一人称视角模拟器，通过编写脚本，设置好模拟器的行走速度、视角高度等属性，可实现模拟角色在虚拟校园自由行走、观察、停留。

2.4 项目效果分析

2.4.1 丰富学院数字化资源

基于虚拟现实技术的大学生创新训练实践项目测试发布了PC版虚拟校园漫游软件，使用户能通过操作设备(鼠标、键盘等)漫游整个校园，为社会各界参观、了解学校增加了一种有效的、便捷的途径，且将现实校园的各项具体资料数字化，丰富了学院数字化资源。

同时在项目进行期间，团队成员编写了虚拟软件开发培训教程，为对虚拟仿真技术有兴趣、想学习虚拟仿真技术的在校学生提供有效的指导。

2.4.2 学生个人综合能力提升。

整个项目过程以学生为项目负责人，老师辅助指导。学生全程参与项目选题、项目调研、可行性分析及项目具体实施，通过虚拟仿真这些前沿技术激发了学生学习兴趣，锻炼了学生思维，提升了学生自主学习和探索的能力，塑造和提高了学生的工程实践能力和创新能力。

拟定项目实践方案前，学生自发查阅了大量文献，在此期间，能熟练利用各种中文数据库搜集资料，增强了个人的文献调研能力。学生结合学院实际情况，提出学院建筑物建模主要利用“草图大师”Sketch Up，并运用其他三维软件辅助设计。团队成员虽然都具备使用三维建模软件技能，但是大家平常常用的三维软件各异，不利于模型的整合，而Sketch Up操作简便，在有其他三维软件操作技能的基础上，易于上手，并且可以直接将校园地图CAD版及谷歌地图影像直接导入，再采用软件的推拉功能就可以进行建模了，极大缩减了建模的工作量。

项目实施过程中，学生每周定期进行项目进度汇报和交流，在此期间大家一起讨论，发现问题、提出问题、解决问题、撰写论文，学生组织管理能力、撰写汇报材料能力、沟通能力及思考探索能力都得到了很好的锻炼。

通过项目实施的整个过程，学生的发现问题能力、文献研究能力、分析设计能力、实践动手能力和团队合作等综合能力都有显著提升。

2.4.3 学生对前沿技术的学习兴趣受到激发

学生通过项目实施，对虚拟仿真技术、计算机编程等有了深入了解，并激发其对这些前沿技术更深入学习的兴趣。由于项目实践后期处于疫情最严重的时期，学生不能返校，导致虚拟校园漫游场地很多细节不得已被忽略掉。项目结束后，学生仍然做好计划进一步完善软件细节，完善各建筑物内部结构和漫游功能，更进一步丰富软件内容。项目实践丰富了学生的课外生活，并提升了个人择业竞争力。