VR虚拟仿真实验系统的设计与实现探讨

薛岩

摘要：本文主要以VR虚拟仿真实验系统的设计与实现为重点进行阐述，首先分析VR虚拟仿真实验系统设计背景，其次从整体组成结构、功能设计、创设虚拟实验模型、渲染三维模型、运作UI界面几个方面深入说明并探讨VR虚拟仿真实验系统设计与实现的思路，进一步阐述VR虚拟仿真实验系统的存在价值，让教学过程顺利进行，旨意在为相关研究提供参考资料。

关键词：虚拟仿真;实验系统;VR技术;设计思路

VR技术逐步成熟化发展，应用的范围有所扩展，尤其是教育领域，依托VR技术的优势强化教学成效。立足于VR技术的实际特征，结合课程结构体系与教学大纲需求，设计完整的VR虚拟仿真实验系统，促使学生更多的掌握专业知识与技能。教师要借助此项技术给学生真实呈现仿真实验过程，提供真实化的实验设备操作场景，对学习内容充分展现，凸显教学实践的多样性与灵活性。

一、VR虚拟仿真实验系统设计背景

《事故管理与应急处置》是一门重要的课程，实验过程的材料相对特殊，且设备数量匮乏，那么不能实现学生自主操作实验。利用VR虚拟仿真系统，重现事故产生和发展过程，学生通过VR眼镜了解多样化的环境，开展目的性训练活动，扩展学生对事故知识的掌握范围。以往的课程教学，学生仅仅是死记硬背事故管理的关键点，不能真正掌握事故应急处置的原则，对应实践技能培养需求提升。在虚拟仿真实验系统的设计与实现上，学生产生身临其境的感觉，在平时训练中积累事故管理与处置的环节，发挥潜能适应事故处理对学生处理问题能力的需求，巧妙的处置应急事故，让应急事故的处理成效不断强化。对于“氯气泄漏事故处置”实验，明确仿真功能和实现流程，全面体现虚拟现实技术的优势，学生可更多的了解氯气理化特征、储罐结构与事故处置的要点，针对性采取事故处置方案，提高教学有效性。并且借助VR虚拟实验仿真系统，模拟经典事故的变动，组织学生参与人机交互学习流程，把自身置于突发场景与复杂场景，针对性的训练知识技能，提升学生对事故危险性的掌握。

二、VR虚拟仿真实验系统设计与实现的思路

（一）系统设计思路。1.整体组成结构。在设计“氯气泄漏事故处置”教学活动中，设计的仿真实验系统应包含30个学生，把五人或者六人划分相同的小组，教师给学生介绍理论知识，确保理论知识和实践操作互相结合，带给学生一定的感知和真实体验，树立学生动手实践意识，让学生学习主观能动性可提升。系统组成结构可划分三个层面，第一个层面便是用户操作、第二个层面便是虚拟场景、第三个层面便是数据存储，实际情况如图一。

其一是用户操作层，操作层通过VR实践过程引导学生进行动作，组织学生佩戴VR眼镜加入课程活动，结合语言表示，学生利用VR眼镜触控板明确UI界面和场景内人物操作流程，利用生产办公室得到液氯泄漏报警资料，随后按照提示挑选防护装备，完善液氯泄漏体系，收集厂房中毒人群的信息加以急救处理，全部的操作完成后，学生自主选取离开是否。其二是虚拟场景层，按照诸多游戏对象创设场景，游戏对象涉及界面固定，适当增加诸多组件，尤其是渲染、脚本、物理与位置等相关组件。尝试改变界面外观，在着色器的运用下渲染显著的游戏对象成效。结合渲染元素画布以及元素事件，构建3D虚拟场景。软件Unity 3D元素比较多，即文本控件、布局组件、音频组件、渲染组件与导航组件，控件科学规范搭配创设界面，体现VR虚拟仿真实验系统的灵活性与科学性。其三是实验信息存储层，对于存储层而言，其包含着学生实践操作的所有行为数据，借助MySQL数据库，能够测评学生实验内的报告信息与存储信息，便于后阶段教师把信息数据视作评估教学效率的依据，时效性优化试验系统功能，内化實践教学内容。

2.功能设计。其一是硬件系统，VR虚拟实验系统应包含硬件系统，以智慧教室设备为主，学生学习时运用VR头盔与眼镜，通过电子设备和电子白板了解所学知识。教学过程中，相关硬件设备彼此之间配合，教师能够充分讲解操作的流程，让学生自主解决问题。其二是软件系统，即VR运用资源以及学习内容，开发对应的实践活动与实训内容，明确备课环节与授课环节，借助云端呈现知识体系，定时对课程资源的练习题进行发布，得到学生学习反馈信息。

（二）实现思路。1.创设虚拟实验模型，在演示真实的环境中，依托实验设备与实验场景构建三维模型，利用软件Solid Works对模型进行构建，在Deep的转换文件格式设置下把信息数据纳入在3D资源文件库内，完成实验模型的创设。2.渲染三维模型，给予已经形成的三维模型，依托3D软件渲染形式充分渲染，实现良好的美化操作。渲染工作有：办公室中工作者渲染外关、装备标注，即防化服设备、橡胶手套设备与呼吸器设备;液氯泄漏模块内渲染储罐、渲染储罐附近环境、渲染厂房外风向标、渲染警戒标识。3.运作UI界面。VR虚拟仿真课程实践，界面选取与人物设置以及设备选定，这些都是借助眼镜呈现的，具体操作是移动界面中的光标与眼镜触控板，界面有课程标题模块、防护装备模块、其他类型设备模块、应急指令模块、场景标识模块与结束提示模块。对眼镜界面光标进行移动，促使其和UI界面充分重合，后续触压系统边侧的触控板，落实界面选定。人物和设备的选择，思考中毒人群、需要疏散人群、风向标项目、螺纹木塞的配置等，移动界面光标，让光标和人物与设备模块重合，后续触压触控板，进行中毒人群疏散、厂房周围人员转移、储罐泄漏处理、明确风向与喷淋稀碱溶液，由此完成VR技术的虚拟仿真实验过程，提高课程教学的质量。

三、结束语

综上所述，本次分析中进行VR虚拟仿真实验系统设计，即便可初步落实基础功能，在仿真实验中结合实践操作，可学生具体的应用和反馈中， 依旧呈现部分问题。教学内容的设计不够全面化，系统仅仅支撑单人学习形式，不可实现多人同步操作目的，因此后期应深层次的整合与完善。

参考文献：

[1]崔萌.基于VR技术的虚拟仿真生活体验馆设计与实现[J].电子技术与软件工程，2020，No.173（03）：40-41.

[2]李虹江.基于VR技术的艺术类虚拟仿真实验教学平台构建探讨[J].大众文艺：学术版，2019（10）：3.