基于zSpace的海洋生物认知及可视化研究与探讨

宋 雨 单 柏 程旭扬 于佳禾 乔方圆

河北农业大学海洋学院，河北 秦皇岛 066000

1 背景分析

2021年，元宇宙(metaverse)新概念的提出，引起了众多产业以及媒体的关注，而虚拟仿真(virtual reality，VR)作为元宇宙沉浸式体验的代表性技术之一，在新冠肺炎疫情所带来的“非接触式”管控以及元宇宙概念流行的时代背景下，得到了迅猛的发展。其中教育部在2017年发布的《教育部办公厅关于2017—2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知》和2018年发布的《教育部关于开展国家虚拟仿真实验教学项目建设工作的通知》均对开展虚拟仿真实验教学项目建设做了明确规定。

水产实验室是学生巩固课堂知识、培养实践能力的重要场所，而实验室的安全问题一直是各高校安全管理方面关注的焦点。此外，传统的水产实验室还存在新冠肺炎疫情期间无法线下实训、实训材料获取困难以及浪费严重、教学评估机制僵化、实训数据无法准确获取等一系列问题。

为响应国家建设虚拟仿真实验教学项目的政策，解决上述传统水产实验室存在的问题，组建了由计算机科学与技术、能源动力与工程、水产养殖、海洋渔业科学与技术等多个专业组成的师生团队，发挥各师生不同专业优势和特长，提出了海洋生物认知与实训可视化研究的解决方案。该项目致力于打造一个多功能的海洋生物类智慧虚拟实训平台，采用虚实结合的教学方式，满足学生不同的学习要求，为学生提供一种交互式、沉浸式、趣味式的学习体验，提高教学效率，节约教学成本，实现实验教学的个性化。

2 zSpace设备介绍

zSpace虚拟交互一体机是由美国硅谷一家公司以STEAM教育为理念而推出的交互式软硬件平台，可以让学生在虚拟的三维空间中自由想象、创造、探索，为学生提供更丰富的内容、更真实的体验、更高效的学习环境。

zSpace的硬件系统由3D触控一体机、3D追踪眼睛、六自由度的VR红外触控笔组成。软件系统为开发者提供了SDK软件包、zCore和zView等核心开发软件，结合Unity3D开发引擎对zSpace应用程序进行开发。

本项目基于zSpace进行海洋生物认知与实训教学系统的开发，为学生提供一个沉浸式的智慧虚拟实训平台，在解决传统实验室所带来的一系列潜在问题的同时，还能激发学生探索知识的兴趣，提高学生的动手能力。

3 海洋生物认知与实训教学系统

3.1 系统架构

海洋生物认知与实训教学系统作为一个多功能的智慧虚拟实训平台，能够满足学生沉浸式的学习体验，其分为认知层、实训层和数据层（图1），其中，认知层由实训简介模块和鱼类科普模块构成；实训层由综合实训模块和任务考核模块构成；数据层则由数据分析模块构成。

图1 教学系统框架

3.2 功能介绍

3.2.1 认知层

认知层由实训简介模块和鱼类科普模块构成。实训简介模块主要是为学生提供训前辅导、仪器介绍等功能，老师可以结合实训简介模块为学生们讲解设备仪器的使用、实验内容以及实验的操作步骤。学生通过训前预习可明确实训的目的，避免了烦琐复杂的操作流程，提高了课堂的教学效率。

3.2.2 实训层

实训层分为综合实训和任务考核两大模块。综合实训模块为学生提供实训内容，学生结合训前预习来完成相应的实训任务，与传统的实训不同，虚拟实训平台突破了空间、试验器械、人身安全等一系列限制性条件，充分调动学生的学习兴趣，让学生可以更加开放地进行实训。为了让学生更加细致地了解生物解剖的全过程，虚拟实训平台会将每个步骤都细化呈现，学生可以使用触控笔完成生物某个系统、器官的单独显示、缩放以及还原功能，甚至可以让学生查看同种生物幼体、成体的不同阶段。

任务考核模块分为随堂测验和实训考核两部分。随堂测验可以检测学生本节课的学习情况，由教师在课堂后期发放到学生端，将测验得到的数据作为学生的平时成绩进行管理。实训考核作为期末考试时的考核工具，由老师选择考核内容发放到学生端，学生在限定时间内进行实训考核，系统会根据学生的操作步骤进行打分，最后把学生的成绩存入考核档案。

3.2.3 数据层

在传统的实训教学中，学生进行实训后无法及时完成实训报告，随着时间的推移，学生的实训报告或者实训数据准确度会出现偏差。而数据分析模块在每次实训结束后会及时让学生填写实训报告，并且会将实训数据存档到学生的实训档案中，方便学生日后的翻看复习。教师端可实现学生实训数据的可视化，教师可准确了解学生对实训的掌握程度，且数据的可视化方便教师进行成绩统计，有效解决传统实训评估机制僵化的问题，数据可视化是智慧虚拟教学平台的优势，为传统实训带来一种标准化、直观化、具体化的教学评估体系。

模块功能框架如图2所示。

图2 模块功能框架

4 海洋生物认知与实训可视化解决方案的问题分析

4.1 可行性分析

在国家对虚拟仿真教育的大力支持以及新冠肺炎疫情的影响下，各领域内的虚拟仿真项目层出不穷，其相关的设计架构、开发技术也逐步成熟。在此基础上，对国家虚拟仿真实验教学课程共享平台上的“动物科学专业核心技能综合训练虚拟仿真项目”进行了考察研究，结合本校水产系、海洋系学生的实训调研，提出了这套海洋类生物实训教学系统的建设方案。

（1）根据实训教学内容选择研究物种，充分调研得到相关理论知识与实训要求，明确各模块的内容及功能。

（2）在ZBursh中进行生物基础模型的构建，根据需要进行材质、光照等渲染，增强体验感。将基础模型导入3D MAX中进行材质调节，设置解剖步骤，通过法线、置换等方式贴图，将调节好的模型以f bx格式导入Unity3D中。

（3）在Unity3D中，将音效、图形、文字等内容与模型进行整合，通过C#语言编写程序，实现模块UI界面和功能。

（4）将内容导出到zSpace平台上进行测试，不断优化完善。

为了验证项目开发流程的可行性，以国家重点保护动物中华鲟为例，进行了虚拟平台的开发。

4.2 实施效果讨论

基于虚拟仿真的教学系统可以让学生获得比传统实训更好的操作能力表现及学习效果。传统实训中师生之间的沟通交流局限于实验室当中，这显然已经不能满足现代教育和创新型人才培养的需求。虚拟仿真则可以突破时空的限制，学生随时按照自己的意愿反复进行实验，最大限度激发学生的想象力和创新力。此外，虚拟仿真教学系统的实施完善了实训评估体系，即实现了过程考核，也实现了结果考核。这种新型的教学方式能够更直观地反映学生对知识的掌握情况，教师也能根据反馈数据“对症下药”，极大提升了教学效率。

5 结语

随着新一代信息技术的发展与应用，教育模式也要随之改变，将虚拟现实与实训教学相结合，搭建一个具有交互性、智慧性、沉浸式的虚拟实训教学平台是教育发展的必然趋势。基于zSpace的海洋生物认知与实训教学系统正是虚拟仿真技术在水产系、海洋系实训中的应用实例，它能够满足传统实训对安全、设备、实验材料等因素的需求，有效解决高成本、高消耗、不可逆操作、大型综合训练等问题，为师生提供一个全面的、多功能的、智慧的学习平台。但此方案仍需在实践中不断完善，结合实训中的教学需求，改造成一套以实领虚、以虚促实、虚实结合的教学方案，解决实训教学过程中的高投入、高损耗、高风险及难实施、难观摩、难再现的“三高三难”问题，在新型教育模式中发挥出自己的作用。