基于虚拟现实技术的船用陀螺罗经实验教学模式研究

廉静静，杨 晓

大连海事大学，辽宁大连 116026

虚拟现实技术最早于20 世纪80 年代提出，又称为人工环境或灵境技术。虚拟现实技术通常由两部分组成：一部分为创建的虚拟世界（环境），另一个部分为介入者（人），虚拟现实的核心是强调两者之间的交互操作，即反映出人在虚拟世界（环境） 的体验[1]。早期虚拟现实技术大多集中在军事仿真系统和航空航天应用上，但由于虚拟现实系统成本太高，无法推广普及。自20 世纪90 年代中期以后，随着技术进步以及相关软硬件产品性能提高和价格下降，虚拟现实技术得到了飞速发展，其应用领域出现了全新局面，开始在科学计算可视化、建筑设计漫游、教育培训和娱乐等方面获得富有成效的应用。

近年来，我国教育部批准了多个国家级虚拟仿真实验教学中心；2018 年教育部又公布了首批国家虚拟仿真实验教学项目[2]；2022 年教育部办公厅公布了首批虚拟教研室建设试点名单[3]，一系列政策的实施，其目的是加强虚拟仿真优质实验教学资源的建设，重视实验教学信息化，持续提高实践教学质量，促进高等教育内涵式发展，注重人才培养，提升教育教学能力，使其充分运用信息技术，将现代信息技术与教育教学深度融合，探索突破时空限制、形式多样的教学模式，从而提升学生学习积极性、主动性和探索发现以及解决科学问题的能力。

我国海事院校航海类专业的实验实训是受国际公约规范的必需环节，由于海上船舶工作环境的特殊性，航海类专业的实验实训项目涉及高危或极端环境、不可逆操作、高成本、高消耗、大型或综合训练等情况[4]，因此，航海教育十分重视学生实践能力的培训，构建以高度仿真的虚拟实验环境和实验对象为主的实验教学方式是航海教育与培训的必然趋势。航海仪器课程是航海技术专业的必修课程之一，航海仪器使用是航海仪器理论课程相对应配套的实践教学环节，是对航海实践技能要求较高的航海专业课程，其中，船用陀螺罗经的结构组成和启动开机关机操作过程，是航海仪器使用重要的环节之一。传统的船用陀螺罗经设备比较昂贵，频繁开关机器会减少设备使用寿命，将虚拟现实技术应用于船用陀螺罗经实验教学中，可有效解决该问题。

1 现有实验课程存在的问题

船用陀螺罗经是利用陀螺仪的特性[5]，在地球自转运动的影响下，借助于力矩器使陀螺仪主轴自动地找北，并精确地跟踪地理子午面的指向仪器。现有航海仪器设备船用陀螺罗经实验课程主要存在真设备无法进行频繁开关、真设备台套数不足等问题。

1.1 真设备无法进行频繁开关

船用陀螺罗经正常稳定时间大约4 个小时，即便有些船用陀螺罗经可以快速启动，但也需要1 个半小时，由于船用陀螺罗经属于贵重仪器设备，频繁开机和关机对设备会造成损坏。每次上课对真设备进行讲解时，只能开关机一次向学生讲解开机和关机操作流程的注意事项。

1.2 真设备台套数不足

实验室里航海仪器船用陀螺罗经每种型号的真设备每个房间一般只放置一台，有些真设备包含操作单元，真设备开机后，学生可以在操作面板单元进行操作，但由于每次上课人数较多，并不能保证每名学生都在操作面板单元操作一遍。

1.3 船用陀螺罗经主罗经内部结构无法被看到

船舶陀螺罗经的主罗经是陀螺罗经的重要组成部分，对于真设备，学生无法看到主罗经内部结构，以Sperry MK 37E 型为例，在航海仪器实验室里，结合真设备讲解实验课程时，学生无法直观看到主罗经内部的部件如液体连通器、叉形随动环、方位随动电机等。

2 虚拟仿真实验教学平台设计

2.1 场景建模

场景建模的质量直接决定了虚拟仿真实验教学平台的真实感和实时性。目前常用的场景建模软件有MultiGen Creator、3D Studio MAX、Maya、DWB 等，这几种场景建模软件各有优劣。由于3D Studio MAX 软件完全基于PC 平台开发[6]，对硬件的要求相对较低，易于学习和掌握，被广泛应用于仿真、建筑、游戏、动画等领域，在建模技术、环境控制、动画设计、渲染输出和后期制作方面日趋完善，内部算法也改进了很多，极大提高了制作和渲染输出过程的速度。虚拟仿真实验教学平台选用3D Studio MAX 软件对船用陀螺罗经整套设备场景建模，包含主罗经、电子控制箱、航向发送箱、分罗经等，船用陀螺罗经主罗经内部的陀螺球、液体连通器、叉形随动环、阻尼重物、航向刻度盘、方位随动电机等部件。

场景建模的真实感很大程度上依赖纹理来体现。纹理的处理可选用Adobe Photoshop 软件完成，三维纹理贴图可用DeepPaint 3D 辅助，灯光效果贴图可用LightsScape 软件。

为了场景建模软件更加逼真，首先是场景建模素材收集，需要在实验室里实地摄影和摄像，这样可以对所建物体的形状、颜色和外观有真实的了解，拍摄的照片可处理成纹理后续使用，然后进行场景建模，此时需要设置建模软件的单位、背景颜色和坐标系，根据建模物体的信息如长、宽、高等建造三维几何实体模型，设置模型的颜色、材质、纹理和明暗等。

2.2 可视化过程

场景建模的可视化过程，需要视景驱动引擎，目前视景驱动引擎主要有OpenGVS、VTree、Vega、OSG、Unity3D 等，对这些视景驱动引擎进行了比较，各有优劣，例如OSG 是开源的，基于OSG 的三维仿真应用，效果不亚于商业软件，但是技术要求较高；OpenGVS 是Quantum3D公司的产品，具有良好的模块性，但不支持GPU编程。

虚拟仿真实验教学平台的视景驱动引擎选用Unity3D 软件[7]，该软件支持多平台，支持3d Studio MAX、Maya、Blender 等主流的三维格式，贴图材质可以自动转换为U3D 格式，支持C#、JavaScript 编程，提供具有柔和阴影以及高度完善烘焙效果的光影渲染系统，界面简单直观，易于上手。通过该视景驱动引擎，实现了船用陀螺罗经MK37 可视化过程。

2.3 实验教学平台课程内容

结合中华人民共和国国家海事海船船员适任考试要求和教学大纲要求，航海仪器使用船用陀螺罗经实验课程主要包含两部分内容：部件识别和设备操作启动过程。

2.3.1 部件识别

在航海仪器实验室，为解决真设备无法拆卸，学生无法了解其内部结构的问题，教师可利用虚拟仿真教学实验平台实现对船用陀螺罗经的拆卸，精细地了解船用陀螺罗经内部的结构组成，以及这些部件的工作原理和作用。

2.3.2 设备操作启动过程

船用陀螺罗经斯伯利SPERRY 37MK 真设备启动过程复杂，设备启动后稳定时间较长，有时正常下课后，真设备仍没有达到稳定。由于频繁启动关闭真设备会影响真设备的使用寿命，教师授课时，针对真设备只做一次启动过程。为了调动学生学习的积极性，虚拟仿真实验教学平台包含了设备操作启动过程，使学生学习由被动变为主动，极大地提高了学生学习的主动性和实践创新性。图1 为船舶陀螺罗经的启动过程，此时控制发送箱上的指示灯已亮起，从图中可以看出，方式转换开关的MODE 开关已转到START 挡位，此刻陀螺马达已经接通电源，为使陀螺马达高速旋转，在该挡位停留10 分钟（时间以墙上的钟表走时为准），在图的左上面虚拟仿真实验教学平台多开了一个视口，用于观察主罗经航向刻度盘的转动。当船用陀螺罗经主罗经正常启动后，要考虑速度和纬度误差补偿。

图1 船舶陀螺罗经的启动过程

利用3D Studio MAX 建模软件和视景驱动引擎结合Unity 3D，开发了虚拟仿真实验教学平台即斯伯利船用陀螺罗经37MK 设备。在实验室里，教师利用真实的设备讲解，将理论知识有效地与实验过程相结合。当学生对真设备有了感性的认识后，带领学生在实验室利用该虚拟仿真实验平台开展实验教学，让学生在虚拟仿真软件中动手展开相关实验项目，教师对学生的实验过程进行指导和监督。该虚拟仿真实验教学平台使得传统的以教师为中心的教学方式逐渐演变为师生并重甚至以学生为中心的教学方式，由传统的被动教学方式转变成了寓教于乐的主动学习过程，有效补充和促进了传统教学，是对传统教学的课外延伸和拓展。

3 结语

利用虚拟仿真实验教学平台，船用陀螺罗经采用虚拟与现实相结合、认知与操作相结合的实验教学方法，通过理论学习、实验室真设备学习、虚拟仿真设备操作训练相结合的教学模式，可以拓展学生的学习资源，丰富学生的学习内容，提高学生学习的主动性，激发了学生参与实验的积极性，符合现代化的实验教学发展。