關于虛擬仿真實訓平臺建設的探索研究

馮珊珊

（遼寧建筑職業(yè)學院，遼寧 遼陽 111000）

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關于虛擬仿真實訓平臺建設的探索研究

馮珊珊

（遼寧建筑職業(yè)學院，遼寧 遼陽 111000）

摘 要：文章主要就虛擬仿真實訓平臺建設的概念和特征、國內(nèi)外虛擬仿真實訓平臺建設的成果和現(xiàn)狀進行分析，并對虛擬仿真實訓平臺建設的主要技術手段和技術難點進行論述。

關鍵詞：虛擬仿真實訓；建構主義；Unity 3D

虛擬仿真實訓平臺是借助現(xiàn)代化的技術手段，以構建主義和虛擬現(xiàn)實為理論基礎建立的與傳統(tǒng)教學截然不同的實訓平臺。平臺應以企業(yè)實際崗位設置為依據(jù)，對綜合實際教學中難以展現(xiàn)的細節(jié)、不易實施的小概率事件、產(chǎn)品的標準化生產(chǎn)過程、員工安全生產(chǎn)意識等方面進行仿真。下面對虛擬仿真實訓平臺建立的理論依據(jù)和技術支撐進行分析。

1　虛擬現(xiàn)實的概念和特征

虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）是近些年來新興的一種技術。VR對現(xiàn)實環(huán)境進行虛擬化和數(shù)字化處理，給人身臨其境的體會。將計算機圖形技術（Computer Graphics Technology）、視覺反饋技術（Visual feedback technology）、力覺反饋技術（Haptic feedback technology）以及廣角立體顯示（Wide stereo display technology）等技術融合一起，形成了多種現(xiàn)代化技術的融合體—虛擬現(xiàn)實技術。

虛擬現(xiàn)實技術可以將人在自然條件下的觸覺、視覺、聽覺感受幾乎真實地體現(xiàn)出來，并做出相應的交互行為，虛擬現(xiàn)實技術有以下幾個主要特征：

（1）浸入性。人在虛擬環(huán)境中的視覺和聽覺感受將取代原有現(xiàn)實中的感覺，是因為在虛擬環(huán)境里會穿戴、使用虛擬設備，而且，虛擬設備能檢測到人的反應，從而產(chǎn)生一種新的完全真實的感受。

（2）交互性。用戶進入到虛擬現(xiàn)實環(huán)境中之后，所有感受靠傳感器可以傳遞給系統(tǒng)，系統(tǒng)又將檢測到的信號反饋給用戶，從而產(chǎn)生非常真實的體驗。例如，用戶揮動手臂用虛擬環(huán)境中的球拍擊打網(wǎng)球，在擊打的過程中用戶手臂不同的揮動速度和角度，可以產(chǎn)生不同的擊球力量和感受。

2　建構主義的概念和特征

建構主義最初由著名認知發(fā)展領域的瑞士心理學家皮亞杰（J.Piaget）提出。眾多專家認為建構主義是有關知識、學習的一種理論，學習者的主動性是這一理論所強調(diào)的，學習是有學習需求的人基于原有的知識經(jīng)驗生成意義、建構理解的過程，而這一過程的完成是在社會文化互動中進行的。

學習者作為中心、教師負責指導幫助是建構主義所提倡的，在這種學習模式下，即重視學習者作為主體的認知作用，又重視教師的作用—從傳統(tǒng)教學單純的知識傳輸者轉(zhuǎn)換身份為意義建構的協(xié)作者（見圖1）。

圖1　學生作為學習中心的教學結構示意

隨著現(xiàn)代多媒體技術的發(fā)展，教育領域的信息化程度逐步深入，越來越多的教育學家和教師重視建構主義的學習理論。建構主義的學習情境主要包括情境、協(xié)商、交流、意義建構4大特征。

（1）情境。

情境是指在建構主義的學習理論中所創(chuàng)設的真實情境，且必須有利于學習者學習知識

的意義建構。而創(chuàng)設情境非常有效的工具則是多媒體技術與計算機工具的結合。

（2）協(xié)商、交流。

建構主義特征中的協(xié)商和交流可視為一體。交流與協(xié)商都在過程學習中產(chǎn)生，雙方相互交換想法，使全部學習者的想法都能被共同的學習群體所共享，從而進一步推進學習者在的進程學習。

（3）意義建構。

情境化學習的最終目標就是意義建構，它的意義在于將學生從原來的被動學習中解放出來，鼓勵學生主動學習、積極探索。

3　國內(nèi)外虛擬仿真教學系統(tǒng)研究現(xiàn)狀

3.1 國外研究現(xiàn)狀

國外虛擬仿真實驗教學應用較多的技術手段主要包括以下10種：多媒體技術，可視化技術，人機交互技術，仿真技術，虛擬現(xiàn)實技術，虛擬仿真技術，增強現(xiàn)實技術，虛擬世界，3D打印技術，遙現(xiàn)技術。

國外高校的虛擬實驗教學主要以表1所示的形式進行開發(fā)設計：

表1　國外虛擬仿真實驗室的主要類別和形式

英國Open University的開放科學實驗室可以開放所有在線實驗室的實驗功能，還可以通過遙控儀器實現(xiàn)遠程實驗。而且，該實驗室還架設了一批集網(wǎng)絡應用和虛擬現(xiàn)實為一體的實驗室，可以實現(xiàn)虛擬儀器設備的在線共享等功能。例如，地球科學實驗室的虛擬顯微鏡，可以提供現(xiàn)今世界各地博物館和研究機構存放的地質(zhì)標本，避免了購買昂貴顯微鏡的費用、切片標本制作費用，還可以實現(xiàn)設備的共享。

美國耶魯大學則注重發(fā)展實驗室的可移動性和即時性。該校在分子生物學、發(fā)育生物學和細胞生物學等專業(yè)上利用PAD產(chǎn)品完成實驗。教師和學生通過PAD上的移動應用程序?qū)嶒炇业臄?shù)字顯微鏡記錄、分析，同時還可以將獲得的圖像和資料存檔。

加拿大的維多利亞大學則更重視3D打印技術的發(fā)展。該校通過3D打印機和掃描儀、激光切割機以及動作捕捉傳感器建成了創(chuàng)客實驗室，鼓勵學生積極創(chuàng)新、勇于探索。

西班牙IE學院注重發(fā)展教育游戲類軟件。該校研究教育游戲類軟件，學生在該軟件中可以擔任英國各重要部門領導，甚至是英國首相，虛擬制定和國家經(jīng)濟、政治相關的重要議題，甚至可以組成“議會”討論政策的制定。該項目通過游戲積分的形式培養(yǎng)學生的領導力，使學生充分領悟決策的復雜性和重要性。

3.2 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術及虛擬仿真技術的飛速發(fā)展，虛擬仿真實訓平臺這一教育資源也逐漸受到了教育界人士的青睞。目前國內(nèi)投入運營的虛擬仿真實訓平臺屈指可數(shù)。

以西南交通大學龍緒明教授為例，其率領團隊開發(fā)的SMT虛擬實踐平臺已于2015年初完成，目前被西南交通大學、北京理工學院使用。

廈門大學的機電類虛擬仿真實驗中心可以實現(xiàn)遠程教學資源共享，可以虛擬教學資源，也能夠在數(shù)控專業(yè)、電氣專業(yè)、模具專業(yè)實現(xiàn)虛擬實驗，該校15個專業(yè)的學生受益于虛擬仿真實驗中心。

杭州電子科技大學則成立了物聯(lián)網(wǎng)虛擬實驗平臺，該平臺從物聯(lián)網(wǎng)行業(yè)人才需求著手，設計了無線通信系統(tǒng)仿真實驗和無線串口點對點通信實驗，以及物聯(lián)網(wǎng)智能家居實驗。

北京化工大學成立了化工安全與裝備中心，中心主要為面向過程、化工安全、以及材料加工過程方向的虛擬仿真實驗教學中心。中心在虛擬仿真實踐平臺上開設了超過100個實踐項目，惠及20多個專業(yè)的學生。

這些虛擬教學手段的使用在教學過程中改善了教學效果，但在具體的應用過程中也體現(xiàn)出一些問題，具體問題如下：

4)高價值：大數(shù)據(jù)帶來的商業(yè)價值很高，價值密度卻很低?？傊?，大數(shù)據(jù)與傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)庫相比較而言，前者相當于在大海中捕魚或者相當于在池塘中捕魚。前者獲取信息的范圍比較小，而后者獲取信息的范圍相當廣泛，而且分析、處理、歸納、管理信息的功能也較前者強很多。

（1）推廣速度、覆蓋院校范圍不盡如人意。

（2）部分學校計算機設備老舊、網(wǎng)絡資源匱乏，虛擬平臺運行速度較慢。

（3）虛擬仿真實訓平臺使用頻率較低，平臺資源沒有得到充分利用。

（4）虛擬仿真實訓平臺在實踐教學中的應用還處在起步階段，還需要探索出一條充分發(fā)揮其作用的路來。

4　系統(tǒng)相關技術

虛擬仿真實訓平臺的實現(xiàn)需要三維建模軟件、數(shù)據(jù)庫和系統(tǒng)設計軟件3大類。

4.1 建模軟件簡介

（1）3D MAX。它功能非常強大，廣泛應用于游戲模型制作，2016年在建筑設計領域也得到了廣泛的應用。該軟件中文版本和英文版本同樣具備，操作便捷簡單，發(fā)展的已經(jīng)非常成熟了。

（2）SketchUp。它是GOOGLE（谷歌）公司所開發(fā)的三維建模軟件。它具備自動捕捉功能，能將模擬使用鉛筆繪制的圖形線條自動捕捉。同時，GOOGLE公司的3D模型庫中具有很多既定的SketchUp格式的模型。因此，采用SketchUp軟件可以避免很多繁重的、重復的模型建立工作。

（3）Maya。它是AutoDesk公司研發(fā)的一款應用廣泛、功能強大的建模軟件，它的功能與3D MAX類似，但更適用于動畫和特效的制作。

4.2 數(shù)據(jù)庫軟件

伴隨著現(xiàn)代技術的發(fā)展，數(shù)據(jù)管理已經(jīng)從以往簡單的數(shù)據(jù)存儲和數(shù)據(jù)管理逐步轉(zhuǎn)變成按照數(shù)據(jù)的結構來組織數(shù)據(jù)、管理數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)的大型倉庫，而這種大倉庫就是常用的數(shù)據(jù)庫。

SQL server是微軟公司開發(fā)的關系數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)，它作為平臺兼容性能良好，是WINDOWS操作系統(tǒng)中最為方便的數(shù)據(jù)庫平臺。并且界面友好，容易操作，編程接口豐富。

4.3 系統(tǒng)設計軟件

虛擬仿真實訓平臺可以采用第一視角虛擬漫游，其模式與游戲有很多相似之處，采用游戲引擎完成平臺系統(tǒng)的設計可以說是一個非常好的選擇。

Unity是一款全面整合了三維場景、動畫效果和三維視頻的專業(yè)游戲引擎。作為系統(tǒng)開發(fā)平臺，主要具備以下幾個突出優(yōu)點：操作簡便、容易上手?？梢詮耐獠繉隖BX格式模型文件，只要在Unity中編輯地面信息資料，基本的虛擬漫游操作就可以被實現(xiàn)；Unity 3D程序的封裝性能非常好，有豐富的插件資源可以選用；發(fā)布范圍廣，通用性良好。采用Unity 3D制作的系統(tǒng)可以發(fā)布在個人電腦、網(wǎng)頁、安卓手機系統(tǒng)、游戲盒子以及Windows電話等當今主流平臺上，只需要修改非常少量的代碼，就可以實現(xiàn)平臺的移植。對于日后移動端推廣虛擬仿真平臺系統(tǒng)具有非常重要的意義。

5　系統(tǒng)設計難點

虛擬仿真系統(tǒng)在設計過程中模型的建立非常重要，但在模型的加載會占用內(nèi)存，場景內(nèi)如果模型數(shù)量較多，則系統(tǒng)很可能存在卡頓現(xiàn)象，無法流暢運行。這是模型建立時亟待解決的一個問題。

建模的標準之一就是重視簡模模型的使用，模型的面數(shù)盡量不要超過5000，將模型的面數(shù)盡可能地控制。

（1）巧用貼圖替代模型的建立。例如需要表現(xiàn)一些細長狀的物體，如窗欄、扶手等物體時，就可以采用這種技巧，減少模型的數(shù)量，避免渲染時出現(xiàn)的鋸齒和閃爍等現(xiàn)象。

（2）控制場景中模型數(shù)量，模型的分布要均勻，盡量轉(zhuǎn)化多邊形物體或使用塌陷命令。

（3）合并場景中距離較近的同樣材質(zhì)的模型，巧妙利用附加方式。

（4）嚴格控制模型不同面之間的距離，以免彼此距離過近出現(xiàn)閃爍現(xiàn)象。確實距離過近時，可以通過面的嵌套完成制作。

（5）刪減底面、高處邊沿等看不見或不被注意的面，從而減少面的總數(shù)。

綜上，本文對虛擬仿真實訓的理論支撐、研究現(xiàn)狀、發(fā)展前景和主要技術方法進行了全面的論述，希望對虛擬仿真實訓的建設和推廣貢獻一份力量，最終實現(xiàn)“理、虛、實”一體化的新型教學模式，切實提高實踐教學的效果。

Exploration and Research on the Construction of Virtual Simulation Training Platform

Feng Shanshan
（Liaoning Jianzhu Vocational University，Liaoyang 111000，China）

Abstract:This review focuses on the concepts and features of virtual simulation training platform construction，to analyze the results and present situation of virtual simulation training platform construction，and the main technical means and technologies of virtual simulation training platform construction difficulties were discussed.

Key words:virtual simulation training；constructivism；unity 3D

作者簡介：馮珊珊（1981-），女，遼寧遼陽，講師，研究方向：應用電子，信息化教學。