論虛擬現(xiàn)實技術(shù)在大氣科學(xué)實踐教學(xué)中的應(yīng)用

張敬林?譚惠文?張國宇

摘 要 虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality， VR）是一種新型交互集成技術(shù)，通過交互式的場景使用戶沉浸在由計算機(jī)模擬的仿真環(huán)境當(dāng)中。在高等教育的領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實的教育應(yīng)用需要改變傳統(tǒng)教學(xué)方法和理念。目前，虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高等教育的應(yīng)用遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于虛擬現(xiàn)實產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，特別是在大氣科學(xué)的教學(xué)實踐領(lǐng)域。因此國內(nèi)高等教育需要綜合利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的潛力，不斷完善教學(xué)手段和方法。本文通過調(diào)研虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用方向和特點，綜合分析了虛擬現(xiàn)實在高等教育領(lǐng)域特別是大氣科學(xué)教學(xué)的實踐的應(yīng)用前景，基于Unity Web3D和Leap Motion體感控制器開發(fā)出一套氣象云類的虛擬仿真專業(yè)教學(xué)平臺。

關(guān)鍵詞 虛擬現(xiàn)實；大氣科學(xué)；實踐教學(xué)；云分類；尾跡云

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是一種多技術(shù)的融合，富有挑戰(zhàn)性的交叉學(xué)科研究領(lǐng)域[1-2]。Unity Web3D是將顯示的物體2D和3D模型通過互聯(lián)網(wǎng)形式進(jìn)行虛擬的三維展示，并提供交互的虛擬現(xiàn)實技術(shù)。與二維圖片、FLASH動畫以及HTML等表現(xiàn)形式相比較，Unity Web3D能夠提供更多的自主感給不同的終端用戶，以及虛擬和互動等操作[3-5]。目前高等教育的教學(xué)不再單純地依靠書本和教師授課，通過計算機(jī)輔助和多媒體技術(shù)彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)的缺陷。特別在教授一些如空間結(jié)構(gòu)和機(jī)械運(yùn)動等課程時，三維的展現(xiàn)使得課堂教學(xué)更加豐富，學(xué)生學(xué)習(xí)的過程更加具體，更輕松地掌握專業(yè)知識[6-8]。實際經(jīng)驗得知，動手操作比單純地聽或者說能夠接受更多的信息。具有交互功能虛擬展示特性的Unity Web3D課件，可以讓學(xué)生在動手操作中快速的學(xué)習(xí)知識，并對教授的課程有更深入的理解。

2 高等教育應(yīng)用

虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于高等教育是由一個傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式到現(xiàn)代學(xué)習(xí)方式的飛躍發(fā)展，其不僅能夠構(gòu)建自主學(xué)習(xí)的教學(xué)環(huán)境，而且能夠通過與信息環(huán)境的交互來得到相應(yīng)的知識和技能。

2.1 科技研究

近幾年很多高等教育的學(xué)府都在積極探索如何虛擬現(xiàn)實技術(shù)的研究與高校專業(yè)知識的教授結(jié)合起來。通過建起了多方位的虛擬現(xiàn)實實驗室，可以迅速轉(zhuǎn)化已有的科研成果。通過與純粹的課堂教學(xué)相比，結(jié)合虛擬現(xiàn)實的教學(xué)方案可以讓學(xué)生親身去經(jīng)歷、感受和操作，因此基于虛擬現(xiàn)實的主動交互學(xué)習(xí)方式可以完全替代被動的被灌輸專業(yè)知識[9]。與此同時，虛擬實驗室利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)，可以設(shè)計多種不同實驗涵蓋如計算機(jī)、化學(xué)、物理等方向，為學(xué)生創(chuàng)造和提供一個全新的、生動逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境。例如建造計算機(jī)三維建模，游戲人物模型，場景漫游等等，可以提供無限的虛擬交互體驗在不同的教學(xué)領(lǐng)域，從而成倍的提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，加速學(xué)習(xí)過程和鞏固知識。

2.2 虛擬實訓(xùn)基地

虛擬實訓(xùn)基地就是利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)虛擬建立各種“設(shè)備”與“部件”，可以根據(jù)教學(xué)情況的需要隨時更新和完善設(shè)備。不但教學(xué)內(nèi)容可以隨時更新，使實踐訓(xùn)練的方法也可以及時滿足技術(shù)的發(fā)展與要求。同時，虛擬現(xiàn)實提供的的沉浸與交互，可以使學(xué)生在一個虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演角色，全神貫注地投入到學(xué)習(xí)中，有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練與提高[10]。這其中就包括師范類的教學(xué)技能、技術(shù)類的汽車駕駛、電器維修以及危險品加工處理等技能等的訓(xùn)練。由于虛擬現(xiàn)實構(gòu)造的虛擬訓(xùn)練系統(tǒng)是沒有任何危險的，學(xué)生可以不斷地反復(fù)練習(xí)，直至各項操作技能熟練地掌握。例如：在虛擬的飛機(jī)駕駛訓(xùn)練系統(tǒng)中，學(xué)員可以反復(fù)操作和熟悉如何控制各種復(fù)雜的設(shè)備，運(yùn)用最小的成本掌握在各種惡劣的天氣情況下駕駛飛機(jī)起飛、降落等不同的操作，從而達(dá)到熟練掌握駕駛技術(shù)的目的。

3 大氣科學(xué)教學(xué)的案例

大氣科學(xué)不僅研究大氣各種現(xiàn)象演變的規(guī)律，還包括人類活動的影響以及如何利用這些規(guī)律為人類服務(wù)的一門學(xué)科。作為地球科學(xué)的一個組成部分，大氣科學(xué)研究對象主要是覆蓋地球的低層大氣，以及相對應(yīng)的水圈、巖石圈、生物圈。而云作為整個大氣系統(tǒng)最為重要的一個環(huán)節(jié)，同時也是影響氣候系統(tǒng)的最大不確定因素。一般來說，云可以吸收從地面散發(fā)的熱量，并將一部分熱量反射回地面，有助于使地球保溫。但是云也可以將太陽光的熱量直接反射回外太空，這樣便有助于地球降溫。上述的保溫還是降溫作用取決于云的形狀、位置以及光學(xué)性質(zhì)等等。因此，全面細(xì)致地學(xué)習(xí)云分類識別方法，可以更好地開展其對區(qū)域和全球氣候影響的研究。

所以云的分類與識別在大氣科學(xué)的相關(guān)教學(xué)當(dāng)中顯得尤為重要。不再局限于課本的文字描述和圖片展示，我們基于Unity Web3D和Leap Motion控制器開發(fā)出一套云類識別的虛擬仿真專業(yè)教學(xué)平臺。通過該平臺我們可以實現(xiàn)快速直觀的學(xué)習(xí)各種云類知識。而Leap Motion是一種基于骨骼手勢識別的體感控制器，它與鍵盤、鼠標(biāo)、觸控板等協(xié)同工作，完成手勢識別等不同功能。利用Leap Motion，我們只需用手勢即可來完成瀏覽、翻看不同云圖照片等操作，并完成相應(yīng)的云圖分類，知識講解，背景介紹等相應(yīng)學(xué)考練等教學(xué)實踐過程。同學(xué)生還可以在3D空間中了解不同云類生成的條件，拉伸、放大、漫游在不同的云類場景等高階操作，從而體驗一種全新的交互學(xué)習(xí)方式。

4 結(jié)束語

本文通過對國內(nèi)外虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用狀況的研究調(diào)研，分析了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高等教育領(lǐng)域的應(yīng)用，并結(jié)合大氣科學(xué)教學(xué)的實踐，基于Unity Web3D和Leap Motion開發(fā)出一套云類識別的虛擬仿真專業(yè)教學(xué)平臺。

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