虛擬現實技術的仿真教學環境設計

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摘要：隨著科學技術的不斷發展，虛擬現實技術也逐漸被大眾所熟知，并進而走進我們的生活，它為用戶提供的超越傳統感官的沉浸式體驗，吸引了越來越多的人去挖掘其在現實生活中的其他應用。文章基于虛擬現實技術的仿真教學環境建設的實踐經驗，結合動漫設計與制作專業，主要從虛擬現實技術的仿真教學環境的整體設計、實現方法、教學應用和發展前景四個方面進行了詳細闡述，為開發基于虛擬現實技術的仿真教學環境的同仁提供某些實操性的借鑒。

關鍵詞：虛擬現實技術；仿真教學環境；交互設計

0引言

高等職業教育與普通高等教育不同，其主要目標是培養具有某一職業或職業群具有較強實際工作能力的高技能人才。使學生畢業即能勝任某一崗位，成為企業需要的合格職業人，一直是職業教育追求的目標。基于虛擬現實技術的仿真教學環境則為學生提供了在學校真實感受企業環境、體驗企業工作的實踐條件，這樣在某種程度上則促進了學生盡快從學生角色到員工角色的轉變。

1基于虛擬現實技術的仿真教學環境設計

虛擬現實（VirtualReality）技術是仿真技術的一個重要方向，它是利用計算機創建一個虛擬的環境空間，然后通過頭盔、觸感裝置、體感設備、立體聲設備等，為用戶提供虛擬空間視覺、聽覺、觸覺、力覺、運動等感知，通過人體行為動作，如轉頭、手勢等，與虛擬環境進行交互，通過計算機處理將響應反饋給用戶，從而為用戶營造出完全置身于虛擬環境中的沉浸式真實體驗。基于虛擬現實技術的仿真教學環境設計正是利用虛擬現實特有的真實體驗為學生提供了基于企業崗位工作的真實體驗。仿真教學環境可以包括企業環境空間、企業文化、按崗位及工作流程創建的工作空間、崗位工作任務展示體驗館、企業項目展示館、企業項目實操館、智能交互體驗館等。學生從仿真教學環境入口進入，首先感受到的是企業文化。企業文化建設要深刻體現企業精神文化、制度文化、行為文化、品牌文化等，使學生能感受到企業特有的文化氛圍。然后映入眼簾的是企業環境空間布局顯示屏，通過顯示屏可以了解企業環境空間的布局，單擊即可進入相應空間。整個工作空間按照企業工作流程進行設計，分為展示與體驗館區、實操館區和特色館區。特色館區展示企業成功項目等，使學生學習完本專業知識后對自己的就業方向有了清晰的認知，從而進一步找到努力方向和奮斗目標。工作任務展示與體驗館區則重在了解每個崗位的工作任務、需要具備的專業知識和專業技能；工作任務實操館區將虛擬空間與實際工作空間相結合，通過企業項目實操，使學生進入企業員工角色，領取工作任務上崗工作。通過基于虛擬現實技術仿真教學的使用，縮短了從學生到員工角色轉變的進程。

2基于虛擬現實技術的仿真教學環境的實現

虛擬現實系統具有多感知性、沉浸性、交互性和構想性四個特征。多感知性是指除視覺感知外的聽覺、觸覺、運動，甚至味覺、嗅覺等感知；沉浸性又稱臨場感，是指用戶在模擬環境中的真實程度；交互性是指用戶與模擬環境內物體間的互動及得到的反饋；構想性強調廣闊的可想象空間，不僅可以再現真實的環境，還可以構建客觀不存在的虛擬環境空間。

2.1基于虛擬現實技術仿真教學環境的構建

以動漫設計與制作專業仿真教學環境實現為例，主要使用3dsMax軟件實現環境模型的創建，為了在系統運行和交互中得到實時、流暢的應用體驗，在建模中要注意控制模型的個數、面數和貼圖的數量。虛擬現實的建模方式和游戲的建模方式有很大的相似性，在建模中，首先要盡量制作簡模，因為虛擬現實中運行的每一幀畫面都是由顯卡和CPU實時計算出來的，倘若面數過多，會使運行速度變得很慢。其次模型的三角面盡量要是等邊三角形，不要出現長條面，同時模型的面與面之間要保持一定的距離。因為長條面不利于實時渲染，容易出現鋸齒和紋理模糊等現象，而模型的面與面之間距離過近，會出現兩個面交替閃爍的現象。第三，模型的數量不要太多，否則會增加烘焙物體的數量和時間，降低運行速度。另外，要盡量均勻分布模型，刪除模型中不可見的面，以便提高場景的運行速度。

2.2基于虛擬現實技術仿真教學環境交互功能的實現

基于虛擬現實技術仿真教學環境交互功能的實現需要從用戶體驗、使用的交互設備和使用的開發工具三個方面著手。（1）用戶體驗因素是指在交互實現時要考慮到用戶體驗的生理舒適度和環境舒適度。例如：在設計用戶運動、視角變化等時要保持運動的平穩性，避免產生眩暈感等產生生理不適感。設計交互方式時應遵循人與現實環境互動規律，增強用戶在虛擬環境中的沉浸感和真實感。（2）使用的交互設備是指仿真教學環境最終是在基于手機的頭戴式VR設備上，還是HTCHive與OculusRift這類高端VR設備上，不同VR設備使用的輸入方式不同、交互方式不同，實現使用的開發工具亦不相同，所以需要根據學校實訓條件，采用相應的設計實現方法。（3）使用的開發工具，以動漫設計與制作專業仿真教學環境實現為例，選擇使用了Unity游戲引擎。因為Unity社區成熟，資源商店的資源豐富，且具有優秀的跨平臺能力，內容可以部署到各類系統中。將仿真教學環境與現實實訓室相結合，將現實中受經費、場地等條件限制無法實現的部分可以利用虛擬現實技術實現，將虛擬環境中的實操館與現實條件中的實訓室相結合，使虛擬環境與實際教學環境相互支撐，讓虛擬環境照進現實，讓現實環境映射到虛擬環境空間，使學生真正感受沉浸式的教學實訓體驗，從而激發學生學習動力，提升教學質量。

3基于虛擬現實技術的仿真教學環境的應用

高等職業教育的培養目標決定了高等職業教育即培養與職業崗位對接的職業人，基于虛擬現實技術的仿真教學環境在教學中的應用大大促進了學生向員工的轉化。其沉浸式的超現實的真實體驗，為實訓教學帶來了一場前所未有的顛覆性式變革，基于虛擬現實技術的仿真教學環境營造的企業環境，使仿真企業實踐真正走進教學。以高職動漫設計與制作專業基于虛擬現實技術的仿真教學環境的應用為例，在《專業認識實習》課程中，由于《專業認識實習》課程目的是為了使學生對動漫企業的崗位、每個崗位的工作任務、需要的知識與技能等有個全面的了解，基于虛擬現實技術的仿真教學環境可以使學生在學校即能達到對企業的全面認知。在整個專業學習階段，每進入一個新課程，面向一個新崗位，學生可以隨時反復加深認知，并與專業學習聯系到一起，在不斷學習-認知-應用反復實踐中，使學生自然而然找到學習方向，進一步明確職業定位，潛移默化、不斷深化的實現從學生角色到員工的轉變。基于虛擬現實技術的仿真教學環境的應用伴隨在學生整個專業學習階段，其利用率高，環境維護與升級相對更加靈活。

4基于虛擬現實技術的仿真教學環境的發展前景

VR虛擬現實技術是利用計算機生成的模擬環境，所以用虛擬現實技術生成的場景和人物都是虛擬的，VR最大的突破是全新的“渲染感”，它強調的是體驗者的“臨場感”。AR增強現實技術是利用計算機技術將虛擬的信息應用到真實世界中，使虛擬的物體與真實的環境實時疊加到同一個畫面或空間，實現了虛擬和現實的結合。MR混合現實技術是合并虛擬世界和現實而產生的新的可視化環境，MR是虛擬世界、真實世界、數字化信息的結合體。VR、AR、MR技術的快速發展和交織前行，為仿真教學環境設計與應用提供了更廣闊的發展空間，它也必將為用戶提供更多超乎想象、超越傳統感觀的全新應用。

參考文獻：

[1]王宇琛，黃蓋先，艾鴻.基于虛擬現實技術的3D智慧校園設計與實現[J].智能計算機與應用，2015，5（2）：89-92.

[2]劉明.基于虛擬現實技術的虛擬校園系統設計與實現[J].中國新通信，2017，19（22）：61-62.

作者：祝海英 單位：長春職業技術學院 信息技術分院