虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在環(huán)境實(shí)踐教育中的應(yīng)用研究

韓小錚

（河北環(huán)境工程學(xué)院 河北秦皇島 066004）

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡介

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR，VirtualReality）是利用計(jì)算機(jī)來模擬三維世界，用戶可以通過使用特定的設(shè)備來與模擬環(huán)境中的物體進(jìn)行互動(dòng)[1]，達(dá)到虛擬仿真的效果。由于其有仿真性、互動(dòng)性、沉浸性等特征，非常適合應(yīng)用于教育教學(xué)工作中。

環(huán)境實(shí)踐教育現(xiàn)狀

我國很多高校都開設(shè)有環(huán)境工程、環(huán)境科學(xué)等環(huán)境相關(guān)專業(yè)，在這些專業(yè)的課程體系中，實(shí)踐教學(xué)是必不可少的部分，但由于資金、安全等方面的問題，很多高校無法保證實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的足額開設(shè)。實(shí)踐教學(xué)是理論教學(xué)的延伸，是保證學(xué)生掌握所學(xué)知識(shí)的基本條件，如無法保證實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容的開展，就會(huì)極大的影響教學(xué)效果。為解決此問題，很多學(xué)者從不同角度提出了解決方法[2]，其中應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)輔助環(huán)境實(shí)踐教育，是當(dāng)前技術(shù)條件下的較好選擇[3]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在環(huán)境實(shí)踐教育中的應(yīng)用研究

環(huán)境實(shí)踐教育內(nèi)容與問題分析。通過分析當(dāng)前環(huán)境實(shí)踐教育內(nèi)容，按不同的實(shí)踐方法，可以將教學(xué)內(nèi)容分成為參觀實(shí)習(xí)、操作實(shí)踐兩類，具體包括了污水處理廠、垃圾處理廠、固廢處理廠的參觀實(shí)習(xí)，化學(xué)分析實(shí)驗(yàn)儀器、污染治理設(shè)施設(shè)備、污染檢測(cè)儀器設(shè)備的操作實(shí)踐等方面的內(nèi)容。

從目前高校的現(xiàn)狀分析，制約環(huán)境實(shí)踐教育內(nèi)容開展的主要原因在于兩方面。其一為資金問題，實(shí)踐教學(xué)內(nèi)容區(qū)別于理論教學(xué)，在授課中要使用設(shè)施、設(shè)備和儀器，會(huì)產(chǎn)生勞務(wù)、交通、設(shè)備耗材等方面的費(fèi)用，部分課程內(nèi)容費(fèi)用較為昂貴，如果學(xué)生人數(shù)較多，則費(fèi)用問題就更為明顯。其二為安全問題，部分環(huán)境實(shí)踐教育內(nèi)容具有一定的危險(xiǎn)性，如工業(yè)企業(yè)的污染治理設(shè)施的參觀實(shí)習(xí)、涉及到有毒有害物質(zhì)的化學(xué)分析儀器設(shè)備使用等。一些高?？紤]到上述問題，會(huì)選擇減少相應(yīng)的學(xué)時(shí)，導(dǎo)致了實(shí)踐課程不足的問題。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在參觀實(shí)習(xí)類教學(xué)中的應(yīng)用。參觀實(shí)習(xí)類的實(shí)踐教學(xué)，教學(xué)目的多是以設(shè)施設(shè)備的外觀、實(shí)際運(yùn)行情況、運(yùn)行的基本原理方面的內(nèi)容為主。因此可以使用漫游技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)于參觀實(shí)習(xí)類的教學(xué)輔助功能[4]。在VR軟件開發(fā)工具中，普遍支持對(duì)于漫游類軟件的開發(fā)，而且所有開發(fā)工具都有開發(fā)漫游功能的組件，可以簡化開發(fā)的流程。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在操作實(shí)踐類教學(xué)中的應(yīng)用。操作實(shí)踐類教學(xué)主要內(nèi)容是化學(xué)分析、污染檢測(cè)、污染治理設(shè)施設(shè)備的使用，教學(xué)目標(biāo)是讓學(xué)生掌握相關(guān)儀器和設(shè)備的使用方法。在VR軟件開發(fā)中，核心是實(shí)現(xiàn)互動(dòng)功能，相對(duì)于漫游功能而言，互動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)略為復(fù)雜，多數(shù)需要編寫程序[5]。

在教學(xué)過程中的應(yīng)用分析。根據(jù)環(huán)境實(shí)踐教育的內(nèi)容與要求，應(yīng)用VR軟件時(shí)，可以在如下的教學(xué)過程中來輔助教學(xué)。

課前預(yù)習(xí)。在進(jìn)行實(shí)踐課之前，讓學(xué)生通過使用VR軟件，對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行熟悉，這對(duì)于參觀實(shí)習(xí)類、操作實(shí)踐類的教學(xué)內(nèi)容都適用。

完全替代教學(xué)內(nèi)容。對(duì)于一些高危險(xiǎn)性教學(xué)內(nèi)容，和教學(xué)中涉及到較多設(shè)施內(nèi)容結(jié)構(gòu)、運(yùn)行原理等方面內(nèi)容的課程，可以完全使用VR軟件來完成教學(xué)工作。但對(duì)于儀器操作類的課程，則在教學(xué)中除使用VR軟件教學(xué)外，還應(yīng)讓學(xué)生盡可能使用真實(shí)的儀器，保證教學(xué)效果。

考試考核。在一些參觀實(shí)踐類的教學(xué)課程中，往往無法讓學(xué)生在實(shí)地進(jìn)行考核，對(duì)于這些課程，則可用VR軟件來完成考試和考核工作。

對(duì)于使用中的設(shè)備要求。由于VR軟件在使用時(shí)需要用到專用的VR設(shè)備，由于受到經(jīng)費(fèi)和場(chǎng)地的限制，高?；静豢赡芘渲猛暾鸙R設(shè)備。但高校計(jì)算機(jī)室的建設(shè)較為普及，因此可以使用傳統(tǒng)的鼠標(biāo)與鍵盤使用VR軟件，同樣可達(dá)到教學(xué)要求。

主要開發(fā)技術(shù)研究

開發(fā)工具選擇

VR軟件的開發(fā)主要的工作包括2部分，一部分是軟件中所需的3D模型的構(gòu)建工作。一部分是互動(dòng)功能的實(shí)現(xiàn)，互動(dòng)功能主要是依靠開發(fā)工具來完成。隨著技術(shù)的發(fā)展，VR軟件的開發(fā)的門檻在逐漸降低，目前可選擇的開發(fā)軟件有Unity3D、Unreal Engine等[6]，這些開發(fā)工具相對(duì)較為易用，降低了對(duì)于技術(shù)方面的需求。

筆者在工作中組織了以學(xué)生為主體的團(tuán)隊(duì)，在保證滿足實(shí)踐教學(xué)需求的基礎(chǔ)上，為了能讓學(xué)生完成開發(fā)工作，軟件選擇以易用為主。3D建模軟件選擇了SketchUp軟件，開發(fā)軟件選用的是Unity3D。在開發(fā)中，參觀實(shí)習(xí)類的VR軟件直接使用了Unity3D中自帶的插件完成，使用很少量代碼就可以完成開發(fā)工作。對(duì)于模擬操作類的軟件開發(fā)，則使用Unity3D中的C#腳本語言完成程序的編寫，由于C#易學(xué)易用，因此開發(fā)難度并不高。

開發(fā)流程

環(huán)境實(shí)踐教學(xué)VR軟件的開發(fā)與傳統(tǒng)的VR軟件開發(fā)過程基本相同[7]，但對(duì)于教學(xué)軟件開發(fā)而言，需求分析要嚴(yán)格的依據(jù)課程教學(xué)大綱來進(jìn)行，這是與其它類型VR軟件最主要的區(qū)別。

為降低開發(fā)工作量，開發(fā)中對(duì)教學(xué)大綱中的重點(diǎn)教學(xué)進(jìn)行詳細(xì)制作，對(duì)于非重點(diǎn)內(nèi)容則可簡化。如儀器使用類軟件開發(fā)中，對(duì)儀器使用流程進(jìn)行梳理，開發(fā)時(shí)按用戶不同的操作組合條件給用戶反饋不同的檢測(cè)結(jié)果即可，如不涉及儀器結(jié)構(gòu)等內(nèi)容，則可不制作相關(guān)內(nèi)容。對(duì)于參觀實(shí)習(xí)類的軟件，則針對(duì)教學(xué)內(nèi)容的設(shè)施設(shè)備的外觀、運(yùn)行時(shí)的情況等方面進(jìn)行重點(diǎn)制作，簡化其它方面內(nèi)容。

開發(fā)實(shí)例

筆者所在的團(tuán)隊(duì)開發(fā)了多款用于環(huán)境實(shí)踐教育的VR軟件，其中在《污水處理設(shè)施運(yùn)營管理》課程的軟件開發(fā)中，根據(jù)課程的教學(xué)大綱，確定出軟件主要的功能是實(shí)現(xiàn)對(duì)于污水處理設(shè)施的布局、外觀、基本功能方面的認(rèn)知，因此在軟件開發(fā)中，重點(diǎn)放在對(duì)于設(shè)施的3D模型構(gòu)建方面。通過給開發(fā)團(tuán)隊(duì)學(xué)生講授設(shè)施工作原理、讓學(xué)生到污水處理廠實(shí)地參觀等方式讓學(xué)生對(duì)于要構(gòu)建的模型有透徹的了解，在此基礎(chǔ)上完成模型的制作。制作完成的模型導(dǎo)入至Unity3D后，使用Unity3D中的CharacterFirstPerson免費(fèi)組件，即可實(shí)現(xiàn)對(duì)于設(shè)施設(shè)備的漫游仿真，整體開發(fā)過程對(duì)編寫代碼的需求非常少。在《分析化學(xué)》實(shí)踐教育軟件開發(fā)中，則主要側(cè)重于對(duì)于互動(dòng)功能的開發(fā)，在開發(fā)中，由學(xué)生完成模型制作并導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D后，使用C#完成了互動(dòng)功能的開發(fā)。在開發(fā)中，根據(jù)儀器實(shí)際使用中不同的條件的組合對(duì)應(yīng)的檢測(cè)結(jié)果，建立數(shù)據(jù)庫，然后根據(jù)軟件用戶不同的操作呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)的結(jié)果，從而達(dá)到仿真的效果。

展望

與其他類型的軟件開發(fā)工作一樣，VR教學(xué)軟件的核心是業(yè)務(wù)內(nèi)容，也就是教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。隨著科技的發(fā)展，開發(fā)技術(shù)層面的需求會(huì)越來越低，因此教師可以構(gòu)建以學(xué)生為主的開發(fā)團(tuán)隊(duì)，完成環(huán)境實(shí)踐教學(xué)VR軟件開發(fā)。在我國大力推廣高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)、課外科技活動(dòng)等工作的背景下，可以將相應(yīng)的活動(dòng)與VR軟件開發(fā)進(jìn)行結(jié)合，在提高實(shí)踐教學(xué)效果的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)教、學(xué)、做等多方面的工作結(jié)合。