虚拟现实技术在高中通用技术课程应用初探

李光雷

南京工业职业技术学院实验室与资产管理处，江苏 南京 210046

1 通用技术课程现状

2003年教育部颁布了新的普通高中课程方案，标志着普通高中新一轮课程改革正式启动。在这次课程改革中，“通用技术”首次与“信息技术”一起构成基础教育阶段八大学习领域之一的技术领域。《普通高中通用技术课程标准》(以下简称为《课程标准》)中明确指出，普通高中阶段的技术课程以提高学生的技术素养、促进学生全面而又富有个性的发展为基本目标［1］，这个目标是与九年义务教育阶段的劳动技术课程目标相衔接的。

随着经济社会的发展和时代进步，技术正在深刻地影响和改变着人们的日常生活。技术的应用在很大程度上决定着一个国家的发展程度。因此，在高中阶段开设通用技术课程是培养学生技术素养的需要。通用技术课程旨在通过使学生了解技术的发展历史和一些最新的技术成果及应用，正确认识技术对社会及人们日常生活产生的正反两方面的影响，使得学生能正确使用生活中一些常用技术的基本技能［2］。

通用技术包括必修和选修两个模块。必修模块包括技术与设计1和技术与设计2;选修模块包括“电子控制技术”、“建筑及其设计”、“简易机器人制作”、“现代农业技术”、“家政与生活技术”、“服装及其设计”及“汽车驾驶与保养”等7个模块供学生选择［3］。通过调查发现，“汽车驾驶与保养”成为不少高中学生的共同选择，说明在当前情况下，汽车逐渐步入寻常家庭，汽车驾驶与保养技术已不是一种谋生手段，而是一种必备的生活技能。

在汽车驾驶环节中，实车驾驶是最理想的学习驾驶方式。可是，对于普通高中学校来说，要满足这一要求，至少需要一辆专用的教练车。当然，对师资的要求也很高，需要教师具有驾照，熟悉交通规则，了解驾驶习惯等。此外，场地以及日常的维护对很多普通高中来说都是很大的问题。因此，不少学校在开设这门选修课时显得力不从心。但是也有部分学校根据自己的实际情况，结合学校自己的特色，与驾驶员培训学校合作开设这门课程，取得了良好的效果。

2 虚拟现实与通用技术设计基本要求

以汽车驾驶与保养为例，来介绍虚拟现实技术与通用技术设计基本要求。通过利用虚拟现实技术，可以创建出与真实环境相类似的环境，营造出一种身临其境的感觉，相对于传统的平面课件来说，这种教学方式无疑是全新的。它将教育教学从二维转化到三维，从平面转化到立体，从单角度转化为全方位。通过虚拟现实技术，学生可以与场景进行交互，与虚拟的各个部分进行接触，从感官和交互上，对学生的学习活动进行影响。

通用技术课程作为高中的一门技术课程，具有操作性强的特点，而在现有教育体制下，这门广受欢迎的课程存在教学时间短，学习任务重，学生动手实操的机会少等特点。而虚拟现实技术可以较好地解决这些问题，应用计算机三维建模和网页制作技术可开发出基于虚拟现实的汽车驾驶与保养系统，对于欠发达地区具有非常高的应用价值。以往的虚拟驾驶系统主要通过三维建模和虚拟现实技术实现身临其境的感觉，重在沉浸感的实现，多应用于驾驶员培训学校中，而应用于高中通用技术课的还不多见。

应用于高中通用技术课程的虚拟驾驶系统主要具有如下几点功能:

2．1 教学功能

让学生通过使用虚拟驾驶系统来熟悉、了解汽车驾驶环境和汽车驾驶所需要技能;满足不同背景学生和不同驾驶学校的要求，并根据学生能力、经验等调整训练难易程度以及不同训练环境，保证每个学生都能通过虚拟驾驶系统初步了解驾驶所需要基本知识及注意事项。

2．2 辅助拆解功能

在虚拟驾驶系统中，可以加入汽车装配模块，让学生知道在路上遇到故障如何快速排除并寻求救助。也可以训练学生对汽车本身构造的了解，为以后更好地驾驶汽车打下基础。

2．3 协同训练功能

在虚拟驾驶系统中，可以增加网络模块，让分布在不同地域的学生能够在同一环境中进行“上路”驾驶，更加接近真实路况。让学生知道如何规避对方来车，如何礼貌行车，以及如何遵守交通规则。

3 平台的实现

搭建平台所需软件主要有3DS Max、VR-Platform等。其中，3DS Max用于三维建模、场景及动画设置;VR-Platform是虚拟交互平台，可广泛应用于视景仿真、城市规划、室内设计、工业仿真、古迹复原、桥梁道路设计、军事模拟等行业。

该虚拟驾驶培训平台采用C/S结构，其总体架构如图1所示。主要包括基于Web的客户端和基于模型库的服务器端。通过客户端的控制，调用不同的模型，模拟各种情况下汽车内部的变化，让学生初步了解档、离合器、刹车等汽车基本组成部分的作用，使对汽车基本原理不甚了解的学生能在上车前对汽车有个大体认识。

图1 平台架构框图

3．1 模型的制作

以倒桩移库为例建立三维场景模型。因为，倒桩移库是驾驶考核的主要内容，也是驾驶技术操作的基本工作。制作场景和模型之前，首先要了解一下场景的尺寸，把握总体结构(如图2所示)。

图2 倒桩移库尺寸示意图

根据汽车驾驶证申领和使用规定(公安部第91号令)，以捷达车为例:长/宽/高分别为4416/1668/1438(cm)。搭建好的模型如图3所示。

在进行动画制作之前首先设定动画的时间。时间的设置是以倒桩移库的基本动作和速度为依据，这里将长度设置为3150帧。

为了更加真实地模拟汽车驾驶培训中的正反进库，通过动画-约束-路径约束，画出一条汽车倒桩反进库的曲线，将时间滑块拖到0帧的位置，即汽车开始倒桩的起始位置，然后沿着画好的曲线，按顺序设置一系列关键帧，直到路径的最后。学生在操作过程中，如果速度过快或者刹车踩不及时，都难以顺利入库(如图4所示)。

图3 搭建好的模型图

图4 渲染动画界面

3．2 虚拟现实的实现

将模型导入VRP软件后，进入VRP脚本编辑器，选择系统函数-键盘映射函数，按下W键，单击确定-插入语句，选择刚体动画，选择车体07模型，单击确定，输入代码:

:#W．按下平移模型，车，1，0/0/10表示按下W键，模型向前移动;

按照上面的的方法，以次设置 S、A、D、Y、G、H、J、K、L。

在制作室内与室外的虚拟场景时，需要在虚拟场景中创建行走相机，这样便可以以第一人称的视角来浏览整个VR场景，同时设置飞行相机，用来游览整个虚拟现实场景的概貌，并在场景中加入光源。

驾驶系统的虚拟现实完成后，若要执行操作，还须在画面上添加操控按钮和帮助说明。制作完毕后，编译成独立执行的exe文件(如图5所示)。

图5 合成的运行界面

4 效果讨论

该研究较好地体现了虚拟现实技术在高中通用技术课程的应用，实现了通过键盘和鼠标控制汽车的移动，模拟了驾驶培训场地的真实场景。对于高中阶段学生信息素养的培养有一定的帮助，使即将进入大学的高中生对计算机建模和虚拟现实技术有初步的了解，更有利于提高学生对通用技术这门课程的兴趣。该研究由于硬件条件以及技术所限，没有实现加入音频以及对错误操作的提醒功能，使得虚拟现实的效果有所影响。

同时，通过该研究也发现，VRP作为国内重要的虚拟现实平台，较好地考虑了人们的操作习惯，具有上手快，功能强大等优点，可与3DS Max各版本有效兼容，并支持脚本语言，提高了其应用的范围。但是VRP作为虚拟现实平台应用于教育教学，尚存在一些不足。比如:VRP没有专门针对教育教学的设计，较难实现学生与教师的交互。但是，虚拟现实作为一门新兴技术，在教育教学中具有巨大的应用潜力，对于调动学生的学习积极性，突破教学的重点、难点，培养学生的技能都将起到积极的作用。相信在不远的将来，融合了虚拟现实的通用技术课程，对于提高学生的信息素养有更大的帮助。

［1］中华人民共和国教育部制订．普通高中技术课程标准(实验)［M］．北京:人民教育出版社，2003:2

［2］贾晶晶．桌面虚拟现实技术在教育中的应用［J］．软件导刊，2008，(8):35

［3］赵若斌．北京普通高中“通用技术”课程选修模块学生选修方向及开设调查［J］．北京教育学院学报:自然科学版，2006，(12):143