虚拟实训国内外研究现状

陈晶晶　黄亚平

摘要：随着虚拟现实技术的不断发展和成熟，为其在各个领域的应用提供了技术支持，使人们的生活、工作和学习变得更加快捷、方便。虚拟实训是现代职业教育中常用的一种技能训练形式，是虚拟现实技术在教育领域运用的成功案例之一。本文从虚拟实训的概念出发，对国内外虚拟实现的研究现状进行分析，为虚拟实训发展提供一定的参考价值。

关键词：虚拟现实；实训；职业教育

一、虚拟实训

虚拟实训，即虚拟培训，英文全称是Virtual Training。虚拟实训是指利用虚拟现实技术生成实时的、具有三维信息的人工虚拟环境，学生通过运用某些设备接受和响应环境的各种感官刺激而进入其中，并可根据需要通过多种交互设备来驾驭环境、操作工具和操作对象，从而达到提高培训对象各种技能或学习知识的目的。与传统的训练方式相比，虚拟实训有如下优点：摆脱时空限制、避免真实操作带来的危险、激发学生的学习兴趣、降低教学成本。

二、虚拟实训国内外研究现状

（一）虚拟实训国外研究现状

将虚拟实训运用于运动技能方面的研究由来已久。早在1985年，训练投篮的虚拟现实系统已被开发。训练者戴上特制的手套和眼镜，在虚拟的空间里练习投球。与在真实环境中相比，在虚拟的空间里练习投球有其显著的特点及优势。如模仿真实世界中球的运行轨迹，并控制其运行的速度以适应训练者的训练进程。开始时，球下落的速度非常缓慢，以便使训练者看清球运行的路线，找出偏差，调整自己的动作。随着训练者投篮准确率的提高，球速也开始加快，直到球速与现实中的完全相同。最终，训练者掌握了投篮技巧，并且这与在真实的世界里练习的效果没有多大区别。

对球类运动的训练中，运用虚拟现实技术不仅可以有效训练球员掌握投篮技巧，也适用于对团体的技能训练。美国Michigan大学虚拟实验室的学生开发了一套运用于足球训练的系统——Virtual Football Trainer。这套系统是以CAVE （Cave Automatic Virtual Environment）为基础的。利用这套系统，使用者可作为一名队员参加足球比赛的训练，感觉到自己就像站在一群队员之中，使用者可以向各个方向任意走动，可以飞跑去抢球。这套系统为使用者提供了一个近乎真实的训练场景，非常适合训练足球队员的实战能力。

随着虚拟现实技术的不断发展和成熟，在其他领域的应用中虚拟现实技术也取得了不错的成果。在医学领域，日本Nagasaki应用科学技术研究所建立了一种基于“动作接口”的增强环境，用于病人的生理功能和定位能力测试，提供有效的康复训练计划。Rutgers大学设计成了一种敏感手套，用于记录手指的运动和力，手套利用记录数据和力反馈信息启动相应的康复疗法。德国国家信息技术研究中心开发的一种交互式应用程序，借助Virtools VR Pack，通过因特网或企业内联网，更好地为学生提供课堂环境下的医疗培训。这种极其详细的3D模型所产生的真实感，使学生能够像在现实环境下一样进行各种各样的心脏病理实验。

在航天领域，美国航天局曾在“哈勃太空望远镜的修复和维护”计划中采用了虚拟现实仿真训练技术。宇航员训练时坐在一个模拟的带有传感装置的椅子上，用于在虚拟空间中作直线运动的位移控制器和调节宇航员朝向的旋转控制器。宇航员戴的立体头盔可以显示望远镜、航天飞机和太空的模型，并用数据手套和系统进行交互。训练时宇航员通过虚拟手抓住“模块更换仪”，就可以利用座椅的控制器在虚拟的太空中飞行了。经过反复的维护训练以后，宇航员最终升空成功更换了哈勃太空望远镜上损坏的模块更换仪。

此外，在虚拟现实技术在物流管理等经济领域的应用也大有前景。AUTOMOD是由美国Automation推出的三维物流仿真系统，为用户提供了一系列的物流系统模块来仿真现实世界中的物流自动化系统。

（二）虚拟实训国内研究现状

虚拟实训在国内的研究主要集中在高校和职业院校应用。例如，北京航空航天大学计算机系是最早进行虚拟现实研究、最具权威的单位之一，研发了用于飞行员训练虚拟现实系统、虚拟现实演示系统，研究了虚拟环境中的物理特性的表示和处理并提出相关算法和实现方法。北京科技大学钟延炯教授研制的VR-4的汽车驾驶模拟器，模拟仿真各种路况上进行驾驶技能的学习和训练，产生逼真的效果。 VR-4可以提供多项教练场的正常条件下无法提供的训练项目，如恶劣天气下的训练，跟随前车的训练等。

此外，虚拟实验室作为虚拟实验、虚拟训练的场所也受到了高校的重视。例如，深圳大学基因工程虚拟实验室通过综合运用虚拟现实技术、网络技术和多媒体技术构建的三维实验室环境，学习者可以在虚拟实验室场景中，自由操纵实验器材进行模拟实验，缓解了基因工程实验昂贵的实验费用和学生实验需求之间的矛盾。同时，虚拟实验室的研究也存在一定的不足。陈小红等通过对虚拟实验系统及其国内外现状的研究，分析了虚拟实验系统研究的不足及发展趋势，指出现阶段虚拟实验室的研究存在不够深入、系统等问题，尤其对效果评价方面的研究较少。

参考文献：

[1]虚拟现实技术在技能训练中的一些实例[J].中国教育网络，2006，z1：48-49

[2]MILES H C，POP S R，WATT S J，et al.A review of virtual environments for training in ball sports[J].Computers & Graphics，2012，36（6）： 714-726

[3]许微.虚拟现实技术的国内外研究现状与发展[J].现代商贸工业，2009（2）： 279-280

[4]陈小红.虚拟实验室的研究现状及其发展趋势[J].中国现代教育装备，2010， 17：107-109