虚拟现实技术在水污染控制教学中的应用研究

齐昕　刘嘉夫　李前杰　马焕春

[摘 要]虚拟现实技术在教育领域的应用越来越广泛。通过分析虚拟现实技术在水污染控制工程教学中的应用，利用Unity3D虚拟现实技术开发水污染控制工程交互式三维多媒体课件，并应用于教学实践，取得良好的教学效果。

[关键词]虚拟现实 水处理 Unity3D 交互控制 多媒体

[中图分类号] TP391.9；G434 [文献标识码] B [文章编号] 2095-3437（2014）14-0171-02

虚拟现实技术，是模拟人类视觉、听觉、力觉、触觉等感知行为的高度逼真的人机交互技术。[1-3]它生成的视觉环境呈现出三维立体效果，可以把复杂、抽象的数据信息表示成直观的、可交互的三维实体。虚拟现实技术的特点在于通过计算机产生一种人为虚拟的环境，这种虚拟的环境是通过计算机图形构成三维立体空间，或是把其他现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环境”，从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境的感觉。[2-5]

水污染控制工程是给排水、环境类专业的专业课程，主要是学习水处理工艺及构筑物的构造。水处理构筑物数量多而且内部构造复杂，认识和观察水处理构筑物构造是学习水处理原理的重要环节。鉴于此，我们利用虚拟现实技术生成的交互式三维环境，开发水污染控制工程三维交互式多媒体课件，并应用于教学实践中。

一、虚拟现实技术在水污染控制教学中的应用

（一） 构筑物三维立体演示

利用虚拟现实技术制作三维立体的水处理构筑物，可以按1：1的比例制作各种水处理构筑物，三维模型可以还原逼真的现场环境，避免了传统多媒体课件中主要以二维平面展示为主，教学容量有限，教学的表现形式比较枯燥的问题。如图1所示，将要学习的重力式无阀滤池制作成三维模型，能够真实展现出实物外形和内部构造的方方面面，允许从各角度实时观察重力式无阀滤池，并可以任意缩放、移动视图，进行全方位的浏览，避免了教学中观测角度不全面，内部构筑物难以观察等不足，学生可以足不出户就能像在现场一样观察到重力式无阀滤池的各个组成部分及内部构造。

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图1 重力式无阀滤池三维展示

（二）虚拟教学情景

利用虚拟现实技术构建的三维场景，以第一视角在其中穿行漫游，高质量的三维画面使人产生身临其境的感觉。例如在讲授污水处理厂巡视的注意事项时，利用三维污水处理厂的虚拟环境，使学生感觉自己就是在污水处理厂中行走，一路上会接触到不同构筑物和设备，然后记录下各种状态。还可以创设各种异常问题的场景，等待学生自行解决。这样就把抽象复杂的概念变成与现实接近的直观感觉，使学习者能够身临其境，把复杂的问题简单化，抽象的概念直观化，老师和学生能够互动，以一种很自然的方式来指导教与学，使学生在潜移默化中不斷提高自己的理论水平和实践能力，从而弥补了一般多媒体课件的不足。[6]

（三）三维动态交互

动态交互是虚拟现实技术重要表现，在传统的二维多媒体中很难做到动态交互。观察视角有第一视角、第三视角和自由视角，这三种观察视角可以随时变化。比如在污水处理厂巡视的教学中，当巡视到某一阀门时，可以切换到自由视角，对该阀门进行全方位的观察。 由于水处理构筑物内部构造复杂，但又被顶盖遮挡，有时候需要实时地把构筑物剖切查看内部。利用虚拟现实技术能够很容易实现这种实时的剖切效果。这种三维动态交互的表现，形成很强烈的视觉冲击，能极大地激发学生的参与热情和学习激情。

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图2 重力式无阀滤池实时剖切

（四）水处理运行管理仿真训练

水处理运行管理是水污染控制工程的重要内容，通常情况下是采用校外实践的形式培养学生的动手能力。由于学生学习时间短，对专业知识掌握程度还不够成熟，可提供的实际操作空间有限，而且实习的时间有限，使得校外实践不能达到预想的效果，不能真正地提高学生的动手能力。

利用虚拟现实技术制作整个水厂的构筑物和设备，学生足不出户便可以进行各项运行管理的操作，获得与真实操作一样的体会，既丰富了学习的感性认识，又加深了对教学内容的理解，减少了经费的投入。同时，采用虚拟现实技术可以避免真实操作所带来的危险；虚拟环境中的设备可以重复使用，也可以随时更新设备，使实践训练跟上技术的发展。通过仿真训练，学生可以熟练掌握水处理运行中的各项操作技能，熟练掌握某些仪器设备的操作技能，增强安全意识、动手能力和经验的积累。

二、基于Unity3D的虚拟现实教学课件开发

Unity3D 是一款多平台的游戏开发工具，采用Unity3D作为虚拟现实开发平台，开发效率高，效果逼真，交互能力强。

首先广泛的收集水污染控制工程中所涉及的图片、文字、声音和视频等，同时调研附件的水处理厂，收集构筑物标准图集。然后利用3ds Max 进行各个构筑物的三维建模，并进行贴图，建模完成后，将模型塌陷为网格物体，导出扩展名为FBX的文件。把模型文件导入Unity3D平台，导入后可在Unity3D 中贴图， 添加灯光效果。 场景构建完成后做系统交互设计。交互设计采用JavaScript脚本文件编写控制代码，开发第一视角、第三视角和自由视角三种视角交互模式。系统完成后进行性能测试， 最后生成可执行文件，同时发布到PC平台和安卓系统平台。

由于水处理构筑物的数量多，结构复杂，模型面数多，在程序执行时，渲染消耗系统资源较大，因此需要对场景进行优化。在Unity3D采用漫反射材质，贴图的大小要适中，将不可移动的物体设置成static状态，通过内置的Beast烘焙工具根据网格物体、材质贴图和灯光属性的设置来烘培场景，同时取消动态阴影效果。这样就可以使课件在配置较低的计算机上也可流畅运行。

三、结语

虚拟现实技术作为新兴的计算机技术，在教育领域的作用越来越明显。传统的水污染控制工程多媒体课件由于其本身所具有的缺陷，已经逐渐不能满足水污染控制工程教学的需要，利用虚拟现实技术开发出虚拟现实教学课件能够很好地弥补传统多媒体课件的缺点，不仅使学生能够感到模型和场景十分逼真地存在，能深入构筑物的各个位置进行观察，而且能对学生的操作做出实时准确的响应，使学生获得与现场操作一样的感受，从而增强了感性认识，加深对教学内容的理解，改变人与计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，使学生能在虚拟的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入学习环境中去，使学生陶醉于课程学习中。

[ 注 释 ]

[1] 干建松.基于Unity3d的室内漫游仿真系统[J].淮阴师范学院学报（自然科学） ，2011（6） ：515-518.

[2] 闫海艇，高淑娟，洪玉玲.基于Unity 的虚拟现实技术在井下仿真中的应用[J] .煤矿安全，2013（8）：99-101.

[3] 倪乐波，戚鹏，遇丽娜，等.Unity3d 虚拟展示技术的研究与应用[J].数字技术与应用， 2010（12）：54-55.

[4] 陈洪，马钦，朱德海.基于unity 3 d 的交互式虚拟农业仿真平台研究[J].农机化研究，2012（3）：184-186.

[5] 李姝博.虚拟现实技术在职业教育中应用的理论研究[J].辽宁高职学报，2013（7）：13-15.

[6] 郑培峰.虚拟现实技术在课件中的应用[J].福建广播电视大学学报，2010（4）：93-95.

[责任编辑：钟 岚]