基于VR技术的虚拟实验实训教学环境设计

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(陕西广播电视大学 资源建设中心，陕西 西安 710119)

基于VR技术的虚拟实验实训教学环境设计

孟科1，王伟2

(陕西广播电视大学 资源建设中心，陕西 西安 710119)

虚拟现实(Virtual Reality，简称 VR)技术因其自身的特点、优势目前已广泛应用于各行各业，取得了良好效果。开展虚拟实验实训可以有效地解决职业院校实验实训场地、设备不足的矛盾，而虚拟实验实训教学的实施必须依赖于相应的虚拟环境，文章在分析虚拟教学环境构成要素的基础上，提出了一种基于VR技术采用B/S结构的虚拟实验实训教学环境系统设计方法，以期为虚拟实验实训教学提供一种新的思路和方法。

高校；虚拟现实技术；虚拟实验实训；教学环境

教育部《关于全面提高高等职业教育教学质量的若干意见》(教高[2006]16号)文件中强调“要充分利用现代信息技术，开发虚拟工厂、虚拟车间、虚拟工艺、虚拟实验。”虚拟实验实训是指借助于虚拟现实(Virtual Reality，又称VR)、多媒体、仿真、互联网和服务器等技术在计算机上营造可辅助、部分替代甚至全部替代传统实验实训各操作环节的相关软硬件操作环境，实验实训者可以像在真实的教学环境中一样完成各种实验实训项目，所取得的实验实训效果等价于甚至优于在真实教学环境中所取得的效果。虚拟实验实训教学的实施必须依赖于相应的虚拟环境，本文在分析虚拟教学环境构成要素的基础上，提出了一种基于VR技术采用B/S结构的虚拟实验实训教学环境系统设计方法，以期为虚拟实验实训教学提供一种新的思路和方法。

一、虚拟实验实训教学环境构成要素

图1 虚拟实验实训教学环境构成要素

虚拟实验实训教学的实施必须依赖于相应的虚拟环境，在虚拟环境中有学习所需的各种虚拟资源。虚拟实验实训教学环境是指借助于多媒体(音频、视频、图像)技术、虚拟仿真技术、传感技术、输入输出技术构建一种高度虚拟现实仿真的实验实训教学环境，使学习者体验置身其中的感觉，能够实现互动实验实训教学，能最大限度地激发学生的自主实验实训的兴趣，有助于发展学生的构建思维，提升教学效果。

在虚拟环境中，需要具备一个场景环境模型，实验实训者与环境中的虚拟对象或实体相互交互和相互影响。虚拟实验实训场景环境的创建要以真实实验实训环境为原型，对其进行模拟和仿真，场景环境中的景物与实验实训室仪器设备都要和真实环境中保持一致，并且为了突出教学效果，还需要利用技术的手段，对于真实环境中无法感觉到或者难于理解的内容进行优化，进行特效创造。虚拟实验实训教学环境构成如图1所示，通常包括实验实训场景环境、虚拟角色、其他等要素。

二、基于VR技术的虚拟实验实训教学环境系统设计

基于VR技术的虚拟实验实训教学环境系统采用B/S结构，即浏览器和服务器结构。它是WEB兴起后的一种网络结构模式，WEB浏览器是客户端最主要的应用软件，而浏览器是随操作系统就有的，方便就是它的优势，而且B/S是基于网页语言的与操作系统无关，所以跨平台也是它的优势。这种模式统一了客户端，将系统功能实现的核心部分集中到服务器上，简化了系统的开发、维护和使用，可以充分发挥Web服务技术的优势，在使用过程中能够快速的在服务器端增加新的虚拟实验实训内容，具有良好的可扩充性。

虚拟实验实训教学环境系统主要包括硬件部分、平台部分、软件部分。硬件部分主要为整个系统的运行提供物理设备支持，平台部分是整个系统的“神经中枢”——控制中心，负责实验实训教学过程中系统的协调、管理与控制。平台主要有两大功能，一是进行虚拟实验实训教学，二是作为学习资源中心。

硬件部分如图2所示，包括计算机、网络互联设备、存储设备、输入输出设备、实验实训仪器设备等，功能是为虚拟实验实训教学系统提供硬件支持。

平台部分如图3所示，平台部分主要包括虚拟平台、教学资源模块、学习交流模块、虚拟实验实训模块、分析决策模块、评价反馈模块六个部分。虚拟平台能利用多媒体(音频、视频、图像)技术、虚拟仿真技术、传感技术、输入输出技术将现实的实验实训仪器设备、教学场景、实验实训数据和现象进行完全虚拟，达到现实仪器设备的实验实训效果，并且在出现误操作时只会给予相应的提示，而不会导致实验成本的提高。教学资源模块包括大量的实验实训相关文字、图片、视频等资料。学习交流模块是学生之间、师生之间互相帮助的地方，可分享实验实训过程中遇到的问题及解决办法。分析决策模块作为虚拟实验实训系统的核心，完成实验实训数据分析、错误分析、过程模拟、策略选择等功能。虚拟实验实训模块是系统的重要组成部分，学生通过此模块在非常逼真的虚拟实验实训环境中完成相关内容的训练。评估反馈模块对实验实训全过程进行实时评估，采集实验实训数据，反馈实验实训效果。

图2 虚拟实验实训教学环境系统硬件部分 图3 虚拟实验实训教学环境系统平台部分

软件部分如图4所示，可分为三大模块。实验实训所有参与者因其角色的不同，而拥有不同的权限，具有不同的操作虚拟实验实训系统的能力。根据权限由高到低，依次为管理员模块、教师模块、学生模块。管理员享有教师、学生权限之上的最高的权限，通过管理员模块可以管理其他用户、在服务器端调整增加删减实验实训仪器设备、实验实训内容等。教师可以通过教师模块组织开展虚拟实验实训教学演示，全过程跟踪学生实验实训，在线适时指导学生等业务；学生可以通过学生模块随时随地进行实验实训学习训练，根据考核要求进行实验实训考试，自主设计实验实训内容，通过平台学习交流模块和老师以及其他实验实训参与者就遇到的疑问和难题进行交流互动。

图4 虚拟实验实训教学环境系统软件部分

三、结论

虚拟现实技术于实验实训教学环境系统的应用还处于不断适应、磨合、探索的过程中，还存在着很多需要解决的理论与技术上的问题。随着教育改革的深入和虚拟现实技术的发展，虚拟实验实训内容、手段、模式都将发生深刻的变革，实验实训模式将向着校内、校外实验实训基地与虚拟实验实训相结合的教育模式发展。

[1]郑仕华.关于高职院校利用虚拟实训室的思考[J].经济研究导刊，2010(31):297～298．

[2]李金国等.虚拟现实技术应用于高职模具实训教学的有效性探究[J].职教论坛,2010(3):69-71.

[3]宋蔚.基于虚拟现实的虚拟实验研究[硕士学位论文].中国学位论文文摘数据库，重庆大学，2005.

[4]郑颖立.体验式虚拟实验研究[博士学位论文].中国学位论文文摘数据库，华东师范大学， 2008.

[5]虞江锋等.虚拟实验环境中协同支撑的设计与实现[J].中南大学学报(自然科学版),2011(8):2332-2337.

[6]宋正国等.虚拟实验教学环境研究现状及趋势探悉[J].现代教育技术2009(12):115-118.

[7]曾靓.虚拟实验系统在现代远程教育中的设计与开发[硕士学位论文].中国学位论文文摘数据库，西南大学，2011.

[责任编辑王爱萍]

DesignofTeachingEnvironmentofVirtualExperimentandPracticalTrainingbasedonVirtualRealityTechnique

Meng ke，Wang wei

(Shaanxi Radio and Television University, Xi’an 710119)

The virtual reality technique has been widely used with good effects because of its characteristics and advantages. Promotion of virtual experiment and practical training can solve the shortage of venue and equipment in experiment and practical training teaching in vocational college. The implementation of virtual experiment and practical training must rely on the virtual environment, thus, a design of virtual experiment and practical training environment system based on virtual reality technique using B/S structure is proposed on the basis of analysis of the elements of virtual teaching environment, which provides a new way for the research of virtual experiment and practical training.

Vocational college; Virtual reality technique; Virtual experiment and practical training; Teaching environment

2017-06-08

1.孟科(1975— )，陕西省泾阳县人，陕西广播电视大学资源建设中心副教授，工学博士。2.王伟(1971— )，陕西省兴平市人，陕西广播电视大学副教授。

本文系陕西工商职业学院教改项目“虚拟实验实训教学环境构设研究”(项目编号：GJ1525)阶段性研究成果之一。

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1008-4649(2017)03-0025-03