基于虚拟现实技术的仿真教学环境设计与实现

摘 要：随着科学技术的不断发展，虚拟现实技术也逐渐被大众所熟知，并进而走进我们的生活，它为用户提供的超越传统感官的沉浸式体验，吸引了越来越多的人去挖掘其在现实生活中的其他应用。文章基于虚拟现实技术的仿真教学环境建设的实践经验，结合动漫设计与制作专业，主要从虚拟现实技术的仿真教学环境的整体设计、实现方法、教学应用和发展前景四个方面进行了详细阐述，为开发基于虚拟现实技术的仿真教学环境的同仁提供某些实操性的借鉴。

关键词：虚拟现实技术；仿真教学环境；交互设计

中图分类号：TP399；G434 文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2018）10-0088-03

Abstract：With the continuous development of science and technology，virtual reality technology is gradually known by the public，and more and more into our life，it provides users with the experience of surpassing the traditional sense of immersion，attracting more and more people to dig out their other applications in real life. Based on the practical experience of virtual reality technology in the construction of simulation teaching environment，combined with the major of animation design and production，this paper expounds the overall design，realization method，teaching application and development prospect of the simulation teaching environment of virtual reality technology in four aspects. To provide some practical reference for colleagues in the simulation teaching environment based on virtual reality technology.

Keywords：virtual reality technology；simulation teaching environment；interaction design

0 引 言

高等职业教育与普通高等教育不同，其主要目标是培养具有某一职业或职业群具有较强实际工作能力的高技能人才。使学生毕业即能胜任某一岗位，成为企业需要的合格职业人，一直是职业教育追求的目标。基于虚拟现实技术的仿真教学环境则为学生提供了在学校真实感受企业环境、体验企业工作的实践条件，这样在某种程度上则促进了学生尽快从学生角色到员工角色的转变。

1 基于虚拟现实技术的仿真教学环境设计

虚拟现实（Virtual Reality）技术是仿真技术的一个重要方向，它是利用计算机创建一个虚拟的环境空间，然后通过头盔、触感装置、体感设备、立体声设备等，为用户提供虚拟空间视觉、听觉、触觉、力觉、运动等感知，通过人体行为动作，如转头、手势等，与虚拟环境进行交互，通过计算机处理将响应反馈给用户，从而为用户营造出完全置身于虚拟环境中的沉浸式真实体验。

基于虚拟现实技术的仿真教学环境设计正是利用虚拟现实特有的真实体验为学生提供了基于企业岗位工作的真实体验。仿真教学环境可以包括企业环境空间、企业文化、按岗位及工作流程创建的工作空间、岗位工作任务展示体验馆、企业项目展示馆、企业项目实操馆、智能交互体验馆等，其设计框架参考如图1所示。

学生从仿真教学环境入口进入，首先感受到的是企业文化。企业文化建设要深刻体现企业精神文化、制度文化、行为文化、品牌文化等，使学生能感受到企业特有的文化氛围。然后映入眼帘的是企业环境空间布局显示屏，通过显示屏可以了解企业环境空间的布局，单击即可进入相应空间。整个工作空间按照企业工作流程进行设计，分为展示与体验馆区、实操馆区和特色馆区。特色馆区展示企业成功项目等，使学生学习完本专业知识后对自己的就业方向有了清晰的认知，从而进一步找到努力方向和奋斗目标。工作任务展示与体验馆区则重在了解每个岗位的工作任务、需要具备的专业知识和专业技能；工作任务实操馆区将虚拟空间与实际工作空间相结合，通过企业项目实操，使学生进入企业员工角色，领取工作任务上岗工作。通过基于虚拟现实技术仿真教学的使用，缩短了从学生到员工角色转变的进程。

2 基于虚拟现实技术的仿真教学环境的实现

虚拟现实系统具有多感知性、沉浸性、交互性和构想性四个特征。多感知性是指除视觉感知外的听觉、触觉、运动，甚至味觉、嗅觉等感知；沉浸性又称临场感，是指用户在模拟环境中的真实程度；交互性是指用户与模拟环境内物体间的互动及得到的反馈；构想性强调广阔的可想象空间，不仅可以再现真实的环境，还可以构建客观不存在的虚拟环境空间。

2.1 基于虚拟现实技术仿真教学环境的构建

以动漫设计与制作专业仿真教学环境实现为例，主要使用3ds Max软件实现环境模型的创建，为了在系统运行和交互中得到实时、流畅的应用体验，在建模中要注意控制模型的个数、面数和贴图的数量。

虚拟现实的建模方式和游戏的建模方式有很大的相似性，在建模中，首先要尽量制作简模，因为虚拟现实中运行的每一帧画面都是由显卡和CPU实时计算出来的，倘若面数过多，会使运行速度变得很慢。其次模型的三角面尽量要是等边三角形，不要出现长条面，同时模型的面与面之间要保持一定的距离。因为长条面不利于实时渲染，容易出现锯齿和纹理模糊等现象，而模型的面与面之间距离过近，会出现两个面交替闪烁的现象。第三，模型的数量不要太多，否则会增加烘焙物体的数量和时间，降低运行速度。另外，要尽量均匀分布模型，删除模型中不可见的面，以便提高场景的运行速度。

2.2 基于虚拟现实技术仿真教学环境交互功能的实现

基于虚拟现实技术仿真教学环境交互功能的实现需要从用户体验、使用的交互设备和使用的开发工具三个方面着手。

（1）用户体验因素是指在交互实现时要考虑到用户体验的生理舒适度和环境舒适度。例如：在设计用户运动、视角变化等时要保持运动的平稳性，避免产生眩晕感等产生生理不适感。设计交互方式时应遵循人与现实环境互动规律，增强用户在虚拟环境中的沉浸感和真实感。（2）使用的交互设备是指仿真教学环境最终是发布在基于手机的头戴式VR设备上，还是HTC Hive与Oculus Rift这类高端VR设备上，不同VR设备使用的输入方式不同、交互方式不同，实现使用的开发工具亦不相同，所以需要根据学校实训条件，采用相应的设计实现方法。（3）使用的开发工具，以动漫设计与制作专业仿真教学环境实现为例，选择使用了Unity游戏引擎。因为Unity社区成熟，资源商店的资源丰富，且具有优秀的跨平台能力，内容可以部署到各类系统中。将仿真教学环境与现实实训室相结合，将现实中受经费、场地等条件限制无法实现的部分可以利用虚拟现实技术实现，将虚拟环境中的实操馆与现实条件中的实训室相结合，使虚拟环境与实际教学环境相互支撑，让虚拟环境照进现实，让现实环境映射到虚拟环境空间，使学生真正感受沉浸式的教学实训体验，从而激发学生学习动力，提升教学质量。

3 基于虚拟现实技术的仿真教学环境的应用

高等职业教育的培养目标决定了高等职业教育即培养与职业岗位对接的职业人，基于虚拟现实技术的仿真教学环境在教学中的应用大大促进了学生向员工的转化。其沉浸式的超现实的真实体验，为实训教学带来了一场前所未有的颠覆性式变革，基于虚拟现实技术的仿真教学环境营造的企业环境，使仿真企业实践真正走进教学。

以高职动漫设计与制作专业基于虚拟现实技术的仿真教学环境的应用为例，在《专业认识实习》课程中，由于《专业认识实习》课程目的是为了使学生对动漫企业的岗位、每个岗位的工作任务、需要的知识与技能等有个全面的了解，基于虚拟现实技术的仿真教学环境可以使学生在学校即能达到对企业的全面认知。在整个专业学习阶段，每进入一个新课程，面向一个新岗位，学生可以随时反复加深认知，并与专业学习联系到一起，在不断学习-认知-应用反复实践中，使学生自然而然找到学习方向，进一步明确职业定位，潜移默化、不断深化的实现从学生角色到员工的转变。基于虚拟现实技术的仿真教学环境的应用伴随在学生整个专业学习阶段，其利用率高，环境维护与升级相对更加灵活。

4 基于虚拟现实技术的仿真教学环境的发展前景

VR虚拟现实技术是利用计算机生成的模拟环境，所以用虚拟现实技术生成的场景和人物都是虚拟的，VR最大的突破是全新的“渲染感”，它强调的是体验者的“临场感”。AR增强现实技术是利用计算机技术将虚拟的信息应用到真实世界中，使虚拟的物体与真实的环境实时叠加到同一个画面或空间，实现了虚拟和现实的结合。MR混合现实技术是合并虚拟世界和现实而产生的新的可视化环境，MR是虚拟世界、真实世界、数字化信息的结合体。VR、AR、MR技术的快速发展和交织前行，为仿真教学环境设计与应用提供了更广阔的发展空间，它也必将为用户提供更多超乎想象、超越传统感观的全新应用。

参考文献：

[1] 王宇琛，黄盖先，艾鸿.基于虚拟现实技术的3D智慧校园设计与实现 [J].智能计算机与应用，2015，5（2）：89-92.

[2] 刘明.基于虚拟现实技术的虚拟校园系统设计与实现 [J].中国新通信，2017，19（22）：61-62.

作者简介：祝海英（1975-），女，满族，副教授，本科。研究方向：教育理论研究、课程开发、原创动画项目开发。