虚拟现实技术在气象专业实训教学中的应用＊

段云峰

（兰州资源环境职业技术学院，甘肃 兰州730000）

1 研究背景及意义

1.1 研究背景

根据国家《教育信息化十年发展规划（2011—2020 年）》，要求高等职业院校要深入推进信息技术与高等教育实验实训教学的深度融合。而当前虚拟现实技术的应用让虚拟仿真进入了一个新的时代，不仅如此，教育部也越来越重视高校在虚拟现实技术、人工智能等方面的学科建设和人才培养。同时，根据国务院关于《国家职业教育改革实施方案》，要求职业院校完善职业教育和培训体系，进一步推进现代信息技术在职业教育教学过程中的应用，优化学校专业布局，加强实训条件建设，适应“互联网+职业教育”发展要求，运用现代信息技术，改进教学方式方法，推进虚拟工厂等网络学习空间的建设和普遍应用。

1.2 研究意义

信息技术领域的飞速发展，极大地改变了人们的生活和工作方式，虚拟现实技术（Virtual Reality，以下简称VR）作为该领域的一项最新技术，已成为教育应用中的一大热点。在职业教育领域，VR 对改善教学环境、提高学生技能水平都将起到积极作用，在职业教育领域有着极好的应用前景[1]。此外，目前国内高校对气象类课堂应用VR 教学模式的研究很少。然而，职业教育在实践性课程中一直都比较重视学生的综合实践能力，本课题的研究在一定意义上将填补了校本教材和当前气象类专业实践课程教学中VR 教学模式的空白，具有一定的现实意义。

2 职业教育实训教学存在的问题

目前传统的实训教学在职业院校的开展已经普遍化、常规化，但同时也可以看到，在职业教育发展的今天，传统的实训教学也暴露出诸多问题：①实训内容与社会实际需求错位，实训课程不能根据岗位需求的变化及时调整，实训项目不能结合社会企业对人才的技能要求进行设计和启动，已经很难适应当前社会经济发展对人才的要求。②缺乏实训建设项目资金。一些实训项目的建设需要复杂的设备、昂贵的原材料和大量的材料，导致许多实训项目由于缺少经费支持而流于形式。③实训条件有待改善。实训场地的建设与学校的发展规模不适应，实训设备不足，技术落后，更新速度慢，这些都会降低实践教学的有效性。④实训操作中的安全问题。传统实训教学仍存在一定的安全隐患。教师方面，一个教师不能同时顾及全部的学生，所以，很难充分关注每个学生操作中存在的安全隐患问题。学生方面，由于缺乏安全意识、自我保护意识和风险防范意识，粗心操作和不规范操作也可能导致安全事故发生；此外，一些学生过于重视安全问题，忽视了专业技能培训的重要性，不敢进行实训，错过了很多实训机会[2]。

3 虚拟现实技术在职业教育实训教学中的优势

虚拟现实实训是通过软件操作来模拟实训过程的，从而得出仿真结果。气象专业课程使用虚拟现实技术与传统实训相比具有以下优势。

3.1 打造沉浸教学体验，创新教学模式

通过引入VR/AR[3]技术及配套的教学资源，搭建高度逼真的全新实训教学环境，为师生带来全新的沉浸式教学体验。解决学校实训教学面临的应用管理难、开放共享难、创新难、可持续可扩展性弱、资源利用率低下等困境，而且能够为涉及高危或极端的环境、不可及或不可逆的操作，高成本、高消耗、大型或综合训练等提供可靠、安全和经济的实训项目，满足学校多学科专业的虚拟仿真教学实训需求，为教师提供崭新的教学手段和教学方式。

3.2 丰富课堂教学内容、提升学生学习效果

应用虚拟现实技术还可恰如其分地演示一些复杂、抽象、不宜直接观察的自然过程和现象，全方位、多角度地展示虚拟情境下的教学内容，从而极大丰富课堂的教学内容。虚拟现实技术具有沉浸性、交互性、感知性，实验者能够进行友好人机交互，真实感受互动的实验过程，身临其境地进行实验操作，满足学生全方位实训需求，还可以为学生开创全新的沉浸式学习情景，调动学生的积极性，为教师提供崭新的教学手段，丰富课堂教学内容，提升了教师的教学效果。

3.3 创新人才培养模式，培育高端人才

着眼产业及行业发展，依托学校自身的专业资源，建立VR 实训创新中心，打造人才培养的“第一课堂”，真正实现以产业发展为主进行人才培养，冲出人才短缺的困境，分层培养复合型、管理型、技术型等不同类型的人才，为区域和国家产业发展输送急需的技术技能人才。

3.4 节约有限的教育成本

虚拟现实实训以虚拟现实一体机为载体，同一设备可以完成不同课程、实训项目的虚拟仿真。大多数课程可以在虚拟实验室中进行，大多数的技能可以在虚拟实训车间中进行训练，可以解决教学中因为实验设备、实验场地、教学经费等方面的原因而无法进行的教学实验，虚拟训练又可避免实验实训设备的损坏，相对于现实中的实训仪器设备出现故障和损坏的概率更低，极大地降低了实训的成本。

3.5 实训内容灵活、安全性高

学生在没有熟练掌握操作流程的情况下，实际操作很容易产生人机伤害，这样就给实训室埋下了极大的安全隐患。虚拟现实实训可以避免上述问题，虚拟设备不会对人机造成任何伤害。虚拟系统会自动提示错误操作，学生在实际操作前通过虚拟过程直观了解了一些操作上的注意事项，在一定程度上指导了实际操作，规范了实际操作流程。

4 VR 系统及开发工具

虚拟现实技术的根本目的是要达到如临其境的真实体验和基于现实技能的人机交互，一个典型的VR 系统主要由计算机软、硬件系统（包括VR 软件和VR 软件数据库）和VR 输入、输出等辅助设备组成[3]。根据虚拟现实系统在沉浸性、交互性的不同以及用户使用的范围大小不同，将其分为桌面式、沉浸式、增强式和分布式四类。

在软件开发方面，采用建模工具3ds Max 和虚拟现实制作工具Virtools、Cult3D 软件、Unity3D[4]等开发实验实训教学的三维虚拟部分，把虚拟实训系统作为一个整体，将其分为模型建构和实训交互功能等模块，通过相关技术逐步实现各个模块、模型的开发创建，最后集成为一个完整的虚拟实训教学系统。

5 VR 教学资源开发

以兰州资源环境职业技术学院气象学院为例，兰州资源环境职业技术学院气象学院所有班级开设的专业基础课程大多为实践课，诸如地面气象观测、高空大气探测、气象装备保障与维护、防雷技术、气象服务等，目前，气象专业学生有1 200 余人，都要学习“自动站维护与维修”“台站气象装备保障”“天气雷达原理与维护”等课程，为了提高气象专业学生的实训效率和实训质量，建立气象虚拟现实实训中心，配套VR 硬件设备，搭载气象雷达、自动气象站VR教学及实训软件及课程资源，实现展示、体验、教学、实训、共享的一体化，迫在眉睫。

5.1 气象雷达（L 波段雷达）VR 教学及实训软件开发

气象雷达（L 波段雷达）VR 教学及实训软件将对L 波段雷达6 部分硬件进行1∶1 建模，以动画特效手段实现L波段雷达的原理、结构、功能方面的教学，并对该软件的功能模块设计相应的考核系统。通过气象雷达（L 波段雷达）VR 教学及实训软件进行实训，可完善L 波段探测雷达的日常维护方法，熟练掌握和灵活运用其检修方法和技巧进行分析判断，可以缩短排除故障的时间、提高检修效率，并提高L 波段雷达运行的可靠性和数据可用性。

5.2 自动气象站VR 教学及实训软件开发

自动气象站VR 教学及实训软件，可实现气压、温度、湿度、风向、风速、雨量等传感器及采集器的工作原理、结构、功能、操作、安装调试、维护维修方面的教学，每个功能模块设计相应的考核系统。通过自动气象站VR 教学及实训软件教学，学生可熟悉掌握自动气象站仪器设备的结构、工作原理，熟悉仪器设备的保障及维护工作，进而为保证观测数据质量和资料及时传输打下基础。采用“虚实结合”的方法，结合全流程、高度仿真的实训场景，学生在虚拟环境中不受时间、空间的制约，可以随时随地地进入实训室进行虚拟仿真操作，最大化利用教学资源。

6 结论与展望

通过分析论证，气象虚拟现实实训中心的建立完全可行，除了可以完成雷达及自动站的虚拟仿真实训外，气象虚拟现实实训中心的建立还可以有效解决传统实训中存在的很多问题，比如目前人工影响天气作为气象服务的重要组成部分，因为受安全因素的制约不能完成实践，观测场地不能随着气象部门标准化建设的要求进行仪器的安装；遇到雨雪等恶劣天气，一些室外实训课程不能顺利进行。未来，城市规划[5]、安防、军事以及一些高危行业也将出现VR 的身影，人们通过参与由VR 技术建立的各种培训，将减少生产作业中的各种风险，保护人身安全。让培训人员在感官享受的技术辅助下，将被动学习转变成主动学习，将厌倦课堂变成享受课堂，并在这种探究式的学习方式中获取知识，培养新思维，孕育创新力。