虚拟现实技术在环境实践教育中的应用研究

韩小铮

（河北环境工程学院 河北秦皇岛 066004）

虚拟现实技术简介

虚拟现实技术（VR，VirtualReality）是利用计算机来模拟三维世界，用户可以通过使用特定的设备来与模拟环境中的物体进行互动[1]，达到虚拟仿真的效果。由于其有仿真性、互动性、沉浸性等特征，非常适合应用于教育教学工作中。

环境实践教育现状

我国很多高校都开设有环境工程、环境科学等环境相关专业，在这些专业的课程体系中，实践教学是必不可少的部分，但由于资金、安全等方面的问题，很多高校无法保证实践教学内容的足额开设。实践教学是理论教学的延伸，是保证学生掌握所学知识的基本条件，如无法保证实践教学内容的开展，就会极大的影响教学效果。为解决此问题，很多学者从不同角度提出了解决方法[2]，其中应用虚拟现实技术辅助环境实践教育，是当前技术条件下的较好选择[3]。

虚拟现实技术在环境实践教育中的应用研究

环境实践教育内容与问题分析。通过分析当前环境实践教育内容，按不同的实践方法，可以将教学内容分成为参观实习、操作实践两类，具体包括了污水处理厂、垃圾处理厂、固废处理厂的参观实习，化学分析实验仪器、污染治理设施设备、污染检测仪器设备的操作实践等方面的内容。

从目前高校的现状分析，制约环境实践教育内容开展的主要原因在于两方面。其一为资金问题，实践教学内容区别于理论教学，在授课中要使用设施、设备和仪器，会产生劳务、交通、设备耗材等方面的费用，部分课程内容费用较为昂贵，如果学生人数较多，则费用问题就更为明显。其二为安全问题，部分环境实践教育内容具有一定的危险性，如工业企业的污染治理设施的参观实习、涉及到有毒有害物质的化学分析仪器设备使用等。一些高校考虑到上述问题，会选择减少相应的学时，导致了实践课程不足的问题。

虚拟现实技术在参观实习类教学中的应用。参观实习类的实践教学，教学目的多是以设施设备的外观、实际运行情况、运行的基本原理方面的内容为主。因此可以使用漫游技术实现对于参观实习类的教学辅助功能[4]。在VR软件开发工具中，普遍支持对于漫游类软件的开发，而且所有开发工具都有开发漫游功能的组件，可以简化开发的流程。

虚拟现实技术在操作实践类教学中的应用。操作实践类教学主要内容是化学分析、污染检测、污染治理设施设备的使用，教学目标是让学生掌握相关仪器和设备的使用方法。在VR软件开发中，核心是实现互动功能，相对于漫游功能而言，互动功能的实现略为复杂，多数需要编写程序[5]。

在教学过程中的应用分析。根据环境实践教育的内容与要求，应用VR软件时，可以在如下的教学过程中来辅助教学。

课前预习。在进行实践课之前，让学生通过使用VR软件，对教学内容进行熟悉，这对于参观实习类、操作实践类的教学内容都适用。

完全替代教学内容。对于一些高危险性教学内容，和教学中涉及到较多设施内容结构、运行原理等方面内容的课程，可以完全使用VR软件来完成教学工作。但对于仪器操作类的课程，则在教学中除使用VR软件教学外，还应让学生尽可能使用真实的仪器，保证教学效果。

考试考核。在一些参观实践类的教学课程中，往往无法让学生在实地进行考核，对于这些课程，则可用VR软件来完成考试和考核工作。

对于使用中的设备要求。由于VR软件在使用时需要用到专用的VR设备，由于受到经费和场地的限制，高校基本不可能配置完整VR设备。但高校计算机室的建设较为普及，因此可以使用传统的鼠标与键盘使用VR软件，同样可达到教学要求。

主要开发技术研究

开发工具选择

VR软件的开发主要的工作包括2部分，一部分是软件中所需的3D模型的构建工作。一部分是互动功能的实现，互动功能主要是依靠开发工具来完成。随着技术的发展，VR软件的开发的门槛在逐渐降低，目前可选择的开发软件有Unity3D、Unreal Engine等[6]，这些开发工具相对较为易用，降低了对于技术方面的需求。

笔者在工作中组织了以学生为主体的团队，在保证满足实践教学需求的基础上，为了能让学生完成开发工作，软件选择以易用为主。3D建模软件选择了SketchUp软件，开发软件选用的是Unity3D。在开发中，参观实习类的VR软件直接使用了Unity3D中自带的插件完成，使用很少量代码就可以完成开发工作。对于模拟操作类的软件开发，则使用Unity3D中的C#脚本语言完成程序的编写，由于C#易学易用，因此开发难度并不高。

开发流程

环境实践教学VR软件的开发与传统的VR软件开发过程基本相同[7]，但对于教学软件开发而言，需求分析要严格的依据课程教学大纲来进行，这是与其它类型VR软件最主要的区别。

为降低开发工作量，开发中对教学大纲中的重点教学进行详细制作，对于非重点内容则可简化。如仪器使用类软件开发中，对仪器使用流程进行梳理，开发时按用户不同的操作组合条件给用户反馈不同的检测结果即可，如不涉及仪器结构等内容，则可不制作相关内容。对于参观实习类的软件，则针对教学内容的设施设备的外观、运行时的情况等方面进行重点制作，简化其它方面内容。

开发实例

笔者所在的团队开发了多款用于环境实践教育的VR软件，其中在《污水处理设施运营管理》课程的软件开发中，根据课程的教学大纲，确定出软件主要的功能是实现对于污水处理设施的布局、外观、基本功能方面的认知，因此在软件开发中，重点放在对于设施的3D模型构建方面。通过给开发团队学生讲授设施工作原理、让学生到污水处理厂实地参观等方式让学生对于要构建的模型有透彻的了解，在此基础上完成模型的制作。制作完成的模型导入至Unity3D后，使用Unity3D中的CharacterFirstPerson免费组件，即可实现对于设施设备的漫游仿真，整体开发过程对编写代码的需求非常少。在《分析化学》实践教育软件开发中，则主要侧重于对于互动功能的开发，在开发中，由学生完成模型制作并导入Unity3D后，使用C#完成了互动功能的开发。在开发中，根据仪器实际使用中不同的条件的组合对应的检测结果，建立数据库，然后根据软件用户不同的操作呈现对应的结果，从而达到仿真的效果。

展望

与其他类型的软件开发工作一样，VR教学软件的核心是业务内容，也就是教学内容的设计与实现。随着科技的发展，开发技术层面的需求会越来越低，因此教师可以构建以学生为主的开发团队，完成环境实践教学VR软件开发。在我国大力推广高校创新创业、课外科技活动等工作的背景下，可以将相应的活动与VR软件开发进行结合，在提高实践教学效果的同时，实现教、学、做等多方面的工作结合。