蓋勝芬 李文星 鄒宇野

摘 要：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新的知識(shí)載體，一種新的認(rèn)知工具，對(duì)教育培訓(xùn)中教育模式和培訓(xùn)方法的更新變革產(chǎn)生了積極的作用。通過(guò)對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育培訓(xùn)中的應(yīng)用做了介紹，以虛擬自動(dòng)氣象觀測(cè)站培訓(xùn)為例，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育培訓(xùn)中的設(shè)計(jì)理念和技術(shù)應(yīng)用進(jìn)行了闡述，并對(duì)今后虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育培訓(xùn)領(lǐng)域的發(fā)展做了總結(jié)與展望。

關(guān)鍵詞：虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)；教育培訓(xùn)；氣象培訓(xùn)

中圖分類(lèi)號(hào)：G712 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡(jiǎn)介

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Virtual Reality）是一種綜合運(yùn)用計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、人工智能、多媒體等多種技術(shù)創(chuàng)建并體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)技術(shù)。在虛擬環(huán)境中用戶(hù)通過(guò)使用傳感頭盔、數(shù)據(jù)手套等輔助設(shè)備，實(shí)時(shí)感知、操作虛擬環(huán)境中的對(duì)象實(shí)體，最終通過(guò)視覺(jué)、觸覺(jué)和聽(tīng)覺(jué)等人體感知獲得身臨其境的逼真感受。想象、交互和沉浸是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的3個(gè)基本特征，想象：這里強(qiáng)調(diào)了想象力的重要性。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)造了豐富想象力的空間，我們可以利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)已知空間的虛擬，亦可實(shí)現(xiàn)位置空間的構(gòu)造，拓寬了人類(lèi)視野。交互：即用戶(hù)與虛擬環(huán)境中之間的互動(dòng)。沉浸：即身臨其境感。指用戶(hù)身處虛擬環(huán)境時(shí)卻產(chǎn)生“錯(cuò)覺(jué)”，仿佛自己身處真實(shí)的環(huán)境中，并作為主角參與其中。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)憑借其想象、交互和沉浸的特性在軍事、教育與培訓(xùn)、設(shè)計(jì)與規(guī)劃、旅游展覽、工程技術(shù)、科技探索等多領(lǐng)域領(lǐng)域得到應(yīng)用。

二、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育培訓(xùn)中的應(yīng)用

教育領(lǐng)域中運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展的一個(gè)飛躍。對(duì)于操作性、實(shí)驗(yàn)性強(qiáng)的課程，在教學(xué)培訓(xùn)中使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)方式將產(chǎn)生重大的轉(zhuǎn)變：學(xué)習(xí)者將以自身與虛擬環(huán)境的相互作用獲得直接經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)方式，代替?zhèn)鹘y(tǒng)以教育者講授知識(shí)為主的獲取間接經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)方式。同時(shí)該技術(shù)的使用能夠更好地調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，有助于教學(xué)培訓(xùn)的組織與實(shí)施。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育培訓(xùn)中的應(yīng)用大致可分為以下幾個(gè)方面：技能訓(xùn)練、虛擬實(shí)驗(yàn)研究、虛擬場(chǎng)景漫游。

技能訓(xùn)練：訓(xùn)練和練習(xí)是技能發(fā)展的重要環(huán)節(jié)。隨著虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用，職業(yè)教育領(lǐng)域“實(shí)訓(xùn)內(nèi)容、實(shí)訓(xùn)手段、實(shí)訓(xùn)模式都將發(fā)生深刻的變革，傳統(tǒng)的基地實(shí)訓(xùn)模式將向著基地實(shí)訓(xùn)與虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)相結(jié)合的教育模式發(fā)展”。使用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的技能訓(xùn)練系統(tǒng)不僅可以實(shí)現(xiàn)模擬仿真，還要實(shí)現(xiàn)各類(lèi)知識(shí)的內(nèi)嵌、錯(cuò)誤診斷與反饋機(jī)制，為學(xué)生提供反思分析問(wèn)題的機(jī)會(huì)，這也正是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于技能培訓(xùn)最大的優(yōu)勢(shì)之一。

虛擬實(shí)驗(yàn)研究：在物理、化學(xué)、生物、醫(yī)學(xué)、軍事等需要大量實(shí)驗(yàn)的學(xué)科領(lǐng)域中，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建實(shí)驗(yàn)環(huán)境，進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)操作研究具有重要的意義。一般認(rèn)為虛擬實(shí)驗(yàn)室分為兩類(lèi)：一種是由開(kāi)發(fā)人員設(shè)計(jì)，規(guī)定只能對(duì)虛擬場(chǎng)景中的物體進(jìn)行操作，這是現(xiàn)今大多數(shù)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的工作環(huán)境；另外一種是基于廣泛學(xué)科領(lǐng)域知識(shí)的虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。

虛擬場(chǎng)景漫游：即利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)采取幾何構(gòu)建或圖像數(shù)據(jù)構(gòu)建方法，為生活中的場(chǎng)景量身構(gòu)建逼真模型，用戶(hù)通過(guò)VR顯示設(shè)備（如3D立體眼鏡、穿戴式頭盔顯示器）、力觸覺(jué)交互設(shè)備（即在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)觸覺(jué)和物理力感應(yīng)的設(shè)備）等工具實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)場(chǎng)景的漫游瀏覽。該方式常見(jiàn)于旅游教育、旅游職業(yè)實(shí)訓(xùn)、博物館展覽、高校虛擬校園等方面。

三、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育培訓(xùn)中的實(shí)現(xiàn)（以虛擬自動(dòng)氣象觀測(cè)站培訓(xùn)的實(shí)現(xiàn)為例）

教育培訓(xùn)主要針對(duì)專(zhuān)業(yè)技術(shù)人員，培訓(xùn)目的即進(jìn)行知識(shí)更新、補(bǔ)充、拓展和能力的提高，是教育現(xiàn)代化的重要組成部分。以氣象教育培訓(xùn)中觀測(cè)技能培訓(xùn)為例，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育培訓(xùn)中的實(shí)現(xiàn)做詳細(xì)介紹。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可逼真模擬構(gòu)建真實(shí)的自動(dòng)氣象觀測(cè)站環(huán)境，突破時(shí)間、場(chǎng)地、天氣等因素的約束，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)氣象站觀測(cè)培訓(xùn)的隨時(shí)化、隨地化。在培訓(xùn)教學(xué)過(guò)程中，虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性與交互性特征在增強(qiáng)學(xué)員沉浸感的同時(shí)，也提高了學(xué)員的認(rèn)知興趣，結(jié)合教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，最終提升氣象觀測(cè)的培訓(xùn)質(zhì)量。在當(dāng)前培訓(xùn)改革的新形勢(shì)下，墨守成規(guī)、故步自封難以實(shí)現(xiàn)氣象培訓(xùn)的跨越發(fā)展，將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與氣象教育培訓(xùn)并相融合發(fā)展，有利于提高培訓(xùn)的效果與質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)氣象觀測(cè)站培訓(xùn)教學(xué)的創(chuàng)新發(fā)展。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)綜合利用多種計(jì)算機(jī)技術(shù)，構(gòu)建了具有沉浸效果、具備實(shí)時(shí)交互的虛擬場(chǎng)景，通過(guò)實(shí)時(shí)的交互使學(xué)員在構(gòu)建的虛擬場(chǎng)景中可身臨其境地模擬實(shí)際觀測(cè)過(guò)程，從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、強(qiáng)化學(xué)習(xí)效果。為有效實(shí)現(xiàn)上述培訓(xùn)效果，需建立完備的培訓(xùn)環(huán)境。

此處培訓(xùn)環(huán)境的建設(shè)主要指培訓(xùn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)。培訓(xùn)系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)是虛擬培訓(xùn)的關(guān)鍵，系統(tǒng)開(kāi)發(fā)建成后受訓(xùn)人員能夠以第一人稱(chēng)視角在場(chǎng)景中自由行動(dòng)，實(shí)現(xiàn)人與現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)設(shè)備的互動(dòng)。系統(tǒng)核心功能的開(kāi)發(fā)主要包括以下兩個(gè)方面：

（一）構(gòu)建虛擬場(chǎng)景

該環(huán)節(jié)是實(shí)現(xiàn)虛擬培訓(xùn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)，自動(dòng)氣象觀測(cè)站培訓(xùn)系統(tǒng)，包含“自主學(xué)習(xí)”“虛擬實(shí)訓(xùn)”與“虛擬考核”三個(gè)模塊。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要應(yīng)用于“自主學(xué)習(xí)”和“虛擬實(shí)訓(xùn)”模塊，實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景模型的搭建主要涉及到自動(dòng)氣象觀測(cè)站觀測(cè)場(chǎng)地和觀測(cè)設(shè)備兩個(gè)方面的內(nèi)容。該工作以CAWS600型自動(dòng)氣象站為參考原型，前期使用3DS MAX軟件，綜合利用各種建模技術(shù)對(duì)觀測(cè)場(chǎng)地和觀測(cè)設(shè)備進(jìn)行模型構(gòu)建和貼圖工作，后期使用Unity3D軟件，結(jié)合碰撞檢測(cè)、C#技術(shù)實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的環(huán)境烘焙、物理設(shè)置和漫游功能，以增強(qiáng)學(xué)員身臨其境的感覺(jué)。

虛擬場(chǎng)景建成后學(xué)員可通過(guò)“自主學(xué)習(xí)”“虛擬實(shí)訓(xùn)”模塊利用鼠標(biāo)和光標(biāo)鍵在線(xiàn)進(jìn)行直觀生動(dòng)的理論學(xué)習(xí)，模擬實(shí)際觀測(cè)業(yè)務(wù)的工作流程，同時(shí)可模擬故障環(huán)節(jié)，主動(dòng)了解實(shí)際業(yè)務(wù)中的問(wèn)題，掌握解決問(wèn)題的方法。

（二）開(kāi)發(fā)虛擬培訓(xùn)功能

該功能是自動(dòng)氣象觀測(cè)站培訓(xùn)系統(tǒng)的核心，本系統(tǒng)緊密結(jié)合觀測(cè)業(yè)務(wù)的實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)，使學(xué)員在虛擬場(chǎng)景漫游過(guò)程中，有選擇地實(shí)現(xiàn)“教、學(xué)、練、測(cè)”等功能。在培訓(xùn)功能設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中嚴(yán)格遵循學(xué)習(xí)規(guī)律，首先學(xué)員必須通過(guò)“自主學(xué)習(xí)”模塊進(jìn)行課程的理論學(xué)習(xí)，學(xué)習(xí)過(guò)程中結(jié)合虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可對(duì)設(shè)備進(jìn)行結(jié)構(gòu)剖析，360°全面深入地觀察設(shè)備的結(jié)構(gòu)特征。隨后通過(guò)“虛擬實(shí)訓(xùn)”模塊，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣象觀測(cè)設(shè)備的安裝拆卸、維護(hù)保養(yǎng)、故障排除、運(yùn)行監(jiān)控等多方面的模擬操作訓(xùn)練。在學(xué)習(xí)實(shí)訓(xùn)過(guò)后，學(xué)員可通過(guò)“虛擬考核”模塊，實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)的虛擬觀測(cè)考核，及時(shí)發(fā)現(xiàn)薄弱環(huán)節(jié)，從而進(jìn)行有針對(duì)性的實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)。該系統(tǒng)使學(xué)員在形象生動(dòng)地認(rèn)知自動(dòng)氣象觀測(cè)站設(shè)備的同時(shí)，掌握溫度、濕度、壓強(qiáng)、風(fēng)等氣象觀測(cè)要素的觀測(cè)技能，提高觀測(cè)業(yè)務(wù)能力。

四、總結(jié)與展望

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展至今已60余年，其基本概念和實(shí)現(xiàn)方法已初步形成并在教育培訓(xùn)中得到應(yīng)用。在應(yīng)用過(guò)程中應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：一是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育培訓(xùn)領(lǐng)域應(yīng)用真正的目的是輔助教育培訓(xùn)，不應(yīng)沉迷于技術(shù)，只重視新技術(shù)的應(yīng)用而忽略了教育培訓(xùn)的效果。二是目前虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可交互操作功能有限，多數(shù)培訓(xùn)系統(tǒng)的交互功能僅限于簡(jiǎn)單地使用鼠標(biāo)鍵盤(pán)等工具點(diǎn)擊實(shí)現(xiàn)，交互方式有待豐富。三是虛擬環(huán)境的智能程度較低，虛擬環(huán)境呈現(xiàn)的整體沉浸感不足，直接影響到用戶(hù)的培訓(xùn)效果。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育培訓(xùn)領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景，它利用高效能的計(jì)算機(jī)技術(shù)，結(jié)合行業(yè)教育培訓(xùn)的特點(diǎn)，有針對(duì)性地開(kāi)發(fā)相關(guān)的培訓(xùn)教學(xué)系統(tǒng)，如煤礦安全培訓(xùn)系統(tǒng)、醫(yī)學(xué)教育培訓(xùn)系統(tǒng)等，豐富教學(xué)方式，增強(qiáng)培訓(xùn)效果。展望未來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)逐步發(fā)展完善，現(xiàn)代教育培訓(xùn)技術(shù)逐漸提高，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在培訓(xùn)模式和培訓(xùn)方式上將引發(fā)變革，今后的教育培訓(xùn)工作定會(huì)與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)碰撞出璀璨的花火。

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