劉煜，楊建，李志強

（鄂爾多斯應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，內(nèi)蒙古 鄂爾多斯 017020）

0 引言

將VR技術(shù)與實驗教學(xué)相結(jié)合是當(dāng)下的研究熱點之一，實驗教學(xué)無論是在中學(xué)教育還是高等教育過程中始終是一項核心的教學(xué)環(huán)節(jié)。以普通高校為例，實驗室既是開展實驗教學(xué)，研究新型技術(shù)的地點，也是鍛煉學(xué)生實踐能力，提高學(xué)生自主思考和解決難題能力的絕佳場所。實驗屬于實踐一類，將教師講述的知識應(yīng)用到現(xiàn)實中，可以更好地使同學(xué)接受新知識，提高學(xué)生的創(chuàng)新能力和綜合素質(zhì)。近年來，我國在科技領(lǐng)域高速發(fā)展，對具有深度研究能力人才的需求也是持續(xù)增長。我國高校的招生人數(shù)逐年都在增加，學(xué)校的實驗室負擔(dān)極大，超負荷運行更會加快設(shè)備的損壞程度。

2017年4月，在天津大學(xué)舉辦的工科建設(shè)研討會上，全體參會人一致認為：為保證國家持續(xù)穩(wěn)定發(fā)展，同時在一些尖端領(lǐng)域占有一席之地，就必須培養(yǎng)造就一大批多樣化、創(chuàng)新型卓越工程科技人才。自改革開放以來，我國的發(fā)展非常迅速，因此也急需一大批在領(lǐng)域內(nèi)具有高水平操作能力的人才來繼續(xù)保持這種發(fā)展勢頭。實踐能力在學(xué)生的綜合評價中占據(jù)著重要地位，將理論充分運用到實踐之中，確保學(xué)生就業(yè)后不是只會“紙上談兵”之人。目前的高校實驗教學(xué)存在諸多問題，如：實驗教學(xué)資源不足，學(xué)生對實驗課重視程度不夠，實驗內(nèi)容主要以驗證性實驗為主，實驗考核方式不夠合理等。實驗教學(xué)中的硬件資源，如實驗室的環(huán)境、實驗設(shè)備等是制約實驗室發(fā)展的重要因素之一。以通信類專業(yè)為例，實驗設(shè)備多為電子器件，器材制造精密，輕微磕碰或者通電時間過長都會導(dǎo)致實驗結(jié)果的偏差，為保證偏差結(jié)果不會誤導(dǎo)學(xué)生，通常以縮短器材使用周期來換取結(jié)果的可靠性，這是一個惡性循環(huán)[1]。

1 VR技術(shù)與實驗操作的結(jié)合

本文所述的系統(tǒng)是以數(shù)電實驗為操作模板。將VR技術(shù)引入到電路實驗教學(xué)中，通過3Dmax建模軟件將電路實驗所需要的基本器件和設(shè)備按1：1比例進行建模。根據(jù)不同的實驗需求進行電路的預(yù)先搭建，并在初學(xué)者常出現(xiàn)的錯誤之處進行提示操作，對常見問題（如短路、斷路等）的后果進行實時展現(xiàn)，讓體驗者切身實地地感受誤操作可能會對實驗結(jié)果帶來的影響。該系統(tǒng)可強化安全操作意識，使學(xué)生熟練掌握實驗操作流程，培養(yǎng)學(xué)生解決實際問題的能力，從而達到保護器材，理論聯(lián)系實際，加強學(xué)生實踐操作能力的目的[2]。

2 基于VR技術(shù)的智能實驗操作系統(tǒng)功能

根據(jù)當(dāng)前學(xué)生實驗操作中普遍存在的問題，基于VR技術(shù)的實驗操作系統(tǒng)可分為以下四個功能模塊。

2.1 學(xué)習(xí)模式

在學(xué)習(xí)模式中系統(tǒng)會根據(jù)體驗者選擇的實驗內(nèi)容進行文檔解讀，包括實驗流程介紹、注意事項、所需器材及規(guī)格等，同時有選擇性地觀看專業(yè)實驗員對該實驗的操作視頻和要點介紹等。

2.2 實操模式

在學(xué)習(xí)模式跟學(xué)完成之后，體驗者就可以進行實操。該模式下，體驗者頭戴VR頭盔，手持手柄在虛擬實驗室場景中進行操作。虛擬場景中存在與視頻講解中的設(shè)備一樣的按等比例建模出的實驗臺，電子器件和學(xué)生電源等，同時前置黑板上有詳細的實驗操作流程，如體驗者在實操過程中有疑問或者無從下手時可以隨時觀看講解視頻和文檔。同時系統(tǒng)具有錯誤提示功能，如果在某一環(huán)節(jié)體驗者出現(xiàn)錯誤，場景中會懸浮出提示框進行提示[3]。

2.3 考試模式

在進行完學(xué)習(xí)和體驗之后，學(xué)生可以根據(jù)自身情況或者老師要求進行考試。考試過程中無任何提示功能，真實檢驗學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和動手能力，方便學(xué)生對實驗內(nèi)容進行總結(jié)，加深實驗印象。

2.4 擴展模式

該模式下學(xué)生可以自由發(fā)揮，不受實驗內(nèi)容的限制，學(xué)生可以自由發(fā)揮想法進行電路搭建，極大提高學(xué)生探索興趣和創(chuàng)新能力。

3 基于VR技術(shù)的智能實驗操作系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1 運行系統(tǒng)及軟件介紹

實驗操作系統(tǒng)是以極限矩陣獵豹V8臺式主機作為系統(tǒng)運行主機，搭載了一顆擁有四核八線程、主頻高達3.4GHz的i5-6700CPU，配以8GB的DDR4高速內(nèi)存和512GSSD的存儲，計算機操作系統(tǒng)為windows10專業(yè)版，在硬件和軟件方面盡最大程度保證系統(tǒng)的流暢運行。開發(fā)軟件為由U-T公司開發(fā)、市面上目前最主流的VR虛擬現(xiàn)實開發(fā)軟件——Unity3D。本文所用的開發(fā)軟件提供運行時的音頻、特效、渲染服務(wù)。套件采用HTC公司于2017年推出的VR頭顯產(chǎn)品—HTCVIVE。頭顯的刷新率高，佩戴兩個無線定位器，可實時確定用戶的位置和手部動作。實驗室模擬圖形搭建軟件采用Discreet公司開發(fā)的3DMax建模軟件，其具有設(shè)計方案更全面，導(dǎo)出文件格式融合性高等優(yōu)點[4]。

3.2 系統(tǒng)總體架構(gòu)

系統(tǒng)共分為五層，各層次說明如下：

（1）軟件層：軟件運行于微軟電腦操作平臺上，使用steamVR提供基礎(chǔ)的驅(qū)動程序。

（2）引擎層：Unity3D為軟件提供動畫渲染支持，包括視頻、音頻和振動反饋等

（3）硬件層：VR頭盔設(shè)備、手持手柄和入耳式耳機構(gòu)成體驗系統(tǒng)硬件部分。

（4）服務(wù)層：軟件層、引擎層和硬件層同時為服務(wù)層服務(wù)，服務(wù)層提供視覺管理，音頻管理，UI管理和玩家管理。視覺管理提供最真實的虛擬現(xiàn)實場景；音頻管理則根據(jù)場景中顯示情況的不同提供音頻的破防，停止和混響功能；UI管理提供了軟件的初始化界面和操作界面；玩家管理提供了角色的控制，引導(dǎo)功能。

（5）應(yīng)用層：不同的實驗內(nèi)容及事故體驗的具體實現(xiàn)。

3.3 系統(tǒng)交互設(shè)計

（1）用Unity3D進行虛擬實驗室及實驗器材的繪制，對虛擬場景進行優(yōu)化處理。

（2）進行交互的流程設(shè)計，完善判斷條件，將交互設(shè)計儲存成文檔，把各個場景串起來，完成交互模型。

（3）在場景中設(shè)計各種事故觸發(fā)點，用戶可以主動通過手柄按鈕觸發(fā)事故，也可以在連接過程中判斷器件交互是否正確來觸發(fā)事故，如短路、虛接、電流過大等。

3.4 系統(tǒng)軟件設(shè)計流程

系統(tǒng)開發(fā)軟件為Unity3D，邏輯實現(xiàn)語言為C#，開發(fā)流程圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)開發(fā)流程圖

3.5 系統(tǒng)硬件

該系統(tǒng)的硬件成分包含：VR頭盔、兩個操作手柄、VR位置跟蹤器設(shè)備和入耳式耳機。VR頭盔和入耳式耳機作為系統(tǒng)的輸出設(shè)備，實現(xiàn)了視覺和聽覺上的模擬。操作手柄和VR位置跟蹤器設(shè)備作為系統(tǒng)的輸入，采集用戶手部動作和位置，在虛擬場景中以人手的形式展現(xiàn)出來。VR位置跟蹤器主要為紅外線定位器，它的基本原理就是在矩形空間內(nèi)安裝兩個可發(fā)射遠紅外的裝置，對空間快速發(fā)射感應(yīng)光線，VR頭盔和手柄中放置了多個光線接收裝置，通過計算光線到達接收器的時間以及角度，計算機就可以得到使用者在定位器范圍內(nèi)的坐標(biāo)，也就得到了動作信息，完成動作的捕捉，設(shè)備如圖2和圖3所示。

圖2 HTCVIVE手柄示意圖

圖3 HTCVIVE定位器示意圖

4 基于VR技術(shù)的智能實驗操作系統(tǒng)的實際應(yīng)用

在實際的操作中，一套上述中的電腦和一套HTCVIVE在約4平方米的空間內(nèi)設(shè)備就可以進行操作。首先連接好VR頭盔和主機，打開系統(tǒng)軟件，體驗者頭戴VR頭盔，用VR手柄進行操作，選擇好要操作的實驗項目后進入體驗場景。在場景內(nèi)可以以第一視角向任意方向行走，場景中會通過手柄發(fā)出指示前進的光線，如果手柄的扳機按下，場景中的人員就會到達該區(qū)域，隨后就可以通過扳機模擬手部的抓取動作，將器件放到相應(yīng)的位置進行連接，完成后就可以打開開關(guān)，進行查驗。同時還能以第三視角體驗事故還原，總結(jié)錯誤發(fā)生原因，避免在以后的實驗中發(fā)生類似的事故。目前系統(tǒng)已實現(xiàn)上述功能，完整了重現(xiàn)了實際實驗操作過程[5]。

5 結(jié)語

基于VR技術(shù)的智能實驗操作系統(tǒng)以模擬實驗為基礎(chǔ)，以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為支撐，搭建了按1：1還原的實驗室場景和實驗器材，結(jié)合VR頭盔和手柄實現(xiàn)了人的行走和手部的抓取，讓體驗者有更加逼真的感受，從而增加體驗者的實操興趣，提高學(xué)生的安全意識，避免基礎(chǔ)錯誤的發(fā)生，極大程度減小對昂貴實驗器材的損害。將VR技術(shù)與現(xiàn)實高度結(jié)合，不僅提高了學(xué)生的動手實踐能力，而且極大程度上推動了學(xué)生的發(fā)展。