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摘 要：对虚拟实训教学与传统实训教学的相关特性进行了对比，指出虚拟实训教学的显著优势。并进一步描述了虚拟实训教学系统的基本构建过程与实施方法。
关键词：虚拟现实 实训 职业教育
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）05（b）-0123-02
实训一直都是职业教育相关学科中的重要活动之一，通过实训手段不仅可以促进学生对理论知识的巩固，更可提高学生探索科学知识的能力，增强创新能力。然而，当前实训方面存在的诸多难题却严重限制了教学质量的提高，由于真实实训设备和仪器的多样化、易损耗性、昂贵性，都导致实验成本过高，甚至传统实验在空间和时间上的限制也可能无法满足大量学生同时进行实验的需要。为缓解实验教学的压力，解决实验教学的困境，提高教学质量，需采用新的教学思路，先进的技术手段对实验教学进行改革。而日瑧成熟的虚拟现实技术，由于其技术特性，正迎合了实验教学的需要，基于虚拟现实技术应用的多媒体教学系统，已在教育领域获得逐步运用及发展。
1 虚拟现实在教育领域中的应用
虚拟现实概念最早于20世纪60年代由哈佛大学的学者Sutherland I.E.提出构想，至80年代初由Jaron Lanier正式提出Virtual Reality一词。1993年，Burdea G提出了针对虚拟现实系统的3I，被认为是对虚拟现实技术的准确描述。这3I即是沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和构想性（Imagination）。按学者J.Laniar的说法，虚拟现实又称假想现实，意味着“用电子计算机合成的人工世界”。国内张金钊等将虚拟现实技术主要分为五类：（1）沉浸式虚拟现实技术，（2）分布式虚拟现实技术，（3）桌面式虚拟现实技术，（4）纯软件虚拟现实技术（也称大众化模式），（5）增强现实虚拟现实技术（AR）（也称混合现实）。虚拟现实技术的特性使得它不仅仅可以被应用于当前蓬勃发展的互动游戏产业，而且在科技开发、国防安全、工程设计、商业展示，及文化教育等重要领域越发显现出其重要作用。
目前，在教育与培训领域基于虚拟现实的防真系统研究，多数以教学培训为目标，多属于纯软件虚拟现实技术型应用，在国内高等院校的交通专业、机械专业、设计专业、医学专业、艺术专业，以及旅游专业等均有广泛应用。虚拟现实通常应用于视景仿真、结构展示、故障模拟、维修实践、流程演练等方面的技能训练，能使学生更好地感受、理解知识的产生和发展过程，让枯燥的理论知识变得形象，易于理解，强化学生对整个实验过程的认知。虚拟现实技术与教育教学相结合，能在实践教学中获得良好收益，并能引起教育教学方式的改革，全面提升教育教学质量。虚拟现实技术以其独特的魅力必将在未来教育领域进一步拓展其深度和广度，在教学平台建设中引入虚拟现实应用是不可缺少的，也是系统构建的中心内容。
2 虚拟实训教学与传统实训教学特性比较
实训教学主要包括四方面内容：定义实训目的和内容、选择实训器材、确定实验过程和实训结果评估。传统实训与虚拟实训教学最大的区别在于实训器材、实训过程体验感两个方面的不同。传统实训在教具器材方面的真实感、实验过程的沉浸感都较强。虚拟实训教学在这两方面具有先天的不足，但其所具有的虚拟性、实践性却赋予了它独特的优越性，虚拟教学可拓宽学习的时间、空间，突破学员数量的限制，并能强化学员对整个实验过程的认知，且具有较强的可重复性。传统实训教学与虚拟实训教学的主要特性比较参见表1所示。
通过两者各项特性指标的对比，显示出虚拟实训教学的显著优势，其综合成本低、效率高、安全性高、功能全面、共享性强等特点。随着计算机多媒体技术和虚拟现实技术的进一步发展，虚拟实训应用会逐步克服其不足之处，并向网络化、专业化、高逼真化方向发展。
3 虚拟实训教学系统的构建过程
联合国教科文组织（UNESCO）将“虚拟实验”定义为利用分散的信息和通信技术在科研和其他的创造性活动中进行远距离合作和实验的一种电子协作过程。从虚拟实验室的功能角度，学者们将其表述这：虚拟实验室是一个创造和引导虚拟实验的交互环境，它由实验所依赖的模拟程序、实验单元、工具和参考资料组成。虚拟实训教学系统自然属于“虚拟实验”的广义范畴之内。所构建的系统需具备沉浸感、交互性和构想性三个方面的特点。
该文所阐述的虚拟实训教学系统，指纯软件虚拟现实技术型的应用系统。实现系统的研发，可遵循以下步骤：需求分析、功能设计、数据设计、开发实现、验证评估。
3.1 需求分析
包括课程需要分析、实训需求分析，不同专业不同课程的实训特点不同，所设实训任务的性质也有所不同，可区分为知识认知型实训、综合设计型实训等。知识认知型实训目标是让学员体验实验操作过程，执行步骤较为确定；综合设计型实训目标是训练学员进行业务流程、管理规程等方面的认知演练。
3.2 功能设计
必须要实现实验场景设计、教学元素设计（包括2D、3D模型、资料等元素）、教学信息管理、教学任务设计，以及教学成绩管理等功能。功能设计结构如图2所示。
实验场景设计是虚拟实训展开的“实验场所”，实验场景设计的优劣，是虚拟实训系统是否具备“沉浸感”的重要评判，实验场景通常以3D建模的方式实现。系统交互设计涉及到计算机技术、图形艺术、用户体验等多领域的知识，具体指人机接口、用户界面、人机交互方面设计，是“交互性”特性的重要体现。教学任务设计指实训过程、实训步骤、实训指导方面的设计，总终形成系统脚本库，脚本用于驱动模型的构建、连接和运转等。教学信息管理功能是服务于实训教学并对实训资源和结果等信息的管理，如用户信息管理、教学资源的增删改操作、浏览分类汇总、结果发布等功能。教学成绩管理指学员成绩的跟踪与记录以及汇总评价功能。 3.3 数据设计
数据设计教学元素设计主要包括虚拟实训器具的设计、挂图模型的设计，虚拟器具的设计至少包括器具的几何模型和数学模型，几何模型是真实设备的逼真化体现，数学模型则是真实设备变化规律的体现，几何模型通常采用3D建模的方式，数学模型则采用数学建模的方式。各类教学元素的总合最终可构建一致的模型数据库，模型数据主要包含空间结构数据、物理属性数据、行为属性、动力及运动数据等。
3.4 开发实现
数据设计的开发实现较为复杂，建模首先涉及到种类繁多的模型数据，几何模型的实现主要依据测量数据，借助建模软件，如AutoCAD、3DMax等，利用人工制造的方式予以实现。数学模型的开发则更为复杂，通常需采用实验分析、物理仿真、归纳抽象等方式，利用数学建模软件，如MATLAB、Modelica等，最终建立起出用于描述模型变化规律的数学方程式，例如根据模型的运动方程，可获得该模型的运动速度和位置数据。通常为了降低模型开发实现的难度，除非要求异常精准的模型运动活动，在精度要求不高的实训教学系统中，数据模型常采用抽象、简化的方法进行实现。
虚拟实训系统的场景与交互实现，需借助专业的技术或平台软件，目前流利的3D虚拟现实开发平台有：国外Virtools公司的Virtools平台、荷兰Act3D 公司Quest3D平台、Unity Technologies公司的Unity3D平台、Cycore公司的Cult3D平台，国内中视典的VR-Platform平台、曼恒数字的DVS3D（Design & Virtual Reality & Simulation）平台、以及开源领域的OGRE（Open Source 3D Graphics Engine）和ODE（Open Dynamics Engine，开源动力引擎）等平台。上述开发平台都拥有人机界面的设计能力、3D场景和模型渲染展示的能力，以及脚本交互控制能力。此外，目前运行于互联网的Java3D技术、VRML技术、Flash/Flex技术等也属于构建基本虚拟实训教学系统的简单而高效的手段。
3.5 验证评估
教学平台建设后，需要对平台进行测试，根据实训目标，评估实验是否满足教学要求。通过一系列的测试评估，包括功能测试、性能测试，以及兼容性测试。功能测试主要根据实验要求，对实训功能进行测试；性能测试主要是系统能否能流畅运行，兼容性测试主要是平台与其它软、硬件接口的测试，以及浏览器方面的兼容性。
4 实施方法
4.1 需求分析阶段须明确实训目标和内容
在需求分析阶段就须规划教学的科目分类、各课程目标、教学环节、不同目标匹配的教学方式等。
4.2 基本教学元素的构建方式
基本教学元素是系统数据层的核心内容，特点是设计与制作成本较高、周期较长，且具有复杂的专业难度。由院校自身完成全部元素的设计工作并不现实，最佳获取方式是根据对教学科目和内容的规划，与院校与院外专业的设计团队合作，按需定制研发，才可使其性价比最大化。除此之外，通过互联网一些模型发布网站也可下载免费或收费的专业模型作为教学元素来源的重要补充。
4.3 实施过程选择
系统具体的研发工作，涉及到计算机信息化研发相关的专业技能，最佳模式是由院校自身组织需求开发的教学团队，结合外部研发实现的专业团队，共同设计，分步实现，才能最好的掌控教学需要与系统实现的最优整合状态。
5 结语
虚拟实训应用是学生课前预习、校内实践、课后复习，以及老师辅助教学的有效工具，以虚拟实训应用构成的整体虚拟实验室也是实验教学改革以及远程教育发展的强力支撑。虚拟实训的应用能满足现代教育技术发展要求，具有广阔的发展前景。
参考文献
[1] Russel SJ，Norving P.Anificial Intelligence：A Modem Approach[M].Upper Saddle River：Prentice Hall，1995：20-25.
[2] 张金钊，张金锐.2013三维立体动画游戏开发设计-详解与经典案例[M].北京：邮电大学出版社，2013.
[3] 乔非，王晓平.虚拟教学实验设计和开发技术与应用[M].同济大学出版社，2013.
[4] 联合国教科文组织，国际理论与应用物理研究所.虚拟教学实验室专家会议文集[M].依阿华州：美国依阿华州立大学，1999.
关键词：虚拟现实 实训 职业教育
中图分类号：G712 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2014）05（b）-0123-02
实训一直都是职业教育相关学科中的重要活动之一，通过实训手段不仅可以促进学生对理论知识的巩固，更可提高学生探索科学知识的能力，增强创新能力。然而，当前实训方面存在的诸多难题却严重限制了教学质量的提高，由于真实实训设备和仪器的多样化、易损耗性、昂贵性，都导致实验成本过高，甚至传统实验在空间和时间上的限制也可能无法满足大量学生同时进行实验的需要。为缓解实验教学的压力，解决实验教学的困境，提高教学质量，需采用新的教学思路，先进的技术手段对实验教学进行改革。而日瑧成熟的虚拟现实技术，由于其技术特性，正迎合了实验教学的需要，基于虚拟现实技术应用的多媒体教学系统，已在教育领域获得逐步运用及发展。
1 虚拟现实在教育领域中的应用
虚拟现实概念最早于20世纪60年代由哈佛大学的学者Sutherland I.E.提出构想，至80年代初由Jaron Lanier正式提出Virtual Reality一词。1993年，Burdea G提出了针对虚拟现实系统的3I，被认为是对虚拟现实技术的准确描述。这3I即是沉浸感（Immersion）、交互性（Interaction）和构想性（Imagination）。按学者J.Laniar的说法，虚拟现实又称假想现实，意味着“用电子计算机合成的人工世界”。国内张金钊等将虚拟现实技术主要分为五类：（1）沉浸式虚拟现实技术，（2）分布式虚拟现实技术，（3）桌面式虚拟现实技术，（4）纯软件虚拟现实技术（也称大众化模式），（5）增强现实虚拟现实技术（AR）（也称混合现实）。虚拟现实技术的特性使得它不仅仅可以被应用于当前蓬勃发展的互动游戏产业，而且在科技开发、国防安全、工程设计、商业展示，及文化教育等重要领域越发显现出其重要作用。
目前，在教育与培训领域基于虚拟现实的防真系统研究，多数以教学培训为目标，多属于纯软件虚拟现实技术型应用，在国内高等院校的交通专业、机械专业、设计专业、医学专业、艺术专业，以及旅游专业等均有广泛应用。虚拟现实通常应用于视景仿真、结构展示、故障模拟、维修实践、流程演练等方面的技能训练，能使学生更好地感受、理解知识的产生和发展过程，让枯燥的理论知识变得形象，易于理解，强化学生对整个实验过程的认知。虚拟现实技术与教育教学相结合，能在实践教学中获得良好收益，并能引起教育教学方式的改革，全面提升教育教学质量。虚拟现实技术以其独特的魅力必将在未来教育领域进一步拓展其深度和广度，在教学平台建设中引入虚拟现实应用是不可缺少的，也是系统构建的中心内容。
2 虚拟实训教学与传统实训教学特性比较
实训教学主要包括四方面内容：定义实训目的和内容、选择实训器材、确定实验过程和实训结果评估。传统实训与虚拟实训教学最大的区别在于实训器材、实训过程体验感两个方面的不同。传统实训在教具器材方面的真实感、实验过程的沉浸感都较强。虚拟实训教学在这两方面具有先天的不足，但其所具有的虚拟性、实践性却赋予了它独特的优越性，虚拟教学可拓宽学习的时间、空间，突破学员数量的限制，并能强化学员对整个实验过程的认知，且具有较强的可重复性。传统实训教学与虚拟实训教学的主要特性比较参见表1所示。
通过两者各项特性指标的对比，显示出虚拟实训教学的显著优势，其综合成本低、效率高、安全性高、功能全面、共享性强等特点。随着计算机多媒体技术和虚拟现实技术的进一步发展，虚拟实训应用会逐步克服其不足之处，并向网络化、专业化、高逼真化方向发展。
3 虚拟实训教学系统的构建过程
联合国教科文组织（UNESCO）将“虚拟实验”定义为利用分散的信息和通信技术在科研和其他的创造性活动中进行远距离合作和实验的一种电子协作过程。从虚拟实验室的功能角度，学者们将其表述这：虚拟实验室是一个创造和引导虚拟实验的交互环境，它由实验所依赖的模拟程序、实验单元、工具和参考资料组成。虚拟实训教学系统自然属于“虚拟实验”的广义范畴之内。所构建的系统需具备沉浸感、交互性和构想性三个方面的特点。
该文所阐述的虚拟实训教学系统，指纯软件虚拟现实技术型的应用系统。实现系统的研发，可遵循以下步骤：需求分析、功能设计、数据设计、开发实现、验证评估。
3.1 需求分析
包括课程需要分析、实训需求分析，不同专业不同课程的实训特点不同，所设实训任务的性质也有所不同，可区分为知识认知型实训、综合设计型实训等。知识认知型实训目标是让学员体验实验操作过程，执行步骤较为确定；综合设计型实训目标是训练学员进行业务流程、管理规程等方面的认知演练。
3.2 功能设计
必须要实现实验场景设计、教学元素设计（包括2D、3D模型、资料等元素）、教学信息管理、教学任务设计，以及教学成绩管理等功能。功能设计结构如图2所示。
实验场景设计是虚拟实训展开的“实验场所”，实验场景设计的优劣，是虚拟实训系统是否具备“沉浸感”的重要评判，实验场景通常以3D建模的方式实现。系统交互设计涉及到计算机技术、图形艺术、用户体验等多领域的知识，具体指人机接口、用户界面、人机交互方面设计，是“交互性”特性的重要体现。教学任务设计指实训过程、实训步骤、实训指导方面的设计，总终形成系统脚本库，脚本用于驱动模型的构建、连接和运转等。教学信息管理功能是服务于实训教学并对实训资源和结果等信息的管理，如用户信息管理、教学资源的增删改操作、浏览分类汇总、结果发布等功能。教学成绩管理指学员成绩的跟踪与记录以及汇总评价功能。 3.3 数据设计
数据设计教学元素设计主要包括虚拟实训器具的设计、挂图模型的设计，虚拟器具的设计至少包括器具的几何模型和数学模型，几何模型是真实设备的逼真化体现，数学模型则是真实设备变化规律的体现，几何模型通常采用3D建模的方式，数学模型则采用数学建模的方式。各类教学元素的总合最终可构建一致的模型数据库，模型数据主要包含空间结构数据、物理属性数据、行为属性、动力及运动数据等。
3.4 开发实现
数据设计的开发实现较为复杂，建模首先涉及到种类繁多的模型数据，几何模型的实现主要依据测量数据，借助建模软件，如AutoCAD、3DMax等，利用人工制造的方式予以实现。数学模型的开发则更为复杂，通常需采用实验分析、物理仿真、归纳抽象等方式，利用数学建模软件，如MATLAB、Modelica等，最终建立起出用于描述模型变化规律的数学方程式，例如根据模型的运动方程，可获得该模型的运动速度和位置数据。通常为了降低模型开发实现的难度，除非要求异常精准的模型运动活动，在精度要求不高的实训教学系统中，数据模型常采用抽象、简化的方法进行实现。
虚拟实训系统的场景与交互实现，需借助专业的技术或平台软件，目前流利的3D虚拟现实开发平台有：国外Virtools公司的Virtools平台、荷兰Act3D 公司Quest3D平台、Unity Technologies公司的Unity3D平台、Cycore公司的Cult3D平台，国内中视典的VR-Platform平台、曼恒数字的DVS3D（Design & Virtual Reality & Simulation）平台、以及开源领域的OGRE（Open Source 3D Graphics Engine）和ODE（Open Dynamics Engine，开源动力引擎）等平台。上述开发平台都拥有人机界面的设计能力、3D场景和模型渲染展示的能力，以及脚本交互控制能力。此外，目前运行于互联网的Java3D技术、VRML技术、Flash/Flex技术等也属于构建基本虚拟实训教学系统的简单而高效的手段。
3.5 验证评估
教学平台建设后，需要对平台进行测试，根据实训目标，评估实验是否满足教学要求。通过一系列的测试评估，包括功能测试、性能测试，以及兼容性测试。功能测试主要根据实验要求，对实训功能进行测试；性能测试主要是系统能否能流畅运行，兼容性测试主要是平台与其它软、硬件接口的测试，以及浏览器方面的兼容性。
4 实施方法
4.1 需求分析阶段须明确实训目标和内容
在需求分析阶段就须规划教学的科目分类、各课程目标、教学环节、不同目标匹配的教学方式等。
4.2 基本教学元素的构建方式
基本教学元素是系统数据层的核心内容，特点是设计与制作成本较高、周期较长，且具有复杂的专业难度。由院校自身完成全部元素的设计工作并不现实，最佳获取方式是根据对教学科目和内容的规划，与院校与院外专业的设计团队合作，按需定制研发，才可使其性价比最大化。除此之外，通过互联网一些模型发布网站也可下载免费或收费的专业模型作为教学元素来源的重要补充。
4.3 实施过程选择
系统具体的研发工作，涉及到计算机信息化研发相关的专业技能，最佳模式是由院校自身组织需求开发的教学团队，结合外部研发实现的专业团队，共同设计，分步实现，才能最好的掌控教学需要与系统实现的最优整合状态。
5 结语
虚拟实训应用是学生课前预习、校内实践、课后复习，以及老师辅助教学的有效工具，以虚拟实训应用构成的整体虚拟实验室也是实验教学改革以及远程教育发展的强力支撑。虚拟实训的应用能满足现代教育技术发展要求，具有广阔的发展前景。
参考文献
[1] Russel SJ，Norving P.Anificial Intelligence：A Modem Approach[M].Upper Saddle River：Prentice Hall，1995：20-25.
[2] 张金钊，张金锐.2013三维立体动画游戏开发设计-详解与经典案例[M].北京：邮电大学出版社，2013.
[3] 乔非，王晓平.虚拟教学实验设计和开发技术与应用[M].同济大学出版社，2013.
[4] 联合国教科文组织，国际理论与应用物理研究所.虚拟教学实验室专家会议文集[M].依阿华州：美国依阿华州立大学，1999.