廖 素 ２０１４正８ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｅｄｕｃａｔｉｏｎ 虚拟现实技术在水污染控制教学中的应用研究 齐昕刘嘉夫李前杰马焕春 永川４０２１６０） （重庆水利电力职业技术学院，重庆［摘要】虚拟现实技术在教育领域的应用越来越广泛。通过分析虚拟现实技术在水污染控制工程教学中的应用，利用Ｕｎｉ－ Ｕｎｉｔｙ３Ｄ交互控制 多媒体 ［文献标识码］Ｂ ［文章编号］２０９５—３４３７（２０１４）１４—０１７１—０２ ｔｙ３Ｄ虚拟现实技术开发水污染控制工程交互式三维多媒体课件，并应用于教学实践，取得良好的教学效果。 ［关键词】虚拟现实水处理［中图分类号］ＴＰ３９１．９；Ｇ４３４ 虚拟现实技术，是模拟人类视觉、听觉、力觉、触觉 等感知行为的高度逼真的人机交互技术。［１－３］它生成的视 觉环境呈现出三维立体效果，可以把复杂、抽象的数据 信息表示成直观的、可交互的三维实体。虚拟现实技术 的特点在于通过计算机产生一种人为虚拟的环境，这种 虚拟的环境是通过计算机图形构成三维立体空间，或是 把其他现实环境编制到计算机中去产生逼真的“虚拟环 图１ 重力式无阀滤池三维展示 境”，从而使得用户在视觉上产生一种沉浸于虚拟环境 的感觉。［２－５］ （二）虚拟教学情景 利用虚拟现实技术构建的三维场景，以第一视角在 其中穿行漫游，高质量的三维画面使人产生身临其境的 感觉。例如在讲授污水处理厂巡视的注意事项时，利用 三维污水处理厂的虚拟环境，使学生感觉自己就是在污 水处理厂中行走，一路上会接触到不同构筑物和设备， 然后记录下各种状态。还可以创设各种异常问题的场 景，等待学生自行解决。这样就把抽象复杂的概念变成 水污染控制工程是给排水、环境类专业的专业课 程，主要是学习水处理工艺及构筑物的构造。水处理构 筑物数量多而且内部构造复杂，认识和观察水处理构筑 物构造是学习水处理原理的重要环节。鉴于此，我们利 用虚拟现实技术生成的交互式三维环境，开发水污染控 制工程三维交互式多媒体课件，并应用于教学实践中。 虚拟现实技术在水污染控制教学中的应用 与现实接近的直观感觉，使学习者能够身临其境，把复 杂的问题简单化，抽象的概念直观化，老师和学生能够 互动，以一种很自然的方式来指导教与学，使学生在潜 移默化中不断提高自己的理论水平和实践能力，从而弥 一、（一）构筑物三维立体演示 利用虚拟现实技术制作三维立体的水处理构筑物， 可以按１：１的比例制作各种水处理构筑物，三维模型可 补了一般多媒体课件的不足。嘲 （三）三维动态交互 以还原逼真的现场环境，避免了传统多媒体课件中主要 以二维平面展示为主，教学容量有限，教学的表现形式 比较枯燥的问题。如图１所示，将要学习的重力式无阀 滤池制作成三维模型，能够真实展现出实物外形和内部 构造的方方面面，允许从各角度实时观察重力式无阀滤 动态交互是虚拟现实技术重要表现，在传统的二维 多媒体中很难做到动态交互。观察视角有第一视角、第 三视角和自由视角，这三种观察视角可以随时变化。比 如在污水处理厂巡视的教学中，当巡视到某一阀门时， 可以切换到自由视角，对该阀门进行全方位的观察。 由于水处理构筑物内部构造复杂，但又被顶盖遮挡，有 时候需要实时地把构筑物剖切查看内部。利用虚拟现实 技术能够很容易实现这种实时的剖切效果。这种三维动 池，并可以任意缩放、移动视图，进行全方位的浏览，避 免了教学中观测角度不全面，内部构筑物难以观察等不 足，学生可以足不出户就能像在现场一样观察到重力式 无阀滤池的各个组成部分及内部构造。 态交互的表现，形成很强烈的视觉冲击，能极大地激发 ［收稿时间］２０１４—０３—２８ ［基金项目］重庆市高等教育教学改革研究一般项目资助（编号：１３３３０３）；重庆水利电力职业技术学院教育教学改革研究重点 项目资助（编号：２０１２００８）；重庆水利电力职业技术学院科研项目资助（编号：Ｋ２０１３１７）。 ［作者简介］齐昕（１９８２一），女，河南济源人，硕士，讲师，研究方向：水处理工艺，水力计算。 １７１ 廖 素 学生的参与热情和学习激情。 图２ 重力式无阀滤池实时剖切 （四）水处理运行管理仿真训练 水处理运行管理是水污染控制工程的重要内容，通 常情况下是采用校外实践的形式培养学生的动手能力。 由于学生学习时间短，对专业知识掌握程度还不够成 熟，可提供的实际操作空间有限，而且实习的时间有限， 使得校外实践不能达到预想的效果，不能真正地提高学 生的动手能力。 利用虚拟现实技术制作整个水厂的构筑物和设备， 学生足不出户便可以进行各项运行管理的操作，获得与 真实操作一样的体会，既丰富了学习的感性认识，又加 深了对教学内容的理解，减少了经费的投入。同时，采用 虚拟现实技术可以避免真实操作所带来的危险；虚拟环 境中的设备可以重复使用，也可以随时更新设备，使实 践训练跟上技术的发展。通过仿真训练，学生可以熟练 掌握水处理运行中的各项操作技能，熟练掌握某些仪器 设备的操作技能，增强安全意识、动手能力和经验的积 累。 二、基于Ｕｎｉｔｙ３Ｄ的虚拟现实教学课件开发 Ｕｎｉｔｙ３Ｄ是一款多平台的游戏开发工具，采用Ｕｎｉ— ｔｙ３Ｄ作为虚拟现实开发平台，开发效率高，效果逼真，交 互能力强。 首先广泛的收集水污染控制工程中所涉及的图片、 文字、声音和视频等，同时调研附件的水处理厂，收集构 筑物标准图集。然后利用３ｄｓ Ｍａｘ进行各个构筑物的三 维建模，并进行贴图，建模完成后，将模型塌陷为网格物 体，导出扩展名为ＦＢＸ的文件。把模型文件导人Ｕｎｉ— ｔｙ３Ｄ平台，导入后可在Ｕｎｉｔｙ３Ｄ中贴图，添加灯光效 果。场景构建完成后做系统交互设计。交互设计采用 ＪａｖａＳｃｒｉｐｔ脚本文件编写控制代码，开发第一视角、第三 视角和自由视角三种视角交互模式。系统完成后进行性 １７２ 能测试，最后生成可执行文件，同时发布到ＰＣ平台和 安卓系统平台。 由于水处理构筑物的数量多，结构复杂，模型面数 多，在程序执行时，渲染消耗系统资源较大，因此需要对 场景进行优化。在Ｕｎｉｔｙ３Ｄ采用漫反射材质，贴图的大 小要适中，将不可移动的物体设置成ｓｔａｔｉｃ状态，通过内 置的Ｂｅａｓｔ烘焙工具根据网格物体、材质贴图和灯光属 性的设置来烘培场景，同时取消动态阴影效果。这样就 可以使课件在配置较低的计算机上也可流畅运行。 三、结语 虚拟现实技术作为新兴的计算机技术，在教育领域 的作用越来越明显。传统的水污染控制工程多媒体课件 由于其本身所具有的缺陷，已经逐渐不能满足水污染控 制工程教学的需要，利用虚拟现实技术开发出虚拟现实 教学课件能够很好地弥补传统多媒体课件的缺点，不仅 使学生能够感到模型和场景十分逼真地存在，能深入构 筑物的各个位置进行观察，而且能对学生的操作做出实 时准确的响应，使学生获得与现场操作一样的感受，从 而增强了感性认识，加深对教学内容的理解，改变人与 计算机之间枯燥、生硬和被动的现状，使学生能在虚拟 的学习环境中扮演一个角色，全身心地投入学习环境中 去，使学生陶醉于课程学习中。 ［注释］ ［１］干建松．基于Ｕｎｉｔｙ３ｄ的室内漫游仿真系统［Ｊ］．淮阴师范 学院学报（自然科学），２０１１（６）：５１５—５１８． ［２］闫海艇，高淑娟，洪玉玲．基于Ｕｎｉｔｙ的虚拟现实技术在井 下仿真中的应用［Ｊ］．煤矿安全，２０１３（８）：９９～１０１． ［３］倪乐波，戚鹏，遇丽娜，等．Ｕｎｉｔｙ３ｄ虚拟展示技术的研究 与应用［Ｊ］．数字技术与应用，２０１０（１２）：５４—５５． ［４］ 陈洪，马钦，朱德海．基于ｕｎｉｔｙ ３ ｄ的交互式虚拟农业仿 真平台研究［Ｊ］．农机化研究，２０１２（３）：１８４—１８６． ［５］李妹博．虚拟现实技术在职业教育中应用的理论研究［Ｊ］． 辽宁高职学报，２０１３（７）：ｌ３一ｌ５． ［６］ 郑培峰．虚拟现实技术在课件中的应用［Ｊ］．福建广播电视 大学学报，２０１０（４）：９３—９５． ［责任编辑：钟岚］
