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论虚拟现实技术在大气科学实践教学中的应用

作者：张敬林 谭惠文 张国宇 来源：《科学与信息化》2018年第04期

摘 要 虚拟现实技术（Virtual Reality， VR）是一种新型交互集成技术，通过交互式的场景使用户沉浸在由计算机模拟的仿真环境当中。在高等教育的领域，虚拟现实的教育应用需要改变传统教学方法和理念。目前，虚拟现实技术在高等教育的应用远远落后于虚拟现实产业的发展，特别是在大气科学的教学实践领域。因此国内高等教育需要综合利用虚拟现实技术的潜力，不断完善教学手段和方法。本文通过调研虚拟现实技术应用方向和特点，综合分析了虚拟现实在高等教育领域特别是大气科学教学的实践的应用前景，基于Unity Web3D和Leap Motion体感控制器开发出一套气象云类的虚拟仿真专业教学平台。 关键词 虚拟现实；大气科学；实践教学；云分类；尾迹云 1 虚拟现实技术

虚拟现实技术是一种多技术的融合，富有挑战性的交叉学科研究领域[1-2]。Unity Web3D是将显示的物体2D和3D模型通过互联网形式进行虚拟的三维展示，并提供交互的虚拟现实技术。与二维图片、FLASH动画以及HTML等表现形式相比较，Unity Web3D能够提供更多的自主感给不同的终端用户，以及虚拟和互动等操作[3-5]。目前高等教育的教学不再单纯地依靠书本和教师授课，通过计算机辅助和多媒体技术弥补传统教学的缺陷。特别在教授一些如空间结构和机械运动等课程时，三维的展现使得课堂教学更加丰富，学生学习的过程更加具体，更轻松地掌握专业知识[6-8]。实际经验得知，动手操作比单纯地听或者说能够接受更多的信息。具有交互功能虚拟展示特性的Unity Web3D课件，可以让学生在动手操作中快速的学习知识，并对教授的课程有更深入的理解。 2 高等教育应用

虚拟现实技术应用于高等教育是由一个传统学习方式到现代学习方式的飞跃发展，其不仅能够构建自主学习的教学环境，而且能够通过与信息环境的交互来得到相应的知识和技能。 2.1 科技研究

近几年很多高等教育的学府都在积极探索如何虚拟现实技术的研究与高校专业知识的教授结合起来。通过建起了多方位的虚拟现实实验室，可以迅速转化已有的科研成果。通过与纯粹的课堂教学相比，结合虚拟现实的教学方案可以让学生亲身去经历、感受和操作，因此基于虚拟现实的主动交互学习方式可以完全替代被动的被灌输专业知识[9]。与此同时，虚拟实验室

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利用虚拟现实技术，可以设计多种不同实验涵盖如计算机、化学、物理等方向，为学生创造和提供一个全新的、生动逼真的学习环境。例如建造计算机三维建模，游戏人物模型，场景漫游等等，可以提供无限的虚拟交互体验在不同的教学领域，从而成倍的提高学生学习的积极性，加速学习过程和巩固知识。 2.2 虚拟实训基地

虚拟实训基地就是利用虚拟现实技术虚拟建立各种“设备”与“部件”，可以根据教学情况的需要随时更新和完善设备。不但教学内容可以随时更新，使实践训练的方法也可以及时满足技术的发展与要求。同时，虚拟现实提供的的沉浸与交互，可以使学生在一个虚拟的学习环境中扮演角色，全神贯注地投入到学习中，有利于学生的技能训练与提高[10]。这其中就包括师范类的教学技能、技术类的汽车驾驶、电器维修以及危险品加工处理等技能等的训练。由于虚拟现实构造的虚拟训练系统是没有任何危险的，学生可以不断地反复练习，直至各项操作技能熟练地掌握。例如：在虚拟的飞机驾驶训练系统中，学员可以反复操作和熟悉如何控制各种复杂的设备，运用最小的成本掌握在各种恶劣的天气情况下驾驶飞机起飞、降落等不同的操作，从而达到熟练掌握驾驶技术的目的。 3 大气科学教学的案例

大气科学不仅研究大气各种现象演变的规律，还包括人类活动的影响以及如何利用这些规律为人类服务的一门学科。作为地球科学的一个组成部分，大气科学研究对象主要是覆盖地球的低层大气，以及相对应的水圈、岩石圈、生物圈。而云作为整个大气系统最为重要的一个环节，同时也是影响气候系统的最大不确定因素。一般来说，云可以吸收从地面散发的热量，并将一部分热量反射回地面，有助于使地球保温。但是云也可以将太阳光的热量直接反射回外太空，这样便有助于地球降温。上述的保温还是降温作用取决于云的形状、位置以及光学性质等等。因此，全面细致地学习云分类识别方法，可以更好地开展其对区域和全球气候影响的研究。

所以云的分类与识别在大气科学的相关教学当中显得尤为重要。不再局限于课本的文字描述和图片展示，我们基于Unity Web3D和Leap Motion控制器开发出一套云类识别的虚拟仿真专业教学平台。通过该平台我们可以实现快速直观的学习各种云类知识。而Leap Motion是一种基于骨骼手势识别的体感控制器，它与键盘、鼠标、触控板等协同工作，完成手势识别等不同功能。利用Leap Motion，我们只需用手势即可来完成浏览、翻看不同云图照片等操作，并完成相应的云图分类，知识讲解，背景介绍等相应学考练等教学实践过程。同学生还可以在3D空间中了解不同云类生成的条件，拉伸、放大、漫游在不同的云类场景等高阶操作，从而体验一种全新的交互学习方式。 4 结束语

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本文通过对国内外虚拟现实技术应用状况的研究调研，分析了虚拟现实技术在高等教育领域的应用，并结合大气科学教学的实践，基于Unity Web3D和Leap Motion开发出一套云类识别的虚拟仿真专业教学平台。 参考文献

[1] 李建荣，孔素真.虚拟现实技术在教育中的应用研究[J].实验室科学，2014，17（03）：98-100.

[2] 丁楠，汪亚珉.虚拟现实在教育中的应用：优势与挑战[J].现代教育技术，2017，27（02）：19-25.

[3] 刘德建，刘晓琳，张琰，等.虚拟现实技术教育应用的潜力、进展与挑战[J].开放教育研究，2016，22（04）：25-31.

[4] 马冲宇，陈坚林.基于虚拟现实的计算机辅助语言教学——理论、方法与技术[J].外语电化教学，2012，（06）：28-33.

[5] 杨欢，刘小玲.虚拟现实系统综述[J].软件导刊，2016，15（04）： 35-38.

[6] 赵一鸣，郝建江，王海燕，等.虚拟现实技术教育应用研究演进的可视化分析[J].电化教育研究，2016，37（12）：26-33.

[7] 曹煊.虚拟现实的技术瓶颈[J].科技导报，2016，34（15）：94-103.

[8] 黄荣怀，郑兰琴，程薇.虚拟实验及其学习者可信度认知[J].开放教育研究，2012，18（06）：9-15.

[9] 刘炼，孙慧佳.虚拟现实技术在舞蹈教学中的应用现状及设计要求[J].中国电化教育，2014，（06）：85-88.

[10] 武刚，余武.虚拟校园三维全景漫游系统探究与实现[J].现代教育技术，2013，23（05）：122-126.