2019年度国家虚拟仿真实验教学项目认定计划及对应专业表

教育部办公厅关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知文章属性•【制定机关】教育部办公厅•【公布日期】2017.07.11•【文号】教高厅〔2017〕4号•【施行日期】2017.07.11•【效力等级】部门规范性文件•【时效性】现行有效•【主题分类】高等教育正文教育部办公厅关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设的通知教高厅〔2017〕4号各省、自治区、直辖市教育厅（教委），新疆生产建设兵团教育局，有关部门（单位）教育司（局），部属各高等学校：为贯彻落实习近平总书记关于强化实践育人工作的重要指示精神和全国高校思想政治工作会议精神，根据《教育信息化十年发展规划（2011-2020年）》和《2017年教育信息化工作要点》等相关要求，深入推进信息技术与高等教育实验教学的深度融合，不断加强高等教育实验教学优质资源建设与应用，着力提高高等教育实验教学质量和实践育人水平，经研究，决定在高校实验教学改革和实验教学项目信息化建设的基础上，于2017-2020年在普通本科高等学校开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设工作。

现就相关工作通知如下：一、建设目标紧紧围绕立德树人根本任务，适应经济社会快速发展对人才培养的新要求、现代大学生成长的新特点、信息化时代教育教学的新规律，以提高学生实践能力和创新精神为核心，以现代信息技术为依托，以相关专业类急需的实验教学信息化内容为指向，以完整的实验教学项目为基础，建设示范性虚拟仿真实验教学项目，推动高校积极探索线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式，形成专业布局合理、教学效果优良、开放共享有效的高等教育信息化实验教学项目示范新体系，支撑高等教育教学质量全面提高。

二、建设内容实验教学项目作为高校开展实验教学的基本单元，其建设水平直接决定实验教学的整体质量。

开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设，是推进现代信息技术与实验教学项目深度融合、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措。

国家级虚拟仿真实验教学项目建设经验及思考作者：吉东风李海燕成何珍吴震张炜来源：《教育教学论坛》2020年第42期[摘要] 总结了国家级虚拟仿真实验教学项目建设方面的经验及成果，并对今后虚拟仿真工作提出了一些建议和思考。

[关键词] 虚拟仿真实验教学项目;建设经验;思考[基金项目] 教育部高等教育教改研究立项课题“鸡胚孵化及蛋鸡饲养虚拟仿真实验教学项目”（2018-2-0212）[作者简介] 吉东风（1965—），男，江苏东海人，硕士，南京农业大学教务处实验室管理科科长，副研究员，研究方向为高等教育管理;李海燕（1976—），女，天津蓟县人，硕士，南京农业大学教务处实践教学科，助研（通信作者）。

[中图分类号] G642.0; ; [文献标识码] A; ; ;[文章编号] 1674-9324（2020）42-0390-03; ; [收稿日期] 2019-11-06引言虚拟仿真实验教学项目建设是推进现代信息技术融入实验教学、拓展实验教学内容广度和深度、延伸实验教学时间和空间、提升实验教学质量和水平的重要举措。

虚拟仿真实验教学是目前国家信息化教育战略的重要实践内容，而加速信息化教学建设是很多高校“十三五”规划的重要建设内容之一。

我校从2016年起，在原有基础上，投入专项经费在全校积极开展示范性虚拟仿真实验教学项目建设，四年来，共建设校级虚拟仿真实验教学项目47项，并积极推荐到教育厅及教育部，参加省级和国家虚拟仿真实验教学项目认定工作。

2016年有6个项目参加了“江苏省虚拟仿真实验教学共享平台及在线开放虚拟仿真实验教学项目”遴选，3个项目获省级立项。

2017年我校“不同生态区生物学野外实习”虚拟仿真实验教学项目，在学校和江苏省教育厅多次审核、评选、推荐的基础上，经教育部综合评议和公示，被教育部认定为首批国家虚拟仿真实验教学项目。

2018年我校“鸡胚孵化及蛋鸡饲养虚拟仿真实验教学项目”和“乳化肠规模化生产虚拟仿真实验”项目，被教育部认定为国家虚拟仿真实验教学项目。

第二批国家级一流课程清单第二批国家级一流课程清单如下：
线上课程：
1. 《欧盟经济》
2. 《投资银行学》
3. 《宏观经济学》等1095门课程
虚拟仿真实验教学一流课程：
1. 《视听叙事虚拟仿真实验》
2. 《空天防御雷达虚拟仿真实验》
3. 《全景叙事虚拟仿真实验教学》等472门课程
线上线下混合式一流课程：
1. 《流行病学》
2. 《护理研究》
3. 《传播理论》等1801门课程
线下一流课程：
1. 《博弈论》
2. 《城市管理》
3. 《发展心理学》等2076门课程
社会实践一流课程：
1. 《思想政治实践》
2. 《城乡综合社会调查》
3. 《互联网创业实践》等307门课程。

以上是第二批国家级一流课程的清单，具体课程可能根据学校和专业有所不同，建议查阅教育部官网获取完整、准确的清单。

「：黑龙江农业科学2020(12)129130 Heilongjiang Agricultural Sciencesh t p：//hljnykx haasep cn DOI：1011942/j.issn100227672020」20129孙丽芳，王霞，高树仁，等•虚拟仿真在作物育种学实验教学建设的探讨［J］•黑龙江农业科学，2020(12)129-130,131.虚拟仿真在作物育种学实验教学建设的探讨孙丽芳，王霞，高树仁，金光辉，姜丽丽，邓杰(黑龙江八一农垦大学农学院，黑龙江大庆163319)摘要：作物育种学课程是农业高校农学专业的必修专业课程，是作物品种培育的重要理论和方法。

为进一步提高教学质量，本文分析了传统作物育种学实验教学存在的不足与建设虚拟仿真实验教学资源的必要性，从不同繁殖方式作物育种方法、育种过程、实验内容等方面阐述了作物育种学虚拟仿真实验教学体系设计情况。

关键词：虚拟仿真；实验教学；作物育种学作物育种学是以遗传学、进化论为基础的综合应用和实践性学科，而作物育种学实验教学是作物育种学教学的重要组成部分。

作物育种学实验是学生将育种理论和实践有机结合的基本环节，其涉及到育种计划的制定、育种材料播前准备、自花/异花授粉作物育种试验田的区划设计、种质资源田间种植方式及要求、田间管理技术、各种作物的杂交技术、优良单株/系统/杂交组合田间鉴定选择、室内考种、实验数据统计分析等实验技术和方法，在品种培育过程中占有重要的位置［1］。

因此，作物育种学实验教学在锻炼学生实践操作技能及培养学生科研素质方面至关重要。

虚拟仿真实验是以计算机软件及硬件为依托，通过虚拟仿真技术模拟真实的实验过程，让操作者有身临其境的感觉去完成预设的实验项目［4］。

2013年，教育部发布《关于开展国家级虚拟仿真实验教学中心建设工作的通知》，2015年国家教育部计划遴选产生100个左右国家级虚拟仿真实验教学中心，其中南京农业大学生物类虚拟仿真实验教学中心就有11个5,2018年首批认定105个国家虚拟仿真实验教学项目。

附件2高等职业教育项目库项目申报书学校名称：XXX学院（盖章）项目名称：虚拟仿真实训室联系部门：联系人：（签字）联系电话：编制日期：2023年8月28日目录一、项目现状 (1)二、指导思想 (1)三、总体目标 (5)四、建设内容 (8)五、资金预算及主要用途 (9)六、项目实施组织及进度安排 (9)七、预期效益分析 (9)八、保障措施 (11)九、附表 (12)一、项目现状国家从政策层面，对虚拟仿真实在教育等领域中的应用提供了良好的支撑环境，并进一步指明了未来的发展方向。

2015年，教育部办公厅《关于开展2015年国家级虚拟仿真实训教学中心建设工作的通知》指出，虚拟仿真实训教学是高等教育信息化建设和实训教学示范中心建设的重要内容，是学科专业与信息技术深度融合的产物；2016年，工信部电子技术标准化研究院《虚拟现实产业发展白皮书 5.0》讲述了当前中国虚拟现实产业的发展状况，并提出了相关政策，从国家层面充分肯定了虚拟现实行业。

2017年，教育部办公厅《关于2017-2020年开展示范性虚拟仿真实训教学项目建设的通知》明确，以相关专业类急需的实训教学信息化内容为指向，以完整的实训教学项目为基础，建设示范性虚拟仿真实训教学项目，推动高校积极探索线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实训教学新模式；紧接着，教育部办公厅《关于开展2017年度示范性虚拟仿真实训教学项目认定工作的通知》提出，通过公示的虚拟仿真实训教学项目的教学内容、教学方法、教学效果、教学资源、共享服务等方面进行评价，认定后，持续改进、持续开放服务、持续监督。

《国家职业教育改革实施方案》明确表明要把职业教育摆在更加突出的位置，对接科技发展趋势和市场需求，完善职业教育和培训体系，优化学校、专业布局，深化办学体制改革和育人机制改革，鼓励和支持社会各界特别是企业积极支持职业教育，着力培养高素质劳动者和技术技能人才，为促进经济社会发展和提高国家竞争力提供优质人才资源支撑。

虚拟仿真实训基地课表
下面是虚拟仿真实训基地的课表，希望同学们提前做好准备。

周一：
8:00-10:00：计算机基础实训
10:30-12:30：C++编程实训
13:30-15:30：网络安全实训
16:00-18:00：操作系统实训
周二：
8:00-10:00：Java编程实训
10:30-12:30：Web开发实训
13:30-15:30：人工智能实训
16:00-18:00：数据结构与算法实训
周三：
8:00-10:00：物联网实训
10:30-12:30：嵌入式系统实训
13:30-15:30：移动应用开发实训
16:00-18:00：数据库实训
周四：
8:00-10:00：区块链实训
10:30-12:30：机器学习实训
13:30-15:30：云计算实训
16:00-18:00：虚拟现实与增强现实实训
周五：
8:00-10:00：大数据实训
10:30-12:30：软件测试实训
13:30-15:30：项目管理实训
16:00-18:00：毕业设计指导
以上是虚拟仿真实训基地的课表安排，同学们务必按时参加并积极配合老师的教学。

祝大家在这里取得丰硕的成果！。

1.好虚拟仿真实验教学项目的内涵要求2.教学设计拓展实验教学的深度与广度3.实验教学一流课程“金课”布局思考微信扫码二维码，免费报告轻松领加入微信群1.进群，即可免费获得《报告与资源合集（群福利）》，内有几十个行业，上万份行研资料和学习资源；2.每日免费分享最新5+份精选报告；3.群友信息交流，群主免费提供相关行业报告。

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–学生在虚拟环境中开展实验，达到教学大纲要求的教学目的的教学活动。

–虚拟实验环境（仪器设备等）与实验对象、–满足教学大纲要求。

n基本原则—“两性一度”标准•提升高阶性。

课程目标坚持知识、能力、素质有机融合，培养学生解决复杂问题的综合能力和高级思维。

课程内容强调广度和深度，突破习惯性认知模式，培养学生深度分析、大胆质疑、勇于创新的精神和能力。

•突出创新性。

教学内容体现前沿性与时代性，及时将学术研究、科技发展前沿成果引入课程。

教学方法体现先进性与互动性，大力推进现代信息技术与教学深度融合，积极引导学生进行探究式与个性化学习。

•增加挑战度。

课程设计增加研究性、创新性、综合性内容，加大学生学习投入，科学“增负”，让学生体验“跳一跳才能够得着”的学习挑战。

严格考核考试评价，增强学生经过刻苦学习收获能力和素质提高的成就感。

“两性一度”是好虚拟仿真实验项目的基本要求“两性一度”是拓展实验教学深度与广度的基础①实验内容要精彩②实验构思要巧妙③实验技术要先进④实验做法要灵活⑤实验结果要可靠⑥实验评价要客观⑦背景素材要丰富⑧实现技术要合适我认为的好虚拟仿真教学项目内涵①实验内容要精彩–立德树人–国家战略、学科行业产业发展最新成果（高阶性、创新性）–专业特色鲜明–符合学校定位和人才培养特点–教学大纲要求的重要内容②实验构思要巧妙–来源于科研和工程最新成果–是教学项目，但核心要义高度凝练–用大家通晓的最普通方法进行教学实现（创新性）–学：容易实现–教：容易组织③实验技术要先进–技术与内容相辅相成–专业内核鲜明（教学内容）–实验技术涉及相关学科最新技术，实现学科交叉（创新性）–提升学生解决专业问题的能力、结合各专业领域的能力，培养学生的创新能力（高阶性）④实验做法要灵活–实验方法多途径、多方案、体现综合，教学方法自主、互动–不能是程序性的简单的“Yes”和“No”–实验过程不唯一，但结果应具有一致性–要实现实验教学的本真目的（高阶性、创新性、挑战度）•基础（验证、研究性验证）+拓展（开窗口引导学生涉足前沿探究）•使学生体验创新的快乐和自信，激发创新欲望•鼓励学生持续性地把发现的“新”深究下去•让学生在实验过程中挑战自己的能力极限，适应不同能力的学生⑤实验结果要可靠–真实性：以仿真为主、模拟为辅，没有仿真不能称为实验–科学问题一定是仿真，过程示教可以是模拟–科研数据为项目的底层数据支撑–实验结果是科研结果的再现（高阶性、创新性）技术手段数学模型教学作用模拟主要因素的大致数学模型示教仿真系统原型的数学模型验证、探究未知虚拟仪器对原有的仪器功能建模，属于仿真范畴基础教学，实验系统搭建远程简单建模，控制操作数字化实体、虚拟仿真虚拟包含模拟、仿真、虚拟仪器、远程控制等示教、实训、探究未知⑥实验评价要客观–是实验过程考核，也是学生能力结构考核–检验学生的实验学习效果，并及时、在线给出相关反馈信息–要体现实验过程的规范性（知识掌握、步骤与行为规范等）–鼓励学生提高实验的准确度（高阶性、挑战度）–评价结果可以作为持续改进虚拟仿真教学项目的依据–要有完整的评价模型，以系统客观评价为主，利于共享应用⑦实验素材要丰富–学生交互性操作步骤说明要详细•非开发人员打开网页能顺利开展并完成实验；开发人员参照步骤说明能完成该虚拟仿真实验的开发任务–有丰富的实验项目辅助资源，帮助学生进行实验（创新性）•教学视频、教学课件（与实验配套，如PPT等）•辅助参考资料涉及必要的核心理论、方法、技术背景知识，帮助学生完成正确的决定，使学生不盲目的跟随“Yes”和“No”⑧实现技术要适合–通过“虚拟反映现实”再现科学问题（高阶性、创新性）–通过“形象展现抽象”展现教学问题（创新性）–不能过度的追求“炫酷”而缺失内涵–高效的技术，远程访问响应速度要快“两性一度”是好虚拟仿真实验项目的基本要求“两性一度”是拓展实验教学深度与广度的基础1.好虚拟仿真实验教学项目的内涵要求2.教学设计拓展实验教学的深度与广度3.实验教学一流课程“金课”布局思考l建设目标–围绕立德树人，适应人才培养新要求、大学生成长新特点、信息化时代教育教学新规律；–以提高学生实践能力和创新精神为核心，以现代信息技术为依托，以相关专业类急需的实验教学内容为指向，以完整的实验教学项目为基础，建设示范性虚拟仿真实验教学项目；–积极探索线上线下教学相结合的个性化、智能化、泛在化实验教学新模式，形成专业布局合理、教学效果优良、开放共享有效的高等教育信息化实验教学项目示范新体系，支撑高等教育教学质量全面提高。

第２４卷第１期２０２１年１月㊀㊀㊀西安文理学院学报(自然科学版)ＪｏｕｒｎａｌｏｆＸｉ ａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ(ＮａｔｕｒａｌＳｃｉｅｎｃｅＥｄｉｔｉｏｎ)㊀㊀㊀㊀Ｖｏｌ ２４㊀Ｎｏ １Ｊａｎ ２０２１文章编号:１００８￣５５６４(２０２１)０１￣００３４￣０８基于ＩｄｅａＶＲ的虚拟仿真实验系统设计与实现孙美丽ꎬ曾佩枫ꎬ常㊀勇(山东师范大学地理与环境学院ꎬ济南２５０３５８)摘㊀要:虚拟现实技术(ＶｉｒｔｕａｌＲｅａｌｉｔｙꎬＶＲ)具有沉浸感㊁实时交互㊁多人协同等特性ꎬ在教育领域中有着十分重要的应用价值.通过收集数据ꎬ利用ＳｋｅｔｃｈＵｐ进行三维模型的构建ꎬ再利用ＩｄｅａＶＲ平台搭建整个三维场景㊁编辑交互动画ꎬ基于ＩｄｅａＶＲ的虚拟仿真实验系统实现了三维导航及漫游㊁实时信息查询㊁多人协同操作以及回忆测试等功能.实验结果表明ꎬ该系统可以让学生通过先进的虚拟现实硬件设备在沉浸式虚拟现实环境中进行交互式㊁协同式的操作和学习ꎬ与传统教学方式相比ꎬ大大增加了学生的兴趣㊁投入感和满足感ꎬ提高了认知效果和学习效率ꎬ从而证明了ＶＲ技术的实用性.关键词:虚拟现实技术ꎻ沉浸感ꎻ实时交互ꎻ多人协同ꎻ虚拟仿真实验系统ꎻＩｄｅａＶＲ中图分类号:ＴＰ３９１.９文献标志码:ＡＤｅｓｉｇｎａｎｄＩｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆＶｉｒｔｕａｌＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔＳｙｓｔｅｍＢａｓｅｄｏｎＩｄｅａＶＲＳＵＮＭｅｉ￣ｌｉꎬＺＥＮＧＰｅｉ￣ｆｅｎｇꎬＣＨＡＮＧＹｏｎｇ(ＧｅｏｇｒａｐｈｙａｎｄＥｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔＣｏｌｌｅｇｅꎬＳｈａｎｄｏｎｇＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙꎬＪｉｎａｎ２５０３５８ꎬＣｈｉｎａ)Ａｂｓｔｒａｃｔ:ＶｉｒｔｕａｌＲｅａｌｉｔｙ(ＶＲ)ｈａｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｉｍｍｅｒｓｉｏｎꎬｒｅａｌ￣ｔｉｍｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎꎬｍｕｌｔｉ￣ｐｅｒｓｏｎｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｏｎａｎｄｓｏｏｎꎬａｎｄｈａｓａｖｅｒｙｉｍｐｏｒｔａｎｔａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｖａｌｕｅｉｎｔｈｅｆｉｅｌｄｏｆｅｄｕｃａｔｉｏｎ.ＢｙｃｏｌｌｅｃｔｉｎｇｄａｔａꎬＳｋｅｔｃｈＵｐｗａｓｕｓｅｄｔｏｂｕｉｌｄｔｈｅ３ＤｍｏｄｅｌꎬａｎｄＩｄｅａＶＲｐｌａｔｆｏｒｍｗａｓｕｓｅｄｔｏｂｕｉｌｄｔｈｅｗｈｏｌｅ３Ｄｓｃｅｎｅａｎｄｅｄｉｔｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅａｎｉｍａｔｉｏｎ.Ｔｈｅｖｉｒｔｕａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘ￣ｐｅｒｉｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＩｄｅａＶＲｒｅａｌｉｚｅｄｔｈｅｆｕｎｃｔｉｏｎｓｏｆ３Ｄｎａｖｉｇａｔｉｏｎａｎｄｒｏａｍｉｎｇꎬｒｅａｌ￣ｔｉｍｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｑｕｅｒｙꎬｍｕｌｔｉ￣ｐｅｒｓｏｎｃｏｏｐｅｒａｔｉｖｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｒｅｃａｌｌｔｅｓｔ.Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅ￣ｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｓｙｓｔｅｍｃａｎｌｅｔｓｔｕｄｅｎｔｓｃａｒｒｙｏｕｔｉｎｔｅｒａｃｔｉｖｅａｎｄｃｏｌｌａｂｏｒａｔｉｖｅｏｐｅｒａｔｉｏｎａｎｄｌｅａｒｎｉｎｇｉｎｔｈｅｉｍｍｅｒｓｉｖｅｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｂｙｕｓｉｎｇａｄｖａｎｃｅｄｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙｈａｒｄｗａｒｅｅｑｕｉｐｍｅｎｔ.Ｃｏｍｐａｒｅｄｗｉｔｈｔｈｅｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌｔｅａｃｈｉｎｇｍｅｔｈｏｄꎬｉｔｇｒｅａｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｅｓｔｈｅｓｔｕｄｅｎｔｓ ｉｎ￣ｔｅｒｅｓｔꎬｓｅｎｓｅｏｆｅｎｇａｇｅｍｅｎｔａｎｄｓａｔｉｓｆａｃｔｉｏｎꎬａｎｄｉｍｐｒｏｖｅｓｔｈｅｃｏｇｎｉｔｉｖｅｅｆｆｅｃｔａｎｄｌｅａｒｎｉｎｇｅｆ￣ｆｉｃｉｅｎｃｙꎬｗｈｉｃｈｐｒｏｖｅｓｔｈｅｐｒａｃｔｉｃａｂｉｌｉｔｙｏｆＶＲｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ.Ｋｅｙｗｏｒｄｓ:ｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙꎻｉｍｍｅｒｓｉｖｅꎻｒｅａｌ￣ｔｉｍｅｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎꎻｍｕｌｔｉ￣ｐｅｒｓｏｎｓｃｏｌｌａｂｏ￣ｒａｔｉｏｎꎻｖｉｒｔｕａｌｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｙｓｔｅｍꎻＩｄｅａＶＲ收稿日期:２０２０－０６－０８基金项目:２０１９年教育部产学合作协同育人项目(２０１９０１２０５０１９): 旅游与地理虚拟仿真实验教学作者简介:孙美丽(１９９７ )ꎬ女ꎬ山东德州人ꎬ山东师范大学地理与环境学院硕士研究生ꎬ主要从事虚拟现实ꎬ地理信息三维可视化研究.通讯作者:常㊀勇(１９６８ )ꎬ男ꎬ山东德州人ꎬ山东师范大学地理与环境学院副教授ꎬ博士ꎬ主要从事虚拟现实ꎬ地理信息三维可视化研究.虚拟现实技术是以计算机技术为核心ꎬ生成与一定范围真实环境在视㊁听㊁触感等方面近似的数字化环境[１].作为一种可以创造和体验虚拟世界的计算机技术ꎬ它利用计算机生成仿真环境ꎬ借助虚拟头盔显示器(以下简称头显)㊁无线控制器手柄等设备ꎬ使用户实时感知和操作虚拟世界中的对象[２]ꎬ获得身临其境般的感受.相对于计算机ꎬＶＲ将扁平的虚拟世界提升到三维立体的虚拟世界ꎬ其操控交互方式更加拟人化㊁自然化[３].随着科学技术的不断发展ꎬ计算机㊁平板电脑㊁手机等智能设备的日渐普及ꎬ网络的飞速发展ꎬ传统图片与文字等相关交互模式已经很难满足民众的多元化需求ꎬ沉浸式或者多元化的交互模式无疑会成为今后重要的发展趋势[４].因此ꎬ虚拟现实技术飞速发展ꎬ越来越多的虚拟仿真场景被应用于各个行业ꎬ给人类的生活和生产带来了巨大的变化ꎬ如实时人机交互技术能够让用户体验到高度的参与感和真实感[５].从这样的观点来看ꎬ将虚拟现实技术与专业理论教育及专业仪器拆装训练相结合ꎬ既可以解决一些用文字和传统图片难以说明和解释的学习内容ꎬ还可以期待通过一系列的人机交互功能使学习者高度参与到虚拟训练中ꎬ进而提高学习效果.因此ꎬ本文的目的是基于虚拟现实和人机交互技术ꎬ利用ＳｋｅｔｃｈＵｐ及ＩｄｅａＶＲ开发一个具有良好沉浸感㊁交互性和多人协同能力的虚拟仿真实验系统ꎬ用于三维导航及漫游㊁实时信息查询㊁多人协同操作以及回忆测试等虚拟训练ꎬ以探讨ＶＲ技术在教育领域中的实用价值.１㊀系统架构将虚拟仿真技术与传统的测绘实习仪器全站仪的相关课程相结合ꎬ即 虚实结合 的原理ꎬ运用ＳｋｅｔｃｈＵｐ和ＩｄｅａＶＲ开发具有良好沉浸感㊁交互性和多人协同能力的虚拟仿真实验系统.系统的实现主要包括前期的数据收集ꎬ经过处理后ꎬ在建模软件中进行整个三维模型的构建ꎬ然后将整个三维模型导入ＩｄｅａＶＲ编辑器中进行三维场景的搭建以及各项系统功能的设计与实现ꎬ最终通过交互设备ꎬ对整个系统进行效果验证.系统的总体设计和架构如图１所示.图１㊀系统架构图２㊀数据获取及三维模型构建２.１㊀数据获取通过组织项目人员直接用全站仪或者ＧＰＳ等测量仪器对所需要构建三维模型的建筑进行测量ꎬ得到相关的参数数据ꎬ再通过在谷歌㊁天地图等一些在线地图中ꎬ获得所需位置的平面效果图数据ꎬ最后通过实地考察拍摄ꎬ拍摄实地建筑景观的全景图片作为该对象建模的完整参照图.２.２㊀三维模型构建三维模型的建立是整个虚拟实验场景的基础ꎬ能够模拟现实世界的物理特性[６].这决定了学习者是否能够直观体验真实的物理情境ꎬ以及动态交互所提供的逼真的沉浸式虚拟现实环境.三维模型构建的具体流程如下:５３第１期孙美丽ꎬ等.基于ＩｄｅａＶＲ的虚拟仿真实验系统设计与实现(１)ＳｋｅｔｃｈＵｐ三维建模在三维模型的构建环节ꎬ选择ＳｋｅｔｃｈＵｐ软件进行建模.ＳｋｅｔｃｈＵｐ软件功能和操作简单㊁模型通用性好㊁模型较小㊁建模周期短ꎬ可以快速大批量精细建模[７].在建模过程中ꎬ将整个场景的构建分为两部分进行ꎬ即外部场景(教学楼)和内部场景(实验室)两部分.导入所需位置的平面图数据ꎬ根据相关的参数数据调整其比例ꎬ通过软件的画图工具ꎬ参照平面图绘制出封闭的面状底物ꎬ然后再利用拉伸工具将已经生成的面拉伸至空间实体的实际高度ꎬ在此基础上先做出该物体大致的轮廓ꎬ再遵循 从大到小ꎬ从整体到局部 的原则来完善细节[８].建模时ꎬ尽量使线条看起来简洁不嘈杂ꎬ不存在重叠面ꎬ防止在ＩｄｅａＶＲ中出现卡顿等现象.还要注意组建群组ꎬ以利于后续对模型进行修改时能方便快捷.(２)Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ贴图处理实体三维模型构建完成后ꎬ为了与实物外观相符ꎬ使模型更加逼真和美观ꎬ达到与三维空间实体更高的吻合度.这就需要通过实地考察ꎬ拍摄各方位的实景照片ꎬ然后在Ｐｈｏｔｏｓｈｏｐ图形处理软件中ꎬ对图像进行裁剪㊁拼接㊁模式调整以及其他相关处理ꎬ最后添加到ＳｋｅｔｃｈＵｐ中作为三维模型表面纹理.虚拟三维模型如图２所示.整个建模完成后ꎬ先通过把模型中的纹理贴图以ｄａｅ的格式导出ꎬ再将模型转换为ＩｄｅａＶＲ支持的３ｄｓ格式导入到纹理贴图的文件夹中ꎬ保证导入ＩｄｅａＶＲ中不丢失模型纹理ꎬ最终导入ＩｄｅａＶＲ中.图２㊀ＳｋｅｔｃｈＵｐ中三维模型效果图３㊀虚拟仿真实验系统搭建３.１㊀虚拟场景搭建平台ＩｄｅａＶＲ是曼恒数字自主研发的虚拟现实引擎平台ꎬ支持异地多人协同功能ꎬ是为教育㊁企业等行业用户打造的ＶＲ内容创作软件ꎬ可帮助非开发人员高效开发和应用行业内容.通过共享云平台获取ＶＲ素材资源ꎬ使用场景编辑器和交互编辑器快速搭建场景内容㊁制定交互行为逻辑ꎬ支持多种头盔显示设备.利用这款开发平台进行虚拟场景的搭建有以下几点优势:(１)使用零编程基础和图像化的方法快速制定交互和行为逻辑ꎬ解决ＶＲ教学内容建模困难的痛点ꎻ６３西安文理学院学报(自然科学版)第２４卷(２)可以实现异地多人协同功能及快速构建仿真环境ꎬ还原真实世界中大型活动的分工与协作状态和过程ꎻ(３)目前市面上的ＶＲ软件显示立体效果必须是在大屏幕上ꎬ而ＩｄｅａＶＲ在显卡支持上有突破ꎬ保证场景流畅运行的同时ꎬ降低了硬件成本.３.２㊀虚拟场景设计虚拟仿真实验系统的场景设计是至关重要的一部分ꎬ构建一个十分逼真的虚拟情景ꎬ是进行虚拟教学的前提.将ＳｋｅｔｃｈＵｐ中建好的模型ꎬ以３ｄｓ的格式导入到ＩｄｅａＶＲ场景编辑器中ꎬ通过在ＩｄｅａＶＲ场景编辑器上对三维模型进行渲染㊁合并组件㊁灯光㊁天气等一系列加工ꎬ最终形成一个完整的虚拟仿真实验场景ꎬ如图３所示.图３㊀ＩｄｅａＶＲ中的场景４㊀系统功能设计与实现虚拟现实强调沉浸感㊁交互性和构想性ꎬ这决定了它不同于传统的二维人机对话的交互方式[９].传统人机交互通过计算机输入设备发送请求ꎬ经计算机处理ꎬ在输出设备进行显示.本文所探讨的人机交互技术与传统人机交互有所不同[１０].本系统用ＶＲ头显和无线控制器手柄代替传统的显示器和鼠标ꎬ学习者所看到的是真实的虚拟实验设备和教学环境ꎬ使学习者有现场沉浸感.整个仿真系统功能的交互设计都是通过ＩｄｅａＶＲ中的交互编辑器和动画编辑器实现的.４.１㊀三维导航及漫游虚拟漫游是虚拟技术的核心.虚拟漫游技术能够使用户体验到逼真的效果与沉浸感[１１].在虚拟仿真实验系统中ꎬ通过手柄和眼前看到的设备或按钮进行交互ꎬ设计了两种前往实验室的路径选择ꎬ如图４所示.图４㊀漫游导航７３第１期孙美丽ꎬ等.基于ＩｄｅａＶＲ的虚拟仿真实验系统设计与实现其一是导航漫游功能ꎬ即出现提示箭头ꎬ指引学生前往实验室的路线.其二是直接跳转功能ꎬ即通过手柄与按钮的交互ꎬ直接使人 瞬移 到实验室的门口.第二种路径不仅需要在交互编辑器中进行实现ꎬ还需要对摄像机的视点进行动画处理ꎬ进行虚拟漫游时ꎬ控制主㊁副摄像机之间的跳转.４.２㊀虚拟实验室在虚拟实验室中主要实现专业仪器全站仪的虚拟教学ꎬ包括全站仪的理论教学㊁实时信息查询㊁多人协同操作及回忆测试等.４.２.１㊀理论教学ＩｄｅａＶＲ平台支持创建音频㊁视频和幻灯片三种类型的多媒体文件ꎬ通过这个功能在虚拟实验室中加入全站仪及其操作的视频㊁ＰＰＴ文件等ꎬ实现全站仪的理论教学.４.２.２㊀实时信息查询该系统中的实时信息查询ꎬ主要是实现对全站仪及其构造名称的信息查询ꎬ如图５所示.此功能主要是利用交互编辑器中的显隐性来实现ꎬ即信息查询内容是存在于整个场景中ꎬ但是设置为不可见状态ꎬ只有通过一系列交互操作ꎬ才可以把这种不可见状态转变为可见状态ꎬ从而实现信息查询的功能.图５㊀实时信息查询４.２.３㊀多人协同虚拟拆装多人协同操作的前提是多人共享虚拟空间ꎬ指将坐在远端物理位置的人置于完全相同的虚拟世界中.每个参与者带上头显或者立体眼镜ꎬ用各自的视角ꎬ浏览和操作同一场景ꎬ相互协作地共同完成某项复杂的工作.多人协同的管理者ꎬ不仅可以管理参与协同工作的参与者ꎬ而且还可以看到每个参与者头显中的实时场景ꎬ真正满足了现实世界中跨部门和跨地域的多人协作需求.学生通过在这种多人协同的社会条件下学习(无论是合作还是竞争)比在个人条件下学习要好.也就是说ꎬ与同伴一起学习的学生比单独学习的学生能记住更多的事实性材料[１２].多人协同功能的具体实现流程如图６所示.图６㊀多人协同功能实现流程８３西安文理学院学报(自然科学版)第２４卷在全站仪的虚拟拆装中ꎬ分为自动拆装与手动拆装.自动功能是通过动画编辑器生成虚拟动画以展示全站仪的部件构造㊁拆装过程等ꎬ如图７所示.图７㊀全站仪的自动拆装图手动拆装训练ꎬ则是学习者自由拆装过程ꎬ没有固定的拆装路线ꎬ此过程主要是在多人协同功能下进行.当学生Ａ在一个地点进行仪器的移动和操作时ꎬ在另一个位置的学生Ｂ可以看到学生Ａ的化身ꎬ以及在场景中对仪器进行的操作等行为.不仅如此ꎬ学生Ａ与学生Ｂ还可以共同对全站仪进行操作ꎬ如图８所示.图８㊀多人协同操作９３第１期孙美丽ꎬ等.基于ＩｄｅａＶＲ的虚拟仿真实验系统设计与实现无论是自动还是手动拆装训练ꎬ都会带给学生新颖直观㊁全方位的展示ꎬ帮助缺乏实际经验的学生建立起零部件空间的形状ꎬ并在没有实体或实体无法拆卸的情况下ꎬ通过虚拟动画理解全站仪的部件构造㊁装配关系以及工作原理等内容[１３].这种虚拟训练的优点是ꎬ在与实际装备㊁工作环境类似的学习环境中ꎬ反复进行安全教育ꎬ这有助于学习者在实际工作现场驱动设备.４.２.４㊀回忆测试为了检验学生的学习效果ꎬ在系统中添加虚拟考核功能ꎬ也可以说是对全站仪及其操作的回忆测试.在考试系统中ꎬ分为常规题以及操作题.常规题是通过导入编辑好的ＸＭＬ格式文档自动生成ꎻ点击面板 创建 列表下的出题按钮ꎬ选择编辑好的试题文件ꎬ即可在场景中看到试题板ꎬ保存好文件后ꎬ即可开始考试ꎻ操作题是通过学生对全站仪的虚拟拆装进行评判.５㊀交互设备虚拟场景中的一系列交互行为ꎬ都是在交互设备支持的基础上进行的ꎬ高端的ＶＲ设备可以产生身临其境般的沉浸式体验ꎬ它可以同时影响使用者的视觉㊁听觉和触觉.在场景中ꎬ交互设备为学习者提供了在环境中移动时㊁以自然的方式进行可视化和交互的能力.所以在整个虚拟仿真实验系统的开发中ꎬ用到的交互设备主要是ＨＴＣＶＩＶＥ套装ꎬ主要包括ＶＩＶＥ头戴式设备(ＶＲ头显)㊁ＶＩＶＥ操控手柄以及ＶＩＶＥ定位器.这套设备的大空间定位(ｒｏｏｍ－ｓｃａｌｅ)移动追踪技术ꎬ能够让使用者更加沉浸在虚拟场景中.所谓 移动追踪技术 ꎬ即当学习者在虚拟场景中移动时ꎬ跟踪技术感知到这种移动ꎬ并根据学习者的位置和方向呈现虚拟场景.而且ꎬＨＴＣＶＩＶＥ设备可以淘汰传统的键盘㊁鼠标和显示器的界面ꎬ允许学习者轻松地研究专业仪器ꎬ而不必成为仿真软件中操纵模型的专家.有了这种硬件支持ꎬ学习者可以更容易地增强对专业知识的认知.６㊀系统效果验证在ＩｄｅａＶＲ编辑平台上完成虚拟场景搭建后ꎬ对场景进行打包ꎬ进而在ＩｄｅａＶＲ启动器上打开该场景ꎬ选择渲染输出端并启动后ꎬ进入启动界面.整个虚拟仿真实验系统在ＩｄｅａＶＲ中启动后ꎬ通过ＨＴＣＶＩＶＥ交互设备进行验证实验.本次实验邀请了１０名年龄在１８到２５岁之间相关专业的学生ꎬ学生们对全站仪有一定的了解ꎬ避免了认知能力和知识结构的偏差.参与的学生被随机分配到两个组中ꎬ５名学生接受文字及图片性质的传统教学ꎬ５名学生通过虚拟仿真实验系统进行训练教学.最后ꎬ通过对这１０名学生进行教学过程中的一些表现以及理论知识的考察ꎬ得到实验结果:在相同时间内ꎬ接受虚拟训练教学的学生ꎬ更容易投入到教学环境中ꎬ并且对全站仪的认知提升更为明显.虚拟教学的实验验证场景如图９所示.图９㊀系统效果验证场景０４西安文理学院学报(自然科学版)第２４卷７㊀结㊀论将虚拟现实技术与专业理论教育及专业仪器拆装训练相结合ꎬ既可以解决一些用文字和传统图片难以说明和解释的学习内容ꎬ还可以期待通过一系列的人机交互功能使学习者高度参与到虚拟训练中ꎬ进而提高学习效果.ＶＲ技术的沉浸感㊁实时交互㊁多人协同等特性在该系统中得到充分的体现ꎬ学生可实现三维导航及漫游以及专业仪器全站仪的理论学习㊁实时信息查询㊁多人协同虚拟拆装㊁回忆测试等虚拟训练.该系统的虚拟训练内容可以用于实际设备实习前的前期教育或实习后的复习ꎬ减少实习设备投资费用和诱发学生学习兴趣ꎬ从而提高教学效率和学生的实际操作能力.在对该系统的效果验证中ꎬ学生对全站仪的学习表现出了浓厚的兴趣ꎬ提高了认知效果和学习效率ꎬ这表明了该系统在教育领域中具有很高的应用价值.[参㊀考㊀文㊀献][１]㊀赵沁平ꎬ周彬ꎬ李甲ꎬ等.虚拟现实技术研究进展[Ｊ].科技导报ꎬ２０１６ꎬ３４(１４):７１－７５.[２]㊀王文润ꎬ王阳萍ꎬ雍玖ꎬ等.沉浸式虚拟仿真实验案例设计与开发[Ｊ].实验技术与管理ꎬ２０１９(６):１４８－１５１.[３]㊀李勋祥ꎬ游立雪.ＶＲ时代开展实践教学的机遇㊁挑战及对策[Ｊ].现代教育技术ꎬ２０１７(７):１１６－１２０.[４]㊀姬喆.基于ＶＲ虚拟漫游技术的交互设计应用研究[Ｊ].现代电子技术ꎬ２０１９(１５):８６－９０.[５]㊀ＹＵＹꎬＤＵＡＮＭꎬＳＵＮＣꎬｅｔａｌ.Ａｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｆｏｒｃｏｏｒｄｉｎａｔｉｏｎａｎｄｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎｂａｓｅｄｏｎｄｙｎａｍｉｃｓｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎ[Ｊ].ＳｈｉｐｓａｎｄＯｆｆｓｈｏｒｅＳｔｒｕｃｔｕｒｅｓꎬ２０１７ꎬ１２(６):８７３－８８４.[６]㊀ＨＵＡＮＧＴꎬＫＯＮＧＣＷꎬＧＵＯＨＬꎬｅｔａｌ.Ａｖｉｒｔｕａｌｐｒｏｔｏｔｙｐｉｎｇｓｙｓｔｅｍｆｏｒｓｉｍｕｌａｔｉｎｇｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎｐｒｏｃｅｓｓｅｓ[Ｊ].Ａｕｔｏｍａ￣ｔｉｏｎｉｎＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎꎬ２００７ꎬ１６(５):５７６－５８５.[７]㊀黄检文.基于ＳｋｅｔｃｈＵｐ虚拟现实技术的数字校园漫游设计与实现[Ｊ].新丝路(下旬)ꎬ２０１６ꎬ(１２):９８－９９.[８]㊀张瑞菊.ＳｋｅｔｃｈＵｐ结合ＧｏｏｇｌｅＥａｒｔｈ在虚拟校园中的应用[Ｊ].计算机应用ꎬ２０１３ꎬ３３(１):２７１－２７２.[９]㊀张凤军ꎬ戴国忠ꎬ彭晓兰.虚拟现实的人机交互综述[Ｊ].中国科学:信息科学ꎬ２０１６(１２):２３－４８.[１０]李国友ꎬ闫春玮ꎬ孟岩ꎬ等.沉浸式３Ｄ催化裂化培训系统的设计与实现[Ｊ].计算机与应用化学ꎬ２０１９(２):１５３－１６１.[１１]ＰＲＡＴＩＨＡＳＴＡＫꎬＤＥＶＲＩＥＳＢꎬＡＶＩＴＡＢＩＬＥＶꎬｅｔａｌ.ＤｅｓｉｇｎａｎｄｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎｏｆａｎＩｎｔｅｒａｃｔｉｖｅＷｅｂ－ｂａｓｅｄｎｅａｒｒｅａｌ－ｔｉｍｅｆｏｒｅｓｔｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇｓｙｓｔｅｍ[Ｊ].ＰｌｏｓＯｎｅꎬ２０１６ꎬ１１(３):ｅ０１５０９３５.[１２]ＢＡＩＬＥＮＳＯＮＪＮꎬＹＥＥＮꎬＢＬＡＳＣＯＶＩＣＨＪꎬｅｔａｌ.Ｔｈｅｕｓｅｏｆｉｍｍｅｒｓｉｖｅｖｉｒｔｕａｌｒｅａｌｉｔｙｉｎｔｈｅｌｅａｒｎｉｎｇｓｃｉｅｎｃｅｓ:ｄｉｇｉｔａｌｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｓｏｆｔｅａｃｈｅｒｓꎬｓｔｕｄｅｎｔｓꎬａｎｄｓｏｃｉａｌｃｏｎｔｅｘｔ[Ｊ].ＪｏｕｒｎａｌｏｆｔｈｅＬｅａｒｎｉｎｇＳｃｉｅｎｃｅｓꎬ２００８ꎬ１７(１):１０２－１４１.[１３]谷艳华ꎬ朱艳萍ꎬ杨得军ꎬ等.用于网络教学的虚拟仿真交互式课件研究[Ｊ].图学学报ꎬ２０１６ꎬ３７(４):５４５－５４９.[责任编辑㊀马云彤]１４第１期孙美丽ꎬ等.基于ＩｄｅａＶＲ的虚拟仿真实验系统设计与实现。