摘 要：惯性动作捕捉技术作为动作捕捉领域的后起之秀，凭借其低廉的价格，对使用者、操作环境要求更低，发展迅速，也让具有更强交互性的虚拟现实技术应用于各个行业成为可能。文章分析了目前国内高职院校船舶建造专业实训教学的现状及存在的困境，如教学方法落后，授课过程与实际岗位衔接不够紧密等，探究利用基于惯性动作捕捉的虚拟现实技术提高高职院校的教学效果的技术与方法。

关键词：高职教育；惯性动作捕捉；虚拟现实；实训教学

国内高职院校船舶建造工程专业主要培养目标是“生产、制造、服务和管理第一线的技术应用型创新人才”，其培养的人才除应具有一定的理论知识外，还需要具有较强的实践动手能力。

目前，我国船舶建造专业人才的培养，大多延续着 “以教促学”的传统教学方法，但由于这种教学方法与实际工作情境相差较大，且实训教学条件受到限制，致使学生所学与未来工作所需要存在较大偏离，导致用人单位在招收毕业生后仍需要花费较长的时间对其进行培训，不能够满足现代船舶企业对技术应用型专门人才的迫切需求[ 1 ]。针对这种情况，例如船舶装配实训，目前国内大多数高职学校的教学方法是制作纸质的船体结构模型，避开由于实训场地、设备、经费的制约，但由于实船的建造工艺是钢制焊接结构，而且构件数量多、体积大，这与缩小比例的由膠水粘制而成的船体模型是截然不同的，因此，学生无法真正认知船舶建造的实际过程，距离实际的生产岗位相差较远，影响极大的教学的有效性。

而近年来随着虚拟现实（VR）技术的迅速发展，例如HTC Vive ，索尼的 Playstation VR等VR眼镜已能够较好的实现虚拟现实漫游。动作捕捉作为一门新兴的技术出现，能够代替传统仿真软件所使用的键盘、鼠标，与VR技术所建立的三维虚拟现实环境建立更好的互动关系。不仅能够让学生它营造了“自主学习”的环境，甚至沉浸在该环境当中。而且能够与授课教师、其他学生建立良好的互动以及即时的教学反馈，代替“以教促学”的传统学习方式。

一、虚拟现实技术的含意

虚拟现实技术的概念及其理论早在上世纪60、70年代就已提出，随着近年来计算机、电子、移动通信等技术的发展，使其进一步完善并得到更广泛的应用，该技术主要是通过传感眼镜（或者头盔），借助可穿戴设备对数据进行反馈，创造一个多源信息的虚拟世界，该空间可以与用户进行深度的交互并且能够积极反馈，从而在视觉、听觉、触觉等获得接近真实世界的感受。

良好的交互性能带来强烈的临场感，用户在模拟环境中，能够感到虚拟世界是真实存在的。在这种环境中，学生就像玩游戏一样，一边享受感官冲击，一边接收知识，练就本领[ 2 ]。

二、惯性动作捕捉技术的意义

2012年电影《阿凡达》在全球热播，詹姆斯·卡梅隆导演苦等14年才在动作捕捉这一技术的帮助下，让他的“蓝精灵”活灵活现的出现在大银幕上。动作捕捉技術，是一种旨在捕捉人体动作的新技术，在人体运动学原理基础上，建立人体运动算法，借助事先安置在捕捉对象上的传感器采集身体部位的姿态动作数据，同时将所采集的数据传输到电脑内，经过一定算法对所采集数据进行人体动作姿态还原[ 3 ]。

目前动作捕捉系统种类较多，以传统的光学系统为主流，惯性动作捕捉式虽晚于光学式出现，但相对与光学式动作捕捉，惯性式具有价格比较便宜，准备工作简单、对场地要求较低，不存在遮挡问题，操作更方便，拥有完全实时的数据计算和回传机制等诸多优点[ 4 ]，更加适合应用于实训教学当中。

惯性动作捕捉即在运动物体的重要节点佩戴集成加速度计，陀螺仪和磁力计等惯性传感器设备，传感器设备捕捉目标物体的运动数据，包括身体部位的姿态、方位等信息，再将这些数据通过数据传输设备传输到数据处理设备中，经过数据修正、处理后，反馈给已生成的虚拟三维环境，使环境做出相应的改变，从而产生如同真实环境的感受和体验。

三、VR惯性动作捕捉技术对高职船舶建造专业实训的意义

基于虚拟现实技术构建接近真实船舶生产的情境，应用动作捕捉技术让学生与该空间建立深度互动，完成船舶三维设计、船舶构件加工、部件、分段、总段建造、船台搭载、管系安装场景搭建等，实现课堂教学真实化，教学内容与实际岗位高度对接，提高学生学习积极性，破解传统船舶专业实训教学的困局，促进专业教学目标的达成，明显提高教学效果。

（一）应用VR惯性动作捕捉技术突破船舶专业实训困境

高职院校船舶工程技术专业的学生核心课程包括：船舶结构装配、船舶放样、手工电弧焊、CAD/CAM操作等课程。传统的教学中，普遍存在三方面问题：

其一，传统以讲授为主的教学方式，学生很少会去考虑实际问题并想办法去解决，致使学生的实际动手能力和对所学知识的综合应用能力比较薄弱；

其二，传统实训，由于参与人数较多，且造船生产需要多工种参与配合，时常由于到实训条件的限制，而无法开设一些必要的实训项目；

其三，造船属于重工业，建造需要大型的加工、起重等设备，既需要专业的操作人员又存在诸多安全隐患，所以虽然开设了手工电弧焊实训，但由于条件限制学生无法进行船体结构方面的焊接实训，而对于船体结构的装配焊接的认知还只能停留在理论知识和纸质模型的层面上。

通过计算机软件构建三维动画虚拟设计、虚拟船体结构装配实训情境，结合惯性动作技术，学生能够在虚拟的环境下选择的装配焊接工具，由于是在虚拟的环境下，设备的种类非常多，而即使选择不合理，操作不规范，也不会发生危险，系统根据学生所选择的工艺方法甚至是操作动作做出合理的反馈，真正做到身临其境，沉浸于学习当中，达到人人参与、 人人动手的目标和事半功倍的效果，突破传统教学的困境。

（二）借助VR动作捕捉技术营造良性实训互动。

VR惯性动作捕捉技术不同于虚拟仿真软件，学生仅仅通过键盘和鼠标进行操作船舶建造，与真实的生产情境相去甚远，学习热情不高。VR惯性动作捕捉技术不仅能够通过VR眼镜让学习者进入一个更加真实的三维虚拟环境，注意力较集中，而且可以通过惯性动作系统与虚拟环境建立良好的互动关系，大大增加参与者的存在感，使模拟环境达到以假乱真的程度。

例如船舶结构装配实训课程，在虚拟空间里，学生可以从数据库中选择各种规格的船体构件，并通过挥舞安裝在手臂的感应器对船体结构进行选择、旋转、移动等操作，甚至可以通过移动脚步实现在自己建造的船体结构中漫游，查看自己的产品，尽情发挥自己想象力，大胆实践。

（三）通过VR动作捕捉技术建立即时的实训反馈

相对于光学式动作捕捉，惯性式动作捕捉不仅造价便宜很多，而且不会存在遮挡性的问题。这就使得学生以组为单位，对一个项目进行合理分工，共同完成教学任务成为可能。同时，惯性捕捉系统所得到的学生的动作数据信息几乎的即时的，学习小组之间的成员可以即时的得到对方的操作信息进行即时的配合协调，教学系统可以根据学生的操作是否正确进行即时的评估，纠正错误，而授课教师也可通过系统即时的与学生进行交流指导。因此在教学过程中不单单对学生的操作能力进行培养，还包括根据不同环境收集及处理信息的能力、与其他人通力合作解决问题的能力、创新能力等，有利于学生各方面能力的全面发展。

近年来，基于光学式的动作捕捉技术由于其高昂的成本及復杂的操作技术使得其目前还仅限于影视制作方面的应用，但诸如《权利的游戏》这种热门电视剧已采用惯性动作捕捉技术，足见惯性动捕技术有着不可估量的巨大潜力，相对于光学动作捕捉，惯性动作捕捉以其相对低廉的造价，更好的适用性，让其作为虚拟现实技术的利器，进入高职院校教学成为可能，对提高教学效果、让教学过程更加的生动形象、互动性更强，反馈更加及时，培养具有综合素质和职业能力的人才产生深远的影响。

参考文献：

[1] 李金国，杨林生，李云贵.虚拟现实技术应用于高职模具实训教学的有效性研究[J].职教论坛，2010（3）：70-71

[2] 陈浩磊，邹湘军，陈燕（1），陈燕（2），刘天湖.虚拟现实技术的最新发展与展望[J].科技论文在线2011（01）.

[3] 尹钊.动作捕捉在影视作品中的应用[J].影视制作，2010（11）.

[4] 李晓丹，肖明，曾莉.人体动作捕捉技术综述以及一种新的动作捕捉方案陈述[J].中国西部科技，2011（15）.

作者简介：

穆璟宝（1987-），男，汉族，辽宁大连人，本科，助教，研究方向：造船工程技术。