赵 毅, 向阳开, 梅迎军, 伍 燕

(重庆交通大学 材料科学与工程学院, 重庆 400074)

0 引 言

随着三维建模技术、多媒体技术与网络通信技术等信息科技的迅猛发展, 虚拟仿真技术已日趋成熟, 并逐渐进入高等教育实验教学改革中[1-3]。教育部于2017年7月下发了《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), 要求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[4]。在新时代高校工科教育和高等教育实验教学信息化双重改革的背景下, 将示范性虚拟仿真实验教学项目建设成为推动高校个性化、智能化、泛在化实验教学新模式的重要载体。虚拟仿真实验教学以高度逼真的虚拟实验教学环境, 开展现实教学中难以完成或实验条件难以具备的试验项目, 学生在虚拟仿真实验教学环境中掌握试验操作技能, 达到课程教学所要求的实践效果[5-6]。

《道路建筑材料》课程作为土木工程类专业的专业基础课, 实验项目具有量大、多样、集中和综合等特点, 但由于课时的限制, 真实实验教学中难以实现全部试验项目的开展和每个学生动手操作整个实验过程, 因此, 建设虚拟仿真实验教学项目可克服目前传统实验教学的困境, 借助先进的信息化技术, 有助于提升学生实验兴趣, 增强学生自主学习能力[7]。沥青混合料车辙试验是《道路建筑材料》课程中传统的实验教学项目。但由于耗时长、综合性强等原因, 在本科教学过程中通常由教师演示, 学生旁观或观看视频动画的形式完成, 学生亲自动手操作实践的机会较少[8]。传统被动的学习方式难以激发学生学习的主动性, 且演示实验容易造成学生走马观花, 难以掌握实验操作的要领。伴随着虚拟仿真技术的蓬勃发展, 高等教育实验教学信息化改革是适应新时代工科教育的必然要求[9-10]。

笔者基于Unity 3D虚拟现实平台, 针对沥青混合料车辙板试件成型和车辙实验教学研发了虚拟仿真系统。该系统引入了新兴教学领域中的VR(Virtual Reality)虚拟现实技术, 学生通过操作虚拟仿真系统不仅可看到生动逼真的实验现场和设备, 借助交互设备还能与虚拟场景对象进行一系列的3D立体虚拟仿真体验学习。同时, 该系统也具有自动演示功能。该虚拟仿真系统和实验、实训互为补充, 在一定程度上解决了沥青混合料车辙实验本科教学的难点, 有助于提高实验教学项目开展效率, 对培养学生动手能力和操作能力具有重要意义。

1 车辙虚拟仿真系统设计

沥青混合料车辙虚拟仿真系统结合重庆交通大学材料科学与工程学院现行的《道路建筑材料》课程实验教学要求, 模拟真实实验室环境、器材和实验操作流程, 准确、形象地展现沥青混合料车辙板成型过程和车辙试验过程。该系统主要包括实验指导书、器材认知、虚拟仿真实验和实验报告4个模块。沥青混合料车辙虚拟仿真系统模块分如图1所示。沥青混合料车辙虚拟仿真试验项目操作界面如图2所示。

图1 虚拟仿真系统模块分布 图2 沥青混合料车辙虚拟仿真实验项目操作界面

4个模块的功能分别描述如下。

1)实验指导书模块。该模块采用指定的动态库, 展示Word文档、PDF文档和各种图片格式的资料, 展现实验目的、实验方法和操作规范等知识。在实验前, 学生通过查看实验指导书模块, 或自动演示车辙实验过程, 结合语音和文字提示, 初步掌握沥青混合料车辙板试件成型和车辙实验的操作流程。

2)器材认知模块。该模块通过查看和实验相关的器材, 学习实验设备的基本结构、设备安全操作规范、危险操作等知识。该模块首先采用3D Max和Maya模型软件, 对实验设备、实验器材进行建模, 然后进行贴图、摄像机和光照等方面的处理, 进而制作器材模型。模型制作完成后, 导入Unity 3D引擎, 在Update()函数中实现。该模块主要对沥青混合料车辙虚拟仿真实验中的设备和材料进行说明, 以便学生了解实验所用器材。器材认知模块操作示意如图3所示。

3)虚拟仿真实验模块。该模块的实现方式与器材认知模块类似。其中操作步骤等内容是将说明文字制作成图片, 再通过代码实现。根据实际教学需要, 车辙实验分为两种模式：自动演示模式和手动操作模式。自动演示模式主要用于教师课堂上自动播放实验过程, 或学生初次实验时熟悉实验操作和系统功能；手动操作模式主要用于学生练习时根据实验先后顺序进行具体操作。该模块是沥青混合料车辙虚拟仿真系统最重要的组成部分, 主要包括5个步骤, 即材料准备、试模准备、拌制沥青混合料、车辙板试件成型和车辙试验。学生在操作界面选择虚拟仿真实验模块, 即可进入沥青混合料实验室虚拟场景; 通过键盘和鼠标等外部交互设备的操作, 可实现场景漫游、开关操作、器材认知、混合料拌和、成型和碾压等一系列功能。另外, 开启交互模式, 学生可沉浸在虚拟场景中, 通过鼠标控制各种按钮, 直接操控虚拟物体。若操作有误, 则会报警提示。学生可沉浸式地完成通常繁琐枯燥的沥青混合料车辙实验。虚拟仿真实验模块操作示意如图4所示。

图3 器材认知模块操作流程 图4 虚拟仿真实验模块操作流程

4)实验报告模块。在本模块中, 学生需填写实验报告, 完成实验测验, 在规定时间内完成并提交试卷后, 可查看考试成绩。

除了上述基本模块外, 该系统还具备设置缩放、全屏、音效和快进等功能, 以便学生在实际操作中, 更好地展示局部实验环境, 便于实验操作和观察。

2 虚拟仿真系统关键技术

沥青混合料车辙虚拟仿真系统开发过程分为高仿真图形开发、虚拟实验开发、实验动画制作和实验大规模在线应用开发4部分。

1)高仿真图形开发。采用最主流的三维图形开发工具Autodesk 3ds Max, 广泛应用于工业设计、建筑设计、三维动画、多媒体制作以及工程可视化等领域。通过该工具可在计算机中将实验室环境、设备、器材等按照真实比例还原, 形成与实验室实际环境完全一致的教学条件, 开发过程中还会辅助Photoshop、bodypaint等图形处理工具。沥青混合料车辙试验虚拟仿真真实室内试验场景如图5所示。

2)虚拟实验开发。采用由Unity Technologies开发的一个专业跨平台游戏开发及虚拟现实引擎Unity 3D[11]作为开发工具。通过该工具可将实际试验的每个步骤进行真实还原。通过人机交互技术, 使用时不仅能还原每步操作, 还能对各个步骤进行重点讲解、难点解析、错误提示以及反复学习等, 让实验灵活性更高, 降低实验难度和实验危险, 提高实验效率。

3)实验动画制作。采用Autodesk 3ds Max配合多个专业领域的特效插件, 能实现形状变化、火焰、烟雾、流体、粒子动画、动力学特效等多种复杂效果的模拟。通过该技术的开发, 真实还原了沥青的搅拌、混合以及各个阶段的形态变化, 能使不直观的效果变得简单易懂, 教学效果显著提高。

4)实验大规模在线应用开发。为能使更多用户进行实验, 真正做到大规模应用, 开发过程中采用了最新的Webgl无插件技术, 所有用户通过浏览器访问后, 均可进行虚拟仿真实验, 使虚拟仿真实验既能应用于教育教学, 也能为社会相关领域的培训提供帮助。沥青混合料车辙虚拟仿真系统操作过程如图6所示。

图5 真实室内车辙试验场景虚拟仿真 图6 沥青混合料车辙虚拟仿真系统在线操作界面

3 车辙虚拟仿真系统运行及效果

3.1 车辙虚拟仿真系统实验内容

沥青混合料车辙虚拟仿真系统主要围绕材料准备、试模准备、拌制沥青混合料、车辙板试件成型和车辙实验5个实验内容展开, 在每个步骤的关键节点均进行提示或与学生交互操作。车辙虚拟仿真系统实验内容关键操作节点如表1所示。

表1 车辙虚拟仿真系统实验内容关键操作节点

3.2 运行模式

沥青混合料车辙虚拟仿真系统运行是按照实验操作过程设计的。点击界面虚拟仿真实验进入运行界面后, 其运用模式有两种：1)选择自动演示功能, 直接观看车辙试验过程, 并配有语音提示操作步骤；2)选择人机交互模式, 按试验流程操作, 每个关键操作节点均由学生操作完成, 以达到理解试验过程, 掌握关键内容的目的。下面针对人机交互模式, 给出车辙虚拟仿真系统的运行过程。

交互设计与实现是整个沥青混合料车辙虚拟仿真系统的关键部分。在 Unity 3D虚拟现实技术中, 主要通过程序脚本编程实现交互动作。Unity 3D支持C#和Java Script 等多种编程语言, 该系统采用C#编程语言, 学生可通过鼠标、键盘等外部交互设备实现与虚拟仿真实验教学环境的各种交互操作, 如系统启动、动画控制、视角切换与缩放及音效调节等。

沥青混合料车辙虚拟仿真实验项目在车辙变形过程中, 展示了微观结构的变化, 以便学生更好理解车辙的发展过程。车辙试验虚拟仿真如图7所示。车辙试验集料颗粒迁移微观展示如图8所示。

图7 车辙试验虚拟仿真界面 图8 车辙试验集料颗粒迁移微观展示

3.3 运行效果

1)沥青混合料车辙虚拟仿真实验教学系统为学校现有虚拟仿真教学平台提供资源, 面向全校和社会开放, 具有全面开放的特征, 资源开发采用国际领先且开放的3D引擎(Unity 3D, Unreal Engine, CryEngine), 资源包导入学校现有虚拟仿真实验教学系统内。

2)创造与室内实验室环境基本一致的虚拟实验场景, 有利于学生快速学习。依托虚拟仿真、人机交互技术建立的虚拟仿真体验系统, 可逼真模拟沥青混合料车辙实验的操作流程。高度逼真的3D体验学习环境, 学生完全沉浸其中, 从而在器材认知和试验流程方面获得直观的感性认识, 同时, 车辙变形的微观展示更有助于学生理解沥青混合料车辙形成机理。

3)虚拟仿真实验教学节省时间和降低成本。与传统的真实实验教学项目相比, 虚拟仿真系统在材料准备、车辙碾压等关键环节大大缩短所需时间, 同时, 虚拟仿真实验系统可供学生同时、重复使用, 实现了现实教学中无法具备的试验条件和试验环境, 有利于高素质复合型人才培养。

4)虚拟仿真系统使体验过程非常安全, 避免因材料加热而造成人身灼伤等危害, 同时避免了试验失败而造成的材料浪费, 体验者可通过虚拟仿真熟练掌握知识原理和操作流程, 这种过程可无限制地重复, 强化知识过程, 熟练操作过程, 增加安全可靠性。

5)运用Unity 3D仿真技术, 模拟真实操作环境, 实现人机交互操作, 对沥青混合料高温稳定性能测试方法的车辙实验操作技术要求、工作原理等都可在虚拟三维现实环境下实现协同模拟操作。该系统采用先进的虚拟现实、3D动画和人机交互等先进技术, 体验过程中手段新颖, 直观性强, 可达到良好的教学效果。

4 结 语

笔者阐述了基于 Unity 3D 的沥青混合料车辙虚拟仿真实验教学系统的设计、关键技术、运行模式及效果。该系统具有良好的可操作性, 交互界面设计简单明了, 单机版可直接在普通电脑安装后运行, 也可通过访问网址实现在线浏览操作。该系统主要完成了沥青混合料车辙板试件成型和车辙试验的操作流程, 在各试验环节的关键节点引导学生完成一系列的交互动作, 实现3D立体虚拟仿真体验学习, 使学生走进真实的实验教学环境, 更加有效开展整个实验项目。