吴 欢，朱亚宗，李学行，叶金印
(1.中国气象局气象干部培训学院安徽分院，合肥230031；
2.安徽省气象局大气探测技术保障中心，合肥230031)
虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)是利用人工智能技术、计算机技术、图像仿真技术、传感器技术等多种信息技术融合形成的虚拟仿真环境[1]。虚拟现实技术构建出的虚拟世界主要通过硬件系统和软件系统实现。硬件系统主要包括计算机、VR头盔、操作手柄、三维立体传感器和显示屏等。AutoCAD、Photoshop、3DMax等软件可以处理大量的数据和素材。Unreal Engine4、Unity 3D等专业引擎软件可以将所有素材拼接、搭建出虚拟现实环境。这些引擎软件不仅可以组装各类模型，还可以提供接口使交互硬件和虚拟世界之间建立联系。VR技术目前主要用于航空航天仿真、虚拟医学手术、房地产场景仿真、大型娱乐游戏和应急演练等。
虚拟现实技术在教育培训领域也有广泛的应用[2]。作为一种新型的教学手段，很多高校、科研院所、培训机构都在积极研究虚拟现实技术及其应用。相比传统的课堂讲授教学模式，VR技术教学方法以启发为主，能够积极发挥学生的主观能动性，以图像、视频、声音、互动等形式向学生展示和传输知识，更加引人入胜。比如：飞机驾驶模拟、航空发动机故障维修模拟、医学手术模拟、化学实验模拟等。近年来，VR技术逐步在气象教育培训中应用。中国气象局气象干部培训学院搭建了虚拟实训平台，平台模拟了自动气象站观测场环境及观测场的自动化观测设备，可用于地面观测教学[3]。兰州资源环境职业技术学院开发了气象雷达虚拟实训系统，可以进行雷达日常维护、检修等VR实习实训教学[4]。南京信息工程大学构建了天气现象虚拟仿真实验教学平台，仿真模拟了34种天气现象，可用于天气现象的识别和记录等课程教学[5]。
自动气象站气象设备保障类培训课程主要有设备结构原理、维护、故障排查与处理等，培训的最终目标是使学生能够在实际岗位中完成气象设备维护和故障检修任务[6]。实践课程占据自动气象站设备故障处理教学较大比重，是整个教学环节的重中之重，因此如何科学、合理地开展实训课程，将知识转化为技能是教学目标达成的关键问题。
文章研究了虚拟现实技术的原理和特点，分析了虚拟现实技术在实习实训教学中的优势。收集并整理安徽省自动气象站设备故障处理个例，紧密结合教学目标，选择代表性强、实际应用价值高、可操作性强的个例作为教学内容。利用VR技术搭建接近真实的地面自动气象站业务平面及观测场场景，在虚拟场景内开展自动气象站设备故障教学的实习实训课程。课程设计模拟了业务值班员在日常工作时发现自动气象站设备故障，通过排查故障部位，及时解决故障问题，恢复观测数据的业务流程。
虚拟现实具有沉浸感强、感知性多、主宰性强的特点，不仅可以虚拟出现实存在的环境及实物，也可以虚拟出现实中不存在或者难以实现的环境或情景。VR实训课程通过VR眼镜、耳机、传感器等设备给予学生接近真实环境的视听感受，并通过手势、动作及手柄操作与虚拟环境进行交互。
1.1 VR实训课程内容设计
围绕着教学目标，自动气象站设备故障处理教学内容主要有：自动气象站结构、工作原理等基础理论课程；
自动气象站组装、调试以及故障处理等实践课程。课程设计引导学生从基础理论学习，再将理论应用于实践，最终实现教学、实训内容与岗位职能相一致(图1)[7]。
图1 自动气象站设备故障课程设计
自动气象站设备故障处理实习实训课程，以真实的故障现象以及业务流程设计教学情境，具有连贯性、实践性、完整性。由于教学场地的限制，安徽分院实体的自动气象站教学平台配有8台自动气象站设备，无法满足每人一套实习设备的需求，所以通常采用分组教学的形式。若学生人数达40人以上，还需分两大组分时段交错实习，实习教师存在重复劳动的现象。实习教学前需2～3名教师提前半小时进入实习室设置设备故障，准备万用表、螺丝刀等实习工具，教学过程中每1个实习台需要1名教师给予指导，并确保实习操作的安全性。实习结束后，教师负责将自动气象站设备恢复原样，台面保持整洁。传统的实体实习教学一次课程能够模拟的故障非常有限，且存在耗费人力、教学过程时间长、安全风险大、设备损耗高、学习效率低的缺点。由于分组情况下，无法保证每个人都有动手实操的机会，老师不能掌握所有学生的学习情况，教学跟踪效果不好。
1.2 VR实训系统设计
自动气象站设备故障处理VR实训教学改变了传统实习室以老师为主体，学生被动学习的教学模式，变为以学生为主体，以任务为主线，学生主动参与、思考、实践的学习模式。VR教学相比传统教学模式，在相同的教学时数内可以安排更多的故障个例实习。教学过程有1～2名教师引导、辅助即可，节约了人力资源、提升了教学效率。每人一台VR设备能够满足个人独立进行实习操作的需求，方便教师了解每个学生对知识的掌握程度，跟踪教学效果，学生也可以针对薄弱环节反复练习。同时VR教学还具有教具准备简单、用时少，安全系数高、设备损耗低、占地面积小的优势[8]。VR教学系统可以对自动气象站设备故障个例更新、维护，对学生、教师、管理员分级管理，对学生的考核成绩进行统计、导出等操作。
教学开始后，学生通过佩戴VR头盔进入虚拟气象观测场地，通过手柄或者步行在观测场地漫游。一般用手柄操作跳跃式靠近观测设备，再俯身或者转身近距离观察设备。观测场设备巡视完毕，可以切换到业务值班室场景，监控业务软件ISOS中各气象要素的观测数据，模拟业务值班。收到数据异常的任务提示后，根据气象装备保障业务规定，在业务平面上的ISOS、ASOM等业务系统进行操作。初步判断发生故障的部位，进入观测场使用螺丝刀、万用表等工具检查线路连接、设备供电、传感器电阻及输出电压等，查找故障产生的原因。确定故障点后选择合适的解决方案，排除故障，修复设备。收到“观测数据恢复正常”提示后，实习结束。在实习实训后，系统根据学生操作步骤完成度自动判定实习或考核成绩。
进入观测场巡视发现当前有降水天气，切换至业务平台查看自动气象站采集数据是否正常，出现任务提示：当前有降水天气现象，但自动气象站雨量传感器采集降水量数据为“0”。分析导致有降水天气现象而无降水量的原因可能有：雨量传感器汇集漏斗或者过滤网被树叶等杂物堵塞；
雷击导致雨量传感器线路损坏、干簧管故障；
雨量传感器线缆损坏[9]。
在ISOS业务软件中开启雨量传感器设备维护。准备好维修工具，进入观测场查看雨量传感器。检查雨量传感器外部及内部是否有杂物需要清理，选择合适的清洁工具及时清除传感器中的堵塞物[10，11]。
若雨量传感器中没有发现异物堵塞，且翻斗均能正常翻动，则检查雨量传感器干簧管是否正常。将万用表档位调整至蜂鸣档，红黑表笔分别接入雨量传感器的两个接线柱上，人工翻动记数翻斗，查看万用表是否出现蜂鸣声。若万用表没有反应，则说明干簧管已损坏，及时更换干簧管，更换完毕，再次使用万用表测量干簧管是否正常。
雨量传感器干簧管检查后，若干簧管正常工作，则需要进一步检查雨量传感器线缆是否损坏。将雨量传感器接线柱上连接的两条线取下，再将连接在主采集器上的接线也取下来。用万用表蜂鸣档测量两条线的连接情况，若万用表没有蜂鸣声，则可判断雨量传感器线缆出现故障。掀开石板路，查看雨量传感器线缆，发现线缆损坏，点击更换线缆，雨量数据恢复正常。
相对于传统的教学方法，利用虚拟现实技术开展培训具有沉浸感、交互性和低风险的特点，能够有效解决成人教育面授时间受限、场地建设成本高、学习兴趣不够浓厚的问题。虚拟现实技术在教育领域的应用丰富了教学手段，弥补了一些课堂教学的不足，使得教学过程变得生动活泼，有利于调动学生学习的积极性。
自动气象站设备故障教学是地面观测装备保障教学的重要组成部分，由于自动气象站设备故障是由很多种原因造成的，所以在开展教学中首先要将各种故障收集并分类，再将故障个例模拟再现，供学生练习。文章虚拟了接近真实情况的地面观测场场景，设计了自动气象站设备故障处理VR教学系统并实例应用。VR教学中以学生为主导，通过探索与思考，在虚拟环境中完成所有实习任务，简化了教学流程，提高了培训效率。VR实习教学操作方便灵活，步骤设置简单，学习效率高，具有进一步推广应用的价值。
猜你喜欢 雨量气象站虚拟现实 我国在珠穆朗玛峰架设世界最高海拔气象站军事文摘(2022年14期)2022-08-26珠峰上架起世界最高气象站环球时报(2022-05-05)2022-05-05雷州市早稻稻纵卷叶螟迁入发生情况安徽农学通报(2020年16期)2020-10-30虚拟现实技术在中学校园中的应用甘肃教育(2020年4期)2020-09-11信息化雨量、水位站在水文工作的应用探讨水能经济(2018年11期)2018-10-19农业气象谚语在汛期降水气候预测的应用热带农业科学(2018年4期)2018-09-26临夏市与和政县城市内涝气象预警指标研究现代农业科技(2017年4期)2017-04-10风口上的虚拟现实商周刊(2017年24期)2017-02-02虚拟现实技术向科幻小说借灵感海外星云(2016年7期)2016-12-01自动气象站异常记录分析及处理方法Advances in Meteorological Science and Technology(2015年5期)2015-12-10