VR技術在機械工程專業教學中的展望

梁梓倫 蔡曉君 周梅 竇艷濤 楊二帥

[摘 要]虛擬現實（VR）和增強現實（AR）是近幾年興起的技術，對我們的工作、生活、學習產生了重要影響。將VR與AR技術運用在全日制本科機械工程專業機械設計與制造課程上具有一定的可行性。課程與VR、AR技術結合能協助學習者更好地應對未來教育所面臨的學習環境、學習方式等挑戰，更好地激發學生的批判性思維，提升其協同學習能力，并解決現在各高校普遍存在的實驗室短缺、實驗設備購買資金不足的問題。

[關鍵詞]VR；AR；機械工程；教育應用

[中圖分類號] G642 [文獻標識碼] A [文章編號] 2095-3437（2018）02-0074-03

隨著近幾年電子信息技術的發展，人們不再滿足于屏幕里的二維世界，虛擬現實（VR）與增強現實（AR）技術逐漸發展。國家廣告研究院等多家機構聯合發布的《2016年上半年中國VR用戶行為研究報告》顯示，2016年上半年國內虛擬現實潛在用戶達4.5億，淺度用戶約為2700萬，重度用戶約為237萬，預計國內虛擬現實市場將迎來爆發式增長。隨著這兩種技術在游戲等領域的發展與應用，人們開始熟悉它們，并發現其在教育領域重要的潛在價值。

一、AR與VR的區別

（一）AR與VR的定義

AR 是讓不存在的物象和現實世界的圖像融合在一起，交互后的影像投射或投影到其他裝置和介質上。其展現了真實世界的同時將虛擬的信息表達出來，虛與實相互補充、無縫疊加，提供了不同于日常感知、超越現實觀感的體驗。[1]

VR也稱靈境技術或人工環境，是在計算機系統及傳感器技術模擬的基礎上生成的可交互的虛擬世界。VR實現的是一種嶄新的人機交互狀態，人通過對虛擬世界中的物體進行考察和操作，參與其中的事件，并同時獲得視、聽、觸覺等直觀而又真實的感知。[2][3]

（二）技術差別

雖然在縮寫上僅有一字之差，但是這兩種技術卻是大相徑庭。Pokemon Go是由Nintendo、The Pokemon Company和谷歌Niantic Labs公司聯合制作開發的現實增強（AR）寵物養成對戰類RPG手游。其以手機為平臺，結合攝像頭將現實中沒有的東西通過算法與現實結合，即“現實增強”。其重點在于把一件現實中不存在的因素通過算法與現實結合并反映于顯示器上。而VR技術則是運用算法構建一個新的虛擬的環境。VR設備通常都配有處理器、頭盔顯示器，另外還設有姿態跟蹤設備（數據手套、數據衣和方位跟蹤器）、聽覺系統（語音定位、識別和合成）以及觸覺、味覺和嗅覺反饋系統等功能單元。[4][5]通過代碼構建一個虛擬環境，通過反饋將使用者把自身化為這個虛擬空間中一個元素并置于其中。

總體來說，AR是以現實存在的環境為藍本，通過計算機進行運算，構建出一個虛擬的單元，并將其與現實環境重新結合；VR是通過算法，構建一個虛擬環境，將使用者引入這個環境，通過各個功能單元實現使用者與計算機所構建環境中的虛擬元素進行互動。相較于AR，VR的擴展性和自由度更高，但是其編程難度也遠遠高于AR。[6]

（三）相關設備

現在主流的虛擬現實設備大體可分為基于智能手機及基于主機兩種。第一種利用了智能手機的相關硬件及處理器，制造成本被大大降低。但是由于智能手機不只是為了虛擬現實功能而設計的，在使用過程中會產生智能手機運行超頻、劇烈發熱現象，甚至會產生安全隱患。而且由于不同廠家的智能手機硬件系統與軟件系統的差異較大，在教學中也會有較強的不確定性。所以說，第一種硬件系統幾乎不可能被用來進行教學。而第二種設備由于硬件與軟件幾乎都是為了虛擬現實相關功能而設計的，在運行時不會有過多的問題產生。但是其價格相較于第一種類型（基于智能手機）的虛擬現實設備高出幾十甚至上百倍。目前此類產品主要是為了游戲等領域而開發出來的，性能上遠遠高于教學用虛擬現實設備的需求。過剩的性能帶來的最直觀的負面影響便是高昂的價格。對于教學經費并不富裕的相關院校及學院來說，這樣昂貴的費用是虛擬現實技術引入教學的最大阻礙。

在硬件方面目前亟待適用于教學的基于主機的虛擬現實設備的出現。

（四）相關軟件開發及應用

有了較為適合的硬件設備及相應供應商的合作，教學軟件的開發與設計也是一個重要的環節。VR與AR之所以與我們日常的教育活動脫節不是因為設備昂貴，而是因為其可用于教學使用的內容太少而造成投入產出比過低。如果有較為豐富且優質的內容，即使VR設備價格偏高，但是其特有的性質也足以被相當一部分學校所接受。舉個例子，在三年前，我國很多地區數字化教學被引入了小學、初中以及高中的教育并進行了推廣。價格較為昂貴的平板電腦可以如此順利而迅速地在教學領域推廣不僅僅是因為其在課程上體現的互動性，更是因為其具有強大的軟件體系支持。在軟件足夠發達的情況下，投入產出比達到足夠的高度，載體的價格劣勢就會慢慢地被淡化。反觀現在的虛擬現實市場，大多數有專業開發能力的廠家、工作室都將精力投入到游戲的開發工作中，而教育方面的開發者面臨的是跨學科、跨專業的開發窘境。這便是虛擬現實技術在軟件方面的致命傷。要推廣虛擬現實不僅僅要進行硬件的優化，更重要的是軟件的開發。

虛擬現實在機械工程等工科領域教學的優勢是十分明顯的。在機械工程專業中，最好的學習方法就是親自動手對機械裝置進行拆裝。為了能更直觀地了解應用在課堂上學習的相關知識，有一些院校甚至會組織學生去相關工廠進行實習。然而，由于設備數量的限制，大多數學生不能親自動手實踐。將虛擬現實引入教學中，可以很好地解決這一問題。如果將虛擬現實引入教學，要通過從軟件構建的“虛擬樣機”數據庫中調取相應的機型供學生實踐。虛擬現實的引入既可以增強課程所傳授的知識的直觀性，在一定程度上也進一步保證了學生的安全。最重要的一點是，在有限的教學資金的限制下其能給予學校近乎無限的教學空間。

虛擬現實在軟件開發上其實也存在著很大的不足。現在的虛擬現實開發主流軟件是Unity這樣的專業性較強的軟件。基于此類軟件，一般的講師很難開發與自己所講授課程內容（各種機械裝置）相關的教學軟體。開發難點并不在于元素的建造與搭接，而在于后期軟件環境構架的建立。如果能夠建立一個通用后期軟件環境構架，再建立一個與框架相配合的通用零件庫，講師可以通過此軟件調取零件庫零件，自己構建機構模型并生成相應的教學模型用于教學。這樣將虛擬現實引入實際教學便又邁進了一大步。

二、AR、VR引入教育的可行性分析

現在大部分VR公司已經在進行著手設計基于VR平臺的游戲開發。目前在教學方面，有些公司已經成功地把一些實驗進行了數字化，但是卻很少有公司能完成實驗平臺的VR化（即通過VR設備，通過體感設備實現實驗的虛擬現實化；并進行人機互動，使其可以將實驗原理通過VR進行延時講解）。與此同時，比VR更簡便，成本更低的AR（現實增強技術）也在發展。不過AR技術也并未在教育方面有相關的應用。我們這次的課題主要是研究VR是否可以被應用到教學領域里，并進行簡單的嘗試。我們將盡最大努力，生成一個可以運行的虛擬實驗程序，并嘗試結合AR進行虛擬現實教材的編寫嘗試。此課題的技術要求較高，需要運用到計算機輔助設計、軟件編程等相關知識。雖然難度較大，但是可行性極高，而且其創造出的價值也是很可觀的。[7][8]

三、AR與VR在教學領域的特點分析

（一）AR技術特點

AR系統與VR有本質上的不同，其突出特點是在三維尺度空間中通過運算增添虛擬物體，進行實時的真實世界和虛擬的信息集成，具有實時交互性。在教育上AR技術可以激發學習者的興趣，使本來很抽象的圖像更立體。在這一方面美國迪士尼已經將AR運用到了幼兒的啟蒙教育書籍上。在機械工程專業尤其是機械設計這一學科的教學中，經常需要學生對一些機構進行運動分析等工作，AR可以通過其特有的方式將原本很抽象的圖像顯現出來。從而使學生更清楚地了解相關機構運動的運動方式、受力情況等，使學習變得更明確、輕松。

總的來說，AR技術如果想要引入教學之中，硬件方面只需要出版物與已經被普及的智能手機。由于受到的限制相對較少，AR可以涉足的教育領域不僅僅只有機械專業，還可以涉足更廣闊的領域，如化工專業、醫學專業等。

（二）VR技術的特點

VR技術具有多感知性、存在感、交互性、自主性等特點。VR技術重在構建一個虛擬的環境，通過人機互動的形式發揮人的主觀能動性。目前在教學領域建設實驗室的投入資金十分龐大，每年的維修、保養費用和更新設備的費用也很高。并且很多高校沒有足夠的空間與資金處理這些相對較為昂貴的、占地較大的設備，所以這些設備很難讓在校的學生接觸到，使學生失去了自己動手實踐的機會。

在VR出現之前已經有人開始把一些實驗進行了數據化、電子化，多數都是以算法進行模擬的軟件。學習者在利用這種軟件進行試驗的過程中，不僅喪失了很多動手的空間，而且從某種程度上還失去了獨立思考和創新的能力。傳統的數字化教學在實際應用中已經展示出了較多的弊端。因此通過VR技術可以將試驗臺分解成幾個有機的整體，讓學習者進行試驗探究，盡可能真實地感受實驗的過程，并了解相關的知識。

綜上，VR技術可以在有限的空間內給予學習者近乎無限的可能。其不僅能滿足機械工程方面的需求，其他學科也可一一滿足。

四、AR與VR在教學中的展望

隨著當今信息技術的飛速發展，學習已經不再像過去一樣需要一個固定的、具體的地點。數字化的實驗設備已經被廣泛運用到我們日常的教學中。然而正如筆者在前文所提到的那樣，我們目前所使用的數字化教學軟件多數已經把具體的某些設備變得高度符號化，以至于學生在真正面對具體機構的時候多少會有一種陌生感。其實，在日常教學中（尤其是實驗），我們無非就是在現有的物理學定律下進行某些操作，從而達成某些目標。這很容易使人聯想到另一種東西——游戲。如果我們以沙盒類游戲為藍本，將在實驗中所用的構件生成可以人機交互的單元，并給定一個符合學生所接觸的知識層面的標準且滿足實驗需求的虛擬環境，學生就可以自主進行探索式的學習。[9][10]這種學習可以打破物質條件（例如實驗設備不夠，試驗場地擁擠）的限制，也可以解決多數學校在面對設備的更新換代時的“尷尬”問題（設備并未老化到無法使用，但是已經不足以用來教學）。

當然，要將AR與VR技術引入現實運用還有很多的問題需要解決，至少有“三大難點”阻攔了此技術進入各高校。[11]第一大難點是“定制化的硬件”的開發。AR與VR都可以使用學生自己的智能手機，但是手機的運算與處理能力確實良莠不齊。如果要推進教學中實驗的VR化，需要的設備對于數據處理的能力要求也不是一般智能手機所能達到的。現在一款普通的VR設備售價少則三千元甚至更高，加上現在的軟件開發并不完善，進行如此之大的投資去買可能收獲甚微甚至是可能會被閑置的設備，這明顯是不可能的。然而現在的大多數開發軟件的制作組多數都把精力放在游戲的開發上，而著手開發數字化教學軟件的公司缺少對VR技術熟練掌握的人員。如果沒有足夠堅實的軟件開發團隊做后盾，任憑你的硬件做得有多么適合也照樣不會有人買賬。這就是第二大難點，軟件開發的落后。第三大難點是一個很嚴重的問題——如何構建一個滿足實驗所需要的環境？在現實中，影響實驗結果的因素有很多，那么應如何將其引入到虛擬的實驗環境中？理想狀態下的數據固然可以為學生證實自己所學到的定理，但是在學習中，誤差分析也是至關重要的一項內容。這也是我校課題小組在進行開發的時候無法解決的問題。

作為剛剛開始發展的新技術，AR及VR遇到困難是難免的，而且任何技術都會有其特性所帶來的“短板”。我們可以發揮我們自身的主觀能動性，在開發過程中趨利避害、取其長處、避其短板。我們相信將虛擬現實技術運用于教學中將會是教學二維數字化之后的又一發展趨勢。

五、結論

在上文中，我們分析了AR技術與VR技術在教育方面可以運用的領域。這兩種高新技術將教育從實體教學中解放，為學習打破了空間的界限。尤其是在大學本科全日制高校的機械專業的教學中，將實驗以虛擬的方式結合學生較容易接受的方式進行教學、引導是我們目前急需解決的課題。無論是我校現在正在編寫的特色AR課本還是已經開始進行嘗試的運動搭接平臺的VR化程序的編寫，都是一種大膽而有意義的嘗試。AR技術與VR技術在教育方面有很好的前景，在更多具有專業素養的程序開發者加入這方面的開發后，這些問題一定可以被一一解決。在進行VR課程的開發的同時，相關企業和教育部門的統籌規劃，合理調用珍貴的研發資源也是極為必要的。在VR課間的開發中，一定會涉及跨專業、跨學科的各領域間的合作。在開發相對專業的VR課程教育系統或軟件時，更應將有效的交流放在首位：軟件開發組可以有序且正確地認知其開發的相關實驗或項目的全貌，技術支持組可以在遇到問題時及時提出相應的方案。在各方面的協調努力下，保證開發的VR課程教育系統或軟件能最大限度地符合相關的定律、規則。要使開發出的VR課程教育系統或軟件可以投放到高等院校教學的過程中，發揮其獨有的特性，為教學工作提供便利。相信在各部門的協調與努力下，這兩項優秀的技術也將逐漸走進高校，走進課堂。

[ 參 考 文 獻 ]

[1] 張枝實. 虛擬現實和增強現實的教育應用及融合現實展望[J]. 現代教育技術， 2017（1）：21-27.

[2] 蔡蘇， 張晗， 薛曉茹，等. 增強現實（AR）在教學中的應用案例評述[J]. 中國電化教育， 2017（3）：1-9.

[3] 張枝實. 虛擬現實和增強現實的教育應用及融合現實展望[J]. 現代教育技術， 2017（1）：21-27.

[4] 劉偉， 杜強， 張順心，等. 基于VR技術的工程圖學移動學習系統[J]. 圖學學報， 2016（6）：857-861.

[5] Milgram A P， Takemura H， Utsumi A， et al. Augmented reality： a class of displays on the reality-virtuality continuum[J]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering， 1995（2351）：282-292.

[6] 李亞平， 孟麗霞. VR技術在教學中的應用[J]. 中國市場， 2016（50）：244-245.

[7] 褚晶瑩. 基于UNITY3D技術的VR展臺的設計與實現[D]. 長春：吉林大學， 2016.

[8] 汪存友， 程彤. 增強現實教育應用產品研究概述[J]. 現代教育技術， 2016（5）：95-101.

[9] 張枝實.量化自我：大數據時代學習的新趨勢[J].現代教育技術，2014（11）：12-17.

[10] 王理川.虛擬現實系統中全局光照實時渲染技術研究[D].上海：上海交通大學，2011.

[11] 王同聚. 虛擬和增強現實（VR/AR）技術在教學中的應用與前景展望[J]. 數字教育， 2017（1）：65-67.

[責任編輯：劉鳳華]