基于虛擬現實技術的新工科教學初探

榮鼐 方廷勇 朱曙光 王晏平 王庚 馬進偉

[摘 要] 基于目前新工科教育背景，蓬勃發展的虛擬現實技術由于其高仿真、全沉浸和強交互的技術優勢，預期可極大地輔助和提升工程科學的課堂教學與實踐教學，為此，提出了三個虛擬現實技術輔助工科教學的構想：基于智能移動終端的AR輔助課堂教學、基于位置和圖像信息的AR強化實踐教學、基于VR技術的沉浸式交互實踐教學，以期能夠初步解決課堂知識抽象、實踐教學不深入的問題。

[關 鍵 詞] 虛擬現實；增強現實；新工科；工程教育

[中圖分類號] G642 [文獻標志碼] A [文章編號] 2096-0603（2018）19-0082-02

一、引言

為支撐以新技術、新業態、新產業、新模式為特點的新經濟的蓬勃發展，適應工程領域知識的快速產生、轉化和更新趨勢，占據未來全球創新生態系統戰略制高點，工程領域人才培養亟待改革與創新。“新工科”（Emerging Engineering Education）正是基于國家正在實施的“創新驅動發展”“中國制造2025”等重大戰略需求，當下新的國際形勢以及人才培養新要求而提出的我國工程教育改革方向。

目前我國工程學科本科教育存在著工科理科化的傾向[1]，強化科學技術的理論教育，而工程學科本身的實踐性則在教學中有所欠缺[2]。此外，工程領域新技術快速迭代，技術更新與教學內容更新難以同步，導致新技術傳達到課堂教學存在極大的延遲；目前，大多數高校通行的板書加電子課件教學也難以將工程科學中復雜的原理和結構通過口頭描述與平面畫面準確生動地呈現，而且也難以激起學生的學習興趣。近年蓬勃發展的虛擬現實技術因其“沉浸感”和“交互性”在教育領域擁有無限的應用前景，有望大幅提升傳統授課方式的教學效率和效果[3]。教學體系更偏向實踐的工程科學尤其適合借助虛擬現實技術，對教學內容進行深化和具象化，從而獲得更佳的教學效果。本文試圖從一線工科專業課授課人員的角度，探析虛擬現實技術在工科教學中的可能應用場景與潛在挑戰。

二、虛擬現實技術輔助工科教學構想

虛擬現實技術（Virtual Reality）是一種通過對三維世界模擬從而創造出嶄新交互模式的計算機仿真系統，其可創造出多源信息融合的交互式三維視界，用戶在該環境中具有極強的沉浸感。虛擬現實技術又可分為增強現實（AR，Augmented Reality）、虛擬現實（VR，Virtual Reality）及混合現實（MR，Mixed Reality）[4]。表1給出了三種虛擬現實技術的不同功能特性：VR重在虛擬，AR重在強化，而MR則是二者兼具。

虛擬現實技術具備3i特性，即構想性（Imagination）、沉浸感（Immersion）和實時交互性（Interactivity）。構想性允許用戶突破人類生理限制進入虛擬的宏觀或微觀場景進行探索；沉浸感允許用戶完全浸沒在虛擬環境之中并具備視覺、聽覺、觸覺等感知，角色由旁觀者轉變為參與者；實時交互性允許通過軟、硬件接口對虛擬世界內的物體進行操作，具備與真實世界相仿的反饋特性。虛擬現實技術已經可以較好地輔助初等與中等教育[4-6]，然而在高等工程學科專業課階段教學的研究或實踐較少。工程應用學科與基礎學科相比兼具原理性與實踐性，且更加偏重原理性知識的工程實踐。以下將針對目前工科教學所遇到的問題，從三個方面闡述虛擬現實技術輔助工科教學的構想。

（一）基于智能移動終端的AR輔助課堂教學

工科專業課由于其特殊性，課堂內容會涉及大量的設備或裝置的原理、構造及系統工作流程。實體設備結構是三維立體的，系統流程是動態的，而目前單一的板書結合幻燈片的教授模式無法較好地展現立體且動態的內容。隨著近年來智能移動終端設備普及和無線網絡大規模部署，通過智能移動終端連接本地離線或云端在線資源輔助課堂教學成為現實。若能在課程教授過程中適當引入AR現實增強技術，通過AR對書本中提及的設備構造、系統流程進行實時動態展示，則有望同時提高教學效率和效果。

以筆者從事的能源與動力工程專業為例探究AR技術輔助課堂授課的可能途徑。首先需要對傳統紙質教材進行改造，在教材中加入AR程序可識別的觸發標志，如能源與動力工程專業低溫方向需要學習的制冷循環、制冷壓縮機、冷凝器、蒸發器等原理和設備，熱能工程方向所學習的鍋爐、汽輪機、朗肯循環、熱力發電流程等內容。教材改造的同時也需要完成可在智能終端運行的AR識別程序的開發以及相應設備和原理的立體虛擬模型的建模。隨后在授課過程中，使用已安裝過AR識別軟件的智能終端對已做觸發標記和虛擬化的內容進行實時的三維增強展示。通過軟件和AR內容的進一步開發和精細化，可加入三維模型的縮放、分解、組合、模擬運轉等高階交互功能。

（二）基于位置和圖像信息的AR強化實踐教學

由于工科專業所對應的工程設備和裝置大多尺度較大、結構復雜或處于運行狀態，導致實踐教學尤其是工廠實地認識實習過程中存在較大困難：無法現場拆解裝置深入了解其結構和原理，只能觀其形而不能明其理，即使加入指導教師和現場工程師的針對性講解，仍然需要學生依靠抽象思維和想象來厘清設備結構和運行原理，以上問題也導致部分工科院校的實習以走馬觀花式的流程居多。

隨著定位和圖像識別技術的發展，目前已經能對物體進行高精度定位和較準確識別，若將其位置或圖像信息作為AR設備的觸發信標，當AR設備處于該物體附近時便可實現該物體的實時增強展示，以上流程可大致總結為“定位/識別—反饋—觸發—實時增強”四個步驟。例如，某次認識實踐需要對某大型寫字樓空調系統進行參觀性實習，認識內容主要包括：機房內壓縮機、冷凝器、蒸發器、冷媒水管道、冷卻水管道、水泵；寫字樓室外冷卻塔；辦公房間內空調供冷末端等多種結構與原理各異的設備。攜帶移動智能設備進入機房或其他房間后，通過終端設備所在位置信息的反饋，AR程序對不同位置的設備進行實時增強顯示（包括設備參數、工作原理、構造拆解）。基于位置和圖像信息的AR強化實踐教學可提高對設備和裝置的認識深度和基礎知識牢固度，適合工科專業開展認識實習或者輔助設備拆裝等工程技能訓練。

（三）基于VR技術的沉浸式交互實踐教學

工科實踐教學除了簡單設備和系統的認識實習，還包括復雜大系統、大裝置的認識和了解，也需對其運行和調控手段進行學習。比如筆者所學的能源與動力專業涉及熱力發電廠等大型裝置、裝備，顯然企業很難為學生提供實際操作的實踐機會，而高等院校本身在財力與場地兩個層面上也無法自購以上裝備為學生提供實踐條件。前節所述AR輔助實踐教學更加適合認識實習，而對于需要掌握運行控制策略的某些教學環節則無法滿足。

VR技術的完全沉浸式體驗則可以通過虛擬一些高危的設備和系統來避免教學場地安排困難以及安全性無法保障的問題，同時通過虛擬工廠的漫游可以加深學生的直觀印象。比如，可對某1000MW等級的燃煤電站進行全局VR仿真及交互設計，基于Unity3D引擎建立電站三維模型，采用NGUI界面實現數據輸入與命令交互，通過體感捕捉設備進行人機交互，利用立體顯示設備完成沉浸式的內容展示，最終可以實現集成視覺、聽覺和動作感知的高度逼真的電站虛擬環境。

在此虛擬環境中可完成：電站整體展示和全景漫游；鍋爐、汽輪機、發電機等設備結構三維重現和拆卸解剖；故障及事故處置流程模擬；電站設開/停車及負荷調節流程模擬等。基于VR的實踐教學模式可以反復模擬訓練，即使出現操作失誤也不會產生現實中的重大事故，極大地降低了危險性和教育成本，同時也提高了教學效率和效果。

三、結語

虛擬現實輔助初等、中等教育目前已有較多文獻報道和實踐案例，而在高等教育，尤其是高等工程科學領域的探索和實踐還較為欠缺。本文試圖通過AR和VR技術與工科教學的結合以期初步解決課堂知識抽象、實踐教學不深入的問題。任何新興技術在其應用初期必然會存在不足與挑戰，通過技術的快速迭代并在應用中調整，虛擬現實技術不僅能夠解決現階段工科教學的問題，同樣在未來高等教育其他領域的應用情景也充滿了想象空間。本文所提出的構想，基于前期研究者的相關實踐來看，技術理論層面具備可行性，而下一步的工作則是在教學中開展實踐以檢驗其適用性。

參考文獻：

[1]李拓宇，李飛，張婉瑩，等.我國工科人才培養質量提升的機制探析：中國工程院院士李培根訪談錄[J].高等工程教育研究，2016（6）：5-13.

[2]葉民，錢輝.新業態之新與新工科之新[J].高等工程教育研究，2017（4）：5-9.

[3]高媛，劉德建，黃真真，等.虛擬現實技術促進學習的核心要素及其挑戰[J].電化教育研究，2016（10）：77-87.

[4]徐媛.增強現實技術的教學應用研究[J].中國遠程教育，2017（10）：68-70.

[5]蔡蘇，張晗.VR/AR教育應用案例及發展趨勢[J].數字教育，2017（3）：1-10.

[6]劉立云，李春燕，趙慧勤.增強現實（AR）技術在教育中的應用案例研究[J].中國教育信息化，2017（17）：19-22.