基于“5G+無人機”的VR/AR技術在給排水科學與工程專業教學中的應用

張倩　李孟

摘 要 給排水科學與工程專業是一門工程性、實踐性很強的專業，傳統的理論和實踐教學存在著一些不足。基于“5G+無人機”的VR/AR技術應用在給排水專業教學中有著顯著的意義。將其應用于給排水專業教學的相關課程中能帶來智能教學的改革，主要包括給排水專業理論課程、給排水課程設計和畢業設計以及虛擬實驗室仿真實驗教學，提高了學生的學習積極性和學習效率，取得了良好的教學效果。

關鍵詞 5G+無人機 VR/AR技術 沉浸式教學 課堂應用

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.11.013

Application of VR/AR Technology Based on "5G+ UAV"

in Teaching of Water Supply and Drainage

ZHANG Qian， LI Meng

（School of Civil Engineering and Architecture， Wuhan University of Technology， Wuhan， Hubei 430070）

Abstract Water supply and drainage is a specialty with strong engineering and practice. There are some deficiencies in traditional theory and practice teaching. The application of VR/AR technology based on "5G+ UAV" has significance in the teaching of water supply and drainage. Applying it to relevant courses of water supply and drainage major can bring the reform of intelligent teaching， mainly including theoretical courses of water supply and drainage， water supply and drainage course design and graduation design as well as virtual laboratory simulation experiment teaching， which improves students' learning enthusiasm and efficiency， and achieves good teaching effect.

Keywords 5G+UAV; VR/AR technology; immersion teaching; classroom application

隨著科技的發展和進步，人工智能技術逐漸應用到各專業的教學過程中。隨著無線互聯網和智能設備驅動的移動數據服務迅猛增長，5G技術帶來了一場革命性的突破，使教育教學進入了跨界融合、創新教育的新階段。隨著無人機技術的完善，“5G+無人機”的組合技術讓原來在傳統課堂教學上難以實現的一些功能和實際應用有了新的機會。“5G+無人機”對教師的教育理念、教學方式以及學生的學習等都帶來了重大的影響。

沉浸式教學理論，指的是利用現代科技信息新技術來構建一個新的學習環境，相比傳統的課堂教學更接近于真實的學習環境。在這種新的學習環境中，學生完全沉浸在其中，可以更好的完成所需掌握的相關知識和理論的建構。在沉浸式教學的過程當中，學生可以全身心地透底沉浸在當前的教學情境中，并且在虛擬的學習情境中去感受現實情景中的真實場景，這可以更好的幫助學生開展有深度和高效率的學習。[1]

沉浸式的教學方式能夠讓學生對于課堂上所需學習的知識有更直觀、更真切地感受，從而能夠深入的理解需掌握的知識。通過沉浸式的教學能有效提高學生的學習興趣和效率。在教學過程中結合現代人工智能技術，基于“5G+無人機”的VR/AR的技術組合將在未來給排水科學與工程專業教學中發揮更大的作用。

1 人工智能技術

1.1 5G+無人機技術

國務院印發的部署全面推進實施制造強國的戰略文件《中國制造2025》的頒布，使得高校開展基于無人機的教學活動越來越多，尤其是在信息化技術和5G通信技術的高速發展下，無人機教學獲得了更多的技術支持，從而也開創了高校創新教育的新章程。

無人機是指在飛機上處于無人駕駛和操控的狀態下，由遠程的終端進行控制，或無人機上裝有嵌入式的計算機程序所駕駛的飛機。無人機也可以稱為是一種無人駕駛的飛機，它主要是由相關的技術人員進行遠程遙控操作的，或者是飛機上裝載有電腦，電腦有提前設置好的程序來進行自動控制。從狹義的概念上來說，“無人機”可以被定義為是一個空中的飛行平臺。而無人機系統是由無人機本身、地面控制站、通信數據、飛行器及通信相關設施設備組成的。[2]

當前，在5G、云計算和大數據的支持下，可以說無人機技術正在不斷地朝著高度智能化的方向進行快速的發展。將5G技術和無人機技術進行有效的融合，構建“5G+無人機”技術，是人工智能發展過程中的重大創新。[3]將5G引入到無人機技術中，會極大地推動課堂教學過程中信息化的改革，促使學生在課堂學習中自主發現問題、提出問題并最終學會自己解決問題。

目前，“5G+無人機”技術正在教學活動中逐步得到應用。“5G+無人機”技術可以實現多學科的整合，能有效的培養學生自主學習的能力，培養學生的創造能力。通過多學科的融合，使學生對所學的知識有了更深刻的理解和掌握。另外，“5G+無人機”技術還可以與人工智能相結合，能有效的使學生的自主學習能力得到提高，有效的使學生的編輯能力得到提高，有效的時學生的邏輯思維能力得到提高，并且有效的使課堂的教學效果得到提高。同時，“5G+無人機”技術還可以進行協同實際工程項目開展教學，尤其是工程性、實踐性強的專業。這可以讓學生主動參與到實際工程案例的教學過程中，能讓學生通過對實際工程案例的學習，能主動的發現工程問題并最終自己解決工程問題。最后，“5G+無人機”技術還可以實現虛擬教學，實現教學方式的多樣化創新。通過虛擬教學和虛擬實驗教學等方式，可以讓學生很好的將理論與實際有機的結合起來，能有效的提高課堂教學效果。

1.2 VR技術

VR技術能模擬真實的現實環境，給學生帶來更加真實的聽覺、視覺等方面的感官體驗。在傳統的課堂教學過程中融入VR技術教學，能夠充分地利用VR技術的虛擬手段特點，來有效的實現課堂教學中有關的文字、數字、圖像和動畫等各個因素之間的相互高度融合，構建了高交互式、場景式的課堂教學情景，具有良好的高交互式課堂教學效果，既豐富了課堂教學過程中學生需學習和掌握的知識內容，同時還有效的增強了學生和教師之間的人機交互，可以實現低延時、高效率的教學反饋，豐富了沉浸式教學的內涵，非常有利于富于創造力和執行力的人才培養。

1.3 AR技術

AR技術也可以稱為擴展現實或者擴張實境。AR技術是利用計算機系統中的軟件來生成各種各樣的虛擬物體和虛擬場景等，并將虛擬的物體或場景疊加應用到真實的場景世界中，從而可以實現增強的可視化畫面和實時的高交互性。[4]在平時的教學過程中，教師和學生都可以佩戴上AR眼鏡等高科技的特殊設備，進入到由虛擬和真實環境所構建的新環境中進行高交互式的人機交互教學，利用AR技術可以更好的實現課堂教學中對于現實場景信息的有效增強。與VR技術相比較，AR技術可以使得真實的現實場景和虛擬的場景進行高度的融合，帶給學生和教師的真實感更加的強烈，師生之間的人機實時交互效果也更加的顯著，能夠實現課堂教學的快速反饋和及時追蹤。利用現代化的信息技術，如大數據、云計算等，能實現AR的高效運行。例如，通過5G技術可以將現場的影像場景實時地傳遞到課堂教學的終端系統，同時還能實現相關教學內容的高速下載，現場和課堂兩個不同場景的實時互動，讓課堂教學不再枯燥乏味，同時也為學生帶來更好的學習體驗，提高學生的學習興趣。

另外，將VR/AR技術應用在教學過程中，可以在課堂上就同步創造出內容有趣、參與度高的直觀式和沉浸式教學效果。VR/AR技術能夠實時地將外部世界帶到課堂上，也能將教室的課堂教學帶到外部世界中。這樣的實時應用能夠使學生更加真實地體驗到不容易實際去到的地方或建筑，甚至是不能去到的地方或建筑內部。

1.4 構建沉浸式教學場景

借助5G通信技術和無人機技術實現對VR沉浸式場景的應用，能有效提高教學的互動性，實現低延時和高效率的反饋。同時，利用大數據和云計算等信息技術實現AR的運行，并通過5G技術將這些影像傳遞到課堂教學中的相關終端系統，實現教學內容的實時交互，使課堂教學變得更加生動有趣，同時也為學生帶來了更真實的、高交互式的學習體驗。

同時，在傳統的課堂教學過程中還可以充分利用無人機技術、VR技術、AR技術和5G技術，來構建全景的虛擬情景與現實場景相結合的VR實時直播。首先，在無人機上裝載全景攝像頭進行實時場景的視頻拍攝，進行拍攝場景的視頻采集和拼接處理;然后，通過5G高速網絡，將采集和拼接處理后的視頻遠程傳輸到視頻服務器上，再傳輸給課堂里的終端電腦系統;最后，在傳統課堂上的學生和教師可以通過佩戴VR眼鏡來隨時進行實時場景的觀看和體驗，5G技術保證了現場情景傳輸的無延遲和高效，可以為課堂上的教師和學生帶來了身臨其境的現場直播。總的來說，基于“5G+無人機”技術構建的AR/VR課堂教學，可以實現教學內容和教學資源的高速傳輸，可以實現師生之間高效的人機交互，可以實現高效率的實時輸送教學資源，可以構建高效率的智慧課堂教學。

2 人工智能技術在給排水課程的應用

基于“5G+無人機”的VR/AR技術在給排水專業課程的應用主要根據給排水專業的特點和相關課程來進行設置，主要包括：給排水專業理論課程、給排水課程設計和畢業設計以及虛擬實驗室仿真實驗教學。

2.1 給排水專業理論課程

主要課程包括水質工程學、建筑給水排水工程、高層建筑給排水、水文學與水文地質、水資源保護與利用、水泵與水泵站、給排水管道系統等。

對于此類專業理論課程，可以通過利用基于“5G+無人機”的AR/VR技術構造虛擬的場景，建筑和建筑內部的管道。在課堂教學過程中，教師和學生可以通過佩戴AR眼鏡來進行課堂教學中相關虛擬內容的學習。在此基礎上，還可以將AR/VR技術與5G技術、云計算技術等相結合，利用5G網絡的高速傳輸特性將AR影像無延遲、流暢的傳輸到課堂教學的終端系統，使課堂上的教師和學生沉浸在實際與虛擬融合的場景中進行學習，使學生對所學的知識有更深的理解和掌握。[5]比如，教師在講解某些建筑內給水管道、排水管道和消防管道時，可以通過 AR/VR技術，讓學生沉浸式體驗實際建筑內部各類管道的布局和走向，更加深刻的理解給排水各類管道的特點和布置方式及注意事項等。這些管道案例一般針對由于距離、時間和管道的相對隱蔽性等原因，學生很難去現場真實體驗，而采用基于“5G+無人機”的AR/VR技術能夠使學生有真實的身臨其境的感覺，學生能夠沉浸式的體驗所講授的內容，教學效果要比圖紙和模型的體會更深，實現教學的高效率。

此外，還可以依托相關的實踐教學平臺，進行基于“5G+無人機”技術的實時虛擬與真實場景的VR直播。將攝像頭裝載在無人機上進行真實場景的實時拍攝，通過連入5G網絡將全景視頻傳輸到視頻服務器，最后傳輸給教室的師生。學生在教室就可適時看到實際工程場景，并就實際工程場景提供的內容開展實際工程問題的發現和解決方面的實時工程教學。提高了學生的學習興趣，提高了給排水專業學生對相關水環境問題的分析能力，同時也使得給排水專業的學生具有解決相關復雜工程問題的能力，提高了學生的綜合素質，為其走上工作崗位后盡快地適應從事的技術工作打下良好基礎。

2.2 給排水課程設計和畢業設計

針對給排水專業大三和大四的學生開展的相關課程設計和畢業設計，主要包括：水質工程學課程設計、建筑給水排水工程課程設計、水泵與水泵站課程設計、給排水管道設計和給排水畢業設計。

在傳統的給排水課程設計和畢業設計中，學生繪制的平面圖、立面圖、剖面圖普遍不夠直觀，通過二維圖紙傳遞出來的真實感不強。現在，借助“5G+無人機”的AR/VR技術，學生對課程設計和畢業設計有了更加豐富和真實的體驗感。在該技術的支持下，可以有效地實現設計內容的可視化和設計環境的虛擬化。學生可以在課堂上隨時生成三維的虛擬建筑和管道，學生在課程設計和畢業設計的過程中就可以自己親身體驗到自己所設計的管道是否滿足要求，各種管道的空間布局是否合理，給水管、排水管、消防管等管道是否有交叉或重疊等。同時，還可以將虛擬的管道同真實的給水廠、污水廠、建筑等實際場景進行疊加，以檢驗其在真實環境中的有效性和合理性。

在具體設計的前期方案確定過程中，可以利用“5G+無人機”的AR/VR技術使老師和學生都足不出戶，在教室即可方便的查詢、體驗和研究分析相關的實際案例。在對設計方案進行推敲時，可以通過AR/VR技術構造更強烈的空間感和真實感，使學生身臨其境地在場景中任意漫游，感受具體的空間尺度，管道材料與特性等信息，如果發現有不合理的地方，可以對不合理、不滿意的地方進行標注，并對其設計方案進行進一步的完善。讓學生沉浸在更加真實的設計體驗中，可以極大地激發學生的主動性和設計思維。

2.3 虛擬實驗室仿真實驗教學

主要針對給排水專業非常重要的水處理實驗，如混凝沉淀實驗、化學需氧量COD的測定實驗（Cr法）、清水充氧（曝氣）實驗和過濾實驗等。在課堂教學過程中，往往會因為實驗設備和實驗場所等方面短缺的問題，導致許多教學實驗無法開展。同時，由于水處理工藝流程復雜、構筑物及設備眾多，水處理實驗室內難以完整模擬，學生通過實驗操作很難了解全貌并解決實際問題。對此，可借助虛擬實驗室，學生可以在教室中完成相應的教學實驗，并獲得和在實驗室開展真實實驗相同的感受和體會，進而強化學生對實驗相關內容的理解和記憶。同時，虛擬仿真實驗教學還不消耗器材，不受場所、設備等外界條件限制，可重復操作。與傳統實驗教學相比，不需要學生接觸化學藥品等，可以說是非常的安全、可靠。水處理實驗開展虛擬仿真實驗教學，可以在經濟性、安全性等方面比傳統實驗室的教學有著較高的優勢，是一種非常行之有效的給排水實驗教學工具。

3 結束語

基于“5G+無人機”的AR/VR技術能夠（下轉第43頁）（上接第40頁）使學生真實地模擬相應的事物以及環境，同時還可以提供多元化的交互途徑以及會話方式，使得學生的學習自覺性和積極性得到了極大的發揮，有效的激發和培養了學生的想象力和創新能力。另外，“5G+無人機”的AR/VR技術有效地促進了信息技術與高等教育的深度融合，創新大數據背景下課程教學與高素質復合型創新人才的培養模式，提高了學生對實際工程問題的分析能力和解決復雜工程問題的能力，為激發學生的學習自覺性和學生創新能力的培養提供了新的思路，培養創新型和應用型人才。

通訊作者：張倩

基金項目：湖北省高等學校省級教學研究項目（項目編號2016132）

參考文獻

[1] 徐恩華.人工智能技術下沉浸式教學模式在無人機教學中的應用探索[J].教育教學論壇，2020，（23）：283-284.

[2] 朱珂，王瑋，楊露彬.“5G+無人機”技術的教與學：場景、路徑與未來應用展望[J].遠程教育雜志，2019，（4）：33-41.

[3] 張雪菲.5G 移動網絡下環境設計專業教學方式改革研究[J].高教學刊，2020，（27）：133-135.

[4] 李建晶.VR/AR 技術在高校建筑學教學中的應用研究[J].中國房地產（下旬刊），2020，（2）：60-63.

[5] 王鵬，李志強，李彩紅，等.VR技術在土木工程教學中的應用研究[J].黑龍江生態工程職業學院學報，2020，（6）：126-127.