本科專業課交互式反饋觸動VR教學系統構建

韋常柱 浦甲倫 欒文杰 關英姿

[摘 要] 航空航天類專業的限制使得本科學生缺少參與工程實踐的機會，直接影響了專業課的教學效率。基于5G/VR技術，研究構建一種可在教師—模擬設備—學生間實現信息高效反饋觸動的教學系統，該系統內置高保真虛擬實驗條件與場景，可模擬多種復雜物理過程。通過結合理論知識的工程應用觸動操作，學生可完成理論與實踐相結合的深層認知學習。該系統的構建與應用可大幅提高學生的實踐參與度、理論感知度和知識掌握度，對于實現本科教學改革、提升專業課教學效率具有重要意義。

[關鍵詞] 航空航天;本科教學;交互反饋觸動;VR教學系統;5G傳輸技術

[基金項目] 2019年度黑龍江省教育科學“十三五”規劃重點課題“基于5G信息傳輸的本科專業課VR教學系統構建與應用研究”（GJB1319034）;2018年度哈爾濱工業大學教育教學改革研究項目“導師依托團隊學生黨支部進行思政教育和黨建的實踐研究”（JGYJ-2018020）

[作者簡介] 韋常柱（1982—），男，江蘇贛榆人，博士，哈爾濱工業大學航天學院教授，博士生導師，主要從事飛行器控制與制導、人工智能理論及應用研究;浦甲倫（1979—），男，黑龍江哈爾濱人，博士，哈爾濱工業大學航天學院副教授（通信作者），主要從事飛行器總體設計、目標跟蹤與預報研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻標識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）09-0021-04 [收稿日期] 2022-01-19

一、背景研究

航空航天科學與技術是基礎理論和工程應用緊密結合的綜合學科，相關高校的本科教學中開設了大量的專業理論課程與實踐課程。但只依靠教師的理論講解結合PPT/板書展示來向學生講授專業知識過于抽象，且由于航空航天類專業的特殊性，在試驗條件、成本、安全性等限制因素下，學生缺少實踐機會，對眾多專業性知識很難有直觀、深刻的理解，更無法將其快速應用到實際工程問題中。綜上本科生的科研能力并沒有得到充分培養，很難直接達到實際工作要求。為加強對我國航空航天類專業本科學生能力的培養，將專業課程進行適應時代需求的教學改革是有效提高人才培養質量和培養速度的關鍵。

為解決目前本科課堂教學知識過于抽象及實踐操作較為困難的問題，VR技術的應用提供了一種較好的解決手段[1]。在基于VR技術構建的教學系統中，學生能夠在學習理論知識的同時身臨其境地參與虛擬工程應用，可以更好地理解所學，并深化感性認識、促進實踐興趣的產生，從而提高教學效率、保證教學效果。

目前，國內外一些高校及研究院所已經對基于VR系統的教學方式開展了不同程度的研究。美國林登實驗室研發創立了開放式虛擬現實平臺項目Second Life（SL），讓學生成為虛擬世界中的一個角色并在其中進行學習。CAI等人針對能夠使初中學生更好地理解、認識化學課程中物質微觀結構的需求，設計了相關課程的VR操作實驗系統，幫助學生利用手勢交互的方式組合操作虛擬微觀世界的分子、原子[2]。

反觀國內，目前高校應用VR系統授教工科課程的案例極少。僅有清華大學、上海交通大學、北京航空航天大學等少數高校建立了VR技術實驗室，且其目的也只是用于進行科學研究與技術開發。

當前限制VR教學系統推廣應用的主要問題是虛擬畫面存在遲滯、拖尾等現象，直接影響教學體驗，而這一問題將隨著我國先進的5G信息傳輸及局域網構建技術的快速發展得以解決。基于5G信息傳輸技術開發的交互式VR教學系統，可大大提高課堂的流暢度及學生的體驗感，保證教學效果。

為解決當前以航空航天類專業為代表的、工程實踐需求強但條件受限程度高的本科教育難題，本文分析并結合航空航天類專業學科的教學特點，提出了一種基于5G具有交互反饋觸動能力的VR教學系統，該系統可突破試驗條件、安全因素等限制，使課堂教學的交互性更強、趣味性更高、展示性更直觀。

二、交互式反饋觸動VR教學系統的組成與功能

交互式反饋觸動VR教學系統利用先進的5G信號傳輸技術，集VR與多種多媒體教學設備于一體，是實現航空航天類學科新教學模式的基礎。

交互式反饋觸動VR教學系統由四部分組成：實驗室端、教師端、學生端及傳輸端，結構方式如圖1所示。在VR教學課堂中，學生通過VR設備觀看教師的演示，同時操作設備進行語音、動作等信息輸入，對虛擬環境中的實驗設備、環境場景進行操作、裝配等，實現信息的交互。教師可以使用教師端向學生分發教學資料、進行實驗演示，同時能觀測學生的操作情況，獲得信息反饋，并向實驗室端傳輸實驗操作數據，并接受處理結果，完成授課[3]。為實現上述過程，系統還須具備強大的中央處理單元，以完成大量數據的處理，這便是實驗室端的功能，除此之外，還有以5G傳輸技術為基礎的傳輸端。他們的具體功能如圖1所示。

（一）實驗室端

實驗室端的設備主要用于完成數據的儲存和處理，主要由高性能計算模塊、輸入/輸出數據閃存模塊及存儲模塊組成。其中高性能計算模塊用于處理來自教師與學生的實驗反饋信息，同時對輸入的案例快速計算得出過程與結果，生成相應的VR模擬景象。

（二）學生端

學生端可用于完成VR虛擬環境的構建，同時接收教師端的授課信息輸入，給予互動反饋，為學生提供多感官沉浸式體驗。該端主要由VR頭盔、藍牙耳機、方位跟蹤設備和其他輔助硬件組成。VR頭盔用于建立VR模擬景象，從而逼真模擬現實環境。藍牙耳機與計算機系統互連，向學生傳輸對應場景的模擬聲音。方位跟蹤設備可實現手勢、動作、方位的感知與觸動反饋。其他輔助硬件主要包括學生端計算機及其附件，用于接收來自教師端的信息并構建VR景象，以及傳輸學生的反饋信息。

（三）教師端

教師端除具有與學生端相同的硬件設施外，還配置有交換機作為與實驗室端和學生端的信息傳遞中樞。教師端的系統對學生端具有控制作用，可以實現教學課件展示及實踐操作場景演示。此外，還可以設定實驗控制閾值，防止學生端上傳的不合理數據造成計算錯誤或虛擬設備故障，同時還可觀察學生端的實際操作情況，實時做出指導并獲得教學反饋。

（四）傳輸端

傳輸端是數據網絡實體，通過5G無線傳輸技術連接實驗室端、教師端及學生端，該網絡的理論下行速度為10Gb/s（相當于下載速度1.25Gb/s）。在教室中教師端與學生端都配有5G信號接收與發射裝置，保障數據的傳輸，在教室與實驗室間還配有多個信號增強站，保障來自每一間教室的信號都能快速穩定地傳給實驗室端。

由上述四部分構成的交互式反饋觸動VR教學系統可實現穩定、高效的交互式反饋觸動課堂教學，將顯著提升教學效果。

三、交互式反饋觸動VR教學設計

交互式反饋觸動VR教學系統構建完成后，即可結合航空航天類學科本科課程的具體要求進行教學設計。首先，進行虛擬實驗場景的建設，然后設計課堂管理系統、編寫配套課件，最終將其應用于航空航天類學科專業課教學中。

為使學生能夠通過理論結合實際來深入理解所學，教學系統的應用過程應至少包括兩個部分：航空航天類學科的基礎理論教學與引導學生結合所學知識進行工程實際應用教學。具體設計與應用過程如下。

（一）虛擬實驗場景建設

航空航天類學科課堂教學中使用的虛擬實驗場景含有飛行器本體、飛行空間環境、行星表面環境等。虛擬實驗場景是通過三維物理引擎模擬飛行器飛行環境、飛行場所、內部結構等，支持模型自動從數據庫導入。在構建虛擬實驗場景時，先通過圖片、影像數據采集飛行器結構、空間環境等信息，并將獲得的數據進行標準化，以保證參數準確、可靠及高保真可視化。同時，各模型可以添加不同數據并調整組件以增加交互功能，最后在系統測試成功后，將模型導入資源庫，以便即時調用。至此即完成虛擬實驗場景的建設。

（二）課堂管理模塊設計

航空航天類學科課堂管理模塊主要包含以下四個部分（圖2）。

1.師生互動系統。包括在線實驗消息推送、線上交流和課后答疑等多種功能。

2.學生端系統。分為考評系統、教務系統及操作成績查詢系統，供學生自行管理課程、實驗及個人成績。

3.實驗中心系統。該系統用于管理航空航天類學科基礎課程的虛擬實驗及課程設計，是實驗室端的核心。

4.維護系統。是后臺控制系統，將由專業人員和實驗管理員負責管理和維護。

（三）教學配套課件制作

結合航空航天類學科課堂教學的要求，根據知識點確定教學內容后，由技術人員協助完成VR教學課件的初步設計。之后，由授課教師與相關專家研討，再進行多輪修改完善，以確保課件內容準確，具有可授性。

（四）交互式反饋觸動教學

在傳統的基礎理論教學中（以“導彈飛行力學與控制”課程中的“比例導引法”講授過程為例），首先由教師創建數學模型，并抽象描述導彈打擊任務，引導學生思考如何應用比例導引法計算導引指令，實現對目標的精準打擊。然后利用VR虛擬課堂，展示導彈打擊過程的場景，包括發射→追擊→迫近→命中的每一個過程均能在視覺上得以呈現，并且采用正視側視和俯視三種視角從不同的角度觀看導彈打擊過程，使學生對導彈整個攻擊過程有更為清晰的認識。

在此基礎之上，教師可更改數學模型中的變量，學生能夠直接觀察各變量對導彈能否命中和打擊作戰過程的影響。應用VR設備提供的3D立體場景可對導彈攻擊彈道進行展示，極大地深化學生對導彈彈道和導引理論的理解，從而大幅提高授課效率。類似地，航空航天類學科因其獨有特色，可將諸多實驗教學場景應用VR虛擬課堂進行形象模擬，幫助學生全面了解航天任務全過程，深入領會所學知識。

四、應用前景

隨著VR技術的不斷完善及我國5G通信系統的快速構建，VR教學系統廣泛應用于本科教學之中正逐漸成為現實。VR教學系統有交互性強、直觀性好、趣味性高等優勢，將其應用于航空航天類本科課堂，可解決傳統課堂形式面臨的諸多問題，大幅提升教學效率。在當前多媒體時代下，該教學系統的構建和應用模式具有廣闊前景。

（一）VR教學系統將構建新式教學環境

由VR系統構建虛擬化實驗室，將普通課堂與實踐操作緊密結合，讓學生在“虛擬實驗環境中”學習，既提高了學生對理論知識的學習興趣，又可使其充分理解所學知識的工程意義，且能夠及時、便利地與教師交流問題、交互心得，突破了傳統課堂模式的限制。

（二）VR教學系統帶來授課方式的變革

目前課堂教學中大多僅采用PPT或教學視頻等進行形式較為單一的輔助，而VR教學系統則可讓學生沉浸在虛擬環境中，通過視覺、聽覺、觸覺等多感官與系統進行交互體驗，多種形式、全方位地接受知識的輸入，得到印象更為深刻的體會。

（三）VR教學系統可助力課堂教學質量提升

目前本科專業課堂教學中缺乏師生互動的手段和條件，僅能通過作業、考試等方式了解學生的學習情況，無法實時掌握學生的學習動態，授業效率較低。而在應用VR教學系統的課堂上，教師可以在主機端全程觀察、指導學生的實踐操作過程，及時、準確了解學生存在的問題，并據其適當調整教學內容與進程，從而最大化提升教學效率。

（四）VR教學系統可節約資源、降低成本

VR教學系統內設的虛擬環境，可突破時間限制和空間約束。特別地，航空航天類學科教學涉及的對象往往成本高昂、難以購置，而通過虛擬技術手段對其進行構建則可在大大降低成本的同時達到幾乎等效的操作、學習效果。另外，學生也可視知識掌握情況進行多次、長時操作，無須受成本、設備耗費、安全等條件制約。

本文提出的交互式反饋觸動VR教學系統，內設對應講授內容的虛擬環境和模擬設備，學生可對其進行多感官度的反饋觸動操作，從而深層強化理解所見、所聞、所學，同時動手能力與創新能力也將得到充分鍛煉。該系統對應的交互式反饋教學方式，也將有力促進師生交流、調動學生的學習積極性、提高學生的學習效率，從而有效提升整體授課效果。

參考文獻

[1]李書杰，鄭利平，謝文軍，等.虛擬現實（VR）教育的問題與思考[J].計算機教育，2019（2）：41-44.

[2]CAI S， WANG X， CHIANG F-K. A case study of augmented reality simulation system application in a chemistry course [J]. Computers in human behavior， 2014（37）：31-40.

[3]劉潔，王慶揚，林奕琳.5G網絡中的移動VR應用[J].電信科學，2018，34（10）：143-149.

Construction of the Interactive Feedback-triggering VR Teaching System of Undergraduate Professional Courses： Taking the Undergraduate Professional Courses of Aerospace Major as an Example

WEI Chang-zhu， PU Jia-lun， LUAN Wen-jie， GUAN Ying-zi

（School of Astronautics， Harbin Institute of Technology， Harbin， Heilongjiang 150001， China）

Abstract： The limitation of aerospace majors makes undergraduate students lack the opportunity to participate in engineering practice， which directly affects the teaching efficiency of professional courses. Based on the 5G/VR technologies， this paper studies and builds a teaching system that can realize efficient information feedback among teachers， simulation equipment， and students. The system has built-in fidelity virtual experimental conditions and scenarios， which can simulate a variety of complex physical processes. Students can complete deep cognitive learning by combining the practical operation of engineering applications with theoretical knowledge. The construction and application of this system can greatly improve students practical participation， theoretical perception and knowledge mastery， which is of great significance to realize the undergraduate teaching reform and improve the teaching efficiency of professional courses.

Key words： aerospace; undergraduate teaching; interactive feedback-triggering; VR teaching system; 5G transmission technology