強專業化課程沉浸式虛擬教學方法研究

楊東升 肖軍 閆士杰 陳東岳 潘峰

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2022.17.022

摘? 要：以電機原理及拖動為代表的強專業化課程，由于其知識體系貫穿“機電磁”，知識點理解難度大，導致單一課堂講授方式無效甚至低效。文章充分闡述VR/AR技術在教學中應用優勢，提出一種基于VR/AR的沉浸式虛擬仿真教學方案，構建教學場景結構和教學方法與策略的VR/AR教學模式，提升學生課堂教學體驗。最后對VR/AR技術在高等教育領域中應用進行展望。

關鍵詞：VR/AR技術;沉浸式教學;教學方案

中圖分類號：G642? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2022）17-0088-04

Abstract： The highly specialized course represented by "Electric Machines： Principles and Drives"， due to its strong" mechanical and electrical magnetic" coupling， results in a single classroom teaching method that is invalid or even inefficient. This paper fully elaborates the advantages of VR/AR technology in teaching， proposes an immersive virtual simulation teaching program based on VR/AR， constructs a VR/AR teaching system with teaching scene structure and teaching methods and strategies， and improves students classroom teaching experience. Finally， the application of VR/AR technology in the field of higher education is prospected.

Keywords： VR/AR technology; immersive teaching; teaching program

教育信息化是衡量一個國家和地區教育發展水平的重要標志。新時代的教育發展以“數據”為基礎，以“開放”為發展戰略，以“智能”作為發展目標。想要真正有效實現教育現代化，就必須有效運用各種信息化教育手段。

在新工科背景下，電氣工程專業作為高等教育科學發展領域的核心學科和關鍵學科，教學方法以及教育結構應該適應新時代的要求;加強學生實踐能力的培養，在現有的基礎上做出必要的改革與創新，才能有效提高學生的綜合能力。

隨著網絡和通信技術的發展，VR/AR技術的理念也越來越受到關注和認可。VR技術具有沉浸性、交互性、真實性三種特性。而三種特性為解決目前電氣專業課程的問題提供了新思路。AR技術通過視頻顯示設備向用戶呈現虛擬和真實的場景，這個特點有利于提高學生對于一些抽象的電氣專業相關課程的理解。

電機原理及拖動作為高等院校電氣工程及其自動化的專業必修課之一，具有較強的科學理論性與綜合實踐性：該課程不僅有抽象的理論分析與推導，還需要運用物理、數學、機械等基礎理論來研究更復雜的實際工程問題。因此，高效的學習掌握課程的核心內容，對于老師和學生來說都是迫切需要解決的問題。

一、基于VR/AR的沉浸式虛擬仿真教學方案設計

針對傳統的電機原理及拖動課程存在的弊端及問題，該部分設計了基于VR/AR現實技術的教學平臺系統，以電機原理及拖動課程中三相異步電動機的原理為例，利用虛擬現實沉浸、交互等特點，以及增強現實實時交互的優勢，在真實的教學場景中建立較為真實的三維立體教學情境，達到吸引學生注意力，提高學生學習積極性的目的，幫助學生更快更好地掌握專業知識與技能。

（一）教學場景的結構設計

搭建基于虛擬現實/增強現實的教學場景是整個教學過程中最重要的步驟之一，核心目標就是充分運用虛實相結合、立體化呈現、實時交互等技術優勢，彌補傳統課堂教學環境的欠缺。教學場景的創建不僅要遵循真實教學場景設計的原則，而且要將學科知識直觀地表現出來。此外，教學平臺必須易于操作，隨時隨地都可以使用，因此這對整個教學場景的硬件和軟件建設提出了很高的要求。因此，本文將對整個教學平臺的功能進行模塊化處理。

1. 三維空間立體顯示大屏系統

老師可以利用大屏立體展示每節課需要進行的教學內容，包括三相異步電機的三維立體結構等，并且毫不費力地與學生共享各個部分的具體結構，例如定子鐵心及沖片，定子繞組的聯結方式，通過虛擬成像將轉子繞組中的電動勢、電流等立體地呈現在三維空間顯示大屏，并且根據學生的即時視覺進行行動視覺調整，當學生的視野從左向右偏離時，他們不僅可以看到前后場景，還可以觀察左右兩側，呈現更加貼近自然的視覺效果;另外，老師也可以輕松地發送每節課的課件和作業，呈現清晰的聲音和高質量的智慧課堂。

2. AR人機交互系統

該模塊作為教學場景的交互中心。參與上課的學生可以拿到類似于操控筆的控制筆或者帶有微型傳感器的數據手套，AR人機交互系統可以快速捕捉到相關信息，確定學生所在位置，這樣，學生可以輕松地對眼前的電機等模型進行交互。通過控制筆或者直接用手可以輕松地將懸浮在空氣中的模型進行研究與觀察，學生可將電機的各個部分進行拆分，從多角度觀看繞組的展開，對比不同槽數，不同極對數下繞組的分布方式與展開圖，理解不同的繞組組成方法下電動勢大小等，通過對三維立體的電機模型進行旋轉、拆分等操作，從而直觀地觀察電機的真實結構以及電機在旋轉時磁場變化的情況;學生也可以通過操控筆來移動繞組的連結方式、調節電流或者電壓大小，進而實時了解電機的運行狀態。通過直接、自然、高效的方式實現學生與虛擬環境的互動，提高學生的體驗感。

3. 智能終端輸入系統

該模塊可以同步控制大屏幕系統課程內容的播放，打破傳統多媒體教室授課狀態，創造一種新的教學環境，使學生具有更強烈的體驗感。老師通過對預先準備好的授課內容進行呈現，在講解過程中，可以實時對一些重點難點內容進行批注，與此同時，學生端也可以接收到對應的內容，例如，當老師對三相異步電機的導體電動勢公式進行推導時，學生可以隨時進行提問，對有疑問的符號標注之后，簡單的問題系統將自動給予解答，對于其他問題，老師及其他同學可以同步接收，并進行解答;通過與學生的近距離溝通，可以有效提升教學效果，及時修改教學內容以適應不同類型的學生。打造更高效、更具有體驗式的新型教學環境。

4. 三維建模系統

該系統選取一個開源的AR（增強現實）SDK-ARToolKit開發包和Unity引擎等開發工具開發教學相關的三維場景和模型。利用3Dmax對電機的一系列模型進行設計與建立，利用不同的顏色將各個部分進行區別，同時把電流電壓和磁場等抽象出來的事物進行具體化，使得學生能夠直觀地感受到這些物理量的存在;另外，可以建立對應的三維模型庫，按照電機的分類，建立直流電機和交流電機兩個大類，在每個大類里面進一步細分，這樣，老師在上課時如果需要可以直接調用庫中的電機模型，或者先進的模型再進行修改加工，從而實現老師和同學與電機模型的交互，實現虛實結合。

5. 遠程異地教學系統

該模塊為集群式部署教室，多間教室同步管理，靈活地實現了智能視頻錄制、課堂直播、課后視頻點播、教學評價和資源管理等多種功能，實現多個班級同步學習，互相交流，提高學習效率，避免同一堂課需要老師講授多次，減輕了老師的負擔。

（二）教學方法和策略的設計

基于VR/AR的沉浸式虛擬仿真教學方法需要把課堂內容與真實環境及虛擬環境相結合，將老師上課所需的內容及相關素材存儲于系統中并且進行信息傳遞，不僅需要充分激發學生的積極性，也要發揮老師的指導作用。所以，本文將引用探索式教學方法，吸引學生使用VR/AR（虛擬現實/增強現實）相關設備主動學習，改變傳統被動學習的狀態，有效調動學生的積極性，高效完成課堂教學。

1. 理論課程教學設計

在理論課中，學生佩戴HTC VIVE頭戴式顯示設備，配合虛擬現實技術的特點沉浸于課堂的教學中，課堂難點簡單、形象地呈現在學生面前，學生可以充分地投入到課堂之中，學習效果大大提升。老師根據課程標準和教學大綱，利用三維空間立體顯示大屏等系統對每堂課程的教學目標和重難點以及需要掌握的其他技能進行梳理和羅列，從而有計劃地組織安排授課資源。

（1）基礎知識講解：采用三維交互式動畫以及文字的形式展示電機結構和相關理論，老師將復雜抽象的知識點，拆分成小部分，通過利用AR人機交互系統對每一小部分知識點進行講解，通過虛擬仿真系統生動、形象地展示電機結構及原理的內涵，讓學生易于理解。

（2）合作探究：以團隊為單位進行知識學習，結合VR/AR技術進行電機結構的探索與學習，親身感受電機的內部結構與機械特性等。充分利用增強現實/虛擬現實技術以及三維圖像建模技術，對電機模型進行放大，使學生可以進入電機內部，身臨其境地進行探索，從自己的興趣出發，結合所學的電機相關知識點進行一定的自由探究，從而激發學生的自主探究能力。

（3）增強現實訓練：通過場景漫游、交互操作、設置任務、完成任務等過程，完成每一塊任務的學習和鞏固。

（4）總結與評價：最后針對每堂課上學生的表現情況，利用系統預先設定的評分機制對每個同學的每個教學階段進行評價與打分。

2. 實驗課教學設計

虛擬現實實驗以及增強現實實驗，可以真實還原實驗的效果，不僅方便上課教師的講授，也方便學生課上、課下的練習。虛擬實驗系統具備的科學性使得實驗誤差大大縮小，沉浸式的課堂體驗也能快速吸引同學們的興趣，具有較好應用效果。下面以三相異步交流電動機為例進行闡述。

（1）內容講授：老師可以利用三維空間立體顯示大屏向學生展示本次實驗課的實驗目的及原理，通過AR交互系統，結合理論課所學的相關電機知識，動態展現異步電機空載和堵轉時的轉速、電流等參數的變化情況，向學生剖析實驗原理。

（2）操作演示：根據已有的實驗理論，老師通過AR人機交互系統進行實驗演示，以空載實驗為例，對真實的電機模型進行操作，首先連接虛擬電源，根據電機銘牌選擇合適的儀表，調節電機模型上的頻率參數使f=fN，在三相電壓對稱條件下，打開電機模型中與負載的聯節軸（不帶負載），按照實驗接線圖，將各個部分連接，調節調壓器的電壓，電機模型對應的電流、功率等數據將自動記錄。學生可以通過設備觀察到老師的操作演示視頻。

（3）學生自主學習：在老師操作的過程中，學生可以選擇通過AR人機交互系統與老師的操作演示視頻學習實驗操作，通過沉浸式教學進入虛擬的電機實驗現場，用手拿住空中的電機模型并進行操作，當操作錯誤時，電機模型將模擬實際的情況給出虛擬的反應，例如當學生將調壓器電壓調得過大時，電機將燒壞并且給出正確操作的提示，同時顯示可以選擇新的電機模型繼續進行實驗;當正確完成所有的操作任務之后，系統將自動給予一定的獎勵。通過場景漫游、交互操作、完成任務等過程，“真實”而又安全的完成每一個實驗項目的操作訓練。

（4）總結與評價：學生進行實驗操作的每一個步驟都將記錄在系統中，并且最終影響學生的實驗課成績，同時，老師可以隨時查看每一小組以及每個同學的操作情況，結合系統予以指導和點評。

對于最后的成績評定與考核，通過VR/AR教學系統，學生在課堂上完成測試，根據對測試結果的數據分析，對錯誤率較高的知識點重新溫習，讓學生充分掌握所學習的知識，重視過程考核。將考核與學習有效結合起來，使考核對學生能力提升產生良性影響。采集線上線下教學的全部數據，根據綜合考勤、隨堂測試、活動參與情況等進行評分。此外，利用科學數據法統計并分析學生學習效率和知識掌握的情況，對教學和管理模式進行科學決策并及時調整，從而有效提高學生對于知識掌握程度。

二、VR/AR技術在教學中應用的優勢分析

傳統教學存在著如下諸多的問題：（1）老師操作多，需要浪費很多精力在做重復的事情;（2）對于抽象的概念和理論，學生難以理解知識點;（3）現實條件限制，學生動手機會少;（4）線上直播課程沒有一套統一完善的授課內容，難以實現線上+線下課程相結合。與傳統教育對比，VR/AR技術應用于教育有如下諸多優勢。

（一）VR/AR技術為學生自主學習提供了有利條件

VR/AR教學資源有多種形式，也有著多種分類方式，根據所依靠設備的異同，將教學資源分布于各個平臺，通過使用遠程異地教學系統錄制的三維教學影像，學生可以隨時隨地進行自主學習。并且可以重新調用系統儲存的內容進行學習，進一步鞏固和理解知識點;有時學生由于特殊原因不能在課堂上學習，他們也可以在課后利用其他時間來彌補。同時，可以利用VR和AR設備作為載體，為學生提供自主學習的條件，老師不需要對同一堂課進行重復講解，這樣有效節約老師的時間，可以針對學生的疑難問題進行解答，有助于傳統教學方式的變革。

（二）VR/AR技術為學生提供更加真實的情景

在傳統的課堂教學中，知識的傳遞形式較為單一。遇到比較復雜的情況，比如電動機繞組的連結方式等，老師通常很難通過簡單的語言把三角形接法和星形接法描述清晰，學生也很難理解;同時，由于學生之間的個體差異，對于抽象事物的理解程度不一樣，產生的教學效果也不盡相同。

當我們采取VR/AR技術進行教學活動時，可以突破現實條件限制，通過三維動畫技術，將抽象的概念和理論轉化為三維立體的圖像。情景沉浸式、VR全景式教學讓學生在虛擬的世界中擁有更多真實的動手機會，提高學生的實踐能力和感官認知能力，讓學生能夠直觀地感受到言語無法表達的知識。通過身臨其境的三維教學場景和智能觸摸互動產品，學生可以獲得傳統教學課堂無法提供的沉浸式學習體驗，實現更高程度的知識留存。

（三）VR/AR技術能提高學生的學習興趣

虛擬現實/增強現實技術可以給學生帶來全新的感知與體驗，沉浸感和自然豐富的互動體驗不僅極大地激發了學生對于知識的興趣與渴望，而且為學生提供了其他技能的學習機會，例如與他人合作的能力，觀察能力，動手實踐能力等，進一步加深了學生對于知識的理解與構建。傳統的教學方法是老師站在講臺上結合PPT與黑板對知識進行講解，這種方式讓很多同學覺得枯燥乏味，但為了考試不得不機械的記憶，但學生們考完試后，很多知識很快就被遺忘;基于VR/AR的沉浸式虛擬仿真教學方案綜合了虛擬現實和增強現實技術的各個優勢，并且具有多種感官一體化的效果，學生可以體驗真實的情境，穿越時空的邊界，通過動態交互的感覺，可以沉浸在書的海洋中。

（四）VR/AR技術應用能促進優質資源均衡化

在經濟發達的地區，教學資源及師資都比較雄厚，教學設備相對先進，與窮困落后的鄉村形成了鮮明對比。而VR/AR技術的應用將有效解決這一問題，基于VR/AR的沉浸式虛擬仿真教學系統可應用于各個學校，進而實現全國同步教學。名師錄制一次講解課程，可重復使用，可投放到任意一個情景沉浸式教學空間。既節約了教育成本，又提高了老師講課的效率，同時，這也是一種更好的方式來幫助貧苦地區甚至教育不發達地區的同學享受更好的教育。同時，這也為社交媒體宣傳、教育領域交流提供一個展示的平臺。

三、結束語

與傳統的教學方式相比，基于VR/AR的沉浸式虛擬仿真教學方案為學生提供了更加生動的教學環境，讓學生沉浸在虛擬現實的學習氛圍中，不僅給老師提供了便利，也使得學生更主動地去學習專業知識，享受學習的樂趣。

隨著VR/AR技術在教育領域被應用，一些新的問題也隨之而來。最重要的問題是使用VR/AR應用程序和生成內容的難度。特別是，開發3D對象需要技術知識，不少學生和老師對虛擬現實/增強現實的使用存在一定的偏見。除此之外，由于現在虛擬現實技術/增強現實技術還沒有發展的十分成熟，在顯示、輸出、圖像識別等方面還沒有達到理想的效果，因此廣泛應用于教育領域還需要更加深度的研究。另一方面，熟練使用VR/AR的老師和同學必須具備一定的相關知識，還有同時使用或者操控多個設備的能力，這對于學生來說也是一個挑戰。

雖然虛擬現實技術/增強現實技術在教學中還存在很多問題，不可否認的是它擴大了學生的知識結構，改變了傳統的教學方式，未來VR/AR技術將廣泛地運用在教育領域，并且得到學生和老師的認可，為高校師生提供非常豐富的教學手段和內容，成為未來教育不可或缺的一部分。

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基金項目：2019年遼寧省“興遼英才計劃”資助項目“功率磁懸浮儲能裝備智能感知”（XLYC1902055）、“優化控制與故障診斷關鍵技術研究”（XLYC1902090）

作者簡介：楊東升（1977-），男，漢族，遼寧撫順人，博士，教授，博士研究生導師，研究方向為能源系統數字化、能源互聯網的人工智能控制。