特殊時期的工科在線實驗教學探究
——基于AR虛擬現實技術

李 磊，余 魁，宋少云

（武漢輕工大學機械工程學院，湖北 武漢 430048）

0 引言

因教學時間和空間更加靈活，線上教育在疫情期間得到了大力發展。不管是直播還是錄播教學，傳統在線教學的展示方式主要為“窗口式”的在線形式。對于理論教學來說，線上教育效果尚可，但對于重觀察、重結構、重互動的工科類的實驗教學而言，目前傳統的線上教育方式還無法完全適用，例如，鏡頭需要同時展示老師和學生們的課堂狀態或者實驗中的不同觀察點，因此，無死角地記錄課堂內容成為目前線上教育的新的需求點。顯然，傳統的“窗口式”視頻展示還無法滿足要求。此外，相比于線下授課，線上教育在效果上還是會存在明顯沉浸感和互動感的不足，如何盡量彌補這種教學效果上的不足將是以后線上工科教學的一個重要發展方向。

傳統的科學實驗特別是工科實驗或演示教學領域，例如，受限于場地、風險、經濟等因素的爆炸、燃燒等工科實驗，如圖1所示展現出的教育場景具有危險系數高（圖1（a））、人力成本昂貴（圖 1（b））、實驗成本高（圖 1(c））和空間條件限制（圖1（d））等顧慮，這些場景都呈現出復現成本高的問題。目前如何降低這些試驗的復現成本，現在已經涌現出很多解決方案，其中全景式復現成為一種成本較低的最新選擇。

圖1 復現成本高的教育場景

1 虛擬現實的教學現狀分析

目前，隨著信息化的發展，虛擬現實（VR）為線上教育提供了一種非常好的全景式復現解決方案。VR的出現可以彌補以上傳統課程的不足，同時也為學生提供一種沉浸性的、自主探索性的學習方式，給教育行業將帶來極大的變革。

VR是一個多學科高度交叉融合的科學技術領域[1]，具有沉浸性、交互性和想象性的特點。主要分為四種類型：傳統桌面型虛擬現實、沉浸型虛擬現實實現、AR（增強現實型虛擬現實）和分布式虛擬現實[2]。傳統桌面型虛擬現實和沉浸型虛擬現實采用的是虛構的模型創建的場景，適用于在線虛擬化的場景參觀，如工廠參觀、景點遨游等場景[3-4]。該方法建模需要復現整個3D場地模型，建模成本高。AR和分布式虛擬現實需要專門的交互設備如手柄、手套或者鼠標來實現交互，沉浸感更強，但是也存在設備成本高、內容制作和策劃成本高的問題。

VR的應用在教學方面已經嶄露頭角，目前分布式虛擬現實由于軟件和硬件成本限制，僅僅應用在部分特殊領域，例如協同消防領域[5]，目前在教育行業還并沒有大規模推廣。下面將市場上存在的應用在教學方面的虛擬現實按照呈現方式分為三類：全景視頻類（圖2(a)）、交互式VR類（圖 2(b)(c)）和移動 AR 類（圖 2(d)）。

圖2 b全景視頻播放

綜合來說，VR在教學方面還是存在以下問題：（1）成本高：VR專用設備（主機、頭盔、手套和手柄）和3D模型建模成本高，也需要專門的VR教室進行配套，普及存在一定困難，目前，即便為數不多的高校配備有專門的VR試點教室，但教室數量也屈指可數；（2）復現效果不足：基于虛擬的3D虛擬現實的法應用在工科實驗課堂中，并不能完全復現實際的人物教學和實驗過程，模型的仿真效果和實物還是存在差距。

2 360AR虛擬現實技術平臺概述

針對上述問題，我們搭建了一套360AR虛擬現實技術平臺，該平臺主要可以劃分為2部分：（1）360AR虛擬現實在線教學網頁平臺；（2）基于5G的遠程全景圖像采集小車。在線教學平臺提供全景的展示和互動教學平臺，采集小車為平臺提供實習、實驗、參觀等全景素材。

360AR虛擬現實在線教學平臺面向教育領域，基于BS（瀏覽器-服務端）模式，提供一種在線實驗演示共享平臺。和其他視頻播放平臺（優酷、B站等）類似，在基本功能上，該平臺具有用戶注冊、評論、點贊、收藏和上傳功能；但平臺中的主要核心功能在于全景播放器，播放器中組成的元素可以分為：全景實拍視頻；三維3D模型；地標指示按鈕，能實現如下功能：

（1）全景視頻播放功能：與utoVR類似，網頁端能夠播放360°實景教學視頻，用戶能夠通過鼠標旋轉播放畫面，播放內容主要但不限于實景教學內容講解視頻；

（2）3D模型展示：全景視頻中能夠在設定時間段內疊加三維模型，增強用戶視覺體驗；

（3）模型交互：用戶可以與3D模型進行互動，比如雙擊模型，模型會按照預先設定的動畫播放動畫效果，如爆炸展開視圖、裝配動畫等；

（4）觀察點切換：視頻中的場景可以存在多個觀察點的地標，通過在地標上點擊鼠標左鍵實現切換對應觀察點的全景視頻功能。

可以看出，以上核心功能均基于全景播放器，因此，基于以上核心功能的全景播放器是本平臺區別其他視頻平臺的特色。

3 實踐案例與分析

新的教學平臺必須配套相應的教學策略才能發揮出它的優勢，因此，我們采用了一種“混合式教學模式”，該模式樹立以學生為中心，以任務為導向，構建符合當前課程特點與設備場景的“自主探究學習—虛實結合操作—實踐提升”的“虛實結合混合式”的教學模式：以武漢輕工大學“大米加工產線”的演示性實習為“教學案例”進行分析，以融入AR技術的全景平臺為“虛”，以重點建設專業—大米產線加工線實驗室平臺為“實”，揚長避短，實現理論知識預習、虛實結合，讓學生足不出戶就能實現大米產線的參觀和對知識的掌握，從而切實解決大米加工學習理論性強、結構抽象、實操難的問題，有效提高人才培養質量。

4 結語

本文通過深入研究 AR虛擬現實技術在工科實驗在線教學上的實現方式，提出一種全景視頻式的AR展示方法和教學策略，基于該方法，建立一種基于 BS模式的360AR虛擬現實技術平臺，該平臺能夠在空間多方位觀察，主動觀察，邏輯思考，激發探索性學習。對于實現單一的教學案例，課堂復現效果好，不依賴VR專用設備，建模相對低，適合快速、大批量地建立教學案例，具有較大的推廣價值。