基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)的新工科教學(xué)初探

榮鼐 方廷勇 朱曙光 王晏平 王庚 馬進(jìn)偉

[摘 要] 基于目前新工科教育背景，蓬勃發(fā)展的虛擬現(xiàn)實技術(shù)由于其高仿真、全沉浸和強(qiáng)交互的技術(shù)優(yōu)勢，預(yù)期可極大地輔助和提升工程科學(xué)的課堂教學(xué)與實踐教學(xué)，為此，提出了三個虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助工科教學(xué)的構(gòu)想：基于智能移動終端的AR輔助課堂教學(xué)、基于位置和圖像信息的AR強(qiáng)化實踐教學(xué)、基于VR技術(shù)的沉浸式交互實踐教學(xué)，以期能夠初步解決課堂知識抽象、實踐教學(xué)不深入的問題。

[關(guān) 鍵 詞] 虛擬現(xiàn)實；增強(qiáng)現(xiàn)實；新工科；工程教育

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

一、引言

為支撐以新技術(shù)、新業(yè)態(tài)、新產(chǎn)業(yè)、新模式為特點的新經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，適應(yīng)工程領(lǐng)域知識的快速產(chǎn)生、轉(zhuǎn)化和更新趨勢，占據(jù)未來全球創(chuàng)新生態(tài)系統(tǒng)戰(zhàn)略制高點，工程領(lǐng)域人才培養(yǎng)亟待改革與創(chuàng)新。“新工科”（Emerging Engineering Education）正是基于國家正在實施的“創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展”“中國制造2025”等重大戰(zhàn)略需求，當(dāng)下新的國際形勢以及人才培養(yǎng)新要求而提出的我國工程教育改革方向。

目前我國工程學(xué)科本科教育存在著工科理科化的傾向[1]，強(qiáng)化科學(xué)技術(shù)的理論教育，而工程學(xué)科本身的實踐性則在教學(xué)中有所欠缺[2]。此外，工程領(lǐng)域新技術(shù)快速迭代，技術(shù)更新與教學(xué)內(nèi)容更新難以同步，導(dǎo)致新技術(shù)傳達(dá)到課堂教學(xué)存在極大的延遲；目前，大多數(shù)高校通行的板書加電子課件教學(xué)也難以將工程科學(xué)中復(fù)雜的原理和結(jié)構(gòu)通過口頭描述與平面畫面準(zhǔn)確生動地呈現(xiàn)，而且也難以激起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。近年蓬勃發(fā)展的虛擬現(xiàn)實技術(shù)因其“沉浸感”和“交互性”在教育領(lǐng)域擁有無限的應(yīng)用前景，有望大幅提升傳統(tǒng)授課方式的教學(xué)效率和效果[3]。教學(xué)體系更偏向?qū)嵺`的工程科學(xué)尤其適合借助虛擬現(xiàn)實技術(shù)，對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行深化和具象化，從而獲得更佳的教學(xué)效果。本文試圖從一線工科專業(yè)課授課人員的角度，探析虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工科教學(xué)中的可能應(yīng)用場景與潛在挑戰(zhàn)。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助工科教學(xué)構(gòu)想

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

虛擬現(xiàn)實技術(shù)具備3i特性，即構(gòu)想性（Imagination）、沉浸感（Immersion）和實時交互性（Interactivity）。構(gòu)想性允許用戶突破人類生理限制進(jìn)入虛擬的宏觀或微觀場景進(jìn)行探索；沉浸感允許用戶完全浸沒在虛擬環(huán)境之中并具備視覺、聽覺、觸覺等感知，角色由旁觀者轉(zhuǎn)變?yōu)閰⑴c者；實時交互性允許通過軟、硬件接口對虛擬世界內(nèi)的物體進(jìn)行操作，具備與真實世界相仿的反饋特性。虛擬現(xiàn)實技術(shù)已經(jīng)可以較好地輔助初等與中等教育[4-6]，然而在高等工程學(xué)科專業(yè)課階段教學(xué)的研究或?qū)嵺`較少。工程應(yīng)用學(xué)科與基礎(chǔ)學(xué)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(xué)所遇到的問題，從三個方面闡述虛擬現(xiàn)實技術(shù)輔助工科教學(xué)的構(gòu)想。

（一）基于智能移動終端的AR輔助課堂教學(xué)

工科專業(yè)課由于其特殊性，課堂內(nèi)容會涉及大量的設(shè)備或裝置的原理、構(gòu)造及系統(tǒng)工作流程。實體設(shè)備結(jié)構(gòu)是三維立體的，系統(tǒng)流程是動態(tài)的，而目前單一的板書結(jié)合幻燈片的教授模式無法較好地展現(xiàn)立體且動態(tài)的內(nèi)容。隨著近年來智能移動終端設(shè)備普及和無線網(wǎng)絡(luò)大規(guī)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(xué)成為現(xiàn)實。若能在課程教授過程中適當(dāng)引入AR現(xiàn)實增強(qiáng)技術(shù)，通過AR對書本中提及的設(shè)備構(gòu)造、系統(tǒng)流程進(jìn)行實時動態(tài)展示，則有望同時提高教學(xué)效率和效果。

以筆者從事的能源與動力工程專業(yè)為例探究AR技術(shù)輔助課堂授課的可能途徑。首先需要對傳統(tǒng)紙質(zhì)教材進(jìn)行改造，在教材中加入AR程序可識別的觸發(fā)標(biāo)志，如能源與動力工程專業(yè)低溫方向需要學(xué)習(xí)的制冷循環(huán)、制冷壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)器等原理和設(shè)備，熱能工程方向所學(xué)習(xí)的鍋爐、汽輪機(jī)、朗肯循環(huán)、熱力發(fā)電流程等內(nèi)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(fā)以及相應(yīng)設(shè)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(fā)標(biāo)記和虛擬化的內(nèi)容進(jìn)行實時的三維增強(qiáng)展示。通過軟件和AR內(nèi)容的進(jìn)一步開發(fā)和精細(xì)化，可加入三維模型的縮放、分解、組合、模擬運轉(zhuǎn)等高階交互功能。

（二）基于位置和圖像信息的AR強(qiáng)化實踐教學(xué)

由于工科專業(yè)所對應(yīng)的工程設(shè)備和裝置大多尺度較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜或處于運行狀態(tài)，導(dǎo)致實踐教學(xué)尤其是工廠實地認(rèn)識實習(xí)過程中存在較大困難：無法現(xiàn)場拆解裝置深入了解其結(jié)構(gòu)和原理，只能觀其形而不能明其理，即使加入指導(dǎo)教師和現(xiàn)場工程師的針對性講解，仍然需要學(xué)生依靠抽象思維和想象來厘清設(shè)備結(jié)構(gòu)和運行原理，以上問題也導(dǎo)致部分工科院校的實習(xí)以走馬觀花式的流程居多。

隨著定位和圖像識別技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)能對物體進(jìn)行高精度定位和較準(zhǔn)確識別，若將其位置或圖像信息作為AR設(shè)備的觸發(fā)信標(biāo)，當(dāng)AR設(shè)備處于該物體附近時便可實現(xiàn)該物體的實時增強(qiáng)展示，以上流程可大致總結(jié)為“定位/識別—反饋—觸發(fā)—實時增強(qiáng)”四個步驟。例如，某次認(rèn)識實踐需要對某大型寫字樓空調(diào)系統(tǒng)進(jìn)行參觀性實習(xí)，認(rèn)識內(nèi)容主要包括：機(jī)房內(nèi)壓縮機(jī)、冷凝器、蒸發(fā)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(nèi)空調(diào)供冷末端等多種結(jié)構(gòu)與原理各異的設(shè)備。攜帶移動智能設(shè)備進(jìn)入機(jī)房或其他房間后，通過終端設(shè)備所在位置信息的反饋，AR程序?qū)Σ煌恢玫脑O(shè)備進(jìn)行實時增強(qiáng)顯示（包括設(shè)備參數(shù)、工作原理、構(gòu)造拆解）?；谖恢煤蛨D像信息的AR強(qiáng)化實踐教學(xué)可提高對設(shè)備和裝置的認(rèn)識深度和基礎(chǔ)知識牢固度，適合工科專業(yè)開展認(rèn)識實習(xí)或者輔助設(shè)備拆裝等工程技能訓(xùn)練。

（三）基于VR技術(shù)的沉浸式交互實踐教學(xué)

工科實踐教學(xué)除了簡單設(shè)備和系統(tǒng)的認(rèn)識實習(xí)，還包括復(fù)雜大系統(tǒng)、大裝置的認(rèn)識和了解，也需對其運行和調(diào)控手段進(jìn)行學(xué)習(xí)。比如筆者所學(xué)的能源與動力專業(yè)涉及熱力發(fā)電廠等大型裝置、裝備，顯然企業(yè)很難為學(xué)生提供實際操作的實踐機(jī)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(xué)生提供實踐條件。前節(jié)所述AR輔助實踐教學(xué)更加適合認(rèn)識實習(xí)，而對于需要掌握運行控制策略的某些教學(xué)環(huán)節(jié)則無法滿足。

VR技術(shù)的完全沉浸式體驗則可以通過虛擬一些高危的設(shè)備和系統(tǒng)來避免教學(xué)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(xué)生的直觀印象。比如，可對某1000MW等級的燃煤電站進(jìn)行全局VR仿真及交互設(shè)計，基于Unity3D引擎建立電站三維模型，采用NGUI界面實現(xiàn)數(shù)據(jù)輸入與命令交互，通過體感捕捉設(shè)備進(jìn)行人機(jī)交互，利用立體顯示設(shè)備完成沉浸式的內(nèi)容展示，最終可以實現(xiàn)集成視覺、聽覺和動作感知的高度逼真的電站虛擬環(huán)境。

在此虛擬環(huán)境中可完成：電站整體展示和全景漫游；鍋爐、汽輪機(jī)、發(fā)電機(jī)等設(shè)備結(jié)構(gòu)三維重現(xiàn)和拆卸解剖；故障及事故處置流程模擬；電站設(shè)開/停車及負(fù)荷調(diào)節(jié)流程模擬等?；赩R的實踐教學(xué)模式可以反復(fù)模擬訓(xùn)練，即使出現(xiàn)操作失誤也不會產(chǎn)生現(xiàn)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(xué)效率和效果。

三、結(jié)語

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

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