基于虛幻引擎的虛擬/混合現(xiàn)實工程安裝教學(xué)應(yīng)用

郭石宇 陳亮

摘 要：本文主要目標(biāo)是利用最新的信息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實和建模、仿真和控制理論實現(xiàn)交互式學(xué)習(xí)，提高工程安裝專業(yè)和相關(guān)機電領(lǐng)域的畢業(yè)生的培養(yǎng)質(zhì)量。在虛擬和混合現(xiàn)實環(huán)境中對工程安裝設(shè)備和部件的建模，并對安裝工藝過程進(jìn)行可視化，將使學(xué)生比傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方法更深入地了解和理解所學(xué)習(xí)的內(nèi)容。

關(guān)鍵詞：信息技術(shù);可視化;交互式學(xué)習(xí)

1 引言

可視化的教學(xué)方式是在信息、通信等新技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的，例如基于 3D引擎、虛擬現(xiàn)實或增強/混合現(xiàn)實中的互動應(yīng)用程序。使用虛擬和增強/混合現(xiàn)實技術(shù)對復(fù)雜工程安裝系統(tǒng)、元件和驅(qū)動器的過程建模、識別和控制進(jìn)行可視化，使學(xué)生能夠比傳統(tǒng)的教學(xué)方法更快、更好地理解所研究的課題。

1.1 教育和演示的3D應(yīng)用

如今，在房屋、汽車、公寓和其他產(chǎn)品的虛擬旅游中使用3D交互應(yīng)用和虛擬/混合現(xiàn)實是一種趨勢。此外，許多用于教育的3D交互式應(yīng)用程序正在開發(fā)中。豐田汽車公司為他們的客戶提供現(xiàn)代化的虛擬陳列室。這個展廳是基于 Unreal Engine 開發(fā)的。另外一個創(chuàng)新是 Microsoft HoloLens，它的出現(xiàn)導(dǎo)致了一個全新的混合現(xiàn)實領(lǐng)域的出現(xiàn)?；旌犀F(xiàn)實無疑優(yōu)于虛擬現(xiàn)實，因為用戶同時感知一個真實世界和一個虛擬世界?；旌犀F(xiàn)實在市場營銷、復(fù)雜機電系統(tǒng)建模、教育等領(lǐng)域?qū)⒊蔀橐环N新的標(biāo)準(zhǔn)。

1.2 虛擬、增強和混合現(xiàn)實之間的差異

虛擬現(xiàn)實（VR）復(fù)制了一個環(huán)境，模擬了真實世界中某個地方的物理存在，允許用戶在那個世界中進(jìn)行交互。用于虛擬現(xiàn)實的設(shè)備有Google Cardboard，HTCVive等。增強現(xiàn)實是對物理的、真實世界環(huán)境的直接或間接的實時視圖，其元素由計算機生成的感官輸入增強?；旌犀F(xiàn)實是真實和虛擬世界的合并，以實時產(chǎn)生新的環(huán)境和可視化的數(shù)字對象共存。混合是一個覆蓋在真實世界上的合成內(nèi)容，并與真實世界相互作用。其主要特點是合成內(nèi)容和真實世界的內(nèi)容能夠?qū)崟r相互作用。用于混合現(xiàn)實的技術(shù)有Microsoft HoloLens 和Android ARCore。

2 項目基本介紹

該項目的重點是在工程安裝專業(yè)的職業(yè)教育課程中開設(shè)多媒體學(xué)習(xí)形式。使用多媒體輔助教育系統(tǒng)，重點放在應(yīng)用信息學(xué)、通信系統(tǒng)和技術(shù)、自動化和其他相關(guān)學(xué)科的最新知識。該項目的主要目標(biāo)之一是利用創(chuàng)新的學(xué)習(xí)形式和在虛擬和混合現(xiàn)實中開發(fā)交互式應(yīng)用程序和教材，適用于工程安裝專業(yè)大專和日常短訓(xùn)班教學(xué)及多媒體實驗室建設(shè)。其中，應(yīng)著力創(chuàng)建學(xué)科領(lǐng)域的優(yōu)質(zhì)教育和宣傳視頻，并將這些視頻放置于學(xué)習(xí)網(wǎng)站中，并鼓勵學(xué)生基于該網(wǎng)站進(jìn)一步拓展課外知識。例如：利用所獲得的方法經(jīng)驗，結(jié)合在虛擬和混合現(xiàn)實中創(chuàng)建完全創(chuàng)新的學(xué)習(xí)應(yīng)用程序。該項目將進(jìn)一步用于終身學(xué)習(xí)內(nèi)從業(yè)人員的遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)，以及在普通公眾中促進(jìn)工程安裝專業(yè)潛在的技術(shù)人員。

3 項目存在的意義

該項目的主要目標(biāo)是為工程安裝專業(yè)創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實交互式虛擬與混合現(xiàn)實中的應(yīng)用程序。該項目產(chǎn)出將進(jìn)一步用于培訓(xùn)終身學(xué)習(xí)的從業(yè)人員，以及普及工程安裝專業(yè)，面向一般公眾和從業(yè)人員。該項目的好處還在于為創(chuàng)建有趣和有吸引力的工程安裝專業(yè)學(xué)習(xí)材料獲得了豐富的經(jīng)驗，具體總結(jié)如下：

3.1 虛擬實驗室推廣活動

一線施工人員介于施工環(huán)境惡劣、施工任務(wù)重、從業(yè)人員素質(zhì)不統(tǒng)一等原因，無法從事系統(tǒng)的技術(shù)培訓(xùn)。虛擬實驗室建成后，將在本專業(yè)極大拓展從業(yè)人員的受眾面。其將不受上述原因的限制，甚至可以面向不是該專業(yè)的人員進(jìn)行科學(xué)普及。

3.2 科研項目的仿真驗證

工程安裝專業(yè)在工程施工中往往會遇到不同困難，技術(shù)裝備的革新往往是為了解決某個特定問題而采取的科研，虛擬和混合現(xiàn)實技術(shù)可以方便科研人員進(jìn)行方案和技術(shù)的論證，更能為技術(shù)細(xì)節(jié)的商討提供數(shù)據(jù)支撐。

3.3 教學(xué)質(zhì)量提高

系統(tǒng)有利于學(xué)生對工程安裝工藝的可視化，解決傳統(tǒng)教學(xué)中理論與實踐脫節(jié)的問題。高校的實驗室條件盡管很完善，但仍然與一線施工環(huán)境存在距離，因此這種新的教學(xué)資源對實施翻轉(zhuǎn)課堂提供了便利。

3.4 新實驗室的可視化

教學(xué)環(huán)境與實驗室的建設(shè)屬于漸進(jìn)式發(fā)展，但是學(xué)術(shù)研究有時卻是跨越式發(fā)展，環(huán)境的建設(shè)往往趕不上學(xué)術(shù)研究的發(fā)展。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可以使得學(xué)者將學(xué)術(shù)研究進(jìn)行數(shù)據(jù)化，進(jìn)一步論證學(xué)術(shù)問題的正確性。

4 總結(jié)

經(jīng)過上述研究，該教學(xué)應(yīng)用可有效提高教學(xué)質(zhì)量，更可以利用其優(yōu)點廣泛采用更具優(yōu)勢的教學(xué)方法：翻轉(zhuǎn)課堂、同伴教學(xué)、互動教學(xué)等。學(xué)生更可以充分利用虛擬資源開展課前預(yù)習(xí)和課后自學(xué)，然后將課堂時間充分進(jìn)行研討，有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。同時，學(xué)校管理者希望新教師在獲得認(rèn)證之前能夠了解如何翻轉(zhuǎn)課堂，并希望職前教師能夠在課堂上創(chuàng)建和使用視頻、播客和其他媒體。這一期望具有重要意義，值得教育工作者關(guān)注，以便建立和實施翻轉(zhuǎn)教學(xué)。

參考文獻(xiàn)

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