基于5G的VR/AR在高等教育教學的應用

摘? 要：5G網(wǎng)絡以其超大帶寬、超低時延、海量連接、超高可靠性的特性，為VR/AR技術(shù)的廣泛應用提供了強有力的網(wǎng)絡基礎。通過分析基于5G的VR/AR技術(shù)在教學領(lǐng)域中的應用引起的教學手段變化、教學方式變化以及教學平臺變化，結(jié)合本校工科類學生培養(yǎng)計劃，研究基于5G的VR/AR技術(shù)在高等教育中的教學手段設計、教學模式構(gòu)建以及實驗實訓平臺搭建，挖掘VR/AR技術(shù)與高等教育教學相融合的路徑，進一步為“人工智能+”教育奠定基礎。

關(guān)鍵詞：5G;VR/AR;教學手段;教學方式;實訓平臺

中圖分類號：TN929.5;G434? ? ? 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2020）18-0190-03

Abstract：The 5G network provides a strong network foundation for the wide application of VR/AR technology because of its characteristics of large bandwidth，ultra-low delay，massive connection and ultra-high reliability. Through analyzing the change of teaching means，teaching methods and teaching platform caused by the application of 5G-based VR/AR technology in teaching field，combining with the training plan of “engineering” students in our school，research on the teaching method design，teaching mode construction and experimental training platform construction of 5G-based VR/AR technology in higher education，explore the path of integration of VR/AR technology and higher education teaching，and further lay the foundation for “artificial intelligence plus” education basis.

Keywords：5G;VR/AR;teaching mean;teaching method;experimental training platform

0? 引? 言

2018年4月教育部發(fā)布了《教育信息化2.0行動計劃》（教技〔2018〕6號）指出，加快面向下一代網(wǎng)絡的高校智能學習體系建設，適應5G網(wǎng)絡技術(shù)[1]發(fā)展，服務全時域、全空域、全受眾的智能學習新要求;同年10月，《關(guān)于加快建設高水平本科教育全面提高人才培養(yǎng)能力的意見》（教高 〔2018〕2號）指出要推動課堂教學革命，大力推進智慧教室建設，構(gòu)建線上線下相結(jié)合的教學模式，積極引導學生自我管理、主動學習，激發(fā)求知欲望，提高學習效率，提升自主學習能力。中國移動針對5G在教育行業(yè)的應用發(fā)布《5G+智慧教育白皮書》[2]，詳細闡述了5G時代VR/AR技術(shù)與教育結(jié)合將解決真實實驗項目條件不具備或?qū)嶋H運行困難的問題，特別是涉及高危或極端環(huán)境，高成本、高消耗、不可逆操作等多種常規(guī)教學無法解決的問題。由此可見，5G時代VR/AR技術(shù)將推動高等教育教學產(chǎn)生重大變革，VR/AR技術(shù)在教育教學上的應用問題亟待研究。

利用三維建模、三維虛擬開發(fā)引擎、數(shù)據(jù)庫、網(wǎng)絡通信等相關(guān)知識，揭示利用5G的VR/AR技術(shù)進行實驗實訓虛擬設備平臺的搭建，促進學生個性化發(fā)展的學習方式可行性。然后以虛擬課堂和真實課堂相互配合為理論基礎，采用5G的技巧解決隨時隨地的學習問題，構(gòu)建適合該技術(shù)的課堂教學設計方法，并擬采用大數(shù)據(jù)進行學情分析，形成每位學生學習情況的數(shù)據(jù)報告。最后對傳統(tǒng)教學方法、教學模式進行綜合和歸納，建立具有5G的VR/AR技術(shù)特點的高等教育教學情景。從課堂提取的5G的VR/AR技術(shù)應用的通用性和實用性的角度，探討建立該技術(shù)應用在高等教育教學方法的理論框架、教學設計和實訓平臺搭建。

1? 基于5G的VR/AR教學情景設計策略

運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）和增強現(xiàn)實技術(shù)（AR），堅持真實、易于導航、內(nèi)容適度、反思性強的原則，厘清VR/AR技術(shù)的應用場合[3]，明確學習目標，為后續(xù)課堂教學方法的制定奠定基礎。再考慮逼真的教學場景，明確教學場景需要的物品，利用VR技術(shù)進行對象建構(gòu)，更好地充實課堂教學內(nèi)容?；?G的VR/AR課堂教學情景設計如圖1所示，從應用場合、學習目標設計、教學場景設計三方面展開，為后續(xù)教學內(nèi)容、教學方法的設計奠定基礎。

以我校電子類“傳感與檢測技術(shù)”課程為例，該課程作為一門必修課程，學生學習人數(shù)較多，對上課場地、實驗場地需求量很大，相應的對課程實驗設備的要求也較高，如差動變壓器的特性分析及應用章節(jié)中的測微頭儀器，精度要求極高，且價格昂貴，易損壞。引入虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建一個逼真的、具有視聽觸等多種感知的虛擬實驗環(huán)境，使學生產(chǎn)生身臨其境的感覺，一方面解決了課程授課儀器不足、易損壞以及實驗現(xiàn)象不易重建、課時少等問題;另一方面激發(fā)學生的學習興趣，可借助電腦反復進行仿真調(diào)試，對學生深入理解電磁互感原理并能將其實際應用起到極大的促進作用。仿真實驗的靈活性能提高學生的創(chuàng)新思維能力，且老師也能在后臺時刻關(guān)注學生學習動態(tài)，借助虛擬仿真反饋數(shù)據(jù)了解學生的學習進程，縮短傳統(tǒng)課堂的上課時間，提高學生的學習效率，不斷豐富和強化教學內(nèi)容，提升教學質(zhì)量和教師授課水平。

2? 基于5G的VR/AR教學方法設計

基于VR/AR技術(shù)的課堂教學由虛擬教學環(huán)境、教學資源、教師、學生等元素組成。首先，虛擬課堂需要良好的互動體驗。利用VR技術(shù)還原歷史場景、模擬真實場面，利用AR技術(shù)進行界面設計，讓學生通過互動進行情景與知識串聯(lián)，形成整體認知能力、系統(tǒng)分析與綜合設計能力。其次，虛擬課堂[4]需要融合課程內(nèi)容。VR/AR技術(shù)支持下的課堂首先要以內(nèi)容為核心，進而安排活動任務，完成教學目標。最后，虛擬課堂需要重視師生角色定位。在虛擬課堂中，項目式學習是最常 采用的，教師是學生課堂學習的指導者，學生以個人或小組形式收集資料、自主探索、獲得知識，師生交流和師生答疑等活動可以進一步提升學習效果。教學模式設計如圖2所示，根據(jù)5G技術(shù)衍生的虛擬課堂和真實課堂之間的相互影響，將課堂教學劃分為3個階段，不斷地進行課堂教學活動的反饋、探索，擬研發(fā)出虛實相融合的教學設計。

以我校電子類“傳感與檢測技術(shù)”課程中的差動變壓知識點為例，引入VR/AR技術(shù)，該課程在教學體驗上采用互動模式，教學內(nèi)容上采用沉浸式。

（1）互動式：差動變壓器AR界面操作模塊提供強大的人機交互功能，AR界面操作模塊設置演示模式、教學模式、測試模式。其中演示模式以系統(tǒng)自動演示實驗為主，包括差動變壓器的安裝、接線等;學生不需要進行任何操作，以觀察為主，旨在讓學生熟悉整個實驗流程。教學模式下，系統(tǒng)會對實驗步驟進行提示，學生只需按照指示步驟操作即可。測試模式下，系統(tǒng)會關(guān)閉所有的提示，學生只能按照自己的理解進行操作，如可以通過鼠標、鍵盤等外部輸入設備操作，包括組裝變壓器設備、安裝測微頭、連接電路、移動測微頭記錄數(shù)據(jù)等操作;在操作過程中，系統(tǒng)會對關(guān)鍵知識通過文字、圖畫、動畫等形式進行講解，幫助學生理解。

（2）沉浸式：差動變壓器相關(guān)虛擬課程中，不同的要素會有不同的現(xiàn)象結(jié)果，如差動變壓器接線布局功能，只有正確的接線方式才有結(jié)果輸出。在數(shù)據(jù)分析模塊中，學生可根據(jù)操作的數(shù)據(jù)分析對其進行優(yōu)化;該模塊提供擴展思考題，讓學生通過沉浸探討的方式，能對差動變壓器有更深入的認識。學生可以一直保持沉浸式學習，多次重發(fā)演練，以達到最佳效果。

通過互動式、探討式等教學方法的應用，可以幫助學生理解電磁互感現(xiàn)象，拓展知識的深度和廣度、延伸虛擬內(nèi)容的時間和空間，從而激發(fā)學生的學習興趣和潛能，調(diào)動學習積極性和主動性，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新思維和實踐能力。

3? 基于5G的VR/AR實驗實訓設計

當下較多課程存在教學設備購置費用金額較大，并且設備部署需要特殊場地，如程控交換、電磁場與電磁波等相關(guān)課程，這些理論難度大、實驗設備昂貴的課程，根據(jù)其教學項目和工作任務，開發(fā)基于VR/AR技術(shù)的綜合模擬實驗實訓平臺刻不容緩。實訓平臺的主要優(yōu)點如下。

（1）打破時空限制?；赩R/AR的仿真教學模式，可以讓學生隨時隨地進行在線或離線訓練，保證了學生的訓練量。

（2）規(guī)避風險。真實實驗或操作往往會帶來各種危險，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)進行虛擬實驗，學生在虛擬實驗環(huán)境中可以放心地去進行設備的相關(guān)實驗操作。

（3）基于增強現(xiàn)實的船舶虛擬拆裝仿真教學系統(tǒng)，可以實時與真實環(huán)境進行匹配校準，可以與真實場景進行交互，可以對真實拆裝進行指導和協(xié)助。

（4）VR/AR技術(shù)仿真和交互的特性，能將抽象、晦澀難懂的知識以更生動、直觀、全面的方式呈現(xiàn)，用沉浸式體驗增強學生的代入感。

以我校輪機工程專業(yè)的核心主干課程“船舶輪機系統(tǒng)”為例，運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)和增強現(xiàn)實技術(shù)，利用3DS MAX等建模工具，引入高效的Unity3D開發(fā)引擎，課題提出開發(fā)基于VR/AR的船舶設備虛擬仿真教學系統(tǒng)，系統(tǒng)框架如圖3所示。

移動智能手機端基于VR/AR技術(shù)，人機交互方式主要采用“觸屏”。

PC終端基于VR/AR技術(shù)，人機交互方式主要采用“鼠標單擊”。

HTC VIVE終端基于VR技術(shù)，人機交互方式主要采用“手柄”。

微軟HoloLens終端基于AR技術(shù)，人機交互方式主要采用“手勢”。

在客戶端系統(tǒng)運行開始前，服務器端程序進入運行狀態(tài)并與數(shù)據(jù)庫保持連接，客戶端啟動后學生通過注冊或登錄進入船舶設備虛擬仿真教學系統(tǒng);通過不同的客戶端口進入平臺后，采用與客戶端相對應的人機交互方式與場景進行交互。首先進行船舶設備選擇，然后選擇模式進行虛擬仿真實驗學習;然后通過與船舶設備三維虛擬模型的交互，學習船舶設備的工作原理、以及拆裝、操作流程，學生可以邊學習邊操作;最后平臺對學生的虛擬操作過程進行智能評估。

很多船舶設備在實際情況下，需要多人協(xié)同操作。為了提高本系統(tǒng)的真實性和用戶之間的互動性，本系統(tǒng)實現(xiàn)了多人協(xié)同功能?；谠鰪姮F(xiàn)實的HoloLens設備系統(tǒng)通過Socket協(xié)議讓多臺HoloLens在同一個局域網(wǎng)內(nèi)，由一個用戶的HoloLens作為服務器端，其他多臺HoloLens作為客戶端與服務器端建立連接，實現(xiàn)多人協(xié)同操作。通過不同的API接口和編程，HTC VIVE、PC、智能手機同樣可以實現(xiàn)多人協(xié)同功能。該實訓平臺得到眾多學生追捧，提高學生了的學習興趣，也為我校開拓“人工智能+”教育奠定基礎。

4? 結(jié)? 論

隨著教育形式與信息技術(shù)的不斷變革，基于5G的VR/AR技術(shù)的應用范圍逐漸擴大，尤其在教育領(lǐng)域中展現(xiàn)巨大的應用潛力，本文結(jié)合VR/AR技術(shù)特點，分析VR/AR技術(shù)在教學中的應用價值，闡述VR/AR技術(shù)在教學中的應用策略，有助于我們更加深刻地認識到VR/AR技術(shù)在現(xiàn)代教學中的用途，為教育教學模式的改革創(chuàng)新實踐提供經(jīng)驗和啟示。

參考文獻：

[1] 李小平，孫清亮，張琳等.5G的發(fā)展歷程、特點及其對教育理論的延伸 [J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2019，29（9）：26-32.

[2] 互聯(lián)網(wǎng)教育智能技術(shù)及應用國家工程實驗室.5G智慧教育合作聯(lián)盟成立，中國移動發(fā)布《5G+智慧教育白皮書》 [EB/OL].（2019-04-30）.https：//cit.bnu.edu.cn//xydt/73373.html.

[3] 袁磊，張艷麗，羅剛.5G時代的教育場景要素變革與應對之策 [J].遠程教育雜志，2019，37（3）：27-37.

[4] 高偉，王昱霖，宋笑迎，等.基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)下深度學習環(huán)境的構(gòu)建研究 [J].軟件，2019，40（5）：42-46.

作者簡介：袁麗平（1983—），女，漢族，湖北黃岡人，副教授，碩士，研究方向：智能制造、圖像處理。