基于“5G+無人機(jī)”的VR/AR技術(shù)在給排水科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)中的應(yīng)用

張倩　李孟

摘 要 給排水科學(xué)與工程專業(yè)是一門工程性、實(shí)踐性很強(qiáng)的專業(yè)，傳統(tǒng)的理論和實(shí)踐教學(xué)存在著一些不足?；凇?G+無人機(jī)”的VR/AR技術(shù)應(yīng)用在給排水專業(yè)教學(xué)中有著顯著的意義。將其應(yīng)用于給排水專業(yè)教學(xué)的相關(guān)課程中能帶來智能教學(xué)的改革，主要包括給排水專業(yè)理論課程、給排水課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計以及虛擬實(shí)驗(yàn)室仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性和學(xué)習(xí)效率，取得了良好的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 5G+無人機(jī) VR/AR技術(shù) 沉浸式教學(xué) 課堂應(yīng)用

中圖分類號：G642? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.11.013

Application of VR/AR Technology Based on "5G+ UAV"

in Teaching of Water Supply and Drainage

ZHANG Qian， LI Meng

（School of Civil Engineering and Architecture， Wuhan University of Technology， Wuhan， Hubei 430070）

Abstract Water supply and drainage is a specialty with strong engineering and practice. There are some deficiencies in traditional theory and practice teaching. The application of VR/AR technology based on "5G+ UAV" has significance in the teaching of water supply and drainage. Applying it to relevant courses of water supply and drainage major can bring the reform of intelligent teaching， mainly including theoretical courses of water supply and drainage， water supply and drainage course design and graduation design as well as virtual laboratory simulation experiment teaching， which improves students' learning enthusiasm and efficiency， and achieves good teaching effect.

Keywords 5G+UAV; VR/AR technology; immersion teaching; classroom application

隨著科技的發(fā)展和進(jìn)步，人工智能技術(shù)逐漸應(yīng)用到各專業(yè)的教學(xué)過程中。隨著無線互聯(lián)網(wǎng)和智能設(shè)備驅(qū)動的移動數(shù)據(jù)服務(wù)迅猛增長，5G技術(shù)帶來了一場革命性的突破，使教育教學(xué)進(jìn)入了跨界融合、創(chuàng)新教育的新階段。隨著無人機(jī)技術(shù)的完善，“5G+無人機(jī)”的組合技術(shù)讓原來在傳統(tǒng)課堂教學(xué)上難以實(shí)現(xiàn)的一些功能和實(shí)際應(yīng)用有了新的機(jī)會?！?G+無人機(jī)”對教師的教育理念、教學(xué)方式以及學(xué)生的學(xué)習(xí)等都帶來了重大的影響。

沉浸式教學(xué)理論，指的是利用現(xiàn)代科技信息新技術(shù)來構(gòu)建一個新的學(xué)習(xí)環(huán)境，相比傳統(tǒng)的課堂教學(xué)更接近于真實(shí)的學(xué)習(xí)環(huán)境。在這種新的學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)生完全沉浸在其中，可以更好的完成所需掌握的相關(guān)知識和理論的建構(gòu)。在沉浸式教學(xué)的過程當(dāng)中，學(xué)生可以全身心地透底沉浸在當(dāng)前的教學(xué)情境中，并且在虛擬的學(xué)習(xí)情境中去感受現(xiàn)實(shí)情景中的真實(shí)場景，這可以更好的幫助學(xué)生開展有深度和高效率的學(xué)習(xí)。[1]

沉浸式的教學(xué)方式能夠讓學(xué)生對于課堂上所需學(xué)習(xí)的知識有更直觀、更真切地感受，從而能夠深入的理解需掌握的知識。通過沉浸式的教學(xué)能有效提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和效率。在教學(xué)過程中結(jié)合現(xiàn)代人工智能技術(shù)，基于“5G+無人機(jī)”的VR/AR的技術(shù)組合將在未來給排水科學(xué)與工程專業(yè)教學(xué)中發(fā)揮更大的作用。

1 人工智能技術(shù)

1.1 5G+無人機(jī)技術(shù)

國務(wù)院印發(fā)的部署全面推進(jìn)實(shí)施制造強(qiáng)國的戰(zhàn)略文件《中國制造2025》的頒布，使得高校開展基于無人機(jī)的教學(xué)活動越來越多，尤其是在信息化技術(shù)和5G通信技術(shù)的高速發(fā)展下，無人機(jī)教學(xué)獲得了更多的技術(shù)支持，從而也開創(chuàng)了高校創(chuàng)新教育的新章程。

無人機(jī)是指在飛機(jī)上處于無人駕駛和操控的狀態(tài)下，由遠(yuǎn)程的終端進(jìn)行控制，或無人機(jī)上裝有嵌入式的計算機(jī)程序所駕駛的飛機(jī)。無人機(jī)也可以稱為是一種無人駕駛的飛機(jī)，它主要是由相關(guān)的技術(shù)人員進(jìn)行遠(yuǎn)程遙控操作的，或者是飛機(jī)上裝載有電腦，電腦有提前設(shè)置好的程序來進(jìn)行自動控制。從狹義的概念上來說，“無人機(jī)”可以被定義為是一個空中的飛行平臺。而無人機(jī)系統(tǒng)是由無人機(jī)本身、地面控制站、通信數(shù)據(jù)、飛行器及通信相關(guān)設(shè)施設(shè)備組成的。[2]

當(dāng)前，在5G、云計算和大數(shù)據(jù)的支持下，可以說無人機(jī)技術(shù)正在不斷地朝著高度智能化的方向進(jìn)行快速的發(fā)展。將5G技術(shù)和無人機(jī)技術(shù)進(jìn)行有效的融合，構(gòu)建“5G+無人機(jī)”技術(shù)，是人工智能發(fā)展過程中的重大創(chuàng)新。[3]將5G引入到無人機(jī)技術(shù)中，會極大地推動課堂教學(xué)過程中信息化的改革，促使學(xué)生在課堂學(xué)習(xí)中自主發(fā)現(xiàn)問題、提出問題并最終學(xué)會自己解決問題。

目前，“5G+無人機(jī)”技術(shù)正在教學(xué)活動中逐步得到應(yīng)用?！?G+無人機(jī)”技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)多學(xué)科的整合，能有效的培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造能力。通過多學(xué)科的融合，使學(xué)生對所學(xué)的知識有了更深刻的理解和掌握。另外，“5G+無人機(jī)”技術(shù)還可以與人工智能相結(jié)合，能有效的使學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力得到提高，有效的使學(xué)生的編輯能力得到提高，有效的時學(xué)生的邏輯思維能力得到提高，并且有效的使課堂的教學(xué)效果得到提高。同時，“5G+無人機(jī)”技術(shù)還可以進(jìn)行協(xié)同實(shí)際工程項(xiàng)目開展教學(xué)，尤其是工程性、實(shí)踐性強(qiáng)的專業(yè)。這可以讓學(xué)生主動參與到實(shí)際工程案例的教學(xué)過程中，能讓學(xué)生通過對實(shí)際工程案例的學(xué)習(xí)，能主動的發(fā)現(xiàn)工程問題并最終自己解決工程問題。最后，“5G+無人機(jī)”技術(shù)還可以實(shí)現(xiàn)虛擬教學(xué)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)方式的多樣化創(chuàng)新。通過虛擬教學(xué)和虛擬實(shí)驗(yàn)教學(xué)等方式，可以讓學(xué)生很好的將理論與實(shí)際有機(jī)的結(jié)合起來，能有效的提高課堂教學(xué)效果。

1.2 VR技術(shù)

VR技術(shù)能模擬真實(shí)的現(xiàn)實(shí)環(huán)境，給學(xué)生帶來更加真實(shí)的聽覺、視覺等方面的感官體驗(yàn)。在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)過程中融入VR技術(shù)教學(xué)，能夠充分地利用VR技術(shù)的虛擬手段特點(diǎn)，來有效的實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)中有關(guān)的文字、數(shù)字、圖像和動畫等各個因素之間的相互高度融合，構(gòu)建了高交互式、場景式的課堂教學(xué)情景，具有良好的高交互式課堂教學(xué)效果，既豐富了課堂教學(xué)過程中學(xué)生需學(xué)習(xí)和掌握的知識內(nèi)容，同時還有效的增強(qiáng)了學(xué)生和教師之間的人機(jī)交互，可以實(shí)現(xiàn)低延時、高效率的教學(xué)反饋，豐富了沉浸式教學(xué)的內(nèi)涵，非常有利于富于創(chuàng)造力和執(zhí)行力的人才培養(yǎng)。

1.3 AR技術(shù)

AR技術(shù)也可以稱為擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)或者擴(kuò)張實(shí)境。AR技術(shù)是利用計算機(jī)系統(tǒng)中的軟件來生成各種各樣的虛擬物體和虛擬場景等，并將虛擬的物體或場景疊加應(yīng)用到真實(shí)的場景世界中，從而可以實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)的可視化畫面和實(shí)時的高交互性。[4]在平時的教學(xué)過程中，教師和學(xué)生都可以佩戴上AR眼鏡等高科技的特殊設(shè)備，進(jìn)入到由虛擬和真實(shí)環(huán)境所構(gòu)建的新環(huán)境中進(jìn)行高交互式的人機(jī)交互教學(xué)，利用AR技術(shù)可以更好的實(shí)現(xiàn)課堂教學(xué)中對于現(xiàn)實(shí)場景信息的有效增強(qiáng)。與VR技術(shù)相比較，AR技術(shù)可以使得真實(shí)的現(xiàn)實(shí)場景和虛擬的場景進(jìn)行高度的融合，帶給學(xué)生和教師的真實(shí)感更加的強(qiáng)烈，師生之間的人機(jī)實(shí)時交互效果也更加的顯著，能夠?qū)崿F(xiàn)課堂教學(xué)的快速反饋和及時追蹤。利用現(xiàn)代化的信息技術(shù)，如大數(shù)據(jù)、云計算等，能實(shí)現(xiàn)AR的高效運(yùn)行。例如，通過5G技術(shù)可以將現(xiàn)場的影像場景實(shí)時地傳遞到課堂教學(xué)的終端系統(tǒng)，同時還能實(shí)現(xiàn)相關(guān)教學(xué)內(nèi)容的高速下載，現(xiàn)場和課堂兩個不同場景的實(shí)時互動，讓課堂教學(xué)不再枯燥乏味，同時也為學(xué)生帶來更好的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

另外，將VR/AR技術(shù)應(yīng)用在教學(xué)過程中，可以在課堂上就同步創(chuàng)造出內(nèi)容有趣、參與度高的直觀式和沉浸式教學(xué)效果。VR/AR技術(shù)能夠?qū)崟r地將外部世界帶到課堂上，也能將教室的課堂教學(xué)帶到外部世界中。這樣的實(shí)時應(yīng)用能夠使學(xué)生更加真實(shí)地體驗(yàn)到不容易實(shí)際去到的地方或建筑，甚至是不能去到的地方或建筑內(nèi)部。

1.4 構(gòu)建沉浸式教學(xué)場景

借助5G通信技術(shù)和無人機(jī)技術(shù)實(shí)現(xiàn)對VR沉浸式場景的應(yīng)用，能有效提高教學(xué)的互動性，實(shí)現(xiàn)低延時和高效率的反饋。同時，利用大數(shù)據(jù)和云計算等信息技術(shù)實(shí)現(xiàn)AR的運(yùn)行，并通過5G技術(shù)將這些影像傳遞到課堂教學(xué)中的相關(guān)終端系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容的實(shí)時交互，使課堂教學(xué)變得更加生動有趣，同時也為學(xué)生帶來了更真實(shí)的、高交互式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

同時，在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)過程中還可以充分利用無人機(jī)技術(shù)、VR技術(shù)、AR技術(shù)和5G技術(shù)，來構(gòu)建全景的虛擬情景與現(xiàn)實(shí)場景相結(jié)合的VR實(shí)時直播。首先，在無人機(jī)上裝載全景攝像頭進(jìn)行實(shí)時場景的視頻拍攝，進(jìn)行拍攝場景的視頻采集和拼接處理;然后，通過5G高速網(wǎng)絡(luò)，將采集和拼接處理后的視頻遠(yuǎn)程傳輸?shù)揭曨l服務(wù)器上，再傳輸給課堂里的終端電腦系統(tǒng);最后，在傳統(tǒng)課堂上的學(xué)生和教師可以通過佩戴VR眼鏡來隨時進(jìn)行實(shí)時場景的觀看和體驗(yàn)，5G技術(shù)保證了現(xiàn)場情景傳輸?shù)臒o延遲和高效，可以為課堂上的教師和學(xué)生帶來了身臨其境的現(xiàn)場直播?？偟膩碚f，基于“5G+無人機(jī)”技術(shù)構(gòu)建的AR/VR課堂教學(xué)，可以實(shí)現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)資源的高速傳輸，可以實(shí)現(xiàn)師生之間高效的人機(jī)交互，可以實(shí)現(xiàn)高效率的實(shí)時輸送教學(xué)資源，可以構(gòu)建高效率的智慧課堂教學(xué)。

2 人工智能技術(shù)在給排水課程的應(yīng)用

基于“5G+無人機(jī)”的VR/AR技術(shù)在給排水專業(yè)課程的應(yīng)用主要根據(jù)給排水專業(yè)的特點(diǎn)和相關(guān)課程來進(jìn)行設(shè)置，主要包括：給排水專業(yè)理論課程、給排水課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計以及虛擬實(shí)驗(yàn)室仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

2.1 給排水專業(yè)理論課程

主要課程包括水質(zhì)工程學(xué)、建筑給水排水工程、高層建筑給排水、水文學(xué)與水文地質(zhì)、水資源保護(hù)與利用、水泵與水泵站、給排水管道系統(tǒng)等。

對于此類專業(yè)理論課程，可以通過利用基于“5G+無人機(jī)”的AR/VR技術(shù)構(gòu)造虛擬的場景，建筑和建筑內(nèi)部的管道。在課堂教學(xué)過程中，教師和學(xué)生可以通過佩戴AR眼鏡來進(jìn)行課堂教學(xué)中相關(guān)虛擬內(nèi)容的學(xué)習(xí)。在此基礎(chǔ)上，還可以將AR/VR技術(shù)與5G技術(shù)、云計算技術(shù)等相結(jié)合，利用5G網(wǎng)絡(luò)的高速傳輸特性將AR影像無延遲、流暢的傳輸?shù)秸n堂教學(xué)的終端系統(tǒng)，使課堂上的教師和學(xué)生沉浸在實(shí)際與虛擬融合的場景中進(jìn)行學(xué)習(xí)，使學(xué)生對所學(xué)的知識有更深的理解和掌握。[5]比如，教師在講解某些建筑內(nèi)給水管道、排水管道和消防管道時，可以通過 AR/VR技術(shù)，讓學(xué)生沉浸式體驗(yàn)實(shí)際建筑內(nèi)部各類管道的布局和走向，更加深刻的理解給排水各類管道的特點(diǎn)和布置方式及注意事項(xiàng)等。這些管道案例一般針對由于距離、時間和管道的相對隱蔽性等原因，學(xué)生很難去現(xiàn)場真實(shí)體驗(yàn)，而采用基于“5G+無人機(jī)”的AR/VR技術(shù)能夠使學(xué)生有真實(shí)的身臨其境的感覺，學(xué)生能夠沉浸式的體驗(yàn)所講授的內(nèi)容，教學(xué)效果要比圖紙和模型的體會更深，實(shí)現(xiàn)教學(xué)的高效率。

此外，還可以依托相關(guān)的實(shí)踐教學(xué)平臺，進(jìn)行基于“5G+無人機(jī)”技術(shù)的實(shí)時虛擬與真實(shí)場景的VR直播。將攝像頭裝載在無人機(jī)上進(jìn)行真實(shí)場景的實(shí)時拍攝，通過連入5G網(wǎng)絡(luò)將全景視頻傳輸?shù)揭曨l服務(wù)器，最后傳輸給教室的師生。學(xué)生在教室就可適時看到實(shí)際工程場景，并就實(shí)際工程場景提供的內(nèi)容開展實(shí)際工程問題的發(fā)現(xiàn)和解決方面的實(shí)時工程教學(xué)。提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高了給排水專業(yè)學(xué)生對相關(guān)水環(huán)境問題的分析能力，同時也使得給排水專業(yè)的學(xué)生具有解決相關(guān)復(fù)雜工程問題的能力，提高了學(xué)生的綜合素質(zhì)，為其走上工作崗位后盡快地適應(yīng)從事的技術(shù)工作打下良好基礎(chǔ)。

2.2 給排水課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計

針對給排水專業(yè)大三和大四的學(xué)生開展的相關(guān)課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計，主要包括：水質(zhì)工程學(xué)課程設(shè)計、建筑給水排水工程課程設(shè)計、水泵與水泵站課程設(shè)計、給排水管道設(shè)計和給排水畢業(yè)設(shè)計。

在傳統(tǒng)的給排水課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計中，學(xué)生繪制的平面圖、立面圖、剖面圖普遍不夠直觀，通過二維圖紙傳遞出來的真實(shí)感不強(qiáng)?，F(xiàn)在，借助“5G+無人機(jī)”的AR/VR技術(shù)，學(xué)生對課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計有了更加豐富和真實(shí)的體驗(yàn)感。在該技術(shù)的支持下，可以有效地實(shí)現(xiàn)設(shè)計內(nèi)容的可視化和設(shè)計環(huán)境的虛擬化。學(xué)生可以在課堂上隨時生成三維的虛擬建筑和管道，學(xué)生在課程設(shè)計和畢業(yè)設(shè)計的過程中就可以自己親身體驗(yàn)到自己所設(shè)計的管道是否滿足要求，各種管道的空間布局是否合理，給水管、排水管、消防管等管道是否有交叉或重疊等。同時，還可以將虛擬的管道同真實(shí)的給水廠、污水廠、建筑等實(shí)際場景進(jìn)行疊加，以檢驗(yàn)其在真實(shí)環(huán)境中的有效性和合理性。

在具體設(shè)計的前期方案確定過程中，可以利用“5G+無人機(jī)”的AR/VR技術(shù)使老師和學(xué)生都足不出戶，在教室即可方便的查詢、體驗(yàn)和研究分析相關(guān)的實(shí)際案例。在對設(shè)計方案進(jìn)行推敲時，可以通過AR/VR技術(shù)構(gòu)造更強(qiáng)烈的空間感和真實(shí)感，使學(xué)生身臨其境地在場景中任意漫游，感受具體的空間尺度，管道材料與特性等信息，如果發(fā)現(xiàn)有不合理的地方，可以對不合理、不滿意的地方進(jìn)行標(biāo)注，并對其設(shè)計方案進(jìn)行進(jìn)一步的完善。讓學(xué)生沉浸在更加真實(shí)的設(shè)計體驗(yàn)中，可以極大地激發(fā)學(xué)生的主動性和設(shè)計思維。

2.3 虛擬實(shí)驗(yàn)室仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)

主要針對給排水專業(yè)非常重要的水處理實(shí)驗(yàn)，如混凝沉淀實(shí)驗(yàn)、化學(xué)需氧量COD的測定實(shí)驗(yàn)（Cr法）、清水充氧（曝氣）實(shí)驗(yàn)和過濾實(shí)驗(yàn)等。在課堂教學(xué)過程中，往往會因?yàn)閷?shí)驗(yàn)設(shè)備和實(shí)驗(yàn)場所等方面短缺的問題，導(dǎo)致許多教學(xué)實(shí)驗(yàn)無法開展。同時，由于水處理工藝流程復(fù)雜、構(gòu)筑物及設(shè)備眾多，水處理實(shí)驗(yàn)室內(nèi)難以完整模擬，學(xué)生通過實(shí)驗(yàn)操作很難了解全貌并解決實(shí)際問題。對此，可借助虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以在教室中完成相應(yīng)的教學(xué)實(shí)驗(yàn)，并獲得和在實(shí)驗(yàn)室開展真實(shí)實(shí)驗(yàn)相同的感受和體會，進(jìn)而強(qiáng)化學(xué)生對實(shí)驗(yàn)相關(guān)內(nèi)容的理解和記憶。同時，虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)還不消耗器材，不受場所、設(shè)備等外界條件限制，可重復(fù)操作。與傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)相比，不需要學(xué)生接觸化學(xué)藥品等，可以說是非常的安全、可靠。水處理實(shí)驗(yàn)開展虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)，可以在經(jīng)濟(jì)性、安全性等方面比傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室的教學(xué)有著較高的優(yōu)勢，是一種非常行之有效的給排水實(shí)驗(yàn)教學(xué)工具。

3 結(jié)束語

基于“5G+無人機(jī)”的AR/VR技術(shù)能夠（下轉(zhuǎn)第43頁）（上接第40頁）使學(xué)生真實(shí)地模擬相應(yīng)的事物以及環(huán)境，同時還可以提供多元化的交互途徑以及會話方式，使得學(xué)生的學(xué)習(xí)自覺性和積極性得到了極大的發(fā)揮，有效的激發(fā)和培養(yǎng)了學(xué)生的想象力和創(chuàng)新能力。另外，“5G+無人機(jī)”的AR/VR技術(shù)有效地促進(jìn)了信息技術(shù)與高等教育的深度融合，創(chuàng)新大數(shù)據(jù)背景下課程教學(xué)與高素質(zhì)復(fù)合型創(chuàng)新人才的培養(yǎng)模式，提高了學(xué)生對實(shí)際工程問題的分析能力和解決復(fù)雜工程問題的能力，為激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)自覺性和學(xué)生創(chuàng)新能力的培養(yǎng)提供了新的思路，培養(yǎng)創(chuàng)新型和應(yīng)用型人才。

通訊作者：張倩

基金項(xiàng)目：湖北省高等學(xué)校省級教學(xué)研究項(xiàng)目（項(xiàng)目編號2016132）

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