基于虚拟现实技术的新工科教学初探

荣鼐 方廷勇 朱曙光 王晏平 王庚 马进伟

[摘 要] 基于目前新工科教育背景，蓬勃发展的虚拟现实技术由于其高仿真、全沉浸和强交互的技术优势，预期可极大地辅助和提升工程科学的课堂教学与实践教学，为此，提出了三个虚拟现实技术辅助工科教学的构想：基于智能移动终端的AR辅助课堂教学、基于位置和图像信息的AR强化实践教学、基于VR技术的沉浸式交互实践教学，以期能够初步解决课堂知识抽象、实践教学不深入的问题。

[关 键 词] 虚拟现实；增强现实；新工科；工程教育

[中图分类号] G642 [文献标志码] A [文章编号] 2096-0603（2018）19-0082-02

一、引言

为支撑以新技术、新业态、新产业、新模式为特点的新经济的蓬勃发展，适应工程领域知识的快速产生、转化和更新趋势，占据未来全球创新生态系统战略制高点，工程领域人才培养亟待改革与创新。“新工科”（Emerging Engineering Education）正是基于国家正在实施的“创新驱动发展”“中国制造2025”等重大戰略需求，当下新的国际形势以及人才培养新要求而提出的我国工程教育改革方向。

目前我国工程学科本科教育存在着工科理科化的倾向[1]，强化科学技术的理论教育，而工程学科本身的实践性则在教学中有所欠缺[2]。此外，工程领域新技术快速迭代，技术更新与教学内容更新难以同步，导致新技术传达到课堂教学存在极大的延迟；目前，大多数高校通行的板书加电子课件教学也难以将工程科学中复杂的原理和结构通过口头描述与平面画面准确生动地呈现，而且也难以激起学生的学习兴趣。近年蓬勃发展的虚拟现实技术因其“沉浸感”和“交互性”在教育领域拥有无限的应用前景，有望大幅提升传统授课方式的教学效率和效果[3]。教学体系更偏向实践的工程科学尤其适合借助虚拟现实技术，对教学内容进行深化和具象化，从而获得更佳的教学效果。本文试图从一线工科专业课授课人员的角度，探析虚拟现实技术在工科教学中的可能应用场景与潜在挑战。

二、虚拟现实技术辅助工科教学构想

虚拟现实技术（Virtual Reality）是一种通过对三维世界模拟从而创造出崭新交互模式的计算机仿真系统，其可创造出多源信息融合的交互式三维视界，用户在该环境中具有极强的沉浸感。虚拟现实技术又可分为增强现实（AR，Augmented Reality）、虚拟现实（VR，Virtual Reality）及混合现实（MR，Mixed Reality）[4]。表1给出了三种虚拟现实技术的不同功能特性：VR重在虚拟，AR重在强化，而MR则是二者兼具。

虚拟现实技术具备3i特性，即构想性（Imagination）、沉浸感（Immersion）和实时交互性（Interactivity）。构想性允许用户突破人类生理限制进入虚拟的宏观或微观场景进行探索；沉浸感允许用户完全浸没在虚拟环境之中并具备视觉、听觉、触觉等感知，角色由旁观者转变为参与者；实时交互性允许通过软、硬件接口对虚拟世界内的物体进行操作，具备与真实世界相仿的反馈特性。虚拟现实技术已经可以较好地辅助初等与中等教育[4-6]，然而在高等工程学科专业课阶段教学的研究或实践较少。工程应用学科与基础学科相比兼具原理性与实践性，且更加偏重原理性知识的工程实践。以下将针对目前工科教学所遇到的问题，从三个方面阐述虚拟现实技术辅助工科教学的构想。

（一）基于智能移动终端的AR辅助课堂教学

工科专业课由于其特殊性，课堂内容会涉及大量的设备或装置的原理、构造及系统工作流程。实体设备结构是三维立体的，系统流程是动态的，而目前单一的板书结合幻灯片的教授模式无法较好地展现立体且动态的内容。随着近年来智能移动终端设备普及和无线网络大规模部署，通过智能移动终端连接本地离线或云端在线资源辅助课堂教学成为现实。若能在课程教授过程中适当引入AR现实增强技术，通过AR对书本中提及的设备构造、系统流程进行实时动态展示，则有望同时提高教学效率和效果。

以笔者从事的能源与动力工程专业为例探究AR技术辅助课堂授课的可能途径。首先需要对传统纸质教材进行改造，在教材中加入AR程序可识别的触发标志，如能源与动力工程专业低温方向需要学习的制冷循环、制冷压缩机、冷凝器、蒸发器等原理和设备，热能工程方向所学习的锅炉、汽轮机、朗肯循环、热力发电流程等内容。教材改造的同时也需要完成可在智能终端运行的AR识别程序的开发以及相应设备和原理的立体虚拟模型的建模。随后在授课过程中，使用已安装过AR识别软件的智能终端对已做触发标记和虚拟化的内容进行实时的三维增强展示。通过软件和AR内容的进一步开发和精细化，可加入三维模型的缩放、分解、组合、模拟运转等高阶交互功能。

（二）基于位置和图像信息的AR强化实践教学

由于工科专业所对应的工程设备和装置大多尺度较大、结构复杂或处于运行状态，导致实践教学尤其是工厂实地认识实习过程中存在较大困难：无法现场拆解装置深入了解其结构和原理，只能观其形而不能明其理，即使加入指导教师和现场工程师的针对性讲解，仍然需要学生依靠抽象思维和想象来厘清设备结构和运行原理，以上问题也导致部分工科院校的实习以走马观花式的流程居多。

随着定位和图像识别技术的发展，目前已经能对物体进行高精度定位和较准确识别，若将其位置或图像信息作为AR设备的触发信标，当AR设备处于该物体附近时便可实现该物体的实时增强展示，以上流程可大致总结为“定位/识别—反馈—触发—实时增强”四个步骤。例如，某次认识实践需要对某大型写字楼空调系统进行参观性实习，认识内容主要包括：机房内压缩机、冷凝器、蒸发器、冷媒水管道、冷却水管道、水泵；写字楼室外冷却塔；办公房间内空调供冷末端等多种结构与原理各异的设备。携带移动智能设备进入机房或其他房间后，通过终端设备所在位置信息的反馈，AR程序对不同位置的设备进行实时增强显示（包括设备参数、工作原理、构造拆解）。基于位置和图像信息的AR强化实践教学可提高对设备和装置的认识深度和基础知识牢固度，适合工科专业开展认识实习或者辅助设备拆装等工程技能训练。

（三）基于VR技术的沉浸式交互實践教学

工科实践教学除了简单设备和系统的认识实习，还包括复杂大系统、大装置的认识和了解，也需对其运行和调控手段进行学习。比如笔者所学的能源与动力专业涉及热力发电厂等大型装置、装备，显然企业很难为学生提供实际操作的实践机会，而高等院校本身在财力与场地两个层面上也无法自购以上装备为学生提供实践条件。前节所述AR辅助实践教学更加适合认识实习，而对于需要掌握运行控制策略的某些教学环节则无法满足。

VR技术的完全沉浸式体验则可以通过虚拟一些高危的设备和系统来避免教学场地安排困难以及安全性无法保障的问题，同时通过虚拟工厂的漫游可以加深学生的直观印象。比如，可对某1000MW等级的燃煤电站进行全局VR仿真及交互设计，基于Unity3D引擎建立电站三维模型，采用NGUI界面实现数据输入与命令交互，通过体感捕捉设备进行人机交互，利用立体显示设备完成沉浸式的内容展示，最终可以实现集成视觉、听觉和动作感知的高度逼真的电站虚拟环境。

在此虚拟环境中可完成：电站整体展示和全景漫游；锅炉、汽轮机、发电机等设备结构三维重现和拆卸解剖；故障及事故处置流程模拟；电站设开/停车及负荷调节流程模拟等。基于VR的实践教学模式可以反复模拟训练，即使出现操作失误也不会产生现实中的重大事故，极大地降低了危险性和教育成本，同时也提高了教学效率和效果。

三、结语

虚拟现实辅助初等、中等教育目前已有较多文献报道和实践案例，而在高等教育，尤其是高等工程科学领域的探索和实践还较为欠缺。本文试图通过AR和VR技术与工科教学的结合以期初步解决课堂知识抽象、实践教学不深入的问题。任何新兴技术在其应用初期必然会存在不足与挑战，通过技术的快速迭代并在应用中调整，虚拟现实技术不仅能够解决现阶段工科教学的问题，同样在未来高等教育其他领域的应用情景也充满了想象空间。本文所提出的构想，基于前期研究者的相关实践来看，技术理论层面具备可行性，而下一步的工作则是在教学中开展实践以检验其适用性。

参考文献：

[1]李拓宇，李飞，张婉莹，等.我国工科人才培养质量提升的机制探析：中国工程院院士李培根访谈录[J].高等工程教育研究，2016（6）：5-13.

[2]叶民，钱辉.新业态之新与新工科之新[J].高等工程教育研究，2017（4）：5-9.

[3]高媛，刘德建，黄真真，等.虚拟现实技术促进学习的核心要素及其挑战[J].电化教育研究，2016（10）：77-87.

[4]徐媛.增强现实技术的教学应用研究[J].中国远程教育，2017（10）：68-70.

[5]蔡苏，张晗.VR/AR教育应用案例及发展趋势[J].数字教育，2017（3）：1-10.

[6]刘立云，李春燕，赵慧勤.增强现实（AR）技术在教育中的应用案例研究[J].中国教育信息化，2017（17）：19-22.