基于虛幻引擎的虛擬/混合現實工程安裝教學應用

郭石宇 陳亮

摘 要：本文主要目標是利用最新的信息技術、虛擬現實和建模、仿真和控制理論實現交互式學習，提高工程安裝專業和相關機電領域的畢業生的培養質量。在虛擬和混合現實環境中對工程安裝設備和部件的建模，并對安裝工藝過程進行可視化，將使學生比傳統學習方法更深入地了解和理解所學習的內容。

關鍵詞：信息技術;可視化;交互式學習

1 引言

可視化的教學方式是在信息、通信等新技術發展的基礎上實現的，例如基于 3D引擎、虛擬現實或增強/混合現實中的互動應用程序。使用虛擬和增強/混合現實技術對復雜工程安裝系統、元件和驅動器的過程建模、識別和控制進行可視化，使學生能夠比傳統的教學方法更快、更好地理解所研究的課題。

1.1 教育和演示的3D應用

如今，在房屋、汽車、公寓和其他產品的虛擬旅游中使用3D交互應用和虛擬/混合現實是一種趨勢。此外，許多用于教育的3D交互式應用程序正在開發中。豐田汽車公司為他們的客戶提供現代化的虛擬陳列室。這個展廳是基于 Unreal Engine 開發的。另外一個創新是 Microsoft HoloLens，它的出現導致了一個全新的混合現實領域的出現。混合現實無疑優于虛擬現實，因為用戶同時感知一個真實世界和一個虛擬世界。混合現實在市場營銷、復雜機電系統建模、教育等領域將成為一種新的標準。

1.2 虛擬、增強和混合現實之間的差異

虛擬現實（VR）復制了一個環境，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行交互。用于虛擬現實的設備有Google Cardboard，HTCVive等。增強現實是對物理的、真實世界環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。混合現實是真實和虛擬世界的合并，以實時產生新的環境和可視化的數字對象共存。混合是一個覆蓋在真實世界上的合成內容，并與真實世界相互作用。其主要特點是合成內容和真實世界的內容能夠實時相互作用。用于混合現實的技術有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的職業教育課程中開設多媒體學習形式。使用多媒體輔助教育系統，重點放在應用信息學、通信系統和技術、自動化和其他相關學科的最新知識。該項目的主要目標之一是利用創新的學習形式和在虛擬和混合現實中開發交互式應用程序和教材，適用于工程安裝專業大專和日常短訓班教學及多媒體實驗室建設。其中，應著力創建學科領域的優質教育和宣傳視頻，并將這些視頻放置于學習網站中，并鼓勵學生基于該網站進一步拓展課外知識。例如：利用所獲得的方法經驗，結合在虛擬和混合現實中創建完全創新的學習應用程序。該項目將進一步用于終身學習內從業人員的遠程學習，以及在普通公眾中促進工程安裝專業潛在的技術人員。

3 項目存在的意義

該項目的主要目標是為工程安裝專業創建虛擬現實交互式虛擬與混合現實中的應用程序。該項目產出將進一步用于培訓終身學習的從業人員，以及普及工程安裝專業，面向一般公眾和從業人員。該項目的好處還在于為創建有趣和有吸引力的工程安裝專業學習材料獲得了豐富的經驗，具體總結如下：

3.1 虛擬實驗室推廣活動

一線施工人員介于施工環境惡劣、施工任務重、從業人員素質不統一等原因，無法從事系統的技術培訓。虛擬實驗室建成后，將在本專業極大拓展從業人員的受眾面。其將不受上述原因的限制，甚至可以面向不是該專業的人員進行科學普及。

3.2 科研項目的仿真驗證

工程安裝專業在工程施工中往往會遇到不同困難，技術裝備的革新往往是為了解決某個特定問題而采取的科研，虛擬和混合現實技術可以方便科研人員進行方案和技術的論證，更能為技術細節的商討提供數據支撐。

3.3 教學質量提高

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

3.4 新實驗室的可視化

教學環境與實驗室的建設屬于漸進式發展，但是學術研究有時卻是跨越式發展，環境的建設往往趕不上學術研究的發展。虛擬現實技術可以使得學者將學術研究進行數據化，進一步論證學術問題的正確性。

4 總結

經過上述研究，該教學應用可有效提高教學質量，更可以利用其優點廣泛采用更具優勢的教學方法：翻轉課堂、同伴教學、互動教學等。學生更可以充分利用虛擬資源開展課前預習和課后自學，然后將課堂時間充分進行研討，有效提高學生的學習效果。同時，學校管理者希望新教師在獲得認證之前能夠了解如何翻轉課堂，并希望職前教師能夠在課堂上創建和使用視頻、播客和其他媒體。這一期望具有重要意義，值得教育工作者關注，以便建立和實施翻轉教學。

參考文獻

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