特殊時期的工科在線實驗教學(xué)探究
——基于AR虛擬現(xiàn)實技術(shù)

李 磊，余 魁，宋少云

（武漢輕工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 武漢 430048）

0 引言

因教學(xué)時間和空間更加靈活，線上教育在疫情期間得到了大力發(fā)展。不管是直播還是錄播教學(xué)，傳統(tǒng)在線教學(xué)的展示方式主要為“窗口式”的在線形式。對于理論教學(xué)來說，線上教育效果尚可，但對于重觀察、重結(jié)構(gòu)、重互動的工科類的實驗教學(xué)而言，目前傳統(tǒng)的線上教育方式還無法完全適用，例如，鏡頭需要同時展示老師和學(xué)生們的課堂狀態(tài)或者實驗中的不同觀察點，因此，無死角地記錄課堂內(nèi)容成為目前線上教育的新的需求點。顯然，傳統(tǒng)的“窗口式”視頻展示還無法滿足要求。此外，相比于線下授課，線上教育在效果上還是會存在明顯沉浸感和互動感的不足，如何盡量彌補(bǔ)這種教學(xué)效果上的不足將是以后線上工科教學(xué)的一個重要發(fā)展方向。

傳統(tǒng)的科學(xué)實驗特別是工科實驗或演示教學(xué)領(lǐng)域，例如，受限于場地、風(fēng)險、經(jīng)濟(jì)等因素的爆炸、燃燒等工科實驗，如圖1所示展現(xiàn)出的教育場景具有危險系數(shù)高（圖1（a））、人力成本昂貴（圖 1（b））、實驗成本高（圖 1(c））和空間條件限制（圖1（d））等顧慮，這些場景都呈現(xiàn)出復(fù)現(xiàn)成本高的問題。目前如何降低這些試驗的復(fù)現(xiàn)成本，現(xiàn)在已經(jīng)涌現(xiàn)出很多解決方案，其中全景式復(fù)現(xiàn)成為一種成本較低的最新選擇。

圖1 復(fù)現(xiàn)成本高的教育場景

1 虛擬現(xiàn)實的教學(xué)現(xiàn)狀分析

目前，隨著信息化的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實（VR）為線上教育提供了一種非常好的全景式復(fù)現(xiàn)解決方案。VR的出現(xiàn)可以彌補(bǔ)以上傳統(tǒng)課程的不足，同時也為學(xué)生提供一種沉浸性的、自主探索性的學(xué)習(xí)方式，給教育行業(yè)將帶來極大的變革。

VR是一個多學(xué)科高度交叉融合的科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域[1]，具有沉浸性、交互性和想象性的特點。主要分為四種類型：傳統(tǒng)桌面型虛擬現(xiàn)實、沉浸型虛擬現(xiàn)實實現(xiàn)、AR（增強(qiáng)現(xiàn)實型虛擬現(xiàn)實）和分布式虛擬現(xiàn)實[2]。傳統(tǒng)桌面型虛擬現(xiàn)實和沉浸型虛擬現(xiàn)實采用的是虛構(gòu)的模型創(chuàng)建的場景，適用于在線虛擬化的場景參觀，如工廠參觀、景點遨游等場景[3-4]。該方法建模需要復(fù)現(xiàn)整個3D場地模型，建模成本高。AR和分布式虛擬現(xiàn)實需要專門的交互設(shè)備如手柄、手套或者鼠標(biāo)來實現(xiàn)交互，沉浸感更強(qiáng)，但是也存在設(shè)備成本高、內(nèi)容制作和策劃成本高的問題。

VR的應(yīng)用在教學(xué)方面已經(jīng)嶄露頭角，目前分布式虛擬現(xiàn)實由于軟件和硬件成本限制，僅僅應(yīng)用在部分特殊領(lǐng)域，例如協(xié)同消防領(lǐng)域[5]，目前在教育行業(yè)還并沒有大規(guī)模推廣。下面將市場上存在的應(yīng)用在教學(xué)方面的虛擬現(xiàn)實按照呈現(xiàn)方式分為三類：全景視頻類（圖2(a)）、交互式VR類（圖 2(b)(c)）和移動 AR 類（圖 2(d)）。

圖2 b全景視頻播放

綜合來說，VR在教學(xué)方面還是存在以下問題：（1）成本高：VR專用設(shè)備（主機(jī)、頭盔、手套和手柄）和3D模型建模成本高，也需要專門的VR教室進(jìn)行配套，普及存在一定困難，目前，即便為數(shù)不多的高校配備有專門的VR試點教室，但教室數(shù)量也屈指可數(shù)；（2）復(fù)現(xiàn)效果不足：基于虛擬的3D虛擬現(xiàn)實的法應(yīng)用在工科實驗課堂中，并不能完全復(fù)現(xiàn)實際的人物教學(xué)和實驗過程，模型的仿真效果和實物還是存在差距。

2 360AR虛擬現(xiàn)實技術(shù)平臺概述

針對上述問題，我們搭建了一套360AR虛擬現(xiàn)實技術(shù)平臺，該平臺主要可以劃分為2部分：（1）360AR虛擬現(xiàn)實在線教學(xué)網(wǎng)頁平臺；（2）基于5G的遠(yuǎn)程全景圖像采集小車。在線教學(xué)平臺提供全景的展示和互動教學(xué)平臺，采集小車為平臺提供實習(xí)、實驗、參觀等全景素材。

360AR虛擬現(xiàn)實在線教學(xué)平臺面向教育領(lǐng)域，基于BS（瀏覽器-服務(wù)端）模式，提供一種在線實驗演示共享平臺。和其他視頻播放平臺（優(yōu)酷、B站等）類似，在基本功能上，該平臺具有用戶注冊、評論、點贊、收藏和上傳功能；但平臺中的主要核心功能在于全景播放器，播放器中組成的元素可以分為：全景實拍視頻；三維3D模型；地標(biāo)指示按鈕，能實現(xiàn)如下功能：

（1）全景視頻播放功能：與utoVR類似，網(wǎng)頁端能夠播放360°實景教學(xué)視頻，用戶能夠通過鼠標(biāo)旋轉(zhuǎn)播放畫面，播放內(nèi)容主要但不限于實景教學(xué)內(nèi)容講解視頻；

（2）3D模型展示：全景視頻中能夠在設(shè)定時間段內(nèi)疊加三維模型，增強(qiáng)用戶視覺體驗；

（3）模型交互：用戶可以與3D模型進(jìn)行互動，比如雙擊模型，模型會按照預(yù)先設(shè)定的動畫播放動畫效果，如爆炸展開視圖、裝配動畫等；

（4）觀察點切換：視頻中的場景可以存在多個觀察點的地標(biāo)，通過在地標(biāo)上點擊鼠標(biāo)左鍵實現(xiàn)切換對應(yīng)觀察點的全景視頻功能。

可以看出，以上核心功能均基于全景播放器，因此，基于以上核心功能的全景播放器是本平臺區(qū)別其他視頻平臺的特色。

3 實踐案例與分析

新的教學(xué)平臺必須配套相應(yīng)的教學(xué)策略才能發(fā)揮出它的優(yōu)勢，因此，我們采用了一種“混合式教學(xué)模式”，該模式樹立以學(xué)生為中心，以任務(wù)為導(dǎo)向，構(gòu)建符合當(dāng)前課程特點與設(shè)備場景的“自主探究學(xué)習(xí)—虛實結(jié)合操作—實踐提升”的“虛實結(jié)合混合式”的教學(xué)模式：以武漢輕工大學(xué)“大米加工產(chǎn)線”的演示性實習(xí)為“教學(xué)案例”進(jìn)行分析，以融入AR技術(shù)的全景平臺為“虛”，以重點建設(shè)專業(yè)—大米產(chǎn)線加工線實驗室平臺為“實”，揚(yáng)長避短，實現(xiàn)理論知識預(yù)習(xí)、虛實結(jié)合，讓學(xué)生足不出戶就能實現(xiàn)大米產(chǎn)線的參觀和對知識的掌握，從而切實解決大米加工學(xué)習(xí)理論性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)抽象、實操難的問題，有效提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

4 結(jié)語

本文通過深入研究 AR虛擬現(xiàn)實技術(shù)在工科實驗在線教學(xué)上的實現(xiàn)方式，提出一種全景視頻式的AR展示方法和教學(xué)策略，基于該方法，建立一種基于 BS模式的360AR虛擬現(xiàn)實技術(shù)平臺，該平臺能夠在空間多方位觀察，主動觀察，邏輯思考，激發(fā)探索性學(xué)習(xí)。對于實現(xiàn)單一的教學(xué)案例，課堂復(fù)現(xiàn)效果好，不依賴VR專用設(shè)備，建模相對低，適合快速、大批量地建立教學(xué)案例，具有較大的推廣價值。