摘? 要：5G網(wǎng)絡(luò)以其超大帶寬、超低時(shí)延、海量連接、超高可靠性的特性，為VR/AR技術(shù)的廣泛應(yīng)用提供了強(qiáng)有力的網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)。通過分析基于5G的VR/AR技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用引起的教學(xué)手段變化、教學(xué)方式變化以及教學(xué)平臺(tái)變化，結(jié)合本校工科類學(xué)生培養(yǎng)計(jì)劃，研究基于5G的VR/AR技術(shù)在高等教育中的教學(xué)手段設(shè)計(jì)、教學(xué)模式構(gòu)建以及實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)搭建，挖掘VR/AR技術(shù)與高等教育教學(xué)相融合的路徑，進(jìn)一步為“人工智能+”教育奠定基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：5G;VR/AR;教學(xué)手段;教學(xué)方式;實(shí)訓(xùn)平臺(tái)

中圖分類號(hào)：TN929.5;G434? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(dòng)計(jì)劃》（教技〔2018〕6號(hào)）指出，加快面向下一代網(wǎng)絡(luò)的高校智能學(xué)習(xí)體系建設(shè)，適應(yīng)5G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[1]發(fā)展，服務(wù)全時(shí)域、全空域、全受眾的智能學(xué)習(xí)新要求;同年10月，《關(guān)于加快建設(shè)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(hào)）指出要推動(dòng)課堂教學(xué)革命，大力推進(jìn)智慧教室建設(shè)，構(gòu)建線上線下相結(jié)合的教學(xué)模式，積極引導(dǎo)學(xué)生自我管理、主動(dòng)學(xué)習(xí)，激發(fā)求知欲望，提高學(xué)習(xí)效率，提升自主學(xué)習(xí)能力。中國移動(dòng)針對(duì)5G在教育行業(yè)的應(yīng)用發(fā)布《5G+智慧教育白皮書》[2]，詳細(xì)闡述了5G時(shí)代VR/AR技術(shù)與教育結(jié)合將解決真實(shí)實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目條件不具備或?qū)嶋H運(yùn)行困難的問題，特別是涉及高?；驑O端環(huán)境，高成本、高消耗、不可逆操作等多種常規(guī)教學(xué)無法解決的問題。由此可見，5G時(shí)代VR/AR技術(shù)將推動(dòng)高等教育教學(xué)產(chǎn)生重大變革，VR/AR技術(shù)在教育教學(xué)上的應(yīng)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(luò)通信等相關(guān)知識(shí)，揭示利用5G的VR/AR技術(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)虛擬設(shè)備平臺(tái)的搭建，促進(jìn)學(xué)生個(gè)性化發(fā)展的學(xué)習(xí)方式可行性。然后以虛擬課堂和真實(shí)課堂相互配合為理論基礎(chǔ)，采用5G的技巧解決隨時(shí)隨地的學(xué)習(xí)問題，構(gòu)建適合該技術(shù)的課堂教學(xué)設(shè)計(jì)方法，并擬采用大數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)情分析，形成每位學(xué)生學(xué)習(xí)情況的數(shù)據(jù)報(bào)告。最后對(duì)傳統(tǒng)教學(xué)方法、教學(xué)模式進(jìn)行綜合和歸納，建立具有5G的VR/AR技術(shù)特點(diǎn)的高等教育教學(xué)情景。從課堂提取的5G的VR/AR技術(shù)應(yīng)用的通用性和實(shí)用性的角度，探討建立該技術(shù)應(yīng)用在高等教育教學(xué)方法的理論框架、教學(xué)設(shè)計(jì)和實(shí)訓(xùn)平臺(tái)搭建。

1? 基于5G的VR/AR教學(xué)情景設(shè)計(jì)策略

運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR），堅(jiān)持真實(shí)、易于導(dǎo)航、內(nèi)容適度、反思性強(qiáng)的原則，厘清VR/AR技術(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合[3]，明確學(xué)習(xí)目標(biāo)，為后續(xù)課堂教學(xué)方法的制定奠定基礎(chǔ)。再考慮逼真的教學(xué)場(chǎng)景，明確教學(xué)場(chǎng)景需要的物品，利用VR技術(shù)進(jìn)行對(duì)象建構(gòu)，更好地充實(shí)課堂教學(xué)內(nèi)容。基于5G的VR/AR課堂教學(xué)情景設(shè)計(jì)如圖1所示，從應(yīng)用場(chǎng)合、學(xué)習(xí)目標(biāo)設(shè)計(jì)、教學(xué)場(chǎng)景設(shè)計(jì)三方面展開，為后續(xù)教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法的設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。

以我校電子類“傳感與檢測(cè)技術(shù)”課程為例，該課程作為一門必修課程，學(xué)生學(xué)習(xí)人數(shù)較多，對(duì)上課場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地需求量很大，相應(yīng)的對(duì)課程實(shí)驗(yàn)設(shè)備的要求也較高，如差動(dòng)變壓器的特性分析及應(yīng)用章節(jié)中的測(cè)微頭儀器，精度要求極高，且價(jià)格昂貴，易損壞。引入虛擬仿真技術(shù)，構(gòu)建一個(gè)逼真的、具有視聽觸等多種感知的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境，使學(xué)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不易重建、課時(shí)少等問題;另一方面激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，可借助電腦反復(fù)進(jìn)行仿真調(diào)試，對(duì)學(xué)生深入理解電磁互感原理并能將其實(shí)際應(yīng)用起到極大的促進(jìn)作用。仿真實(shí)驗(yàn)的靈活性能提高學(xué)生的創(chuàng)新思維能力，且老師也能在后臺(tái)時(shí)刻關(guān)注學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)態(tài)，借助虛擬仿真反饋數(shù)據(jù)了解學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)程，縮短傳統(tǒng)課堂的上課時(shí)間，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，不斷豐富和強(qiáng)化教學(xué)內(nèi)容，提升教學(xué)質(zhì)量和教師授課水平。

2? 基于5G的VR/AR教學(xué)方法設(shè)計(jì)

基于VR/AR技術(shù)的課堂教學(xué)由虛擬教學(xué)環(huán)境、教學(xué)資源、教師、學(xué)生等元素組成。首先，虛擬課堂需要良好的互動(dòng)體驗(yàn)。利用VR技術(shù)還原歷史場(chǎng)景、模擬真實(shí)場(chǎng)面，利用AR技術(shù)進(jìn)行界面設(shè)計(jì)，讓學(xué)生通過互動(dòng)進(jìn)行情景與知識(shí)串聯(lián)，形成整體認(rèn)知能力、系統(tǒng)分析與綜合設(shè)計(jì)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(jìn)而安排活動(dòng)任務(wù)，完成教學(xué)目標(biāo)。最后，虛擬課堂需要重視師生角色定位。在虛擬課堂中，項(xiàng)目式學(xué)習(xí)是最常 采用的，教師是學(xué)生課堂學(xué)習(xí)的指導(dǎo)者，學(xué)生以個(gè)人或小組形式收集資料、自主探索、獲得知識(shí)，師生交流和師生答疑等活動(dòng)可以進(jìn)一步提升學(xué)習(xí)效果。教學(xué)模式設(shè)計(jì)如圖2所示，根據(jù)5G技術(shù)衍生的虛擬課堂和真實(shí)課堂之間的相互影響，將課堂教學(xué)劃分為3個(gè)階段，不斷地進(jìn)行課堂教學(xué)活動(dòng)的反饋、探索，擬研發(fā)出虛實(shí)相融合的教學(xué)設(shè)計(jì)。

以我校電子類“傳感與檢測(cè)技術(shù)”課程中的差動(dòng)變壓知識(shí)點(diǎn)為例，引入VR/AR技術(shù)，該課程在教學(xué)體驗(yàn)上采用互動(dòng)模式，教學(xué)內(nèi)容上采用沉浸式。

（1）互動(dòng)式：差動(dòng)變壓器AR界面操作模塊提供強(qiáng)大的人機(jī)交互功能，AR界面操作模塊設(shè)置演示模式、教學(xué)模式、測(cè)試模式。其中演示模式以系統(tǒng)自動(dòng)演示實(shí)驗(yàn)為主，包括差動(dòng)變壓器的安裝、接線等;學(xué)生不需要進(jìn)行任何操作，以觀察為主，旨在讓學(xué)生熟悉整個(gè)實(shí)驗(yàn)流程。教學(xué)模式下，系統(tǒng)會(huì)對(duì)實(shí)驗(yàn)步驟進(jìn)行提示，學(xué)生只需按照指示步驟操作即可。測(cè)試模式下，系統(tǒng)會(huì)關(guān)閉所有的提示，學(xué)生只能按照自己的理解進(jìn)行操作，如可以通過鼠標(biāo)、鍵盤等外部輸入設(shè)備操作，包括組裝變壓器設(shè)備、安裝測(cè)微頭、連接電路、移動(dòng)測(cè)微頭記錄數(shù)據(jù)等操作;在操作過程中，系統(tǒng)會(huì)對(duì)關(guān)鍵知識(shí)通過文字、圖畫、動(dòng)畫等形式進(jìn)行講解，幫助學(xué)生理解。

（2）沉浸式：差動(dòng)變壓器相關(guān)虛擬課程中，不同的要素會(huì)有不同的現(xiàn)象結(jié)果，如差動(dòng)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(xué)生可根據(jù)操作的數(shù)據(jù)分析對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化;該模塊提供擴(kuò)展思考題，讓學(xué)生通過沉浸探討的方式，能對(duì)差動(dòng)變壓器有更深入的認(rèn)識(shí)。學(xué)生可以一直保持沉浸式學(xué)習(xí)，多次重發(fā)演練，以達(dá)到最佳效果。

通過互動(dòng)式、探討式等教學(xué)方法的應(yīng)用，可以幫助學(xué)生理解電磁互感現(xiàn)象，拓展知識(shí)的深度和廣度、延伸虛擬內(nèi)容的時(shí)間和空間，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和潛能，調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)積極性和主動(dòng)性，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實(shí)踐能力。

3? 基于5G的VR/AR實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)設(shè)計(jì)

當(dāng)下較多課程存在教學(xué)設(shè)備購置費(fèi)用金額較大，并且設(shè)備部署需要特殊場(chǎng)地，如程控交換、電磁場(chǎng)與電磁波等相關(guān)課程，這些理論難度大、實(shí)驗(yàn)設(shè)備昂貴的課程，根據(jù)其教學(xué)項(xiàng)目和工作任務(wù)，開發(fā)基于VR/AR技術(shù)的綜合模擬實(shí)驗(yàn)實(shí)訓(xùn)平臺(tái)刻不容緩。實(shí)訓(xùn)平臺(tái)的主要優(yōu)點(diǎn)如下。

（1）打破時(shí)空限制。基于VR/AR的仿真教學(xué)模式，可以讓學(xué)生隨時(shí)隨地進(jìn)行在線或離線訓(xùn)練，保證了學(xué)生的訓(xùn)練量。

（2）規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)。真實(shí)實(shí)驗(yàn)或操作往往會(huì)帶來各種危險(xiǎn)，利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境中可以放心地去進(jìn)行設(shè)備的相關(guān)實(shí)驗(yàn)操作。

（3）基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的船舶虛擬拆裝仿真教學(xué)系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)與真實(shí)環(huán)境進(jìn)行匹配校準(zhǔn)，可以與真實(shí)場(chǎng)景進(jìn)行交互，可以對(duì)真實(shí)拆裝進(jìn)行指導(dǎo)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(shí)以更生動(dòng)、直觀、全面的方式呈現(xiàn)，用沉浸式體驗(yàn)增強(qiáng)學(xué)生的代入感。

以我校輪機(jī)工程專業(yè)的核心主干課程“船舶輪機(jī)系統(tǒng)”為例，運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(shè)備虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)框架如圖3所示。

移動(dòng)智能手機(jī)端基于VR/AR技術(shù)，人機(jī)交互方式主要采用“觸屏”。

PC終端基于VR/AR技術(shù)，人機(jī)交互方式主要采用“鼠標(biāo)單擊”。

HTC VIVE終端基于VR技術(shù)，人機(jī)交互方式主要采用“手柄”。

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

在客戶端系統(tǒng)運(yùn)行開始前，服務(wù)器端程序進(jìn)入運(yùn)行狀態(tài)并與數(shù)據(jù)庫保持連接，客戶端啟動(dòng)后學(xué)生通過注冊(cè)或登錄進(jìn)入船舶設(shè)備虛擬仿真教學(xué)系統(tǒng);通過不同的客戶端口進(jìn)入平臺(tái)后，采用與客戶端相對(duì)應(yīng)的人機(jī)交互方式與場(chǎng)景進(jìn)行交互。首先進(jìn)行船舶設(shè)備選擇，然后選擇模式進(jìn)行虛擬仿真實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí);然后通過與船舶設(shè)備三維虛擬模型的交互，學(xué)習(xí)船舶設(shè)備的工作原理、以及拆裝、操作流程，學(xué)生可以邊學(xué)習(xí)邊操作;最后平臺(tái)對(duì)學(xué)生的虛擬操作過程進(jìn)行智能評(píng)估。

很多船舶設(shè)備在實(shí)際情況下，需要多人協(xié)同操作。為了提高本系統(tǒng)的真實(shí)性和用戶之間的互動(dòng)性，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了多人協(xié)同功能?；谠鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)的HoloLens設(shè)備系統(tǒng)通過Socket協(xié)議讓多臺(tái)HoloLens在同一個(gè)局域網(wǎng)內(nèi)，由一個(gè)用戶的HoloLens作為服務(wù)器端，其他多臺(tái)HoloLens作為客戶端與服務(wù)器端建立連接，實(shí)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(jī)同樣可以實(shí)現(xiàn)多人協(xié)同功能。該實(shí)訓(xùn)平臺(tái)得到眾多學(xué)生追捧，提高學(xué)生了的學(xué)習(xí)興趣，也為我校開拓“人工智能+”教育奠定基礎(chǔ)。

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(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，尤其在教育領(lǐng)域中展現(xiàn)巨大的應(yīng)用潛力，本文結(jié)合VR/AR技術(shù)特點(diǎn)，分析VR/AR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用價(jià)值，闡述VR/AR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用策略，有助于我們更加深刻地認(rèn)識(shí)到VR/AR技術(shù)在現(xiàn)代教學(xué)中的用途，為教育教學(xué)模式的改革創(chuàng)新實(shí)踐提供經(jīng)驗(yàn)和啟示。

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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。