周秀梅，楊偉

（三峽大學大學生素質(zhì)教育中心，湖北 宜昌）

一 引言

目前絕大部分高校的工程訓練課程采用傳統(tǒng)的教學方式，對于一些枯燥的知識展示效果不佳，不夠形象，學生較難理解。虛擬仿真實驗教學是實驗教學建設的重要內(nèi)容[1]。很多高校專門成立了虛擬仿真實驗教學中心，以便提供更具展示性的實驗教學資源，使學生更生動直觀地學到相關(guān)實驗知識，使學生的實踐能力得到更大的提高。

現(xiàn)有的虛擬仿真實驗平臺有很多，有很多專業(yè)的仿真軟件，比如電子仿真protuse、數(shù)學軟件MATLAB、虛擬儀器軟件LABVIEW等[2]。但這些專業(yè)軟件更多的是功能方面的仿真，生動性不高，直觀性也不好。近幾年興起的虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實的生動性、真觀性則非常好，可用三維的方式將傳統(tǒng)的教學過程展示出來。因此這三種技術(shù)在教育行業(yè)的應用被很多學者專家及科技開發(fā)人員看好，近幾年也出現(xiàn)了這三種技術(shù)在教育行業(yè)的應用實例，但在工程訓練課程中的應用較少，目前做的比較好的只有增強現(xiàn)實在車削加工的應用。為此筆者通過比較虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實的優(yōu)缺點，提出應用于工程訓練的三維仿真設計，以便提高教學的效率，提升學生學習的積極性。

二 虛擬現(xiàn)實的概述與應用前景

虛擬現(xiàn)實技術(shù)又稱為靈鏡技術(shù)，簡稱AR技術(shù)，其實就是一種計算機高級人機界面，它的主要特征就是多感知性、沉浸感、交互性、構(gòu)想性[3]。這種界面以多維的形式呈現(xiàn)，模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感官功能，是一種沉浸式、交互式的多維信息體驗。它依靠三維圖形生成技術(shù)、多傳感器交互技術(shù)，生成具有超越現(xiàn)實的三維逼真的虛擬環(huán)境。虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用非常廣泛，開始的時候用于軍事和航空航天領(lǐng)域，現(xiàn)在游戲、教育、工業(yè)、設計、娛樂、醫(yī)療、電力等方面都有很多應用。虛擬現(xiàn)實的主要顯示設備包含VR眼鏡、三維投影儀、VR頭盔等，它的交互外設包括數(shù)據(jù)手套、語音識別設備、三維鼠標、運動跟蹤器等。

虛擬現(xiàn)實最大的優(yōu)點是給人的畫面感特別好，給人一個非常好的沉浸感，但這是依托于它后面有強大的運算能力的電腦，因此對硬件要求也非常高，所以它的設備一般也比較重，同時這個沉浸感雖然一直是我們想要的，也是非常好的優(yōu)點，但沉浸感也分場合，有些場合非常需要沉浸感，比如我們看小說、看電影、打游戲等場合，這種場合中我們希望全身心地投入進去。但像實踐教育這種場合，需要和現(xiàn)實環(huán)境進行有效交互時，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的沉浸感就反而成了缺點了，太過強大的沉浸感，反而相當于把現(xiàn)實世界給隔離了[4]。

三 增強現(xiàn)實的概述與應用前景

增強現(xiàn)實技術(shù)又稱擴展現(xiàn)實技術(shù)，簡稱AR，它實時地根據(jù)攝像機的位置及角度顯示相應圖像、視頻、3D模型，它將虛擬世界信息與真實世界信息無縫集成，在現(xiàn)實世界中疊加虛擬的信息并進行互動，現(xiàn)實世界信息和虛擬世界信息實時地在同一畫面或空間中存在，達到超越現(xiàn)實的視聽體驗。近年來增強現(xiàn)實技術(shù)日益成熟，在很多場景中都有使用，比如游戲、建筑、室內(nèi)設計、醫(yī)學、購物、企業(yè)培訓、教育等[5]。

在教育方面，已經(jīng)出現(xiàn)了很多可應用的增強現(xiàn)實軟件，JigSpace就是一款基于蘋果 ARKit工具開發(fā)的增強現(xiàn)實軟件工具。使用JigSpace可以用移動設備在桌子上體驗物體的虛擬3D模型，并可以通過虛擬3D模型展示物體的內(nèi)部構(gòu)造，通過交互式輸入設備，可以把虛擬3D模型和物體一步步拆分，達到超越現(xiàn)實的感受[6]。

在工程實踐訓練中哈爾濱工業(yè)大學正在進行虛實結(jié)合讓工程訓練走向智能化的研究，只要通過手機掃描，學生就可以知曉這個設備背后的“秘密”，包括使用方法、設備參數(shù)等。這種基于CPS（信息物理系統(tǒng)）的思想讓設備活了起來，也給學生提供了一個自主認知設備的機會和條件[7]。采用了“實-虛”結(jié)合的教學理念，梳理出了虛輔、實操和創(chuàng)新的學生實踐能力培養(yǎng)的主線。但增強現(xiàn)實技術(shù)在工程實踐教學的應用范圍遠不止這些。如設備拆裝就可以用增強現(xiàn)實虛擬出很多現(xiàn)實實訓中不方便提供實物的設備，住宅布線中可以用增強現(xiàn)實虛擬出家庭的布線場景，讓學生有更深的體會。

四 混合現(xiàn)實的概述與應用前景

混合現(xiàn)實技術(shù)簡稱MR，混合現(xiàn)實技術(shù)的定義并不明確，有多種定義，其中微軟的定義認可度較高，既混合現(xiàn)實是基于增強現(xiàn)實之上，虛擬的世界還是放在真實世界內(nèi)，但是虛擬世界要真的能和這些現(xiàn)實物體交互[8]。

混合現(xiàn)實對硬件要求非常高，因此成本非常貴，混合現(xiàn)實技術(shù)雖然很早就提出了，但發(fā)展比較緩慢，現(xiàn)在可以應用的產(chǎn)品并不多，現(xiàn)在做得最好的是微軟的Hololens，已經(jīng)開始嘗試商用了，像Magic Leap現(xiàn)在僅僅停留在實驗室階段[9]?；旌犀F(xiàn)實技術(shù)應用前景主要在推廣營銷、設計行業(yè)、家裝行業(yè)、教育行業(yè)、直播行業(yè)等。

五 虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實的區(qū)別

其實人類最終需要裸眼看到疊加在真實世界中的全新多維虛擬畫面，這才是將來的趨勢，就是所謂的全息投影，現(xiàn)在所有的眼鏡式的3D技術(shù)，全部都是人類在過渡到全息投影之間的一個過渡技術(shù)[10]?，F(xiàn)在全息投影技術(shù)也有很大突破，在一些大型舞臺中已經(jīng)開始使用了，但成本非常高，畫面也比較單一，場景限制也比較多。因此暫時還是虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實的應用更多一些。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)其實是呈現(xiàn)一個虛擬的世界，畫面感特別強，可以簡單進行交互，基本上你帶上眼鏡或頭盔的那一刻起，我們就基本和現(xiàn)實世界切斷了。增強現(xiàn)實技術(shù)是把虛擬的畫面簡單疊加在現(xiàn)實世界之上，畫面上并沒有和現(xiàn)實世界交互，而且畫面感特別差?；旌犀F(xiàn)實技術(shù)實際上是虛擬現(xiàn)實技術(shù)與增強現(xiàn)實技術(shù)的疊加，他有虛擬現(xiàn)實技術(shù)的超強畫面感，同時超強的畫面又是融合在現(xiàn)實世界中的，而且與增強現(xiàn)實技術(shù)不同的是，不是簡單疊加在現(xiàn)實世界之上，而是和現(xiàn)實世界有相互交融[11]。

虛擬現(xiàn)實技術(shù)和增強現(xiàn)實技術(shù)對設備要求不高，因此成本不高，生產(chǎn)的產(chǎn)品主要面向C端，也是現(xiàn)階段發(fā)展得比較好的?；旌犀F(xiàn)實技術(shù)則對設備要求非常高，因此成本很高，生產(chǎn)的產(chǎn)品主要面向B端，也是現(xiàn)階段發(fā)展得比較慢的，不過隨著5G技術(shù)的應用，混合現(xiàn)實技術(shù)的部分運算將可以轉(zhuǎn)向云端，可以降低混合現(xiàn)實產(chǎn)品的成本[12]。

由于虛擬現(xiàn)實技術(shù)完全獨立于現(xiàn)實世界之外，相比較于增強現(xiàn)實技術(shù)和混合現(xiàn)實技術(shù)而言，增強現(xiàn)實技術(shù)和混合現(xiàn)實技術(shù)顯得更適合在工程實踐類教育中應用，同時由于現(xiàn)階段混合現(xiàn)實還基本處于研究階段，尚不具備大面積使用和推廣的條件，因此筆者覺得現(xiàn)階段增強現(xiàn)實技術(shù)最適合用于在工程實踐類教育中應用。

六 增強現(xiàn)實技術(shù)在工程實踐類教育中應用展望

根據(jù)增強現(xiàn)實技術(shù)的諸多優(yōu)點，筆者對增強現(xiàn)實技術(shù)在工程實踐類教育中的應用作了如下展望。

（一） 增強現(xiàn)實技術(shù)在實驗室安全教育中的應用

增強現(xiàn)實在火災防范及逃生、地震逃生等不便進行實踐訓練的安全教育課程中可以廣泛使用，比如火災防范及逃生教育中，當增強現(xiàn)實設備掃到什么設備就可以提示相關(guān)信息，告知你這個設備有可能的誤操作會發(fā)生火災，要怎么防范。同時還能虛擬發(fā)生火災，指導怎么處理，如果處理不當，還將教你怎么逃生，一步一步地可視化演示。同時還可以制作些配套的教具。

（二） 增強現(xiàn)實技術(shù)在工業(yè)機器人教學中的應用

現(xiàn)有的工業(yè)機器人教學在實踐教學中無法避免存在一些問題，比如說：工業(yè)機器人范圍廣泛，價格昂貴，采購許多種類的工業(yè)機器人顯然不可能[13]；工業(yè)機器人配備的有些外圍設備，例如傳送帶、焊機等，可能會因為誤操作傷害到學生。增強現(xiàn)實技術(shù)則很好解決這些問題，增強現(xiàn)實可以虛擬出很多工業(yè)機器人，這樣省去了很多成本，同時增強現(xiàn)實技術(shù)可以在學生實操一些有危險的工業(yè)機器人設備時，在現(xiàn)實的基礎(chǔ)上疊加顯示危險提醒，并給出正確操作方法。

（三） 增強現(xiàn)實技術(shù)在電力仿真培訓中的應用

在電力仿真中，增強現(xiàn)實技術(shù)可以給輸電線路帶電作業(yè)做仿真培訓，培養(yǎng)學員的安全生產(chǎn)意識，增強現(xiàn)實技術(shù)還可以在高空巡線中模擬巡視業(yè)務，主要包括高空走線、高空墜落等，增強現(xiàn)實技術(shù)在電力行業(yè)的設備認知培訓中，也能起到很好作用，實現(xiàn)對設備外形、結(jié)構(gòu)、功能的學習，增強現(xiàn)實技術(shù)還可以提供遠程專家支持，通過專家的遠程協(xié)助解決現(xiàn)場難題[14]。

（四） 增強現(xiàn)實技術(shù)在設備拆裝中的應用

工程實踐教學很大的一塊就是要對各種設備的認知，其實設備拆裝就是很好的一個認知過程，實際設備比較貴重，把每一種設備都拿來拆裝顯然不現(xiàn)實，增強現(xiàn)實技術(shù)就可以虛擬出各種設備，在虛擬環(huán)境中進行設備拆裝。在實際設備中進行拆裝的時候，增強現(xiàn)實技術(shù)還可以在每完成一個動作后，提示下一個動作，防止設備被不正確的拆裝方法損壞。

（五） 增強現(xiàn)實技術(shù)在銑銷加工的應用

銑床加工與車銷加工，基本是每個工程訓練必須的工種，也是整個工程訓練中最花教學人力成本的工種，因為這兩個工種的機器太危險了，稍有不慎就會造成事故，但同學們初生牛犢不怕虎，在學習時總有人不嚴格遵守安全操作規(guī)則，或者有的同學，總是忘了安全操作規(guī)則，增強現(xiàn)實技術(shù)就可以很好解決這個問題，增強現(xiàn)實可以在開始操作前，演示操作方法，醒目提醒安全操作規(guī)則，展示不按要求操作發(fā)生的事故，同時在實際操作時如果違反了操作規(guī)程，也會醒目實時提醒[15]。

（六） 增強現(xiàn)實技術(shù)在住宅布線訓練中的應用

住宅布線訓練是近年來新興的一個工程訓練項目，這個項目可以讓學生很好認識到家里的走線是怎么樣的情況，讓同學可以解決家里一些用電的突發(fā)狀況。但這個項目其實非常危險，因為在訓練中要驗證布線設計及連接的對錯，就要上電實驗，要是不小心發(fā)生觸電現(xiàn)象的話，觸電者將會出現(xiàn)生命危險。增強現(xiàn)實技術(shù)則能很好解決這個問題，它可以在學生做每個動作的時候指導學生，防止學生發(fā)生錯誤操作。甚至把看不到的電流情況展現(xiàn)在眼鏡中，使同學不僅學會布線，還得很好了解到其內(nèi)部的運轉(zhuǎn)情況。

七 增強現(xiàn)實技術(shù)在工程實踐類教育中推廣設想

增強現(xiàn)實技術(shù)雖然有很多優(yōu)點，注定著它將在工程教育中有著不平凡的境遇，但任何技術(shù)想要快速發(fā)展，迅速出現(xiàn)在大眾視野中，都需要一定的推廣。增強現(xiàn)實技術(shù)在工程實踐類教育中想要得到更多的師生認可，也需要一定的推廣。增強現(xiàn)實技術(shù)在工程實踐教育中的推廣需要老師、同學們、AR眼鏡開發(fā)公司、學校等各方的集體努力。本文對增強現(xiàn)實技術(shù)在工程實踐教育中的應用推廣做了如下幾個設想。

1.建立一個開源的增強現(xiàn)實技術(shù)用于教育的網(wǎng)絡社區(qū)，大家可以在這個網(wǎng)絡社區(qū)分享自己的作品、素材。也可以在社區(qū)獲取別人的素材，這樣可以避免大家花大量時間做重復的素材，大大加快課程開發(fā)時間。同時可取長補短，更好更快地提高大家在增強現(xiàn)實課程設計中的水平。

2.對增強現(xiàn)實技術(shù)需要的相關(guān)技術(shù)的專業(yè)的同學設立與增強現(xiàn)實相關(guān)的課程設計類的大實驗，使同學們能將自己的所學用來加快增強現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，同時可以在學校里鼓勵創(chuàng)立增強現(xiàn)實技術(shù)類的社團。

3.學校鼓勵老師使用增強現(xiàn)實技術(shù)設計出更多更有互動性的課程，鼓勵老師花更多的時間，設計更多增強現(xiàn)實場景，在更多的課程中應用增強現(xiàn)實技術(shù)。鼓勵老師參加各類增強現(xiàn)實技術(shù)的課程比賽，將其作為教學研究的一部分。

4.AR眼鏡開發(fā)公司開發(fā)更多的開源平臺，讓更多人可以免費使用這個技術(shù)用于非商業(yè)場合，加快這項技術(shù)的普及。

八 結(jié)語

在增強現(xiàn)實技術(shù)快速發(fā)展的背景下，增強現(xiàn)實已經(jīng)被越來越多用于教育行業(yè)，經(jīng)過老師、同學們、AR眼鏡開發(fā)公司、學校等各方的集體努力，相信在未來也會越來越多用于工程實踐教學。未來增強現(xiàn)實技術(shù)將結(jié)合人工智能，可以更多發(fā)揮增強現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)點，同時隨著云計算的發(fā)展，增強現(xiàn)實技術(shù)會更快地向混合現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展，甚至很快地發(fā)展全息投影。