儀征技師學(xué)院 王枝東，趙抒萍

1 基于人機(jī)交互的虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境

隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展及計(jì)算機(jī)的普及，人們的學(xué)習(xí)認(rèn)知不再局限在一個(gè)空間里，計(jì)算機(jī)空間三維運(yùn)算能力的大幅度提升促進(jìn)了虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。對(duì)于汽車這種具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的科技產(chǎn)品，我們可以利用計(jì)算機(jī)虛擬技術(shù)虛擬出學(xué)習(xí)環(huán)境，讓學(xué)習(xí)者身臨其境，通過理論學(xué)習(xí)與虛擬技術(shù)的結(jié)合，可以讓學(xué)生進(jìn)行更有效的自我學(xué)習(xí)。

2 三種虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的介紹

虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）是指利用電腦模擬產(chǎn)生一個(gè)三維空間的虛擬世界，使用者需要通過一個(gè)頭戴設(shè)備，模擬產(chǎn)生關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感知，讓使用者如同身臨其境一般，可以及時(shí)、沒有限制地觀察三維空間內(nèi)的事物。也就是說，使用者所看到的事物都是虛擬的。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）是通過電腦技術(shù)，將虛擬信息應(yīng)用到真實(shí)的世界，是真實(shí)環(huán)境和虛擬物體實(shí)時(shí)地疊加到了同一個(gè)畫面或空間，并同時(shí)存在。如果說VR給使用者的是一個(gè)100%的虛擬世界，那么AR就是以現(xiàn)實(shí)世界的實(shí)體為主體，借助于數(shù)字技術(shù)幫助使用者更好地探索現(xiàn)實(shí)世界。

混合現(xiàn)實(shí)（MR）是合并現(xiàn)實(shí)和虛擬世界而產(chǎn)生了新的可視化環(huán)境。在新的可視化環(huán)境里物理和數(shù)字對(duì)象共存，并實(shí)時(shí)互動(dòng)。也就是真實(shí)世界、虛擬世界和數(shù)字化信息并存。

3 混合現(xiàn)實(shí)（MR）技術(shù)在教學(xué)中應(yīng)用

為了降低交通運(yùn)輸大類、制造大類、信息技術(shù)大類及其相關(guān)專業(yè)的學(xué)生在學(xué)習(xí)中對(duì)立體抽象知識(shí)的理解難度，研究基于混合現(xiàn)實(shí)（MR）技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用有一定的意義，具體研究內(nèi)容包括環(huán)境感知與精準(zhǔn)定位、基于MR的人機(jī)交互、全息影像及數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)渲染，實(shí)現(xiàn)虛擬三維物體、動(dòng)畫與物理現(xiàn)實(shí)空間自然融合，形成一套全息教學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)，并通過此系統(tǒng)快速完成全息教學(xué)應(yīng)用的開發(fā)和使用。

該教學(xué)應(yīng)用系統(tǒng)首先必須構(gòu)建VR+教育模式。構(gòu)建虛擬的汽車實(shí)訓(xùn)室環(huán)境，發(fā)展虛擬備課、虛擬授課、虛擬考試等教育教學(xué)新方法、促進(jìn)以學(xué)習(xí)者為中心的個(gè)性化學(xué)習(xí)，推動(dòng)教學(xué)模式轉(zhuǎn)型。促進(jìn)虛擬現(xiàn)實(shí)教育資源開發(fā)，推動(dòng)科普、培訓(xùn)、教學(xué)、科研的融合發(fā)展。

其次，一些硬件的配備。比如：在MR頭盔中配備了1 300萬像素的高清攝像頭，可以進(jìn)行人臉識(shí)別、物體識(shí)別、車牌識(shí)別、肢體識(shí)別及行人跟蹤等；捕獲聽覺的拾音器；高通驍龍 835旗艦級(jí)處理器等。這些高性能的硬件參數(shù)讓MR頭盔在全息技術(shù)展示時(shí)更加得心應(yīng)手。

傳統(tǒng)的教學(xué)方式只能讓學(xué)生看到一個(gè)整體外觀，要看清變速器內(nèi)部結(jié)構(gòu)則需要嚴(yán)格參照維修工藝進(jìn)行解體，但是這也破壞了實(shí)訓(xùn)器材的密封性。在運(yùn)用MR開展教學(xué)的過程中，學(xué)生可以多人組成一個(gè)小組同時(shí)學(xué)習(xí)，如圖1所示。MR呈現(xiàn)的虛擬自動(dòng)變速器可以任意角度翻轉(zhuǎn)，也可以去掉外殼展示其內(nèi)部結(jié)構(gòu)，畫面生動(dòng)易于讓學(xué)習(xí)者產(chǎn)生濃厚的學(xué)習(xí)興趣。師生可同時(shí)進(jìn)入全息世界中，完成教學(xué)內(nèi)容學(xué)習(xí)和小組討論。同時(shí)，在同一空間可開展不同內(nèi)容的教學(xué)，如機(jī)械維修、零部件設(shè)計(jì)等，實(shí)現(xiàn)一室多用，一室共用，如圖2所示。

圖1 利用MR學(xué)習(xí)自動(dòng)變速器

圖2 利用MR在同一空間開展不同內(nèi)容的教學(xué)

MR教學(xué)清晰直觀，抽象內(nèi)容簡單直觀地呈現(xiàn)于眼前，有利于學(xué)生快速理解和掌握所學(xué)內(nèi)容。這種方式培養(yǎng)了學(xué)生主動(dòng)學(xué)習(xí)的意識(shí)，激發(fā)了學(xué)生的求知欲和學(xué)習(xí)動(dòng)力，學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性大大增強(qiáng)。當(dāng)然，師生們還可以借助網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程互動(dòng)，如疫情期間在家上網(wǎng)課時(shí)，師生也可以全息互動(dòng)。通過遠(yuǎn)程直播交互平臺(tái)，它以直播者第一視角，向不同地區(qū)、不同終端用戶，一同分享全息景象。這個(gè)功能可以讓教師和學(xué)生在任何不同的空間里看到同一個(gè)場(chǎng)景，學(xué)生可以隨時(shí)向教師提出問題，針對(duì)學(xué)生的問題，教師不再是只能用簡單的語言描述，可以打開全息視角一一剖解，達(dá)到事半功倍的效果。

4 MR全息教學(xué)與傳統(tǒng)信息化教學(xué)比較

（1）形式豐富。傳統(tǒng)的信息化教學(xué)多以“圖片+視頻+音頻”的形式進(jìn)行授課，形式單一枯燥，長時(shí)間學(xué)習(xí)學(xué)生容易疲乏，注意力不集中。在傳統(tǒng)影像基礎(chǔ)上加入全息3D內(nèi)容和場(chǎng)景，并通過眼鏡、手機(jī)、電腦等多終端學(xué)習(xí)，形式多樣，立體生動(dòng)，學(xué)生學(xué)習(xí)興趣高漲。

（2）互動(dòng)性強(qiáng)。對(duì)于工科類的實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目，諸如汽車結(jié)構(gòu)認(rèn)知、汽車拆裝、汽車維修、汽車鈑噴等，現(xiàn)場(chǎng)教學(xué)不可能做到一對(duì)一的演示與模擬練習(xí)，反復(fù)拆卸也極大地?fù)p傷了實(shí)訓(xùn)設(shè)備及工量具。進(jìn)入到全息投影后的學(xué)習(xí)空間，每位學(xué)生均可以直接與實(shí)訓(xùn)設(shè)備互動(dòng)，提高了學(xué)習(xí)的主動(dòng)性和實(shí)踐性，提高了教學(xué)效率。

（3）實(shí)時(shí)反饋。教師和學(xué)生同處于全息教學(xué)空間中，教師對(duì)學(xué)習(xí)效果實(shí)時(shí)掌握，學(xué)生可以得到實(shí)時(shí)指點(diǎn)和反饋。傳統(tǒng)的信息化教學(xué)反饋，只能通過現(xiàn)場(chǎng)問題或課后作業(yè)獲得反饋，缺少實(shí)時(shí)溝通，學(xué)習(xí)效率較低。

（4）課題延展。汽車技術(shù)日新月異，借助豐富的全息3D特效，完全可以愉悅學(xué)生們的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，將現(xiàn)在很多抽象的智能網(wǎng)聯(lián)技術(shù)和晦澀難懂的新技術(shù)原理，用拓展的教學(xué)資源讓學(xué)生進(jìn)行主動(dòng)式學(xué)習(xí)，同時(shí)教師們開發(fā)的教學(xué)資源還可以在云端保存，為專業(yè)建設(shè)創(chuàng)建個(gè)性化教學(xué)資源和創(chuàng)新數(shù)字化資源。