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(shí)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(duì)于理論教學(xué)來(lái)說(shuō)，線上教育效果尚可，但對(duì)于重觀察、重結(jié)構(gòu)、重互動(dòng)的工科類的實(shí)驗(yàn)教學(xué)而言，目前傳統(tǒng)的線上教育方式還無(wú)法完全適用，例如，鏡頭需要同時(shí)展示老師和學(xué)生們的課堂狀態(tài)或者實(shí)驗(yàn)中的不同觀察點(diǎn)，因此，無(wú)死角地記錄課堂內(nèi)容成為目前線上教育的新的需求點(diǎn)。顯然，傳統(tǒng)的“窗口式”視頻展示還無(wú)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(huì)存在明顯沉浸感和互動(dòng)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(gè)重要發(fā)展方向。

傳統(tǒng)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)特別是工科實(shí)驗(yàn)或演示教學(xué)領(lǐng)域，例如，受限于場(chǎng)地、風(fēng)險(xiǎn)、經(jīng)濟(jì)等因素的爆炸、燃燒等工科實(shí)驗(yàn)，如圖1所示展現(xiàn)出的教育場(chǎng)景具有危險(xiǎn)系數(shù)高（圖1（a））、人力成本昂貴（圖 1（b））、實(shí)驗(yàn)成本高（圖 1(c））和空間條件限制（圖1（d））等顧慮，這些場(chǎng)景都呈現(xiàn)出復(fù)現(xiàn)成本高的問(wèn)題。目前如何降低這些試驗(yàn)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(chǎng)景

1 虛擬現(xiàn)實(shí)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(shí)（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(shí)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(lái)極大的變革。

VR是一個(gè)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(diǎn)。主要分為四種類型：傳統(tǒng)桌面型虛擬現(xiàn)實(shí)、沉浸型虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)現(xiàn)、AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)型虛擬現(xiàn)實(shí)）和分布式虛擬現(xiàn)實(shí)[2]。傳統(tǒng)桌面型虛擬現(xiàn)實(shí)和沉浸型虛擬現(xiàn)實(shí)采用的是虛構(gòu)的模型創(chuàng)建的場(chǎng)景，適用于在線虛擬化的場(chǎng)景參觀，如工廠參觀、景點(diǎn)遨游等場(chǎng)景[3-4]。該方法建模需要復(fù)現(xiàn)整個(gè)3D場(chǎng)地模型，建模成本高。AR和分布式虛擬現(xiàn)實(shí)需要專門的交互設(shè)備如手柄、手套或者鼠標(biāo)來(lái)實(shí)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(wèn)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(shí)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(méi)有大規(guī)模推廣。下面將市場(chǎng)上存在的應(yīng)用在教學(xué)方面的虛擬現(xiàn)實(shí)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(dòng) AR 類（圖 2(d)）。

圖2 b全景視頻播放

綜合來(lái)說(shuō)，VR在教學(xué)方面還是存在以下問(wèn)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(diǎn)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(shí)的法應(yīng)用在工科實(shí)驗(yàn)課堂中，并不能完全復(fù)現(xiàn)實(shí)際的人物教學(xué)和實(shí)驗(yàn)過(guò)程，模型的仿真效果和實(shí)物還是存在差距。

2 360AR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)平臺(tái)概述

針對(duì)上述問(wèn)題，我們搭建了一套360AR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)平臺(tái)，該平臺(tái)主要可以劃分為2部分：（1）360AR虛擬現(xiàn)實(shí)在線教學(xué)網(wǎng)頁(yè)平臺(tái)；（2）基于5G的遠(yuǎn)程全景圖像采集小車。在線教學(xué)平臺(tái)提供全景的展示和互動(dòng)教學(xué)平臺(tái)，采集小車為平臺(tái)提供實(shí)習(xí)、實(shí)驗(yàn)、參觀等全景素材。

360AR虛擬現(xiàn)實(shí)在線教學(xué)平臺(tái)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(shí)驗(yàn)演示共享平臺(tái)。和其他視頻播放平臺(tái)（優(yōu)酷、B站等）類似，在基本功能上，該平臺(tái)具有用戶注冊(cè)、評(píng)論、點(diǎn)贊、收藏和上傳功能；但平臺(tái)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(shí)拍視頻；三維3D模型；地標(biāo)指示按鈕，能實(shí)現(xiàn)如下功能：

（1）全景視頻播放功能：與utoVR類似，網(wǎng)頁(yè)端能夠播放360°實(shí)景教學(xué)視頻，用戶能夠通過(guò)鼠標(biāo)旋轉(zhuǎn)播放畫(huà)面，播放內(nèi)容主要但不限于實(shí)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(shí)間段內(nèi)疊加三維模型，增強(qiáng)用戶視覺(jué)體驗(yàn)；

（3）模型交互：用戶可以與3D模型進(jìn)行互動(dòng)，比如雙擊模型，模型會(huì)按照預(yù)先設(shè)定的動(dòng)畫(huà)播放動(dòng)畫(huà)效果，如爆炸展開(kāi)視圖、裝配動(dòng)畫(huà)等；

（4）觀察點(diǎn)切換：視頻中的場(chǎng)景可以存在多個(gè)觀察點(diǎn)的地標(biāo)，通過(guò)在地標(biāo)上點(diǎn)擊鼠標(biāo)左鍵實(shí)現(xiàn)切換對(duì)應(yīng)觀察點(diǎn)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(tái)區(qū)別其他視頻平臺(tái)的特色。

3 實(shí)踐案例與分析

新的教學(xué)平臺(tái)必須配套相應(yīng)的教學(xué)策略才能發(fā)揮出它的優(yōu)勢(shì)，因此，我們采用了一種“混合式教學(xué)模式”，該模式樹(shù)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(diǎn)與設(shè)備場(chǎng)景的“自主探究學(xué)習(xí)—虛實(shí)結(jié)合操作—實(shí)踐提升”的“虛實(shí)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(shí)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(tái)為“虛”，以重點(diǎn)建設(shè)專業(yè)—大米產(chǎn)線加工線實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)為“實(shí)”，揚(yáng)長(zhǎng)避短，實(shí)現(xiàn)理論知識(shí)預(yù)習(xí)、虛實(shí)結(jié)合，讓學(xué)生足不出戶就能實(shí)現(xiàn)大米產(chǎn)線的參觀和對(duì)知識(shí)的掌握，從而切實(shí)解決大米加工學(xué)習(xí)理論性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)抽象、實(shí)操難的問(wèn)題，有效提高人才培養(yǎng)質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)深入研究 AR虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工科實(shí)驗(yàn)在線教學(xué)上的實(shí)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(shí)技術(shù)平臺(tái)，該平臺(tái)能夠在空間多方位觀察，主動(dòng)觀察，邏輯思考，激發(fā)探索性學(xué)習(xí)。對(duì)于實(shí)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(duì)低，適合快速、大批量地建立教學(xué)案例，具有較大的推廣價(jià)值。