李向明+趙健+程熙熙+沈碧嫻
摘 要:移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)備的認(rèn)知和實(shí)訓(xùn)是通信專業(yè)中最為重要的學(xué)習(xí)課程。傳統(tǒng)的課程采用書(shū)本教學(xué)、口頭表達(dá)等形式教授學(xué)生知識(shí),形式單一且不形象,學(xué)生對(duì)通信系統(tǒng)設(shè)備很難理解和認(rèn)知。且移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)品多樣、更新迅速、價(jià)格昂貴,學(xué)生很難看到真實(shí)設(shè)備,更難做到親手操作體驗(yàn),對(duì)所學(xué)課本知識(shí)很難消化,不利于以后的實(shí)際工作和應(yīng)用。利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),學(xué)生可以與仿真信息發(fā)生交互作用,與虛擬環(huán)境的各個(gè)仿真模擬設(shè)備接觸,能夠增強(qiáng)職業(yè)性的體驗(yàn);加深學(xué)生對(duì)課堂教學(xué)和實(shí)踐內(nèi)容的理解;學(xué)生可以針對(duì)工作任務(wù)提出自己的解決辦法,通過(guò)角色扮演,拓展學(xué)生解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題的能力,對(duì)于改善學(xué)生的規(guī)范意識(shí)、安全意識(shí)具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值,推動(dòng)了移動(dòng)通信技術(shù)專業(yè)教育教學(xué)改革。
關(guān)鍵詞:虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù);沉浸式交互;移動(dòng)通信;創(chuàng)新改革
中圖分類號(hào):TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A
1 引言(Introduction)
移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)備的認(rèn)知和實(shí)訓(xùn)是通信專業(yè)中最為重要的學(xué)習(xí)課程。傳統(tǒng)的課程采用書(shū)本教學(xué)、口頭表達(dá)等形式教授學(xué)生知識(shí),形式單一且不形象,學(xué)生很難對(duì)通信系統(tǒng)設(shè)備有很好的理解和認(rèn)知。且移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)備產(chǎn)品多樣、更新迅速、價(jià)格昂貴,學(xué)生很難看到設(shè)備真實(shí)模型,更難做到親手操作體驗(yàn),學(xué)習(xí)的課本知識(shí)很難得到消化,不利于以后的實(shí)際工作和應(yīng)用[1]。
利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立起來(lái)的虛擬實(shí)訓(xùn)基地,其“設(shè)備”與“部件”多是虛擬的,可以根據(jù)隨時(shí)生成新的設(shè)備。教學(xué)內(nèi)容可以不斷更新,使實(shí)踐訓(xùn)練及時(shí)跟上技術(shù)的發(fā)展。虛擬現(xiàn)實(shí)的沉浸性和交互性技術(shù),將學(xué)生的聽(tīng)覺(jué)、視覺(jué)和其他感覺(jué)封閉起來(lái),提供完全沉浸的體驗(yàn),使學(xué)生能夠置身于虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境中扮演一個(gè)角色,全身心地投入到學(xué)習(xí)環(huán)境中去,這非常有利于學(xué)生的技能訓(xùn)練[2,3]。
2 沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)最能展現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)效果
(Immersive virtual reality technology to show the
most virtual reality)
2.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)概念
虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)是20世紀(jì)末發(fā)展起來(lái)的一門(mén)綜合性的信息技術(shù),它提供了一種基于可計(jì)算信息的、沉浸式交互環(huán)境,具體地說(shuō),就是采用了以計(jì)算機(jī)技術(shù)為核心的、現(xiàn)代多種高科技手段和設(shè)備協(xié)同生成的,具有逼真效果的視、聽(tīng)、觸覺(jué)一體化的并在特定范圍內(nèi)的一個(gè)模擬的虛擬環(huán)境。在該虛擬環(huán)境中,用戶借助必要的輔助設(shè)備就能夠以自然的方式與虛擬環(huán)境內(nèi)的其他各種對(duì)象進(jìn)行交互作用、相互影響,從而使用戶產(chǎn)生身臨其境于某個(gè)真實(shí)環(huán)境的感受和體驗(yàn)。
2.2 沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)特點(diǎn)
沉浸式虛擬現(xiàn)實(shí)提供參與者完全沉浸的體驗(yàn),使用戶有一種置身于虛擬環(huán)境中的感覺(jué),其明顯的特點(diǎn)是:利用頭盔顯示器把用戶的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)封閉起來(lái),產(chǎn)生虛擬視覺(jué),同時(shí),它利用數(shù)據(jù)手套把用戶的手感通道封閉起來(lái),產(chǎn)生虛擬觸動(dòng)感。系統(tǒng)采用語(yǔ)音識(shí)別器讓參與者對(duì)系統(tǒng)主機(jī)下達(dá)操作命令,與此同時(shí),頭、手、眼均有相應(yīng)的頭部跟蹤器、手部跟蹤器、眼睛視向跟蹤器的追蹤,使系統(tǒng)達(dá)到盡可能的實(shí)時(shí)性。臨境系統(tǒng)是真實(shí)環(huán)境替代的理想模型,它具有最新交互手段的虛擬環(huán)境。常見(jiàn)的沉浸式系統(tǒng)有基于頭盔式顯示器的系統(tǒng)、投影式虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)[4-6]。
2.3 沉浸式VR設(shè)備構(gòu)成分為輸出設(shè)備和輸入設(shè)備
(1)輸出設(shè)備
有虛擬現(xiàn)實(shí)頭戴設(shè)備、3D立體顯示器、洞穴式立體現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。頭戴設(shè)備分為三類:
①外接式頭戴顯示器:外接個(gè)人電腦,智能手機(jī)、游戲機(jī)等設(shè)備作為計(jì)算與存儲(chǔ)設(shè)備,具備獨(dú)立屏幕,其技術(shù)含量高,結(jié)構(gòu)復(fù)雜,代表產(chǎn)品有Oculus Rift、3Glasses。
②一體式頭戴顯示器:自帶屏幕、計(jì)算與存儲(chǔ)設(shè)備,無(wú)需外接設(shè)備,可以獨(dú)立運(yùn)行,此類產(chǎn)品較少,代表產(chǎn)品有Bossnel頭戴式影院。
③頭戴手機(jī)盒子:又稱眼睛盒子,將手機(jī)放入盒子,起到屏幕和計(jì)算與存儲(chǔ)設(shè)備的作用。產(chǎn)品簡(jiǎn)單,成本低廉,國(guó)內(nèi)大部分產(chǎn)品屬于此類,代表產(chǎn)品有Cardboard、暴風(fēng)魔鏡。
(2)輸入設(shè)備
游戲手柄、搖桿、3D數(shù)據(jù)手套、眼動(dòng)儀、動(dòng)作捕捉(數(shù)據(jù)衣)設(shè)備等。
2.4 虛擬環(huán)境的主要技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)是在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、圖像處理與模式識(shí)別、智能接口技術(shù)、人工智能技術(shù)、多傳感技術(shù)、語(yǔ)音處理與音響技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、并行處理技術(shù)和高性能計(jì)算機(jī)系統(tǒng)等信息技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái),虛擬現(xiàn)實(shí)的主要技術(shù)包括:
(1)動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)
虛擬環(huán)境的建立是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的核心內(nèi)容,應(yīng)用動(dòng)態(tài)環(huán)境建模技術(shù)能獲取實(shí)際環(huán)境的三維數(shù)據(jù),并根據(jù)需要,利用獲取的三維數(shù)據(jù)建立相應(yīng)的虛擬環(huán)境模型。
(2)實(shí)時(shí)三維圖形生成技術(shù)
目前,三維圖形的生成技術(shù)已較成熟,而關(guān)鍵是如何滿足實(shí)時(shí)性的要求,為了達(dá)到實(shí)時(shí)的目的,至少要保證圖形的刷新頻率不低于15幀/S,最好高于30幀/S,在不降低圖形質(zhì)量和復(fù)雜程度的前提下,提高刷新頻率。
這里,圖形生成的硬件體系結(jié)構(gòu),以及在虛擬現(xiàn)實(shí)的真實(shí)感圖形生成中用于加速的各種有效技術(shù)是關(guān)鍵。
(3)立體顯示和傳感器技術(shù)
虛擬現(xiàn)實(shí)依賴于立體顯示和傳感器技術(shù)的發(fā)展,立體顯示技術(shù)涉及人眼的生理原理及在計(jì)算機(jī)上如何產(chǎn)生深度線索的技術(shù),現(xiàn)有的硬件系統(tǒng)如頭盔顯示器、單目鏡及可移動(dòng)視覺(jué)顯示器有待進(jìn)一步研究,光學(xué)顯示還存在許多局限性;傳感器技術(shù)中需解決設(shè)備的可靠性、可重復(fù)性、精確性及安全性等問(wèn)題,各種類型傳感器的性能急需提高。
3 基于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)備的實(shí)訓(xùn)
軟件及功能(The training software and function
of mobile communication system equipment
based on Virtual Reality Technology)
本軟件旨在利用最先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),主要使用技術(shù)含金量高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜的外接式頭戴顯示器作為輸出設(shè)備,游戲手柄式的輸入設(shè)備,加上現(xiàn)代高科技手段,即計(jì)算機(jī)圖形技術(shù)、計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、人機(jī)接口技術(shù)、多媒體技術(shù)、傳感技術(shù)等技術(shù),采用自然的交互方式對(duì)虛擬的移動(dòng)通信設(shè)備進(jìn)行安裝、維護(hù)、維修、優(yōu)化等操作并得到實(shí)時(shí)立體的反饋,從中傳授移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)備知識(shí),通過(guò)軟件四大模塊全面教授學(xué)生關(guān)于移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)備的相關(guān)知識(shí),減少教師負(fù)擔(dān),提高上課效率,活躍課堂氛圍。本軟件使用一系列生動(dòng)有趣且符合實(shí)際的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn),鍛煉學(xué)生的實(shí)際操作能力。區(qū)別于傳統(tǒng)的實(shí)訓(xùn)課,本軟件只需在電腦前操作即可,免除了操作安全風(fēng)險(xiǎn)和高昂的移動(dòng)通信設(shè)備損耗。使用最新的VR技術(shù),可以讓學(xué)生身臨其境,體驗(yàn)不同場(chǎng)景的移動(dòng)通信設(shè)備環(huán)境,在教室內(nèi)即可親手完成實(shí)踐操作。
本軟件共分為六大功能模塊,分別為登錄控制、基礎(chǔ)知識(shí)、設(shè)備認(rèn)知、項(xiàng)目實(shí)踐、知識(shí)測(cè)試、系統(tǒng)設(shè)置。其中登錄控制和系統(tǒng)設(shè)置為系統(tǒng)控制模塊,基礎(chǔ)知識(shí)、設(shè)備認(rèn)知、項(xiàng)目實(shí)踐和知識(shí)測(cè)試為學(xué)習(xí)測(cè)試模塊。圖1 為該平臺(tái)界面。
(1) 登錄控制
軟件支持用戶登錄和游客登錄兩種登錄方式。使用用戶登錄需要輸入賬號(hào)、密碼,方便教師控制學(xué)生用戶并了解學(xué)生學(xué)習(xí)情況。登錄數(shù)據(jù)庫(kù)位于服務(wù)器端,在登錄軟件的同時(shí)即登錄了測(cè)試反饋系統(tǒng),隨時(shí)記錄學(xué)生學(xué)習(xí)行為,了解學(xué)生興趣點(diǎn)和學(xué)習(xí)進(jìn)度,方便教師針對(duì)不同學(xué)生制定學(xué)習(xí)計(jì)劃安排。使用游客登錄僅可體驗(yàn)軟件部分內(nèi)容和功能。
(2)基礎(chǔ)知識(shí)
知識(shí)呈現(xiàn):基礎(chǔ)知識(shí)模塊分為核心網(wǎng)及基站產(chǎn)品介紹、工程環(huán)境及配套設(shè)施、LTE網(wǎng)絡(luò)原理及系統(tǒng)調(diào)測(cè)、基站系統(tǒng)安裝,共四大知識(shí)點(diǎn)。將四大模塊所有知識(shí)分別設(shè)計(jì)采用知識(shí)樹(shù)的形式呈現(xiàn),其中每個(gè)知識(shí)點(diǎn)以知識(shí)樹(shù)的形式分為多個(gè)小知識(shí)點(diǎn),點(diǎn)擊任意知識(shí)點(diǎn)名稱即可查看該知識(shí)點(diǎn)內(nèi)容,側(cè)重重點(diǎn)內(nèi)容并配備圖片說(shuō)明介紹,方便學(xué)生系統(tǒng)學(xué)習(xí)相關(guān)知識(shí)。
快速測(cè)試:每個(gè)知識(shí)點(diǎn)配備相應(yīng)測(cè)試題目,學(xué)習(xí)該知識(shí)點(diǎn)后點(diǎn)擊測(cè)試按鈕即可進(jìn)行快速測(cè)試,方便教師和學(xué)生了解該知識(shí)點(diǎn)的掌握情況。
(3)設(shè)備認(rèn)知
場(chǎng)景漫游:通過(guò)虛擬顯示技術(shù)還原現(xiàn)實(shí)設(shè)備場(chǎng)景,采用第一視角漫游場(chǎng)景,了解設(shè)備擺放和場(chǎng)景建設(shè)。
設(shè)備簡(jiǎn)介:在場(chǎng)景漫游中使用設(shè)備簡(jiǎn)介功能了解場(chǎng)景中設(shè)備組成和用途。
三維展示:使用三維模型立體展示設(shè)備造型,讓學(xué)生認(rèn)識(shí)設(shè)備、了解設(shè)備構(gòu)成。
信號(hào)控制:通過(guò)開(kāi)啟和關(guān)閉信號(hào),了解室內(nèi)信號(hào)來(lái)源和分布情況。
(4)項(xiàng)目實(shí)踐
設(shè)備布局:通過(guò)在三維場(chǎng)景中添加移動(dòng)設(shè)備進(jìn)行設(shè)備安裝,提高學(xué)生設(shè)備布局能力,如圖2所示。
試題管理:試題管理包括知識(shí)點(diǎn)管理、試卷創(chuàng)建和試卷瀏覽功能。
題型管理:題型管理包括選擇題、判斷題、填空題和解答題管理。
學(xué)生信息管理:對(duì)學(xué)生信息進(jìn)行添加、刪除、修改等操作。
考試結(jié)果分析:對(duì)試卷結(jié)果進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì),包括學(xué)生編號(hào)、姓名和各項(xiàng)考試題型成績(jī),幫助教師快速了解學(xué)生成績(jī)和學(xué)習(xí)情況。
修改密碼:快速修改用戶名和密碼。
4 虛擬現(xiàn)實(shí)平臺(tái)軟件創(chuàng)新價(jià)值(Virtual reality
platform software innovation value)
(1)系統(tǒng)全面的知識(shí)點(diǎn)學(xué)習(xí)與評(píng)測(cè)
本平臺(tái)知識(shí)點(diǎn)模塊內(nèi)容計(jì)劃結(jié)合一線教師和通信專家意見(jiàn),全面介紹移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)備課程所需要學(xué)習(xí)的知識(shí),內(nèi)容分類清晰分明、有條不紊。在四大知識(shí)點(diǎn)子模塊中通過(guò)知識(shí)樹(shù)的形式展現(xiàn)所有知識(shí)點(diǎn),每個(gè)樹(shù)干包含多個(gè)枝干知識(shí)點(diǎn),所有知識(shí)點(diǎn)有序關(guān)聯(lián),風(fēng)格統(tǒng)一。每個(gè)知識(shí)點(diǎn)配備測(cè)試題目,學(xué)生和老師可以在學(xué)習(xí)知識(shí)點(diǎn)后立即檢驗(yàn)學(xué)習(xí)情況,通過(guò)測(cè)試進(jìn)度隨時(shí)了解學(xué)習(xí)進(jìn)展并安排學(xué)習(xí)計(jì)劃。
(2)身臨其境的設(shè)備認(rèn)知和觀察
本平臺(tái)采用最先進(jìn)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)真實(shí)移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)備的三維展示和場(chǎng)景漫游,使學(xué)生在電腦面前即可到達(dá)基站機(jī)房等場(chǎng)景內(nèi)進(jìn)行全方位720度自由觀察和交互。軟件建模和場(chǎng)景設(shè)計(jì)真實(shí)還原現(xiàn)實(shí)的設(shè)備和場(chǎng)景,建模精細(xì)、場(chǎng)景真實(shí),使用最新的VR技術(shù),仿佛身臨其境。學(xué)生采用第一視角觀察并通過(guò)鼠標(biāo)鍵盤(pán)進(jìn)行交互漫游,場(chǎng)景涵蓋核心網(wǎng)機(jī)房、傳輸機(jī)房、室分機(jī)房、鐵塔站、樓頂站、地鐵覆蓋,這是傳統(tǒng)的教學(xué)實(shí)踐中所無(wú)法實(shí)現(xiàn)的。學(xué)生可以與場(chǎng)景中的設(shè)備進(jìn)行交互,通過(guò)三維觀察、虛擬裝配、功能演示等形式全面了解設(shè)備概念和用途,掌握設(shè)備知識(shí)。
(3)真實(shí)全面的項(xiàng)目實(shí)踐和操作
本平臺(tái)立足實(shí)際項(xiàng)目任務(wù),通過(guò)軟件交互讓學(xué)生進(jìn)行直觀、有效的虛擬訓(xùn)練,節(jié)省了實(shí)訓(xùn)室建設(shè)成本和操作安全風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)下發(fā)任務(wù)書(shū)的形式讓學(xué)生獨(dú)立自主的逐步完成項(xiàng)目,經(jīng)歷項(xiàng)目每一步過(guò)程,全面提升項(xiàng)目實(shí)戰(zhàn)能力。基站安裝模塊通過(guò)動(dòng)畫(huà)視頻、圖片文檔等形式教授學(xué)生設(shè)備安裝規(guī)范,并讓學(xué)生使用三維交互親手體驗(yàn)安裝,使學(xué)生的操作規(guī)范得到極大提高。系統(tǒng)調(diào)測(cè)模塊采用真實(shí)場(chǎng)景漫游形式,由學(xué)生自主查詢?cè)O(shè)備狀態(tài),設(shè)置參數(shù)、排除故障,真實(shí)模擬現(xiàn)實(shí)項(xiàng)目,讓老師和學(xué)生寓教于樂(lè)寓學(xué)于樂(lè)。
(4)豐富立體的知識(shí)測(cè)試和反饋
本平臺(tái)采用獨(dú)立數(shù)據(jù)庫(kù)建立大型知識(shí)測(cè)試和反饋系統(tǒng),包括前臺(tái)學(xué)生端和后臺(tái)教師管理端。系統(tǒng)采用不同知識(shí)點(diǎn)模塊分類管理試題,針對(duì)不同知識(shí)點(diǎn)智能創(chuàng)建試卷,隨時(shí)檢測(cè)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況,了解學(xué)習(xí)進(jìn)度。學(xué)生使用學(xué)號(hào)登錄系統(tǒng)進(jìn)行知識(shí)測(cè)試,系統(tǒng)自動(dòng)記錄其測(cè)試結(jié)果并進(jìn)行后臺(tái)分析反饋,讓教師了解每位學(xué)生知識(shí)掌握情況。教師通過(guò)系統(tǒng)管理端可以自主添加包括選擇、判斷、填空、解答等多種類型試題,試題添加方便快捷且支持文檔編輯和圖表插入。系統(tǒng)同時(shí)擁有試題規(guī)則修改和智能閱卷功能,支持創(chuàng)建多種分值規(guī)則試卷和快速批改學(xué)生試卷,大大提高測(cè)試效率、減輕教師負(fù)擔(dān)。
5 結(jié)論(Conclusion)
(1)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)推動(dòng)移動(dòng)通信技術(shù)專業(yè)教育教學(xué)改革應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)改造傳統(tǒng)教學(xué)模式,提升優(yōu)質(zhì)數(shù)字教學(xué)資源質(zhì)量。一方面平臺(tái)模擬崗位的工作任務(wù)全過(guò)程,提供在線自主學(xué)習(xí)平臺(tái),讓學(xué)生充分進(jìn)行資源的享用和互動(dòng),平臺(tái)不僅僅可以為學(xué)生提供崗位上各項(xiàng)工作任務(wù)的訓(xùn)練、翻轉(zhuǎn)課堂學(xué)習(xí)功能,同時(shí)具備在線測(cè)驗(yàn)、考試,形成了一個(gè)優(yōu)質(zhì)的題庫(kù)資源,真正實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)過(guò)程隨時(shí)隨地、教師學(xué)生互動(dòng)零距離。另一方面,積極通過(guò)校企戰(zhàn)略合作,充分對(duì)接和利用企業(yè)領(lǐng)先的數(shù)字技術(shù)資源,引進(jìn)和接入行業(yè)主導(dǎo)大型中央企業(yè)的先進(jìn)技術(shù)、培訓(xùn)資源。
(2)應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),創(chuàng)建真實(shí)的工作場(chǎng)景
應(yīng)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù),還原大唐電信科技產(chǎn)業(yè)集團(tuán)所需工程師工作場(chǎng)景與任務(wù),學(xué)生可以與仿真信息發(fā)生交互作用,與虛擬環(huán)境的各個(gè)部分(仿真模擬設(shè)備)接觸,能夠增強(qiáng)職業(yè)性的體驗(yàn)。運(yùn)用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)加深學(xué)生對(duì)課堂教學(xué)和實(shí)踐內(nèi)容的理解;學(xué)生可以針對(duì)工作任務(wù)提出自己的解決辦法,通過(guò)角色扮演,拓展學(xué)生解決現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際問(wèn)題的能力,對(duì)于改善學(xué)生的規(guī)范意識(shí)、安全意識(shí)具有重要的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
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作者簡(jiǎn)介:
李向明(1979-),男,碩士,講師.研究領(lǐng)域:計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò).
趙 ?。?987-),男,本科,工程師.研究領(lǐng)域:通信工程.
程熙熙(1981-),男,碩士生,工程師.研究領(lǐng)域:通信工程.
沈碧嫻(1946-),女,本科,副教授,高級(jí)工程師.研究領(lǐng)域:
計(jì)算機(jī)應(yīng)用.