梁梓倫 蔡曉君 周梅 竇艷濤 楊二帥

[摘 要]虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）是近幾年興起的技術(shù)，對(duì)我們的工作、生活、學(xué)習(xí)產(chǎn)生了重要影響。將VR與AR技術(shù)運(yùn)用在全日制本科機(jī)械工程專業(yè)機(jī)械設(shè)計(jì)與制造課程上具有一定的可行性。課程與VR、AR技術(shù)結(jié)合能協(xié)助學(xué)習(xí)者更好地應(yīng)對(duì)未來(lái)教育所面臨的學(xué)習(xí)環(huán)境、學(xué)習(xí)方式等挑戰(zhàn)，更好地激發(fā)學(xué)生的批判性思維，提升其協(xié)同學(xué)習(xí)能力，并解決現(xiàn)在各高校普遍存在的實(shí)驗(yàn)室短缺、實(shí)驗(yàn)設(shè)備購(gòu)買資金不足的問題。

[關(guān)鍵詞]VR；AR；機(jī)械工程；教育應(yīng)用

[中圖分類號(hào)] G642 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 2095-3437（2018）02-0074-03

隨著近幾年電子信息技術(shù)的發(fā)展，人們不再滿足于屏幕里的二維世界，虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)逐漸發(fā)展。國(guó)家廣告研究院等多家機(jī)構(gòu)聯(lián)合發(fā)布的《2016年上半年中國(guó)VR用戶行為研究報(bào)告》顯示，2016年上半年國(guó)內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)潛在用戶達(dá)4.5億，淺度用戶約為2700萬(wàn)，重度用戶約為237萬(wàn)，預(yù)計(jì)國(guó)內(nèi)虛擬現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)將迎來(lái)爆發(fā)式增長(zhǎng)。隨著這兩種技術(shù)在游戲等領(lǐng)域的發(fā)展與應(yīng)用，人們開始熟悉它們，并發(fā)現(xiàn)其在教育領(lǐng)域重要的潛在價(jià)值。

一、AR與VR的區(qū)別

（一）AR與VR的定義

AR 是讓不存在的物象和現(xiàn)實(shí)世界的圖像融合在一起，交互后的影像投射或投影到其他裝置和介質(zhì)上。其展現(xiàn)了真實(shí)世界的同時(shí)將虛擬的信息表達(dá)出來(lái)，虛與實(shí)相互補(bǔ)充、無(wú)縫疊加，提供了不同于日常感知、超越現(xiàn)實(shí)觀感的體驗(yàn)。[1]

VR也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境，是在計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及傳感器技術(shù)模擬的基礎(chǔ)上生成的可交互的虛擬世界。VR實(shí)現(xiàn)的是一種嶄新的人機(jī)交互狀態(tài)，人通過(guò)對(duì)虛擬世界中的物體進(jìn)行考察和操作，參與其中的事件，并同時(shí)獲得視、聽、觸覺等直觀而又真實(shí)的感知。[2][3]

（二）技術(shù)差別

雖然在縮寫上僅有一字之差，但是這兩種技術(shù)卻是大相徑庭。Pokemon Go是由Nintendo、The Pokemon Company和谷歌Niantic Labs公司聯(lián)合制作開發(fā)的現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)（AR）寵物養(yǎng)成對(duì)戰(zhàn)類RPG手游。其以手機(jī)為平臺(tái)，結(jié)合攝像頭將現(xiàn)實(shí)中沒有的東西通過(guò)算法與現(xiàn)實(shí)結(jié)合，即“現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)”。其重點(diǎn)在于把一件現(xiàn)實(shí)中不存在的因素通過(guò)算法與現(xiàn)實(shí)結(jié)合并反映于顯示器上。而VR技術(shù)則是運(yùn)用算法構(gòu)建一個(gè)新的虛擬的環(huán)境。VR設(shè)備通常都配有處理器、頭盔顯示器，另外還設(shè)有姿態(tài)跟蹤設(shè)備（數(shù)據(jù)手套、數(shù)據(jù)衣和方位跟蹤器）、聽覺系統(tǒng)（語(yǔ)音定位、識(shí)別和合成）以及觸覺、味覺和嗅覺反饋系統(tǒng)等功能單元。[4][5]通過(guò)代碼構(gòu)建一個(gè)虛擬環(huán)境，通過(guò)反饋將使用者把自身化為這個(gè)虛擬空間中一個(gè)元素并置于其中。

總體來(lái)說(shuō)，AR是以現(xiàn)實(shí)存在的環(huán)境為藍(lán)本，通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行運(yùn)算，構(gòu)建出一個(gè)虛擬的單元，并將其與現(xiàn)實(shí)環(huán)境重新結(jié)合；VR是通過(guò)算法，構(gòu)建一個(gè)虛擬環(huán)境，將使用者引入這個(gè)環(huán)境，通過(guò)各個(gè)功能單元實(shí)現(xiàn)使用者與計(jì)算機(jī)所構(gòu)建環(huán)境中的虛擬元素進(jìn)行互動(dòng)。相較于AR，VR的擴(kuò)展性和自由度更高，但是其編程難度也遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于AR。[6]

（三）相關(guān)設(shè)備

現(xiàn)在主流的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備大體可分為基于智能手機(jī)及基于主機(jī)兩種。第一種利用了智能手機(jī)的相關(guān)硬件及處理器，制造成本被大大降低。但是由于智能手機(jī)不只是為了虛擬現(xiàn)實(shí)功能而設(shè)計(jì)的，在使用過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生智能手機(jī)運(yùn)行超頻、劇烈發(fā)熱現(xiàn)象，甚至?xí)a(chǎn)生安全隱患。而且由于不同廠家的智能手機(jī)硬件系統(tǒng)與軟件系統(tǒng)的差異較大，在教學(xué)中也會(huì)有較強(qiáng)的不確定性。所以說(shuō)，第一種硬件系統(tǒng)幾乎不可能被用來(lái)進(jìn)行教學(xué)。而第二種設(shè)備由于硬件與軟件幾乎都是為了虛擬現(xiàn)實(shí)相關(guān)功能而設(shè)計(jì)的，在運(yùn)行時(shí)不會(huì)有過(guò)多的問題產(chǎn)生。但是其價(jià)格相較于第一種類型（基于智能手機(jī)）的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備高出幾十甚至上百倍。目前此類產(chǎn)品主要是為了游戲等領(lǐng)域而開發(fā)出來(lái)的，性能上遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于教學(xué)用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的需求。過(guò)剩的性能帶來(lái)的最直觀的負(fù)面影響便是高昂的價(jià)格。對(duì)于教學(xué)經(jīng)費(fèi)并不富裕的相關(guān)院校及學(xué)院來(lái)說(shuō)，這樣昂貴的費(fèi)用是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入教學(xué)的最大阻礙。

在硬件方面目前亟待適用于教學(xué)的基于主機(jī)的虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備的出現(xiàn)。

（四）相關(guān)軟件開發(fā)及應(yīng)用

有了較為適合的硬件設(shè)備及相應(yīng)供應(yīng)商的合作，教學(xué)軟件的開發(fā)與設(shè)計(jì)也是一個(gè)重要的環(huán)節(jié)。VR與AR之所以與我們?nèi)粘５慕逃顒?dòng)脫節(jié)不是因?yàn)樵O(shè)備昂貴，而是因?yàn)槠淇捎糜诮虒W(xué)使用的內(nèi)容太少而造成投入產(chǎn)出比過(guò)低。如果有較為豐富且優(yōu)質(zhì)的內(nèi)容，即使VR設(shè)備價(jià)格偏高，但是其特有的性質(zhì)也足以被相當(dāng)一部分學(xué)校所接受。舉個(gè)例子，在三年前，我國(guó)很多地區(qū)數(shù)字化教學(xué)被引入了小學(xué)、初中以及高中的教育并進(jìn)行了推廣。價(jià)格較為昂貴的平板電腦可以如此順利而迅速地在教學(xué)領(lǐng)域推廣不僅僅是因?yàn)槠湓谡n程上體現(xiàn)的互動(dòng)性，更是因?yàn)槠渚哂袕?qiáng)大的軟件體系支持。在軟件足夠發(fā)達(dá)的情況下，投入產(chǎn)出比達(dá)到足夠的高度，載體的價(jià)格劣勢(shì)就會(huì)慢慢地被淡化。反觀現(xiàn)在的虛擬現(xiàn)實(shí)市場(chǎng)，大多數(shù)有專業(yè)開發(fā)能力的廠家、工作室都將精力投入到游戲的開發(fā)工作中，而教育方面的開發(fā)者面臨的是跨學(xué)科、跨專業(yè)的開發(fā)窘境。這便是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軟件方面的致命傷。要推廣虛擬現(xiàn)實(shí)不僅僅要進(jìn)行硬件的優(yōu)化，更重要的是軟件的開發(fā)。

虛擬現(xiàn)實(shí)在機(jī)械工程等工科領(lǐng)域教學(xué)的優(yōu)勢(shì)是十分明顯的。在機(jī)械工程專業(yè)中，最好的學(xué)習(xí)方法就是親自動(dòng)手對(duì)機(jī)械裝置進(jìn)行拆裝。為了能更直觀地了解應(yīng)用在課堂上學(xué)習(xí)的相關(guān)知識(shí)，有一些院校甚至?xí)M織學(xué)生去相關(guān)工廠進(jìn)行實(shí)習(xí)。然而，由于設(shè)備數(shù)量的限制，大多數(shù)學(xué)生不能親自動(dòng)手實(shí)踐。將虛擬現(xiàn)實(shí)引入教學(xué)中，可以很好地解決這一問題。如果將虛擬現(xiàn)實(shí)引入教學(xué)，要通過(guò)從軟件構(gòu)建的“虛擬樣機(jī)”數(shù)據(jù)庫(kù)中調(diào)取相應(yīng)的機(jī)型供學(xué)生實(shí)踐。虛擬現(xiàn)實(shí)的引入既可以增強(qiáng)課程所傳授的知識(shí)的直觀性，在一定程度上也進(jìn)一步保證了學(xué)生的安全。最重要的一點(diǎn)是，在有限的教學(xué)資金的限制下其能給予學(xué)校近乎無(wú)限的教學(xué)空間。

虛擬現(xiàn)實(shí)在軟件開發(fā)上其實(shí)也存在著很大的不足。現(xiàn)在的虛擬現(xiàn)實(shí)開發(fā)主流軟件是Unity這樣的專業(yè)性較強(qiáng)的軟件?；诖祟愜浖话愕闹v師很難開發(fā)與自己所講授課程內(nèi)容（各種機(jī)械裝置）相關(guān)的教學(xué)軟體。開發(fā)難點(diǎn)并不在于元素的建造與搭接，而在于后期軟件環(huán)境構(gòu)架的建立。如果能夠建立一個(gè)通用后期軟件環(huán)境構(gòu)架，再建立一個(gè)與框架相配合的通用零件庫(kù)，講師可以通過(guò)此軟件調(diào)取零件庫(kù)零件，自己構(gòu)建機(jī)構(gòu)模型并生成相應(yīng)的教學(xué)模型用于教學(xué)。這樣將虛擬現(xiàn)實(shí)引入實(shí)際教學(xué)便又邁進(jìn)了一大步。

二、AR、VR引入教育的可行性分析

現(xiàn)在大部分VR公司已經(jīng)在進(jìn)行著手設(shè)計(jì)基于VR平臺(tái)的游戲開發(fā)。目前在教學(xué)方面，有些公司已經(jīng)成功地把一些實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)字化，但是卻很少有公司能完成實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的VR化（即通過(guò)VR設(shè)備，通過(guò)體感設(shè)備實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的虛擬現(xiàn)實(shí)化；并進(jìn)行人機(jī)互動(dòng)，使其可以將實(shí)驗(yàn)原理通過(guò)VR進(jìn)行延時(shí)講解）。與此同時(shí)，比VR更簡(jiǎn)便，成本更低的AR（現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)技術(shù)）也在發(fā)展。不過(guò)AR技術(shù)也并未在教育方面有相關(guān)的應(yīng)用。我們這次的課題主要是研究VR是否可以被應(yīng)用到教學(xué)領(lǐng)域里，并進(jìn)行簡(jiǎn)單的嘗試。我們將盡最大努力，生成一個(gè)可以運(yùn)行的虛擬實(shí)驗(yàn)程序，并嘗試結(jié)合AR進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)教材的編寫嘗試。此課題的技術(shù)要求較高，需要運(yùn)用到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)、軟件編程等相關(guān)知識(shí)。雖然難度較大，但是可行性極高，而且其創(chuàng)造出的價(jià)值也是很可觀的。[7][8]

三、AR與VR在教學(xué)領(lǐng)域的特點(diǎn)分析

（一）AR技術(shù)特點(diǎn)

AR系統(tǒng)與VR有本質(zhì)上的不同，其突出特點(diǎn)是在三維尺度空間中通過(guò)運(yùn)算增添虛擬物體，進(jìn)行實(shí)時(shí)的真實(shí)世界和虛擬的信息集成，具有實(shí)時(shí)交互性。在教育上AR技術(shù)可以激發(fā)學(xué)習(xí)者的興趣，使本來(lái)很抽象的圖像更立體。在這一方面美國(guó)迪士尼已經(jīng)將AR運(yùn)用到了幼兒的啟蒙教育書籍上。在機(jī)械工程專業(yè)尤其是機(jī)械設(shè)計(jì)這一學(xué)科的教學(xué)中，經(jīng)常需要學(xué)生對(duì)一些機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析等工作，AR可以通過(guò)其特有的方式將原本很抽象的圖像顯現(xiàn)出來(lái)。從而使學(xué)生更清楚地了解相關(guān)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的運(yùn)動(dòng)方式、受力情況等，使學(xué)習(xí)變得更明確、輕松。

總的來(lái)說(shuō)，AR技術(shù)如果想要引入教學(xué)之中，硬件方面只需要出版物與已經(jīng)被普及的智能手機(jī)。由于受到的限制相對(duì)較少，AR可以涉足的教育領(lǐng)域不僅僅只有機(jī)械專業(yè)，還可以涉足更廣闊的領(lǐng)域，如化工專業(yè)、醫(yī)學(xué)專業(yè)等。

（二）VR技術(shù)的特點(diǎn)

VR技術(shù)具有多感知性、存在感、交互性、自主性等特點(diǎn)。VR技術(shù)重在構(gòu)建一個(gè)虛擬的環(huán)境，通過(guò)人機(jī)互動(dòng)的形式發(fā)揮人的主觀能動(dòng)性。目前在教學(xué)領(lǐng)域建設(shè)實(shí)驗(yàn)室的投入資金十分龐大，每年的維修、保養(yǎng)費(fèi)用和更新設(shè)備的費(fèi)用也很高。并且很多高校沒有足夠的空間與資金處理這些相對(duì)較為昂貴的、占地較大的設(shè)備，所以這些設(shè)備很難讓在校的學(xué)生接觸到，使學(xué)生失去了自己動(dòng)手實(shí)踐的機(jī)會(huì)。

在VR出現(xiàn)之前已經(jīng)有人開始把一些實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了數(shù)據(jù)化、電子化，多數(shù)都是以算法進(jìn)行模擬的軟件。學(xué)習(xí)者在利用這種軟件進(jìn)行試驗(yàn)的過(guò)程中，不僅喪失了很多動(dòng)手的空間，而且從某種程度上還失去了獨(dú)立思考和創(chuàng)新的能力。傳統(tǒng)的數(shù)字化教學(xué)在實(shí)際應(yīng)用中已經(jīng)展示出了較多的弊端。因此通過(guò)VR技術(shù)可以將試驗(yàn)臺(tái)分解成幾個(gè)有機(jī)的整體，讓學(xué)習(xí)者進(jìn)行試驗(yàn)探究，盡可能真實(shí)地感受實(shí)驗(yàn)的過(guò)程，并了解相關(guān)的知識(shí)。

綜上，VR技術(shù)可以在有限的空間內(nèi)給予學(xué)習(xí)者近乎無(wú)限的可能。其不僅能滿足機(jī)械工程方面的需求，其他學(xué)科也可一一滿足。

四、AR與VR在教學(xué)中的展望

隨著當(dāng)今信息技術(shù)的飛速發(fā)展，學(xué)習(xí)已經(jīng)不再像過(guò)去一樣需要一個(gè)固定的、具體的地點(diǎn)。數(shù)字化的實(shí)驗(yàn)設(shè)備已經(jīng)被廣泛運(yùn)用到我們?nèi)粘５慕虒W(xué)中。然而正如筆者在前文所提到的那樣，我們目前所使用的數(shù)字化教學(xué)軟件多數(shù)已經(jīng)把具體的某些設(shè)備變得高度符號(hào)化，以至于學(xué)生在真正面對(duì)具體機(jī)構(gòu)的時(shí)候多少會(huì)有一種陌生感。其實(shí)，在日常教學(xué)中（尤其是實(shí)驗(yàn)），我們無(wú)非就是在現(xiàn)有的物理學(xué)定律下進(jìn)行某些操作，從而達(dá)成某些目標(biāo)。這很容易使人聯(lián)想到另一種東西——游戲。如果我們以沙盒類游戲?yàn)樗{(lán)本，將在實(shí)驗(yàn)中所用的構(gòu)件生成可以人機(jī)交互的單元，并給定一個(gè)符合學(xué)生所接觸的知識(shí)層面的標(biāo)準(zhǔn)且滿足實(shí)驗(yàn)需求的虛擬環(huán)境，學(xué)生就可以自主進(jìn)行探索式的學(xué)習(xí)。[9][10]這種學(xué)習(xí)可以打破物質(zhì)條件（例如實(shí)驗(yàn)設(shè)備不夠，試驗(yàn)場(chǎng)地?fù)頂D）的限制，也可以解決多數(shù)學(xué)校在面對(duì)設(shè)備的更新?lián)Q代時(shí)的“尷尬”問題（設(shè)備并未老化到無(wú)法使用，但是已經(jīng)不足以用來(lái)教學(xué)）。

當(dāng)然，要將AR與VR技術(shù)引入現(xiàn)實(shí)運(yùn)用還有很多的問題需要解決，至少有“三大難點(diǎn)”阻攔了此技術(shù)進(jìn)入各高校。[11]第一大難點(diǎn)是“定制化的硬件”的開發(fā)。AR與VR都可以使用學(xué)生自己的智能手機(jī)，但是手機(jī)的運(yùn)算與處理能力確實(shí)良莠不齊。如果要推進(jìn)教學(xué)中實(shí)驗(yàn)的VR化，需要的設(shè)備對(duì)于數(shù)據(jù)處理的能力要求也不是一般智能手機(jī)所能達(dá)到的。現(xiàn)在一款普通的VR設(shè)備售價(jià)少則三千元甚至更高，加上現(xiàn)在的軟件開發(fā)并不完善，進(jìn)行如此之大的投資去買可能收獲甚微甚至是可能會(huì)被閑置的設(shè)備，這明顯是不可能的。然而現(xiàn)在的大多數(shù)開發(fā)軟件的制作組多數(shù)都把精力放在游戲的開發(fā)上，而著手開發(fā)數(shù)字化教學(xué)軟件的公司缺少對(duì)VR技術(shù)熟練掌握的人員。如果沒有足夠堅(jiān)實(shí)的軟件開發(fā)團(tuán)隊(duì)做后盾，任憑你的硬件做得有多么適合也照樣不會(huì)有人買賬。這就是第二大難點(diǎn)，軟件開發(fā)的落后。第三大難點(diǎn)是一個(gè)很嚴(yán)重的問題——如何構(gòu)建一個(gè)滿足實(shí)驗(yàn)所需要的環(huán)境？在現(xiàn)實(shí)中，影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果的因素有很多，那么應(yīng)如何將其引入到虛擬的實(shí)驗(yàn)環(huán)境中？理想狀態(tài)下的數(shù)據(jù)固然可以為學(xué)生證實(shí)自己所學(xué)到的定理，但是在學(xué)習(xí)中，誤差分析也是至關(guān)重要的一項(xiàng)內(nèi)容。這也是我校課題小組在進(jìn)行開發(fā)的時(shí)候無(wú)法解決的問題。

作為剛剛開始發(fā)展的新技術(shù)，AR及VR遇到困難是難免的，而且任何技術(shù)都會(huì)有其特性所帶來(lái)的“短板”。我們可以發(fā)揮我們自身的主觀能動(dòng)性，在開發(fā)過(guò)程中趨利避害、取其長(zhǎng)處、避其短板。我們相信將虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)運(yùn)用于教學(xué)中將會(huì)是教學(xué)二維數(shù)字化之后的又一發(fā)展趨勢(shì)。

五、結(jié)論

在上文中，我們分析了AR技術(shù)與VR技術(shù)在教育方面可以運(yùn)用的領(lǐng)域。這兩種高新技術(shù)將教育從實(shí)體教學(xué)中解放，為學(xué)習(xí)打破了空間的界限。尤其是在大學(xué)本科全日制高校的機(jī)械專業(yè)的教學(xué)中，將實(shí)驗(yàn)以虛擬的方式結(jié)合學(xué)生較容易接受的方式進(jìn)行教學(xué)、引導(dǎo)是我們目前急需解決的課題。無(wú)論是我校現(xiàn)在正在編寫的特色AR課本還是已經(jīng)開始進(jìn)行嘗試的運(yùn)動(dòng)搭接平臺(tái)的VR化程序的編寫，都是一種大膽而有意義的嘗試。AR技術(shù)與VR技術(shù)在教育方面有很好的前景，在更多具有專業(yè)素養(yǎng)的程序開發(fā)者加入這方面的開發(fā)后，這些問題一定可以被一一解決。在進(jìn)行VR課程的開發(fā)的同時(shí)，相關(guān)企業(yè)和教育部門的統(tǒng)籌規(guī)劃，合理調(diào)用珍貴的研發(fā)資源也是極為必要的。在VR課間的開發(fā)中，一定會(huì)涉及跨專業(yè)、跨學(xué)科的各領(lǐng)域間的合作。在開發(fā)相對(duì)專業(yè)的VR課程教育系統(tǒng)或軟件時(shí)，更應(yīng)將有效的交流放在首位：軟件開發(fā)組可以有序且正確地認(rèn)知其開發(fā)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)或項(xiàng)目的全貌，技術(shù)支持組可以在遇到問題時(shí)及時(shí)提出相應(yīng)的方案。在各方面的協(xié)調(diào)努力下，保證開發(fā)的VR課程教育系統(tǒng)或軟件能最大限度地符合相關(guān)的定律、規(guī)則。要使開發(fā)出的VR課程教育系統(tǒng)或軟件可以投放到高等院校教學(xué)的過(guò)程中，發(fā)揮其獨(dú)有的特性，為教學(xué)工作提供便利。相信在各部門的協(xié)調(diào)與努力下，這兩項(xiàng)優(yōu)秀的技術(shù)也將逐漸走進(jìn)高校，走進(jìn)課堂。

[ 參 考 文 獻(xiàn) ]

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