郭石宇 陳亮

摘 要：本文主要目標是利用最新的信息技術、虛擬現(xiàn)實和建模、仿真和控制理論實現(xiàn)交互式學習，提高工程安裝專業(yè)和相關機電領域的畢業(yè)生的培養(yǎng)質量。在虛擬和混合現(xiàn)實環(huán)境中對工程安裝設備和部件的建模，并對安裝工藝過程進行可視化，將使學生比傳統(tǒng)學習方法更深入地了解和理解所學習的內容。

關鍵詞：信息技術;可視化;交互式學習

1 引言

可視化的教學方式是在信息、通信等新技術發(fā)展的基礎上實現(xiàn)的，例如基于 3D引擎、虛擬現(xiàn)實或增強/混合現(xiàn)實中的互動應用程序。使用虛擬和增強/混合現(xiàn)實技術對復雜工程安裝系統(tǒng)、元件和驅動器的過程建模、識別和控制進行可視化，使學生能夠比傳統(tǒng)的教學方法更快、更好地理解所研究的課題。

1.1 教育和演示的3D應用

如今，在房屋、汽車、公寓和其他產(chǎn)品的虛擬旅游中使用3D交互應用和虛擬/混合現(xiàn)實是一種趨勢。此外，許多用于教育的3D交互式應用程序正在開發(fā)中。豐田汽車公司為他們的客戶提供現(xiàn)代化的虛擬陳列室。這個展廳是基于 Unreal Engine 開發(fā)的。另外一個創(chuàng)新是 Microsoft HoloLens，它的出現(xiàn)導致了一個全新的混合現(xiàn)實領域的出現(xiàn)?；旌犀F(xiàn)實無疑優(yōu)于虛擬現(xiàn)實，因為用戶同時感知一個真實世界和一個虛擬世界。混合現(xiàn)實在市場營銷、復雜機電系統(tǒng)建模、教育等領域將成為一種新的標準。

1.2 虛擬、增強和混合現(xiàn)實之間的差異

虛擬現(xiàn)實（VR）復制了一個環(huán)境，模擬了真實世界中某個地方的物理存在，允許用戶在那個世界中進行交互。用于虛擬現(xiàn)實的設備有Google Cardboard，HTCVive等。增強現(xiàn)實是對物理的、真實世界環(huán)境的直接或間接的實時視圖，其元素由計算機生成的感官輸入增強?；旌犀F(xiàn)實是真實和虛擬世界的合并，以實時產(chǎn)生新的環(huán)境和可視化的數(shù)字對象共存?；旌鲜且粋€覆蓋在真實世界上的合成內容，并與真實世界相互作用。其主要特點是合成內容和真實世界的內容能夠實時相互作用。用于混合現(xiàn)實的技術有Microsoft HoloLens 和Android ARCore。

2 項目基本介紹

該項目的重點是在工程安裝專業(yè)的職業(yè)教育課程中開設多媒體學習形式。使用多媒體輔助教育系統(tǒng)，重點放在應用信息學、通信系統(tǒng)和技術、自動化和其他相關學科的最新知識。該項目的主要目標之一是利用創(chuàng)新的學習形式和在虛擬和混合現(xiàn)實中開發(fā)交互式應用程序和教材，適用于工程安裝專業(yè)大專和日常短訓班教學及多媒體實驗室建設。其中，應著力創(chuàng)建學科領域的優(yōu)質教育和宣傳視頻，并將這些視頻放置于學習網(wǎng)站中，并鼓勵學生基于該網(wǎng)站進一步拓展課外知識。例如：利用所獲得的方法經(jīng)驗，結合在虛擬和混合現(xiàn)實中創(chuàng)建完全創(chuàng)新的學習應用程序。該項目將進一步用于終身學習內從業(yè)人員的遠程學習，以及在普通公眾中促進工程安裝專業(yè)潛在的技術人員。

3 項目存在的意義

該項目的主要目標是為工程安裝專業(yè)創(chuàng)建虛擬現(xiàn)實交互式虛擬與混合現(xiàn)實中的應用程序。該項目產(chǎn)出將進一步用于培訓終身學習的從業(yè)人員，以及普及工程安裝專業(yè)，面向一般公眾和從業(yè)人員。該項目的好處還在于為創(chuàng)建有趣和有吸引力的工程安裝專業(yè)學習材料獲得了豐富的經(jīng)驗，具體總結如下：

3.1 虛擬實驗室推廣活動

一線施工人員介于施工環(huán)境惡劣、施工任務重、從業(yè)人員素質不統(tǒng)一等原因，無法從事系統(tǒng)的技術培訓。虛擬實驗室建成后，將在本專業(yè)極大拓展從業(yè)人員的受眾面。其將不受上述原因的限制，甚至可以面向不是該專業(yè)的人員進行科學普及。

3.2 科研項目的仿真驗證

工程安裝專業(yè)在工程施工中往往會遇到不同困難，技術裝備的革新往往是為了解決某個特定問題而采取的科研，虛擬和混合現(xiàn)實技術可以方便科研人員進行方案和技術的論證，更能為技術細節(jié)的商討提供數(shù)據(jù)支撐。

3.3 教學質量提高

系統(tǒng)有利于學生對工程安裝工藝的可視化，解決傳統(tǒng)教學中理論與實踐脫節(jié)的問題。高校的實驗室條件盡管很完善，但仍然與一線施工環(huán)境存在距離，因此這種新的教學資源對實施翻轉課堂提供了便利。

3.4 新實驗室的可視化

教學環(huán)境與實驗室的建設屬于漸進式發(fā)展，但是學術研究有時卻是跨越式發(fā)展，環(huán)境的建設往往趕不上學術研究的發(fā)展。虛擬現(xiàn)實技術可以使得學者將學術研究進行數(shù)據(jù)化，進一步論證學術問題的正確性。

4 總結

經(jīng)過上述研究，該教學應用可有效提高教學質量，更可以利用其優(yōu)點廣泛采用更具優(yōu)勢的教學方法：翻轉課堂、同伴教學、互動教學等。學生更可以充分利用虛擬資源開展課前預習和課后自學，然后將課堂時間充分進行研討，有效提高學生的學習效果。同時，學校管理者希望新教師在獲得認證之前能夠了解如何翻轉課堂，并希望職前教師能夠在課堂上創(chuàng)建和使用視頻、播客和其他媒體。這一期望具有重要意義，值得教育工作者關注，以便建立和實施翻轉教學。

參考文獻

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