韋常柱 浦甲倫 欒文杰 關(guān)英姿

[摘 要] 航空航天類專業(yè)的限制使得本科學(xué)生缺少參與工程實踐的機(jī)會，直接影響了專業(yè)課的教學(xué)效率?；?G/VR技術(shù)，研究構(gòu)建一種可在教師—模擬設(shè)備—學(xué)生間實現(xiàn)信息高效反饋觸動的教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)內(nèi)置高保真虛擬實驗條件與場景，可模擬多種復(fù)雜物理過程。通過結(jié)合理論知識的工程應(yīng)用觸動操作，學(xué)生可完成理論與實踐相結(jié)合的深層認(rèn)知學(xué)習(xí)。該系統(tǒng)的構(gòu)建與應(yīng)用可大幅提高學(xué)生的實踐參與度、理論感知度和知識掌握度，對于實現(xiàn)本科教學(xué)改革、提升專業(yè)課教學(xué)效率具有重要意義。

[關(guān)鍵詞] 航空航天;本科教學(xué);交互反饋觸動;VR教學(xué)系統(tǒng);5G傳輸技術(shù)

[基金項目] 2019年度黑龍江省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃重點課題“基于5G信息傳輸?shù)谋究茖I(yè)課VR教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建與應(yīng)用研究”（GJB1319034）;2018年度哈爾濱工業(yè)大學(xué)教育教學(xué)改革研究項目“導(dǎo)師依托團(tuán)隊學(xué)生黨支部進(jìn)行思政教育和黨建的實踐研究”（JGYJ-2018020）

[作者簡介] 韋常柱（1982—），男，江蘇贛榆人，博士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，主要從事飛行器控制與制導(dǎo)、人工智能理論及應(yīng)用研究;浦甲倫（1979—），男，黑龍江哈爾濱人，博士，哈爾濱工業(yè)大學(xué)航天學(xué)院副教授（通信作者），主要從事飛行器總體設(shè)計、目標(biāo)跟蹤與預(yù)報研究。

[中圖分類號] G642.0 [文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A [文章編號] 1674-9324（2022）09-0021-04 [收稿日期] 2022-01-19

一、背景研究

航空航天科學(xué)與技術(shù)是基礎(chǔ)理論和工程應(yīng)用緊密結(jié)合的綜合學(xué)科，相關(guān)高校的本科教學(xué)中開設(shè)了大量的專業(yè)理論課程與實踐課程。但只依靠教師的理論講解結(jié)合PPT/板書展示來向?qū)W生講授專業(yè)知識過于抽象，且由于航空航天類專業(yè)的特殊性，在試驗條件、成本、安全性等限制因素下，學(xué)生缺少實踐機(jī)會，對眾多專業(yè)性知識很難有直觀、深刻的理解，更無法將其快速應(yīng)用到實際工程問題中。綜上本科生的科研能力并沒有得到充分培養(yǎng)，很難直接達(dá)到實際工作要求。為加強(qiáng)對我國航空航天類專業(yè)本科學(xué)生能力的培養(yǎng)，將專業(yè)課程進(jìn)行適應(yīng)時代需求的教學(xué)改革是有效提高人才培養(yǎng)質(zhì)量和培養(yǎng)速度的關(guān)鍵。

為解決目前本科課堂教學(xué)知識過于抽象及實踐操作較為困難的問題，VR技術(shù)的應(yīng)用提供了一種較好的解決手段[1]。在基于VR技術(shù)構(gòu)建的教學(xué)系統(tǒng)中，學(xué)生能夠在學(xué)習(xí)理論知識的同時身臨其境地參與虛擬工程應(yīng)用，可以更好地理解所學(xué)，并深化感性認(rèn)識、促進(jìn)實踐興趣的產(chǎn)生，從而提高教學(xué)效率、保證教學(xué)效果。

目前，國內(nèi)外一些高校及研究院所已經(jīng)對基于VR系統(tǒng)的教學(xué)方式開展了不同程度的研究。美國林登實驗室研發(fā)創(chuàng)立了開放式虛擬現(xiàn)實平臺項目Second Life（SL），讓學(xué)生成為虛擬世界中的一個角色并在其中進(jìn)行學(xué)習(xí)。CAI等人針對能夠使初中學(xué)生更好地理解、認(rèn)識化學(xué)課程中物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的需求，設(shè)計了相關(guān)課程的VR操作實驗系統(tǒng)，幫助學(xué)生利用手勢交互的方式組合操作虛擬微觀世界的分子、原子[2]。

反觀國內(nèi)，目前高校應(yīng)用VR系統(tǒng)授教工科課程的案例極少。僅有清華大學(xué)、上海交通大學(xué)、北京航空航天大學(xué)等少數(shù)高校建立了VR技術(shù)實驗室，且其目的也只是用于進(jìn)行科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)。

當(dāng)前限制VR教學(xué)系統(tǒng)推廣應(yīng)用的主要問題是虛擬畫面存在遲滯、拖尾等現(xiàn)象，直接影響教學(xué)體驗，而這一問題將隨著我國先進(jìn)的5G信息傳輸及局域網(wǎng)構(gòu)建技術(shù)的快速發(fā)展得以解決?；?G信息傳輸技術(shù)開發(fā)的交互式VR教學(xué)系統(tǒng)，可大大提高課堂的流暢度及學(xué)生的體驗感，保證教學(xué)效果。

為解決當(dāng)前以航空航天類專業(yè)為代表的、工程實踐需求強(qiáng)但條件受限程度高的本科教育難題，本文分析并結(jié)合航空航天類專業(yè)學(xué)科的教學(xué)特點，提出了一種基于5G具有交互反饋觸動能力的VR教學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可突破試驗條件、安全因素等限制，使課堂教學(xué)的交互性更強(qiáng)、趣味性更高、展示性更直觀。

二、交互式反饋觸動VR教學(xué)系統(tǒng)的組成與功能

交互式反饋觸動VR教學(xué)系統(tǒng)利用先進(jìn)的5G信號傳輸技術(shù)，集VR與多種多媒體教學(xué)設(shè)備于一體，是實現(xiàn)航空航天類學(xué)科新教學(xué)模式的基礎(chǔ)。

交互式反饋觸動VR教學(xué)系統(tǒng)由四部分組成：實驗室端、教師端、學(xué)生端及傳輸端，結(jié)構(gòu)方式如圖1所示。在VR教學(xué)課堂中，學(xué)生通過VR設(shè)備觀看教師的演示，同時操作設(shè)備進(jìn)行語音、動作等信息輸入，對虛擬環(huán)境中的實驗設(shè)備、環(huán)境場景進(jìn)行操作、裝配等，實現(xiàn)信息的交互。教師可以使用教師端向?qū)W生分發(fā)教學(xué)資料、進(jìn)行實驗演示，同時能觀測學(xué)生的操作情況，獲得信息反饋，并向?qū)嶒炇叶藗鬏攲嶒灢僮鲾?shù)據(jù)，并接受處理結(jié)果，完成授課[3]。為實現(xiàn)上述過程，系統(tǒng)還須具備強(qiáng)大的中央處理單元，以完成大量數(shù)據(jù)的處理，這便是實驗室端的功能，除此之外，還有以5G傳輸技術(shù)為基礎(chǔ)的傳輸端。他們的具體功能如圖1所示。

（一）實驗室端

實驗室端的設(shè)備主要用于完成數(shù)據(jù)的儲存和處理，主要由高性能計算模塊、輸入/輸出數(shù)據(jù)閃存模塊及存儲模塊組成。其中高性能計算模塊用于處理來自教師與學(xué)生的實驗反饋信息，同時對輸入的案例快速計算得出過程與結(jié)果，生成相應(yīng)的VR模擬景象。

（二）學(xué)生端

學(xué)生端可用于完成VR虛擬環(huán)境的構(gòu)建，同時接收教師端的授課信息輸入，給予互動反饋，為學(xué)生提供多感官沉浸式體驗。該端主要由VR頭盔、藍(lán)牙耳機(jī)、方位跟蹤設(shè)備和其他輔助硬件組成。VR頭盔用于建立VR模擬景象，從而逼真模擬現(xiàn)實環(huán)境。藍(lán)牙耳機(jī)與計算機(jī)系統(tǒng)互連，向?qū)W生傳輸對應(yīng)場景的模擬聲音。方位跟蹤設(shè)備可實現(xiàn)手勢、動作、方位的感知與觸動反饋。其他輔助硬件主要包括學(xué)生端計算機(jī)及其附件，用于接收來自教師端的信息并構(gòu)建VR景象，以及傳輸學(xué)生的反饋信息。

（三）教師端

教師端除具有與學(xué)生端相同的硬件設(shè)施外，還配置有交換機(jī)作為與實驗室端和學(xué)生端的信息傳遞中樞。教師端的系統(tǒng)對學(xué)生端具有控制作用，可以實現(xiàn)教學(xué)課件展示及實踐操作場景演示。此外，還可以設(shè)定實驗控制閾值，防止學(xué)生端上傳的不合理數(shù)據(jù)造成計算錯誤或虛擬設(shè)備故障，同時還可觀察學(xué)生端的實際操作情況，實時做出指導(dǎo)并獲得教學(xué)反饋。

（四）傳輸端

傳輸端是數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)實體，通過5G無線傳輸技術(shù)連接實驗室端、教師端及學(xué)生端，該網(wǎng)絡(luò)的理論下行速度為10Gb/s（相當(dāng)于下載速度1.25Gb/s）。在教室中教師端與學(xué)生端都配有5G信號接收與發(fā)射裝置，保障數(shù)據(jù)的傳輸，在教室與實驗室間還配有多個信號增強(qiáng)站，保障來自每一間教室的信號都能快速穩(wěn)定地傳給實驗室端。

由上述四部分構(gòu)成的交互式反饋觸動VR教學(xué)系統(tǒng)可實現(xiàn)穩(wěn)定、高效的交互式反饋觸動課堂教學(xué)，將顯著提升教學(xué)效果。

三、交互式反饋觸動VR教學(xué)設(shè)計

交互式反饋觸動VR教學(xué)系統(tǒng)構(gòu)建完成后，即可結(jié)合航空航天類學(xué)科本科課程的具體要求進(jìn)行教學(xué)設(shè)計。首先，進(jìn)行虛擬實驗場景的建設(shè)，然后設(shè)計課堂管理系統(tǒng)、編寫配套課件，最終將其應(yīng)用于航空航天類學(xué)科專業(yè)課教學(xué)中。

為使學(xué)生能夠通過理論結(jié)合實際來深入理解所學(xué)，教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用過程應(yīng)至少包括兩個部分：航空航天類學(xué)科的基礎(chǔ)理論教學(xué)與引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合所學(xué)知識進(jìn)行工程實際應(yīng)用教學(xué)。具體設(shè)計與應(yīng)用過程如下。

（一）虛擬實驗場景建設(shè)

航空航天類學(xué)科課堂教學(xué)中使用的虛擬實驗場景含有飛行器本體、飛行空間環(huán)境、行星表面環(huán)境等。虛擬實驗場景是通過三維物理引擎模擬飛行器飛行環(huán)境、飛行場所、內(nèi)部結(jié)構(gòu)等，支持模型自動從數(shù)據(jù)庫導(dǎo)入。在構(gòu)建虛擬實驗場景時，先通過圖片、影像數(shù)據(jù)采集飛行器結(jié)構(gòu)、空間環(huán)境等信息，并將獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化，以保證參數(shù)準(zhǔn)確、可靠及高保真可視化。同時，各模型可以添加不同數(shù)據(jù)并調(diào)整組件以增加交互功能，最后在系統(tǒng)測試成功后，將模型導(dǎo)入資源庫，以便即時調(diào)用。至此即完成虛擬實驗場景的建設(shè)。

（二）課堂管理模塊設(shè)計

航空航天類學(xué)科課堂管理模塊主要包含以下四個部分（圖2）。

1.師生互動系統(tǒng)。包括在線實驗消息推送、線上交流和課后答疑等多種功能。

2.學(xué)生端系統(tǒng)。分為考評系統(tǒng)、教務(wù)系統(tǒng)及操作成績查詢系統(tǒng)，供學(xué)生自行管理課程、實驗及個人成績。

3.實驗中心系統(tǒng)。該系統(tǒng)用于管理航空航天類學(xué)科基礎(chǔ)課程的虛擬實驗及課程設(shè)計，是實驗室端的核心。

4.維護(hù)系統(tǒng)。是后臺控制系統(tǒng)，將由專業(yè)人員和實驗管理員負(fù)責(zé)管理和維護(hù)。

（三）教學(xué)配套課件制作

結(jié)合航空航天類學(xué)科課堂教學(xué)的要求，根據(jù)知識點確定教學(xué)內(nèi)容后，由技術(shù)人員協(xié)助完成VR教學(xué)課件的初步設(shè)計。之后，由授課教師與相關(guān)專家研討，再進(jìn)行多輪修改完善，以確保課件內(nèi)容準(zhǔn)確，具有可授性。

（四）交互式反饋觸動教學(xué)

在傳統(tǒng)的基礎(chǔ)理論教學(xué)中（以“導(dǎo)彈飛行力學(xué)與控制”課程中的“比例導(dǎo)引法”講授過程為例），首先由教師創(chuàng)建數(shù)學(xué)模型，并抽象描述導(dǎo)彈打擊任務(wù)，引導(dǎo)學(xué)生思考如何應(yīng)用比例導(dǎo)引法計算導(dǎo)引指令，實現(xiàn)對目標(biāo)的精準(zhǔn)打擊。然后利用VR虛擬課堂，展示導(dǎo)彈打擊過程的場景，包括發(fā)射→追擊→迫近→命中的每一個過程均能在視覺上得以呈現(xiàn)，并且采用正視側(cè)視和俯視三種視角從不同的角度觀看導(dǎo)彈打擊過程，使學(xué)生對導(dǎo)彈整個攻擊過程有更為清晰的認(rèn)識。

在此基礎(chǔ)之上，教師可更改數(shù)學(xué)模型中的變量，學(xué)生能夠直接觀察各變量對導(dǎo)彈能否命中和打擊作戰(zhàn)過程的影響。應(yīng)用VR設(shè)備提供的3D立體場景可對導(dǎo)彈攻擊彈道進(jìn)行展示，極大地深化學(xué)生對導(dǎo)彈彈道和導(dǎo)引理論的理解，從而大幅提高授課效率。類似地，航空航天類學(xué)科因其獨(dú)有特色，可將諸多實驗教學(xué)場景應(yīng)用VR虛擬課堂進(jìn)行形象模擬，幫助學(xué)生全面了解航天任務(wù)全過程，深入領(lǐng)會所學(xué)知識。

四、應(yīng)用前景

隨著VR技術(shù)的不斷完善及我國5G通信系統(tǒng)的快速構(gòu)建，VR教學(xué)系統(tǒng)廣泛應(yīng)用于本科教學(xué)之中正逐漸成為現(xiàn)實。VR教學(xué)系統(tǒng)有交互性強(qiáng)、直觀性好、趣味性高等優(yōu)勢，將其應(yīng)用于航空航天類本科課堂，可解決傳統(tǒng)課堂形式面臨的諸多問題，大幅提升教學(xué)效率。在當(dāng)前多媒體時代下，該教學(xué)系統(tǒng)的構(gòu)建和應(yīng)用模式具有廣闊前景。

（一）VR教學(xué)系統(tǒng)將構(gòu)建新式教學(xué)環(huán)境

由VR系統(tǒng)構(gòu)建虛擬化實驗室，將普通課堂與實踐操作緊密結(jié)合，讓學(xué)生在“虛擬實驗環(huán)境中”學(xué)習(xí)，既提高了學(xué)生對理論知識的學(xué)習(xí)興趣，又可使其充分理解所學(xué)知識的工程意義，且能夠及時、便利地與教師交流問題、交互心得，突破了傳統(tǒng)課堂模式的限制。

（二）VR教學(xué)系統(tǒng)帶來授課方式的變革

目前課堂教學(xué)中大多僅采用PPT或教學(xué)視頻等進(jìn)行形式較為單一的輔助，而VR教學(xué)系統(tǒng)則可讓學(xué)生沉浸在虛擬環(huán)境中，通過視覺、聽覺、觸覺等多感官與系統(tǒng)進(jìn)行交互體驗，多種形式、全方位地接受知識的輸入，得到印象更為深刻的體會。

（三）VR教學(xué)系統(tǒng)可助力課堂教學(xué)質(zhì)量提升

目前本科專業(yè)課堂教學(xué)中缺乏師生互動的手段和條件，僅能通過作業(yè)、考試等方式了解學(xué)生的學(xué)習(xí)情況，無法實時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)動態(tài)，授業(yè)效率較低。而在應(yīng)用VR教學(xué)系統(tǒng)的課堂上，教師可以在主機(jī)端全程觀察、指導(dǎo)學(xué)生的實踐操作過程，及時、準(zhǔn)確了解學(xué)生存在的問題，并據(jù)其適當(dāng)調(diào)整教學(xué)內(nèi)容與進(jìn)程，從而最大化提升教學(xué)效率。

（四）VR教學(xué)系統(tǒng)可節(jié)約資源、降低成本

VR教學(xué)系統(tǒng)內(nèi)設(shè)的虛擬環(huán)境，可突破時間限制和空間約束。特別地，航空航天類學(xué)科教學(xué)涉及的對象往往成本高昂、難以購置，而通過虛擬技術(shù)手段對其進(jìn)行構(gòu)建則可在大大降低成本的同時達(dá)到幾乎等效的操作、學(xué)習(xí)效果。另外，學(xué)生也可視知識掌握情況進(jìn)行多次、長時操作，無須受成本、設(shè)備耗費(fèi)、安全等條件制約。

本文提出的交互式反饋觸動VR教學(xué)系統(tǒng)，內(nèi)設(shè)對應(yīng)講授內(nèi)容的虛擬環(huán)境和模擬設(shè)備，學(xué)生可對其進(jìn)行多感官度的反饋觸動操作，從而深層強(qiáng)化理解所見、所聞、所學(xué)，同時動手能力與創(chuàng)新能力也將得到充分鍛煉。該系統(tǒng)對應(yīng)的交互式反饋教學(xué)方式，也將有力促進(jìn)師生交流、調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性、提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，從而有效提升整體授課效果。

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Construction of the Interactive Feedback-triggering VR Teaching System of Undergraduate Professional Courses： Taking the Undergraduate Professional Courses of Aerospace Major as an Example

WEI Chang-zhu， PU Jia-lun， LUAN Wen-jie， GUAN Ying-zi

（School of Astronautics， Harbin Institute of Technology， Harbin， Heilongjiang 150001， China）

Abstract： The limitation of aerospace majors makes undergraduate students lack the opportunity to participate in engineering practice， which directly affects the teaching efficiency of professional courses. Based on the 5G/VR technologies， this paper studies and builds a teaching system that can realize efficient information feedback among teachers， simulation equipment， and students. The system has built-in fidelity virtual experimental conditions and scenarios， which can simulate a variety of complex physical processes. Students can complete deep cognitive learning by combining the practical operation of engineering applications with theoretical knowledge. The construction and application of this system can greatly improve students practical participation， theoretical perception and knowledge mastery， which is of great significance to realize the undergraduate teaching reform and improve the teaching efficiency of professional courses.

Key words： aerospace; undergraduate teaching; interactive feedback-triggering; VR teaching system; 5G transmission technology