VR技术在机械工程专业教学中的展望

2018年4月3日09:35:21VR技术在机械工程专业教学中的展望已关闭评论 8 阅读

[摘 要]虚拟现实(VR)和增強现实(AR)是近几年兴起的技术,对我们的工作、生活、学习产生了重要影响。将VR与AR技术运用在全日制本科机械工程专业机械设计与制造课程上具有一定的可行性。课程与VR、AR技术结合能协助学习者更好地应对未来教育所面临的学习环境、学习方式等挑战,更好地激发学生的批判性思维,提升其协同学习能力,并解决现在各高校普遍存在的实验室短缺、实验设备购买资金不足的问题。
[关键词]VR;AR;机械工程;教育应用
随着近几年电子信息技术的发展,人们不再满足于屏幕里的二维世界,虚拟现实(VR)与增强现实(AR)技术逐渐发展。国家广告研究院等多家机构联合发布的《2016年上半年中国VR用户行为研究报告》显示,2016年上半年国内虚拟现实潜在用户达4.5亿,浅度用户约为2700万,重度用户约为237万,预计国内虚拟现实市场将迎来爆发式增长。随着这两种技术在游戏等领域的发展与应用,人们开始熟悉它们,并发现其在教育领域重要的潜在价值。
一、AR与VR的区别
(一)AR与VR的定义
AR 是让不存在的物象和现实世界的图像融合在一起,交互后的影像投射或投影到其他装置和介质上。其展现了真实世界的同时将虚拟的信息表达出来,虚与实相互补充、无缝叠加,提供了不同于日常感知、超越现实观感的体验。[1]
VR也称灵境技术或人工环境,是在计算机系统及传感器技术模拟的基础上生成的可交互的虚拟世界。VR实现的是一种崭新的人机交互状态,人通过对虚拟世界中的物体进行考察和操作,参与其中的事件,并同时获得视、听、触觉等直观而又真实的感知。[2][3]
(二)技术差别
虽然在缩写上仅有一字之差,但是这两种技术却是大相径庭。Pokemon Go是由Nintendo、The Pokemon Company和谷歌Niantic Labs公司联合制作开发的现实增强(AR)宠物养成对战类RPG手游。其以手机为平台,结合摄像头将现实中没有的东西通过算法与现实结合,即“现实增强”。其重点在于把一件现实中不存在的因素通过算法与现实结合并反映于显示器上。而VR技术则是运用算法构建一个新的虚拟的环境。VR设备通常都配有处理器、头盔显示器,另外还设有姿态跟踪设备(数据手套、数据衣和方位跟踪器)、听觉系统(语音定位、识别和合成)以及触觉、味觉和嗅觉反馈系统等功能单元。[4][5]通过代码构建一个虚拟环境,通过反馈将使用者把自身化为这个虚拟空间中一个元素并置于其中。
总体来说,AR是以现实存在的环境为蓝本,通过计算机进行运算,构建出一个虚拟的单元,并将其与现实环境重新结合;VR是通过算法,构建一个虚拟环境,将使用者引入这个环境,通过各个功能单元实现使用者与计算机所构建环境中的虚拟元素进行互动。相较于AR,VR的扩展性和自由度更高,但是其编程难度也远远高于AR。[6]
(三)相关设备
现在主流的虚拟现实设备大体可分为基于智能手机及基于主机两种。第一种利用了智能手机的相关硬件及处理器,制造成本被大大降低。但是由于智能手机不只是为了虚拟现实功能而设计的,在使用过程中会产生智能手机运行超频、剧烈发热现象,甚至会产生安全隐患。而且由于不同厂家的智能手机硬件系统与软件系统的差异较大,在教学中也会有较强的不确定性。所以说,第一种硬件系统几乎不可能被用来进行教学。而第二种设备由于硬件与软件几乎都是为了虚拟现实相关功能而设计的,在运行时不会有过多的问题产生。但是其价格相较于第一种类型(基于智能手机)的虚拟现实设备高出几十甚至上百倍。目前此类产品主要是为了游戏等领域而开发出来的,性能上远远高于教学用虚拟现实设备的需求。过剩的性能带来的最直观的负面影响便是高昂的价格。对于教学经费并不富裕的相关院校及学院来说,这样昂贵的费用是虚拟现实技术引入教学的最大阻碍。
在硬件方面目前亟待适用于教学的基于主机的虚拟现实设备的出现。
(四)相关软件开发及应用
有了较为适合的硬件设备及相应供应商的合作,教学软件的开发与设计也是一个重要的环节。VR与AR之所以与我们日常的教育活动脱节不是因为设备昂贵,而是因为其可用于教学使用的内容太少而造成投入产出比过低。如果有较为丰富且优质的内容,即使VR设备价格偏高,但是其特有的性质也足以被相当一部分学校所接受。举个例子,在三年前,我国很多地区数字化教学被引入了小学、初中以及高中的教育并进行了推广。价格较为昂贵的平板电脑可以如此顺利而迅速地在教学领域推广不仅仅是因为其在课程上体现的互动性,更是因为其具有强大的软件体系支持。在软件足够发达的情况下,投入产出比达到足够的高度,载体的价格劣势就会慢慢地被淡化。反观现在的虚拟现实市场,大多数有专业开发能力的厂家、工作室都将精力投入到游戏的开发工作中,而教育方面的开发者面临的是跨学科、跨专业的开发窘境。这便是虚拟现实技术在软件方面的致命伤。要推广虚拟现实不仅仅要进行硬件的优化,更重要的是软件的开发。
虚拟现实在机械工程等工科领域教学的优势是十分明显的。在机械工程专业中,最好的学习方法就是亲自动手对机械装置进行拆装。为了能更直观地了解应用在课堂上学习的相关知识,有一些院校甚至会组织学生去相关工厂进行实习。然而,由于设备数量的限制,大多数学生不能亲自动手实践。将虚拟现实引入教学中,可以很好地解决这一问题。如果将虚拟现实引入教学,要通过从软件构建的“虚拟样机”数据库中调取相应的机型供学生实践。虚拟现实的引入既可以增强课程所传授的知识的直观性,在一定程度上也进一步保证了学生的安全。最重要的一点是,在有限的教学资金的限制下其能给予学校近乎无限的教学空间。
虚拟现实在软件开发上其实也存在着很大的不足。现在的虚拟现实开发主流软件是Unity这样的专业性较强的软件。基于此类软件,一般的讲师很难开发与自己所讲授课程内容(各种机械装置)相关的教学软体。开发难点并不在于元素的建造与搭接,而在于后期软件环境构架的建立。如果能够建立一个通用后期软件环境构架,再建立一个与框架相配合的通用零件库,讲师可以通过此软件调取零件库零件,自己构建机构模型并生成相应的教学模型用于教学。这样将虚拟现实引入实际教学便又迈进了一大步。
二、AR、VR引入教育的可行性分析
现在大部分VR公司已经在进行着手设计基于VR平台的游戏开发。目前在教学方面,有些公司已经成功地把一些实验进行了数字化,但是却很少有公司能完成实验平台的VR化(即通过VR设备,通过体感设备实现实验的虚拟现实化;并进行人机互动,使其可以将实验原理通过VR进行延时讲解)。与此同时,比VR更简便,成本更低的AR(现实增强技术)也在發展。不过AR技术也并未在教育方面有相关的应用。我们这次的课题主要是研究VR是否可以被应用到教学领域里,并进行简单的尝试。我们将尽最大努力,生成一个可以运行的虚拟实验程序,并尝试结合AR进行虚拟现实教材的编写尝试。此课题的技术要求较高,需要运用到计算机辅助设计、软件编程等相关知识。虽然难度较大,但是可行性极高,而且其创造出的价值也是很可观的。[7][8]
三、AR与VR在教学领域的特点分析
(一)AR技术特点
AR系统与VR有本质上的不同,其突出特点是在三维尺度空间中通过运算增添虚拟物体,进行实时的真实世界和虚拟的信息集成,具有实时交互性。在教育上AR技术可以激发学习者的兴趣,使本来很抽象的图像更立体。在这一方面美国迪士尼已经将AR运用到了幼儿的启蒙教育书籍上。在机械工程专业尤其是机械设计这一学科的教学中,经常需要学生对一些机构进行运动分析等工作,AR可以通过其特有的方式将原本很抽象的图像显现出来。从而使学生更清楚地了解相关机构运动的运动方式、受力情况等,使学习变得更明确、轻松。
总的来说,AR技术如果想要引入教学之中,硬件方面只需要出版物与已经被普及的智能手机。由于受到的限制相对较少,AR可以涉足的教育领域不仅仅只有机械专业,还可以涉足更广阔的领域,如化工专业、医学专业等。
(二)VR技术的特点
VR技术具有多感知性、存在感、交互性、自主性等特点。VR技术重在构建一个虚拟的环境,通过人机互动的形式发挥人的主观能动性。目前在教学领域建设实验室的投入资金十分庞大,每年的维修、保养费用和更新设备的费用也很高。并且很多高校没有足够的空间与资金处理这些相对较为昂贵的、占地较大的设备,所以这些设备很难让在校的学生接触到,使学生失去了自己动手实践的机会。
在VR出现之前已经有人开始把一些实验进行了数据化、电子化,多数都是以算法进行模拟的软件。学习者在利用这种软件进行试验的过程中,不仅丧失了很多动手的空间,而且从某种程度上还失去了独立思考和创新的能力。传统的数字化教学在实际应用中已经展示出了较多的弊端。因此通过VR技术可以将试验台分解成几个有机的整体,让学习者进行试验探究,尽可能真实地感受实验的过程,并了解相关的知识。
综上,VR技术可以在有限的空间内给予学习者近乎无限的可能。其不仅能满足机械工程方面的需求,其他学科也可一一满足。
四、AR与VR在教学中的展望
随着当今信息技术的飞速发展,学习已经不再像过去一样需要一个固定的、具体的地点。数字化的实验设备已经被广泛运用到我们日常的教学中。然而正如笔者在前文所提到的那样,我们目前所使用的数字化教学软件多数已经把具体的某些设备变得高度符号化,以至于学生在真正面对具体机构的时候多少会有一种陌生感。其实,在日常教学中(尤其是实验),我们无非就是在现有的物理学定律下进行某些操作,从而达成某些目标。这很容易使人联想到另一种东西--游戏。如果我们以沙盒类游戏为蓝本,将在实验中所用的构件生成可以人机交互的单元,并给定一个符合学生所接触的知识层面的标准且满足实验需求的虚拟环境,学生就可以自主进行探索式的学习。[9][10]这种学习可以打破物质条件(例如实验设备不够,试验场地拥挤)的限制,也可以解决多数学校在面对设备的更新换代时的“尴尬”问题(设备并未老化到无法使用,但是已经不足以用来教学)。
当然,要将AR与VR技术引入现实运用还有很多的问题需要解决,至少有“三大难点”阻拦了此技术进入各高校。[11]第一大难点是“定制化的硬件”的开发。AR与VR都可以使用学生自己的智能手机,但是手机的运算与处理能力确实良莠不齐。如果要推进教学中实验的VR化,需要的设备对于数据处理的能力要求也不是一般智能手机所能达到的。现在一款普通的VR设备售价少则三千元甚至更高,加上现在的软件开发并不完善,进行如此之大的投资去买可能收获甚微甚至是可能会被闲置的设备,这明显是不可能的。然而现在的大多数开发软件的制作组多数都把精力放在游戏的开发上,而着手开发数字化教学软件的公司缺少对VR技术熟练掌握的人员。如果没有足够坚实的软件开发团队做后盾,任凭你的硬件做得有多么适合也照样不会有人买账。这就是第二大难点,软件开发的落后。第三大难点是一个很严重的问题--如何构建一个满足实验所需要的环境?在现实中,影响实验结果的因素有很多,那么应如何将其引入到虚拟的实验环境中?理想状态下的数据固然可以为学生证实自己所学到的定理,但是在学习中,误差分析也是至关重要的一项内容。这也是我校课题小组在进行开发的时候无法解决的问题。
作为刚刚开始发展的新技术,AR及VR遇到困难是难免的,而且任何技术都会有其特性所带来的“短板”。我们可以发挥我们自身的主观能动性,在开发过程中趋利避害、取其长处、避其短板。我们相信将虚拟现实技术运用于教学中将会是教学二维数字化之后的又一发展趋势。
五、结论
在上文中,我们分析了AR技术与VR技术在教育方面可以运用的领域。这两种高新技术将教育从实体教学中解放,为学习打破了空间的界限。尤其是在大学本科全日制高校的机械专业的教学中,将实验以虚拟的方式结合学生较容易接受的方式进行教学、引导是我们目前急需解决的课题。无论是我校现在正在编写的特色AR课本还是已经开始进行尝试的运动搭接平台的VR化程序的编写,都是一种大胆而有意义的尝试。AR技术与VR技术在教育方面有很好的前景,在更多具有专业素养的程序开发者加入这方面的开发后,这些问题一定可以被一一解决。在进行VR课程的开发的同时,相关企业和教育部门的统筹规划,合理调用珍贵的研发资源也是极为必要的。在VR课间的开发中,一定会涉及跨专业、跨学科的各领域间的合作。在开发相对专业的VR课程教育系统或软件时,更应将有效的交流放在首位:软件开发组可以有序且正确地认知其开发的相关实验或项目的全貌,技术支持组可以在遇到问题时及时提出相应的方案。在各方面的协调努力下,保证开发的VR课程教育系统或软件能最大限度地符合相关的定律、规则。要使开发出的VR课程教育系统或软件可以投放到高等院校教学的过程中,发挥其独有的特性,为教学工作提供便利。相信在各部门的协调与努力下,这两项优秀的技术也将逐渐走进高校,走进课堂。
[ 参 考 文 献 ]
[1] 张枝实. 虚拟现实和增强现实的教育应用及融合现实展望[J]. 现代教育技术, 2017(1):21-27.
[2] 蔡苏, 张晗, 薛晓茹,等. 增强现实(AR)在教学中的应用案例评述[J]. 中国电化教育, 2017(3):1-9.
[3] 张枝实. 虚拟现实和增强现实的教育应用及融合现实展望[J]. 现代教育技术, 2017(1):21-27.
[4] 刘伟, 杜强, 张顺心,等. 基于VR技术的工程图学移动学习系统[J]. 图学学报, 2016(6):857-861.
[5] Milgram A P, Takemura H, Utsumi A, et al. Augmented reality: a class of displays on the reality-virtuality continuum[J]. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 1995(2351):282-292.
[6] 李亚平, 孟丽霞. VR技术在教学中的应用[J]. 中国市场, 2016(50):244-245.
[7] 褚晶莹. 基于UNITY3D技术的VR展台的设计与实现[D]. 长春:吉林大学, 2016.
[8] 汪存友, 程彤. 增強现实教育应用产品研究概述[J]. 现代教育技术, 2016(5):95-101.
[9] 张枝实.量化自我:大数据时代学习的新趋势[J].现代教育技术,2014(11):12-17.
[10] 王理川.虚拟现实系统中全局光照实时渲染技术研究[D].上海:上海交通大学,2011.
[11] 王同聚. 虚拟和增强现实(VR/AR)技术在教学中的应用与前景展望[J]. 数字教育, 2017(1):65-67.

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