基于5G的VR/AR在高等教育教学的应用

摘  要：5G网络以其超大带宽、超低时延、海量连接、超高可靠性的特性，为VR/AR技术的广泛应用提供了强有力的网络基础。通过分析基于5G的VR/AR技术在教学领域中的应用引起的教学手段变化、教学方式变化以及教学平台变化，结合本校工科类学生培养计划，研究基于5G的VR/AR技术在高等教育中的教学手段设计、教学模式构建以及实验实训平台搭建，挖掘VR/AR技术与高等教育教学相融合的路径，进一步为“人工智能+”教育奠定基础。

关键词：5G;VR/AR;教学手段;教学方式;实训平台

中图分类号：TN929.5;G434      文献标识码：A 文章编号：2096-4706（2020）18-0190-03

Abstract：The 5G network provides a strong network foundation for the wide application of VR/AR technology because of its characteristics of large bandwidth，ultra-low delay，massive connection and ultra-high reliability. Through analyzing the change of teaching means，teaching methods and teaching platform caused by the application of 5G-based VR/AR technology in teaching field，combining with the training plan of “engineering” students in our school，research on the teaching method design，teaching mode construction and experimental training platform construction of 5G-based VR/AR technology in higher education，explore the path of integration of VR/AR technology and higher education teaching，and further lay the foundation for “artificial intelligence plus” education basis.

Keywords：5G;VR/AR;teaching mean;teaching method;experimental training platform

0  引  言

2018年4月教育部发布了《教育信息化2.0行动计划》（教技〔2018〕6号）指出，加快面向下一代网络的高校智能学习体系建设，适应5G网络技术[1]发展，服务全时域、全空域、全受众的智能学习新要求;同年10月，《关于加快建设高水平本科教育全面提高人才培养能力的意见》（教高 〔2018〕2号）指出要推动课堂教学革命，大力推进智慧教室建设，构建线上线下相结合的教学模式，积极引导学生自我管理、主动学习，激发求知欲望，提高学习效率，提升自主学习能力。中国移动针对5G在教育行业的应用发布《5G+智慧教育白皮书》[2]，详细阐述了5G时代VR/AR技术与教育结合将解决真实实验项目条件不具备或实际运行困难的问题，特别是涉及高危或极端环境，高成本、高消耗、不可逆操作等多种常规教学无法解决的问题。由此可见，5G时代VR/AR技术将推动高等教育教学产生重大变革，VR/AR技术在教育教学上的应用问题亟待研究。

利用三维建模、三维虚拟开发引擎、数据库、网络通信等相关知识，揭示利用5G的VR/AR技术进行实验实训虚拟设备平台的搭建，促进学生个性化发展的学习方式可行性。然后以虚拟课堂和真实课堂相互配合为理论基础，采用5G的技巧解决随时随地的学习问题，构建适合该技术的课堂教学设计方法，并拟采用大数据进行学情分析，形成每位学生学习情况的数据报告。最后对传统教学方法、教学模式进行综合和归纳，建立具有5G的VR/AR技术特点的高等教育教学情景。从课堂提取的5G的VR/AR技术应用的通用性和实用性的角度，探讨建立该技术应用在高等教育教学方法的理论框架、教学设计和实训平台搭建。

1  基于5G的VR/AR教学情景设计策略

运用虚拟现实技术（VR）和增强现实技术（AR），坚持真实、易于导航、内容适度、反思性强的原则，厘清VR/AR技术的应用场合[3]，明确学习目标，为后续课堂教学方法的制定奠定基础。再考虑逼真的教学场景，明确教学场景需要的物品，利用VR技术进行对象建构，更好地充实课堂教学内容。基于5G的VR/AR课堂教学情景设计如图1所示，从应用场合、学习目标设计、教学场景设计三方面展开，为后续教学内容、教学方法的设计奠定基础。

以我校电子类“传感与检测技术”课程为例，该课程作为一门必修课程，学生学习人数较多，对上课场地、实验场地需求量很大，相应的对课程实验设备的要求也较高，如差动变压器的特性分析及应用章节中的测微头仪器，精度要求极高，且价格昂贵，易损坏。引入虚拟仿真技术，构建一个逼真的、具有视听触等多种感知的虚拟实验环境，使学生产生身臨其境的感觉，一方面解决了课程授课仪器不足、易损坏以及实验现象不易重建、课时少等问题;另一方面激发学生的学习兴趣，可借助电脑反复进行仿真调试，对学生深入理解电磁互感原理并能将其实际应用起到极大的促进作用。仿真实验的灵活性能提高学生的创新思维能力，且老师也能在后台时刻关注学生学习动态，借助虚拟仿真反馈数据了解学生的学习进程，缩短传统课堂的上课时间，提高学生的学习效率，不断丰富和强化教学内容，提升教学质量和教师授课水平。

2  基于5G的VR/AR教学方法设计

基于VR/AR技术的课堂教学由虚拟教学环境、教学资源、教师、学生等元素组成。首先，虚拟课堂需要良好的互动体验。利用VR技术还原历史场景、模拟真实场面，利用AR技术进行界面设计，让学生通过互动进行情景与知识串联，形成整体认知能力、系统分析与综合设计能力。其次，虚拟课堂[4]需要融合课程内容。VR/AR技术支持下的课堂首先要以内容为核心，进而安排活动任务，完成教学目标。最后，虚拟课堂需要重视师生角色定位。在虚拟课堂中，项目式学习是最常 采用的，教师是学生课堂学习的指导者，学生以个人或小组形式收集资料、自主探索、获得知识，师生交流和师生答疑等活动可以进一步提升学习效果。教学模式设计如图2所示，根据5G技术衍生的虚拟课堂和真实课堂之间的相互影响，将课堂教学划分为3个阶段，不断地进行课堂教学活动的反馈、探索，拟研发出虚实相融合的教学设计。

以我校电子类“传感与检测技术”课程中的差动变压知识点为例，引入VR/AR技术，该课程在教学体验上采用互动模式，教学内容上采用沉浸式。

（1）互动式：差动变压器AR界面操作模块提供强大的人机交互功能，AR界面操作模块设置演示模式、教学模式、测试模式。其中演示模式以系统自动演示实验为主，包括差动变压器的安装、接线等;学生不需要进行任何操作，以观察为主，旨在让学生熟悉整个实验流程。教学模式下，系统会对实验步骤进行提示，学生只需按照指示步骤操作即可。测试模式下，系统会关闭所有的提示，学生只能按照自己的理解进行操作，如可以通过鼠标、键盘等外部输入设备操作，包括组装变压器设备、安装测微头、连接电路、移动测微头记录数据等操作;在操作过程中，系统会对关键知识通过文字、图画、动画等形式进行讲解，帮助学生理解。

（2）沉浸式：差动变压器相关虚拟课程中，不同的要素会有不同的现象结果，如差动变压器接线布局功能，只有正确的接线方式才有结果输出。在数据分析模块中，学生可根据操作的数据分析对其进行优化;该模块提供扩展思考题，让学生通过沉浸探讨的方式，能对差动变压器有更深入的认识。学生可以一直保持沉浸式学习，多次重发演练，以达到最佳效果。

通过互动式、探讨式等教学方法的应用，可以帮助学生理解电磁互感现象，拓展知识的深度和广度、延伸虚拟内容的时间和空间，从而激发学生的学习兴趣和潜能，调动学习积极性和主动性，培养学生的创新思维和实践能力。

3  基于5G的VR/AR实验实训设计

当下较多课程存在教学设备购置费用金额较大，并且设备部署需要特殊场地，如程控交换、电磁场与电磁波等相关课程，这些理论难度大、实验设备昂贵的课程，根据其教学项目和工作任务，开发基于VR/AR技术的综合模拟实验实训平台刻不容缓。实训平台的主要优点如下。

（1）打破时空限制。基于VR/AR的仿真教学模式，可以让学生随时随地进行在线或离线训练，保证了学生的训练量。

（2）规避风险。真实实验或操作往往会带来各种危险，利用虚拟现实技术进行虚拟实验，学生在虚拟实验环境中可以放心地去进行设备的相关实验操作。

（3）基于增强现实的船舶虚拟拆装仿真教学系统，可以实时与真实环境进行匹配校准，可以与真实场景进行交互，可以对真实拆装进行指导和协助。

（4）VR/AR技术仿真和交互的特性，能将抽象、晦涩难懂的知识以更生动、直观、全面的方式呈现，用沉浸式体验增强学生的代入感。

以我校轮机工程专业的核心主干课程“船舶轮机系统”为例，运用虚拟现实技术和增强现实技术，利用3DS MAX等建模工具，引入高效的Unity3D开发引擎，课题提出开发基于VR/AR的船舶设备虚拟仿真教学系统，系统框架如图3所示。

移动智能手机端基于VR/AR技术，人机交互方式主要采用“触屏”。

PC终端基于VR/AR技术，人机交互方式主要采用“鼠标单击”。

HTC VIVE终端基于VR技术，人机交互方式主要采用“手柄”。

微软HoloLens终端基于AR技术，人机交互方式主要采用“手势”。

在客户端系统运行开始前，服务器端程序进入运行状态并与数据库保持连接，客户端启动后学生通过注册或登录进入船舶设备虚拟仿真教学系统;通过不同的客户端口进入平台后，采用与客户端相对应的人机交互方式与场景进行交互。首先进行船舶设备选择，然后选择模式进行虚拟仿真实验学习;然后通过与船舶设备三维虚拟模型的交互，学习船舶设备的工作原理、以及拆装、操作流程，学生可以边学习边操作;最后平台对学生的虚拟操作过程进行智能评估。

很多船舶设备在实际情况下，需要多人协同操作。为了提高本系统的真实性和用户之间的互动性，本系统实现了多人协同功能。基于增强现实的HoloLens设备系统通过Socket协议让多台HoloLens在同一个局域网内，由一个用户的HoloLens作为服务器端，其他多台HoloLens作为客户端与服务器端建立连接，实现多人协同操作。通过不同的API接口和编程，HTC VIVE、PC、智能手机同样可以实现多人协同功能。该实训平台得到众多学生追捧，提高学生了的学习兴趣，也为我校开拓“人工智能+”教育奠定基础。

4  结  论

随着教育形式与信息技术的不断变革，基于5G的VR/AR技术的应用范围逐渐扩大，尤其在教育领域中展现巨大的应用潜力，本文结合VR/AR技术特点，分析VR/AR技术在教学中的应用价值，阐述VR/AR技术在教学中的应用策略，有助于我们更加深刻地认识到VR/AR技术在现代教学中的用途，为教育教学模式的改革创新实践提供经验和启示。

参考文献：

[1] 李小平，孙清亮，张琳等.5G的发展历程、特点及其对教育理论的延伸 [J].现代教育技术，2019，29（9）：26-32.

[2] 互联网教育智能技术及应用国家工程实验室.5G智慧教育合作联盟成立，中国移动发布《5G+智慧教育白皮书》 [EB/OL].（2019-04-30）.https：//cit.bnu.edu.cn//xydt/73373.html.

[3] 袁磊，張艳丽，罗刚.5G时代的教育场景要素变革与应对之策 [J].远程教育杂志，2019，37（3）：27-37.

[4] 高伟，王昱霖，宋笑迎，等.基于虚拟现实技术下深度学习环境的构建研究 [J].软件，2019，40（5）：42-46.

作者简介：袁丽平（1983—），女，汉族，湖北黄冈人，副教授，硕士，研究方向：智能制造、图像处理。