基于“5G+无人机”的VR/AR技术在给排水科学与工程专业教学中的应用

张倩　李孟

摘 要 给排水科学与工程专业是一门工程性、实践性很强的专业，传统的理论和实践教学存在着一些不足。基于“5G+无人机”的VR/AR技术应用在给排水专业教学中有着显著的意义。将其应用于给排水专业教学的相关课程中能带来智能教学的改革，主要包括给排水专业理论课程、给排水课程设计和毕业设计以及虚拟实验室仿真实验教学，提高了学生的学习积极性和学习效率，取得了良好的教学效果。

关键词 5G+无人机 VR/AR技术 沉浸式教学 课堂应用

中图分类号：G642                                 文献标识码：A  DOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.11.013

Application of VR/AR Technology Based on "5G+ UAV"

in Teaching of Water Supply and Drainage

ZHANG Qian， LI Meng

（School of Civil Engineering and Architecture， Wuhan University of Technology， Wuhan， Hubei 430070）

Abstract Water supply and drainage is a specialty with strong engineering and practice. There are some deficiencies in traditional theory and practice teaching. The application of VR/AR technology based on "5G+ UAV" has significance in the teaching of water supply and drainage. Applying it to relevant courses of water supply and drainage major can bring the reform of intelligent teaching， mainly including theoretical courses of water supply and drainage， water supply and drainage course design and graduation design as well as virtual laboratory simulation experiment teaching， which improves students' learning enthusiasm and efficiency， and achieves good teaching effect.

Keywords 5G+UAV; VR/AR technology; immersion teaching; classroom application

隨着科技的发展和进步，人工智能技术逐渐应用到各专业的教学过程中。随着无线互联网和智能设备驱动的移动数据服务迅猛增长，5G技术带来了一场革命性的突破，使教育教学进入了跨界融合、创新教育的新阶段。随着无人机技术的完善，“5G+无人机”的组合技术让原来在传统课堂教学上难以实现的一些功能和实际应用有了新的机会。“5G+无人机”对教师的教育理念、教学方式以及学生的学习等都带来了重大的影响。

沉浸式教学理论，指的是利用现代科技信息新技术来构建一个新的学习环境，相比传统的课堂教学更接近于真实的学习环境。在这种新的学习环境中，学生完全沉浸在其中，可以更好的完成所需掌握的相关知识和理论的建构。在沉浸式教学的过程当中，学生可以全身心地透底沉浸在当前的教学情境中，并且在虚拟的学习情境中去感受现实情景中的真实场景，这可以更好的帮助学生开展有深度和高效率的学习。[1]

沉浸式的教学方式能够让学生对于课堂上所需学习的知识有更直观、更真切地感受，从而能够深入的理解需掌握的知识。通过沉浸式的教学能有效提高学生的学习兴趣和效率。在教学过程中结合现代人工智能技术，基于“5G+无人机”的VR/AR的技术组合将在未来给排水科学与工程专业教学中发挥更大的作用。

1 人工智能技术

1.1 5G+无人机技术

国务院印发的部署全面推进实施制造强国的战略文件《中国制造2025》的颁布，使得高校开展基于无人机的教学活动越来越多，尤其是在信息化技术和5G通信技术的高速发展下，无人机教学获得了更多的技术支持，从而也开创了高校创新教育的新章程。

无人机是指在飞机上处于无人驾驶和操控的状态下，由远程的终端进行控制，或无人机上装有嵌入式的计算机程序所驾驶的飞机。无人机也可以称为是一种无人驾驶的飞机，它主要是由相关的技术人员进行远程遥控操作的，或者是飞机上装载有电脑，电脑有提前设置好的程序来进行自动控制。从狭义的概念上来说，“无人机”可以被定义为是一个空中的飞行平台。而无人机系统是由无人机本身、地面控制站、通信数据、飞行器及通信相关设施设备组成的。[2]

当前，在5G、云计算和大数据的支持下，可以说无人机技术正在不断地朝着高度智能化的方向进行快速的发展。将5G技术和无人机技术进行有效的融合，构建“5G+无人机”技术，是人工智能发展过程中的重大创新。[3]将5G引入到无人机技术中，会极大地推动课堂教学过程中信息化的改革，促使学生在课堂学习中自主发现问题、提出问题并最终学会自己解决问题。

目前，“5G+无人机”技术正在教学活动中逐步得到应用。“5G+无人机”技术可以实现多学科的整合，能有效的培养学生自主学习的能力，培养学生的创造能力。通过多学科的融合，使学生对所学的知识有了更深刻的理解和掌握。另外，“5G+无人机”技术还可以与人工智能相结合，能有效的使学生的自主学习能力得到提高，有效的使学生的编辑能力得到提高，有效的时学生的逻辑思维能力得到提高，并且有效的使课堂的教学效果得到提高。同时，“5G+无人机”技术还可以进行协同实际工程项目开展教学，尤其是工程性、实践性强的专业。这可以让学生主动参与到实际工程案例的教学过程中，能让学生通过对实际工程案例的学习，能主动的发现工程问题并最终自己解决工程问题。最后，“5G+无人机”技术还可以实现虚拟教学，实现教学方式的多样化创新。通过虚拟教学和虚拟实验教学等方式，可以让学生很好的将理论与实际有机的结合起来，能有效的提高课堂教学效果。

1.2 VR技术

VR技术能模拟真实的现实环境，给学生带来更加真实的听觉、视觉等方面的感官体验。在传统的课堂教学过程中融入VR技术教学，能够充分地利用VR技术的虚拟手段特点，来有效的实现课堂教学中有关的文字、数字、图像和动画等各个因素之间的相互高度融合，构建了高交互式、场景式的课堂教学情景，具有良好的高交互式课堂教学效果，既丰富了课堂教学过程中学生需学习和掌握的知识内容，同时还有效的增强了学生和教师之间的人机交互，可以实现低延时、高效率的教学反馈，丰富了沉浸式教学的内涵，非常有利于富于创造力和执行力的人才培养。

1.3 AR技术

AR技术也可以称为扩展现实或者扩张实境。AR技术是利用计算机系统中的软件来生成各种各样的虚拟物体和虚拟场景等，并将虚拟的物体或场景叠加应用到真实的场景世界中，从而可以实现增强的可视化画面和实时的高交互性。[4]在平时的教学过程中，教师和学生都可以佩戴上AR眼镜等高科技的特殊设备，进入到由虚拟和真实环境所构建的新环境中进行高交互式的人机交互教学，利用AR技术可以更好的实现课堂教学中对于现实场景信息的有效增强。与VR技术相比较，AR技术可以使得真实的现实场景和虚拟的场景进行高度的融合，带给学生和教师的真实感更加的强烈，师生之间的人机实时交互效果也更加的显著，能够实现课堂教学的快速反馈和及时追踪。利用现代化的信息技术，如大数据、云计算等，能实现AR的高效运行。例如，通过5G技术可以将现场的影像场景实时地传递到课堂教学的终端系统，同时还能实现相关教学内容的高速下载，现场和课堂两个不同场景的实时互动，让课堂教学不再枯燥乏味，同时也为学生带来更好的学习体验，提高学生的学习兴趣。

另外，将VR/AR技术应用在教学过程中，可以在课堂上就同步创造出内容有趣、参与度高的直观式和沉浸式教学效果。VR/AR技术能够实时地将外部世界带到课堂上，也能将教室的课堂教学带到外部世界中。这样的实时应用能够使学生更加真实地体验到不容易实际去到的地方或建筑，甚至是不能去到的地方或建筑内部。

1.4 构建沉浸式教学场景

借助5G通信技术和无人机技术实现对VR沉浸式场景的应用，能有效提高教学的互动性，实现低延时和高效率的反馈。同时，利用大数据和云计算等信息技术实现AR的运行，并通过5G技术将这些影像传递到课堂教学中的相关终端系统，实现教学内容的实时交互，使课堂教学变得更加生动有趣，同时也为学生带来了更真实的、高交互式的学习体验。

同时，在传统的课堂教学过程中还可以充分利用无人机技术、VR技术、AR技术和5G技术，来构建全景的虚拟情景与现实场景相结合的VR实时直播。首先，在无人机上装载全景摄像头进行实时场景的视频拍摄，进行拍摄场景的视频采集和拼接处理;然后，通过5G高速网络，将采集和拼接处理后的视频远程传输到视频服务器上，再传输给课堂里的终端电脑系统;最后，在传统课堂上的学生和教师可以通过佩戴VR眼镜来随时进行实时场景的观看和体验，5G技术保证了现场情景传输的无延迟和高效，可以为课堂上的教师和学生带来了身临其境的现场直播。总的来说，基于“5G+无人机”技术构建的AR/VR课堂教学，可以实现教学内容和教学资源的高速传输，可以实现师生之间高效的人机交互，可以实现高效率的实时输送教学资源，可以构建高效率的智慧课堂教學。

2 人工智能技术在给排水课程的应用

基于“5G+无人机”的VR/AR技术在给排水专业课程的应用主要根据给排水专业的特点和相关课程来进行设置，主要包括：给排水专业理论课程、给排水课程设计和毕业设计以及虚拟实验室仿真实验教学。

2.1 给排水专业理论课程

主要课程包括水质工程学、建筑给水排水工程、高层建筑给排水、水文学与水文地质、水资源保护与利用、水泵与水泵站、给排水管道系统等。

对于此类专业理论课程，可以通过利用基于“5G+无人机”的AR/VR技术构造虚拟的场景，建筑和建筑内部的管道。在课堂教学过程中，教师和学生可以通过佩戴AR眼镜来进行课堂教学中相关虚拟内容的学习。在此基础上，还可以将AR/VR技术与5G技术、云计算技术等相结合，利用5G网络的高速传输特性将AR影像无延迟、流畅的传输到课堂教学的终端系统，使课堂上的教师和学生沉浸在实际与虚拟融合的场景中进行学习，使学生对所学的知识有更深的理解和掌握。[5]比如，教师在讲解某些建筑内给水管道、排水管道和消防管道时，可以通过 AR/VR技术，让学生沉浸式体验实际建筑内部各类管道的布局和走向，更加深刻的理解给排水各类管道的特点和布置方式及注意事项等。这些管道案例一般针对由于距离、时间和管道的相对隐蔽性等原因，学生很难去现场真实体验，而采用基于“5G+无人机”的AR/VR技术能够使学生有真实的身临其境的感觉，学生能够沉浸式的体验所讲授的内容，教学效果要比图纸和模型的体会更深，实现教学的高效率。

此外，还可以依托相关的实践教学平台，进行基于“5G+无人机”技术的实时虚拟与真实场景的VR直播。将摄像头装载在无人机上进行真实场景的实时拍摄，通过连入5G网络将全景视频传输到视频服务器，最后传输给教室的师生。学生在教室就可适时看到实际工程场景，并就实际工程场景提供的内容开展实际工程问题的发现和解决方面的实时工程教学。提高了学生的学习兴趣，提高了给排水专业学生对相关水环境问题的分析能力，同时也使得给排水专业的学生具有解决相关复杂工程问题的能力，提高了学生的综合素质，为其走上工作岗位后尽快地适应从事的技术工作打下良好基础。

2.2 给排水课程设计和毕业设计

针对给排水专业大三和大四的学生开展的相关课程设计和毕业设计，主要包括：水质工程学课程设计、建筑给水排水工程课程设计、水泵与水泵站课程设计、给排水管道设计和给排水毕业设计。

在传统的给排水课程设计和毕业设计中，学生绘制的平面图、立面图、剖面图普遍不够直观，通过二维图纸传递出来的真实感不强。现在，借助“5G+无人机”的AR/VR技术，学生对课程设计和毕业设计有了更加丰富和真实的体验感。在该技术的支持下，可以有效地实现设计内容的可视化和设计环境的虚拟化。学生可以在课堂上随时生成三维的虚拟建筑和管道，学生在课程设计和毕业设计的过程中就可以自己亲身体验到自己所设计的管道是否满足要求，各种管道的空间布局是否合理，给水管、排水管、消防管等管道是否有交叉或重叠等。同时，还可以将虚拟的管道同真实的给水厂、污水厂、建筑等实际场景进行叠加，以检验其在真实环境中的有效性和合理性。

在具体设计的前期方案确定过程中，可以利用“5G+无人机”的AR/VR技术使老师和学生都足不出户，在教室即可方便的查询、体验和研究分析相关的实际案例。在对设计方案进行推敲时，可以通过AR/VR技术构造更强烈的空间感和真实感，使学生身临其境地在场景中任意漫游，感受具体的空间尺度，管道材料与特性等信息，如果发现有不合理的地方，可以对不合理、不满意的地方进行标注，并对其设计方案进行进一步的完善。让学生沉浸在更加真实的设计体验中，可以极大地激发学生的主动性和设计思维。

2.3 虚拟实验室仿真实验教学

主要针对给排水专业非常重要的水处理实验，如混凝沉淀实验、化学需氧量COD的测定实验（Cr法）、清水充氧（曝气）实验和过滤实验等。在课堂教学过程中，往往会因为实验设备和实验场所等方面短缺的问题，导致许多教学实验无法开展。同时，由于水处理工艺流程复杂、构筑物及设备众多，水处理实验室内难以完整模拟，学生通过实验操作很难了解全貌并解决实际问题。对此，可借助虚拟实验室，学生可以在教室中完成相应的教学实验，并获得和在实验室开展真实实验相同的感受和体会，进而强化学生对实验相关内容的理解和记忆。同时，虚拟仿真实验教学还不消耗器材，不受场所、设备等外界条件限制，可重复操作。与传统实验教学相比，不需要学生接触化学药品等，可以说是非常的安全、可靠。水处理实验开展虚拟仿真实验教学，可以在经济性、安全性等方面比传统实验室的教学有着较高的优势，是一种非常行之有效的给排水实验教学工具。

3 结束语

基于“5G+无人机”的AR/VR技术能够（下转第43页）（上接第40页）使学生真实地模拟相应的事物以及环境，同时还可以提供多元化的交互途径以及会话方式，使得学生的学习自觉性和积极性得到了极大的发挥，有效的激发和培养了学生的想象力和创新能力。另外，“5G+无人机”的AR/VR技术有效地促進了信息技术与高等教育的深度融合，创新大数据背景下课程教学与高素质复合型创新人才的培养模式，提高了学生对实际工程问题的分析能力和解决复杂工程问题的能力，为激发学生的学习自觉性和学生创新能力的培养提供了新的思路，培养创新型和应用型人才。

通讯作者：张倩

基金项目：湖北省高等学校省级教学研究项目（项目编号2016132）

参考文献

[1] 徐恩华.人工智能技术下沉浸式教学模式在无人机教学中的应用探索[J].教育教学论坛，2020，（23）：283-284.

[2] 朱珂，王玮，杨露彬.“5G+无人机”技术的教与学：场景、路径与未来应用展望[J].远程教育杂志，2019，（4）：33-41.

[3] 张雪菲.5G 移动网络下环境设计专业教学方式改革研究[J].高教学刊，2020，（27）：133-135.

[4] 李建晶.VR/AR 技术在高校建筑学教学中的应用研究[J].中国房地产（下旬刊），2020，（2）：60-63.

[5] 王鹏，李志强，李彩红，等.VR技术在土木工程教学中的应用研究[J].黑龙江生态工程职业学院学报，2020，（6）：126-127.