强专业化课程沉浸式虚拟教学方法研究

杨东升 肖军 闫士杰 陈东岳 潘峰

DOI：10.19980/j.CN23-1593/G4.2022.17.022

摘  要：以电机原理及拖动为代表的强专业化课程，由于其知识体系贯穿“机电磁”，知识点理解难度大，导致单一课堂讲授方式无效甚至低效。文章充分阐述VR/AR技术在教学中应用优势，提出一种基于VR/AR的沉浸式虚拟仿真教学方案，构建教学场景结构和教学方法与策略的VR/AR教学模式，提升学生课堂教学体验。最后对VR/AR技术在高等教育领域中应用进行展望。

关键词：VR/AR技术;沉浸式教学;教学方案

中图分类号：G642       文献标志码：A           文章编号：2096-000X（2022）17-0088-04

Abstract： The highly specialized course represented by "Electric Machines： Principles and Drives"， due to its strong" mechanical and electrical magnetic" coupling， results in a single classroom teaching method that is invalid or even inefficient. This paper fully elaborates the advantages of VR/AR technology in teaching， proposes an immersive virtual simulation teaching program based on VR/AR， constructs a VR/AR teaching system with teaching scene structure and teaching methods and strategies， and improves students classroom teaching experience. Finally， the application of VR/AR technology in the field of higher education is prospected.

Keywords： VR/AR technology; immersive teaching; teaching program

教育信息化是衡量一个国家和地区教育发展水平的重要标志。新时代的教育发展以“数据”为基础，以“开放”为发展战略，以“智能”作为发展目标。想要真正有效实现教育现代化，就必须有效运用各种信息化教育手段。

在新工科背景下，电气工程专业作为高等教育科学发展领域的核心学科和关键学科，教学方法以及教育结构应该适应新时代的要求;加强学生实践能力的培养，在现有的基础上做出必要的改革与创新，才能有效提高学生的综合能力。

随着网络和通信技术的发展，VR/AR技术的理念也越来越受到关注和认可。VR技术具有沉浸性、交互性、真实性三种特性。而三种特性为解决目前电气专业课程的问题提供了新思路。AR技术通过视频显示设备向用户呈现虚拟和真实的场景，这个特点有利于提高学生对于一些抽象的电气专业相关课程的理解。

电机原理及拖动作为高等院校电气工程及其自动化的专业必修课之一，具有较强的科学理论性与综合实践性：该课程不仅有抽象的理论分析与推导，还需要运用物理、数学、机械等基础理论来研究更复杂的实际工程问题。因此，高效的学习掌握课程的核心内容，对于老师和学生来说都是迫切需要解决的问题。

一、基于VR/AR的沉浸式虛拟仿真教学方案设计

针对传统的电机原理及拖动课程存在的弊端及问题，该部分设计了基于VR/AR现实技术的教学平台系统，以电机原理及拖动课程中三相异步电动机的原理为例，利用虚拟现实沉浸、交互等特点，以及增强现实实时交互的优势，在真实的教学场景中建立较为真实的三维立体教学情境，达到吸引学生注意力，提高学生学习积极性的目的，帮助学生更快更好地掌握专业知识与技能。

（一）教学场景的结构设计

搭建基于虚拟现实/增强现实的教学场景是整个教学过程中最重要的步骤之一，核心目标就是充分运用虚实相结合、立体化呈现、实时交互等技术优势，弥补传统课堂教学环境的欠缺。教学场景的创建不仅要遵循真实教学场景设计的原则，而且要将学科知识直观地表现出来。此外，教学平台必须易于操作，随时随地都可以使用，因此这对整个教学场景的硬件和软件建设提出了很高的要求。因此，本文将对整个教学平台的功能进行模块化处理。

1. 三维空间立体显示大屏系统

老师可以利用大屏立体展示每节课需要进行的教学内容，包括三相异步电机的三维立体结构等，并且毫不费力地与学生共享各个部分的具体结构，例如定子铁心及冲片，定子绕组的联结方式，通过虚拟成像将转子绕组中的电动势、电流等立体地呈现在三维空间显示大屏，并且根据学生的即时视觉进行行动视觉调整，当学生的视野从左向右偏离时，他们不仅可以看到前后场景，还可以观察左右两侧，呈现更加贴近自然的视觉效果;另外，老师也可以轻松地发送每节课的课件和作业，呈现清晰的声音和高质量的智慧课堂。

2. AR人机交互系统

该模块作为教学场景的交互中心。参与上课的学生可以拿到类似于操控笔的控制笔或者带有微型传感器的数据手套，AR人机交互系统可以快速捕捉到相关信息，确定学生所在位置，这样，学生可以轻松地对眼前的电机等模型进行交互。通过控制笔或者直接用手可以轻松地将悬浮在空气中的模型进行研究与观察，学生可将电机的各个部分进行拆分，从多角度观看绕组的展开，对比不同槽数，不同极对数下绕组的分布方式与展开图，理解不同的绕组组成方法下电动势大小等，通过对三维立体的电机模型进行旋转、拆分等操作，从而直观地观察电机的真实结构以及电机在旋转时磁场变化的情况;学生也可以通过操控笔来移动绕组的连结方式、调节电流或者电压大小，进而实时了解电机的运行状态。通过直接、自然、高效的方式实现学生与虚拟环境的互动，提高学生的体验感。

3. 智能终端输入系统

该模块可以同步控制大屏幕系统课程内容的播放，打破传统多媒体教室授课状态，创造一种新的教学环境，使学生具有更强烈的体验感。老师通过对预先准备好的授课内容进行呈现，在讲解过程中，可以实时对一些重点难点内容进行批注，与此同时，学生端也可以接收到对应的内容，例如，当老师对三相异步电机的导体电动势公式进行推导时，学生可以随时进行提问，对有疑问的符号标注之后，简单的问题系统将自动给予解答，对于其他问题，老师及其他同学可以同步接收，并进行解答;通过与学生的近距离沟通，可以有效提升教学效果，及时修改教学内容以适应不同类型的学生。打造更高效、更具有体验式的新型教学环境。

4. 三维建模系统

该系统选取一个开源的AR（增强现实）SDK-ARToolKit开发包和Unity引擎等开发工具开发教学相关的三维场景和模型。利用3Dmax对电机的一系列模型进行设计与建立，利用不同的颜色将各个部分进行区别，同时把电流电压和磁场等抽象出来的事物进行具体化，使得学生能够直观地感受到这些物理量的存在;另外，可以建立对应的三维模型库，按照电机的分类，建立直流电机和交流电机两个大类，在每个大类里面进一步细分，这样，老师在上课时如果需要可以直接调用库中的电机模型，或者先进的模型再进行修改加工，从而实现老师和同学与电机模型的交互，实现虚实结合。

5. 远程异地教学系统

该模块为集群式部署教室，多间教室同步管理，灵活地实现了智能视频录制、课堂直播、课后视频点播、教学评价和资源管理等多种功能，实现多个班级同步学习，互相交流，提高学习效率，避免同一堂课需要老师讲授多次，减轻了老师的负担。

（二）教学方法和策略的设计

基于VR/AR的沉浸式虚拟仿真教学方法需要把课堂内容与真实环境及虚拟环境相结合，将老师上课所需的内容及相关素材存储于系统中并且进行信息传递，不仅需要充分激发学生的积极性，也要发挥老师的指导作用。所以，本文将引用探索式教学方法，吸引学生使用VR/AR（虚拟现实/增强现实）相关设备主动学习，改变传统被动学习的状态，有效调动学生的积极性，高效完成课堂教学。

1. 理论课程教学设计

在理论课中，学生佩戴HTC VIVE头戴式显示设备，配合虚拟现实技术的特点沉浸于课堂的教学中，课堂难点简单、形象地呈现在学生面前，学生可以充分地投入到课堂之中，学习效果大大提升。老师根据课程标准和教学大纲，利用三维空间立体显示大屏等系统对每堂课程的教学目标和重难点以及需要掌握的其他技能进行梳理和罗列，从而有计划地组织安排授课资源。

（1）基础知识讲解：采用三维交互式动画以及文字的形式展示电机结构和相关理论，老师将复杂抽象的知识点，拆分成小部分，通过利用AR人机交互系统对每一小部分知识点进行讲解，通过虚拟仿真系统生动、形象地展示电机结构及原理的内涵，让学生易于理解。

（2）合作探究：以团队为单位进行知识学习，结合VR/AR技术进行电机结构的探索与学习，亲身感受电机的内部结构与机械特性等。充分利用增强现实/虚拟现实技术以及三维图像建模技术，对电机模型进行放大，使学生可以进入电机内部，身临其境地进行探索，从自己的兴趣出发，结合所学的电机相关知识点进行一定的自由探究，从而激发学生的自主探究能力。

（3）增强现实训练：通过场景漫游、交互操作、设置任务、完成任务等过程，完成每一块任务的学习和巩固。

（4）总结与评价：最后针对每堂课上学生的表现情况，利用系统预先设定的评分机制对每个同学的每个教学阶段进行评价与打分。

2. 实验课教学设计

虛拟现实实验以及增强现实实验，可以真实还原实验的效果，不仅方便上课教师的讲授，也方便学生课上、课下的练习。虚拟实验系统具备的科学性使得实验误差大大缩小，沉浸式的课堂体验也能快速吸引同学们的兴趣，具有较好应用效果。下面以三相异步交流电动机为例进行阐述。

（1）内容讲授：老师可以利用三维空间立体显示大屏向学生展示本次实验课的实验目的及原理，通过AR交互系统，结合理论课所学的相关电机知识，动态展现异步电机空载和堵转时的转速、电流等参数的变化情况，向学生剖析实验原理。

（2）操作演示：根据已有的实验理论，老师通过AR人机交互系统进行实验演示，以空载实验为例，对真实的电机模型进行操作，首先连接虚拟电源，根据电机铭牌选择合适的仪表，调节电机模型上的频率参数使f=fN，在三相电压对称条件下，打开电机模型中与负载的联节轴（不带负载），按照实验接线图，将各个部分连接，调节调压器的电压，电机模型对应的电流、功率等数据将自动记录。学生可以通过设备观察到老师的操作演示视频。

（3）学生自主学习：在老师操作的过程中，学生可以选择通过AR人机交互系统与老师的操作演示视频学习实验操作，通过沉浸式教学进入虚拟的电机实验现场，用手拿住空中的电机模型并进行操作，当操作错误时，电机模型将模拟实际的情况给出虚拟的反应，例如当学生将调压器电压调得过大时，电机将烧坏并且给出正确操作的提示，同时显示可以选择新的电机模型继续进行实验;当正确完成所有的操作任务之后，系统将自动给予一定的奖励。通过场景漫游、交互操作、完成任务等过程，“真实”而又安全的完成每一个实验项目的操作训练。

（4）总结与评价：学生进行实验操作的每一个步骤都将记录在系统中，并且最终影响学生的实验课成绩，同时，老师可以随时查看每一小组以及每个同学的操作情况，结合系统予以指导和点评。

对于最后的成绩评定与考核，通过VR/AR教学系统，学生在课堂上完成测试，根据对测试结果的数据分析，对错误率较高的知识点重新温习，让学生充分掌握所学习的知识，重视过程考核。将考核与学习有效结合起来，使考核对学生能力提升产生良性影响。采集线上线下教学的全部数据，根据综合考勤、随堂测试、活动参与情况等进行评分。此外，利用科学数据法统计并分析学生学习效率和知识掌握的情况，对教学和管理模式进行科学决策并及时调整，从而有效提高学生对于知识掌握程度。

二、VR/AR技术在教学中应用的优势分析

传统教学存在着如下诸多的问题：（1）老师操作多，需要浪费很多精力在做重复的事情;（2）对于抽象的概念和理论，学生难以理解知识点;（3）现实条件限制，学生动手机会少;（4）线上直播课程没有一套统一完善的授课内容，难以实现线上+线下课程相结合。与传统教育对比，VR/AR技术应用于教育有如下诸多优势。

（一）VR/AR技术为学生自主学习提供了有利条件

VR/AR教学资源有多种形式，也有着多种分类方式，根据所依靠设备的异同，将教学资源分布于各个平台，通过使用远程异地教学系统录制的三维教学影像，学生可以随时随地进行自主学习。并且可以重新调用系统储存的内容进行学习，进一步巩固和理解知识点;有时学生由于特殊原因不能在课堂上学习，他们也可以在课后利用其他时间来弥补。同时，可以利用VR和AR设备作为载体，为学生提供自主学习的条件，老师不需要对同一堂课进行重复讲解，这样有效节约老师的时间，可以针对学生的疑难问题进行解答，有助于传统教学方式的变革。

（二）VR/AR技术为学生提供更加真实的情景

在传统的课堂教学中，知识的传递形式较为单一。遇到比较复杂的情况，比如电动机绕组的连结方式等，老师通常很难通过简单的语言把三角形接法和星形接法描述清晰，学生也很难理解;同时，由于学生之间的个体差异，对于抽象事物的理解程度不一样，产生的教学效果也不尽相同。

当我们采取VR/AR技术进行教学活动时，可以突破现实条件限制，通过三维动画技术，将抽象的概念和理论转化为三维立体的图像。情景沉浸式、VR全景式教学让学生在虚拟的世界中拥有更多真实的动手机会，提高学生的实践能力和感官认知能力，让学生能够直观地感受到言语无法表达的知识。通过身临其境的三维教学场景和智能触摸互动产品，学生可以获得传统教学课堂无法提供的沉浸式学习体验，实现更高程度的知识留存。

（三）VR/AR技术能提高学生的学习兴趣

虚拟现实/增强现实技术可以给学生带来全新的感知与体验，沉浸感和自然丰富的互动体验不仅极大地激发了学生对于知识的兴趣与渴望，而且为学生提供了其他技能的学习机会，例如与他人合作的能力，观察能力，动手实践能力等，进一步加深了学生对于知识的理解与构建。传统的教学方法是老师站在讲台上结合PPT与黑板对知识进行讲解，这种方式让很多同学觉得枯燥乏味，但为了考试不得不机械的记忆，但学生们考完试后，很多知识很快就被遗忘;基于VR/AR的沉浸式虚拟仿真教学方案综合了虚拟现实和增强现实技术的各个优势，并且具有多种感官一体化的效果，学生可以体验真实的情境，穿越时空的边界，通过动态交互的感觉，可以沉浸在书的海洋中。

（四）VR/AR技术应用能促进优质资源均衡化

在經济发达的地区，教学资源及师资都比较雄厚，教学设备相对先进，与穷困落后的乡村形成了鲜明对比。而VR/AR技术的应用将有效解决这一问题，基于VR/AR的沉浸式虚拟仿真教学系统可应用于各个学校，进而实现全国同步教学。名师录制一次讲解课程，可重复使用，可投放到任意一个情景沉浸式教学空间。既节约了教育成本，又提高了老师讲课的效率，同时，这也是一种更好的方式来帮助贫苦地区甚至教育不发达地区的同学享受更好的教育。同时，这也为社交媒体宣传、教育领域交流提供一个展示的平台。

三、结束语

与传统的教学方式相比，基于VR/AR的沉浸式虚拟仿真教学方案为学生提供了更加生动的教学环境，让学生沉浸在虚拟现实的学习氛围中，不仅给老师提供了便利，也使得学生更主动地去学习专业知识，享受学习的乐趣。

随着VR/AR技术在教育领域被应用，一些新的问题也随之而来。最重要的问题是使用VR/AR应用程序和生成内容的难度。特别是，开发3D对象需要技术知识，不少学生和老师对虚拟现实/增强现实的使用存在一定的偏见。除此之外，由于现在虚拟现实技术/增强现实技术还没有发展的十分成熟，在显示、输出、图像识别等方面还没有达到理想的效果，因此广泛应用于教育领域还需要更加深度的研究。另一方面，熟练使用VR/AR的老师和同学必须具备一定的相关知识，还有同时使用或者操控多个设备的能力，这对于学生来说也是一个挑战。

虽然虚拟现实技术/增强现实技术在教学中还存在很多问题，不可否认的是它扩大了学生的知识结构，改变了传统的教学方式，未来VR/AR技术将广泛地运用在教育领域，并且得到学生和老师的认可，为高校师生提供非常丰富的教学手段和内容，成为未来教育不可或缺的一部分。

参考文献：

[1]《教育部2021年工作要点》：积极推进教育信息化建设[J].现代教育技术，2021，31（2）：1.

[2]齐振超，田威，王珉.智慧教育理念驱动的“新工科”专业课程教学模式探索与实践[J].工业和信息化教育，2021（1）：20-27.

[3]周忠，周颐，肖江剑.虚拟现实增强技术综述[J].中国科学：信息科学，2015，45（2）：157-180.

[4]许孔扬，胡幸鸣.《电机与拖动》教改的实践[J].机械职业教育，2002（11）：30-32.

[5]雷浩鹏，辛玲.基于增强现实技术的沉浸式教学方法设计研究[J].计算机教育，2019（1）：130-133.

[6]张济麟，张艳鹏.应用VR及AR技术的虚拟仿真实验设计与实现[J].软件，2018（8）：202-206.

[7]万华明，吴军，易力.可管理开放式智能网络化多媒体教室教学系统的设计构建与实现[J].江西科学，2005，23（3）：259-262.

[8]马特·邓利维，克里斯·戴德，丽贝卡·米切尔，等.沉浸式增强现实仿真对教学的启示和局限性[J].戏剧之家，2019（29）：135-143.

基金项目：2019年辽宁省“兴辽英才计划”资助项目“功率磁悬浮储能装备智能感知”（XLYC1902055）、“优化控制与故障诊断关键技术研究”（XLYC1902090）

作者简介：杨东升（1977-），男，汉族，辽宁抚顺人，博士，教授，博士研究生导师，研究方向为能源系统数字化、能源互联网的人工智能控制。