本科专业课交互式反馈触动VR教学系统构建

韦常柱 浦甲伦 栾文杰 关英姿

[摘 要] 航空航天类专业的限制使得本科学生缺少参与工程实践的机会，直接影响了专业课的教学效率。基于5G/VR技术，研究构建一种可在教师—模拟设备—学生间实现信息高效反馈触动的教学系统，该系统内置高保真虚拟实验条件与场景，可模拟多种复杂物理过程。通过结合理论知识的工程应用触动操作，学生可完成理论与实践相结合的深层认知学习。该系统的构建与应用可大幅提高学生的实践参与度、理论感知度和知识掌握度，对于实现本科教学改革、提升专业课教学效率具有重要意义。

[关键词] 航空航天;本科教学;交互反馈触动;VR教学系统;5G传输技术

[基金项目] 2019年度黑龙江省教育科学“十三五”规划重点课题“基于5G信息传输的本科专业课VR教学系统构建与应用研究”（GJB1319034）;2018年度哈尔滨工业大学教育教学改革研究项目“导师依托团队学生党支部进行思政教育和党建的实践研究”（JGYJ-2018020）

[作者简介] 韦常柱（1982—），男，江苏赣榆人，博士，哈尔滨工业大学航天学院教授，博士生导师，主要从事飞行器控制与制导、人工智能理论及应用研究;浦甲伦（1979—），男，黑龙江哈尔滨人，博士，哈尔滨工业大学航天学院副教授（通信作者），主要从事飞行器总体设计、目标跟踪与预报研究。

[中图分类号] G642.0 [文献标识码] A [文章编号] 1674-9324（2022）09-0021-04 [收稿日期] 2022-01-19

一、背景研究

航空航天科学与技术是基础理论和工程应用紧密结合的综合学科，相关高校的本科教学中开设了大量的专业理论课程与实践课程。但只依靠教师的理论讲解结合PPT/板书展示来向学生讲授专业知识过于抽象，且由于航空航天类专业的特殊性，在试验条件、成本、安全性等限制因素下，学生缺少实践机会，对众多专业性知识很难有直观、深刻的理解，更无法将其快速应用到实际工程问题中。综上本科生的科研能力并没有得到充分培养，很难直接达到实际工作要求。为加强对我国航空航天类专业本科学生能力的培养，将专业课程进行适应时代需求的教学改革是有效提高人才培养质量和培养速度的关键。

为解决目前本科课堂教学知识过于抽象及实践操作较为困难的问题，VR技术的应用提供了一种较好的解决手段[1]。在基于VR技术构建的教学系统中，学生能够在学习理论知识的同时身临其境地参与虚拟工程应用，可以更好地理解所学，并深化感性认识、促进实践兴趣的产生，从而提高教学效率、保证教学效果。

目前，国内外一些高校及研究院所已经对基于VR系统的教学方式开展了不同程度的研究。美国林登实验室研发创立了开放式虚拟现实平台项目Second Life（SL），让学生成为虚拟世界中的一个角色并在其中进行学习。CAI等人针对能够使初中学生更好地理解、认识化学课程中物质微观结构的需求，设计了相关课程的VR操作实验系统，幫助学生利用手势交互的方式组合操作虚拟微观世界的分子、原子[2]。

反观国内，目前高校应用VR系统授教工科课程的案例极少。仅有清华大学、上海交通大学、北京航空航天大学等少数高校建立了VR技术实验室，且其目的也只是用于进行科学研究与技术开发。

当前限制VR教学系统推广应用的主要问题是虚拟画面存在迟滞、拖尾等现象，直接影响教学体验，而这一问题将随着我国先进的5G信息传输及局域网构建技术的快速发展得以解决。基于5G信息传输技术开发的交互式VR教学系统，可大大提高课堂的流畅度及学生的体验感，保证教学效果。

为解决当前以航空航天类专业为代表的、工程实践需求强但条件受限程度高的本科教育难题，本文分析并结合航空航天类专业学科的教学特点，提出了一种基于5G具有交互反馈触动能力的VR教学系统，该系统可突破试验条件、安全因素等限制，使课堂教学的交互性更强、趣味性更高、展示性更直观。

二、交互式反馈触动VR教学系统的组成与功能

交互式反馈触动VR教学系统利用先进的5G信号传输技术，集VR与多种多媒体教学设备于一体，是实现航空航天类学科新教学模式的基础。

交互式反馈触动VR教学系统由四部分组成：实验室端、教师端、学生端及传输端，结构方式如图1所示。在VR教学课堂中，学生通过VR设备观看教师的演示，同时操作设备进行语音、动作等信息输入，对虚拟环境中的实验设备、环境场景进行操作、装配等，实现信息的交互。教师可以使用教师端向学生分发教学资料、进行实验演示，同时能观测学生的操作情况，获得信息反馈，并向实验室端传输实验操作数据，并接受处理结果，完成授课[3]。为实现上述过程，系统还须具备强大的中央处理单元，以完成大量数据的处理，这便是实验室端的功能，除此之外，还有以5G传输技术为基础的传输端。他们的具体功能如图1所示。

（一）实验室端

实验室端的设备主要用于完成数据的储存和处理，主要由高性能计算模块、输入/输出数据闪存模块及存储模块组成。其中高性能计算模块用于处理来自教师与学生的实验反馈信息，同时对输入的案例快速计算得出过程与结果，生成相应的VR模拟景象。

（二）学生端

学生端可用于完成VR虚拟环境的构建，同时接收教师端的授课信息输入，给予互动反馈，为学生提供多感官沉浸式体验。该端主要由VR头盔、蓝牙耳机、方位跟踪设备和其他辅助硬件组成。VR头盔用于建立VR模拟景象，从而逼真模拟现实环境。蓝牙耳机与计算机系统互连，向学生传输对应场景的模拟声音。方位跟踪设备可实现手势、动作、方位的感知与触动反馈。其他辅助硬件主要包括学生端计算机及其附件，用于接收来自教师端的信息并构建VR景象，以及传输学生的反馈信息。

（三）教师端

教师端除具有与学生端相同的硬件设施外，还配置有交换机作为与实验室端和学生端的信息传递中枢。教师端的系统对学生端具有控制作用，可以实现教学课件展示及实践操作场景演示。此外，还可以设定实验控制阈值，防止学生端上传的不合理数据造成计算错误或虚拟设备故障，同时还可观察学生端的实际操作情况，实时做出指导并获得教学反馈。

（四）传输端

传输端是数据网络实体，通过5G无线传输技术连接实验室端、教师端及学生端，该网络的理论下行速度为10Gb/s（相当于下载速度1.25Gb/s）。在教室中教师端与学生端都配有5G信号接收与发射装置，保障数据的传输，在教室与实验室间还配有多个信号增强站，保障来自每一间教室的信号都能快速稳定地传给实验室端。

由上述四部分构成的交互式反馈触动VR教学系统可实现稳定、高效的交互式反馈触动课堂教学，将显著提升教学效果。

三、交互式反馈触动VR教学设计

交互式反馈触动VR教学系统构建完成后，即可结合航空航天类学科本科课程的具体要求进行教学设计。首先，进行虚拟实验场景的建设，然后设计课堂管理系统、编写配套课件，最终将其应用于航空航天类学科专业课教学中。

为使学生能够通过理论结合实际来深入理解所学，教学系统的应用过程应至少包括两个部分：航空航天类学科的基础理论教学与引导学生结合所学知识进行工程实际应用教学。具体设计与应用过程如下。

（一）虚拟实验场景建设

航空航天类学科课堂教学中使用的虚拟实验场景含有飞行器本体、飞行空间环境、行星表面环境等。虚拟实验场景是通过三维物理引擎模拟飞行器飞行环境、飞行场所、内部结构等，支持模型自动从数据库导入。在构建虚拟实验场景时，先通过图片、影像数据采集飞行器结构、空间环境等信息，并将获得的数据进行标准化，以保证参数准确、可靠及高保真可视化。同时，各模型可以添加不同数据并调整组件以增加交互功能，最后在系统测试成功后，将模型导入资源库，以便即时调用。至此即完成虚拟实验场景的建设。

（二）课堂管理模块设计

航空航天类学科课堂管理模块主要包含以下四个部分（图2）。

1.师生互动系统。包括在线实验消息推送、线上交流和课后答疑等多种功能。

2.学生端系统。分为考评系统、教务系统及操作成绩查询系统，供学生自行管理课程、实验及个人成绩。

3.实验中心系统。该系统用于管理航空航天类学科基础课程的虚拟实验及课程设计，是实验室端的核心。

4.维护系统。是后台控制系统，将由专业人员和实验管理员负责管理和维护。

（三）教学配套课件制作

结合航空航天类学科课堂教学的要求，根据知识点确定教学内容后，由技术人员协助完成VR教学课件的初步设计。之后，由授课教师与相关专家研讨，再进行多轮修改完善，以确保课件内容准确，具有可授性。

（四）交互式反馈触动教学

在传统的基础理论教学中（以“导弹飞行力学与控制”课程中的“比例导引法”讲授过程为例），首先由教师创建数学模型，并抽象描述导弹打击任务，引导学生思考如何应用比例导引法计算导引指令，实现对目标的精准打击。然后利用VR虚拟课堂，展示导弹打击过程的场景，包括发射→追击→迫近→命中的每一个过程均能在视觉上得以呈现，并且采用正视侧视和俯视三种视角从不同的角度观看导弹打击过程，使学生对导弹整个攻击过程有更为清晰的认识。

在此基础之上，教师可更改数学模型中的变量，学生能够直接观察各变量对导弹能否命中和打击作战过程的影响。应用VR设备提供的3D立体场景可对导弹攻击弹道进行展示，极大地深化学生对导弹弹道和导引理论的理解，从而大幅提高授课效率。类似地，航空航天类学科因其独有特色，可将诸多实验教学场景应用VR虚拟课堂进行形象模拟，帮助学生全面了解航天任务全过程，深入领会所学知识。

四、应用前景

随着VR技术的不断完善及我国5G通信系统的快速构建，VR教学系统广泛应用于本科教学之中正逐渐成为现实。VR教学系统有交互性强、直观性好、趣味性高等优势，将其应用于航空航天类本科课堂，可解决传统课堂形式面临的诸多问题，大幅提升教学效率。在当前多媒体时代下，该教学系统的构建和应用模式具有广阔前景。

（一）VR教学系统将构建新式教学环境

由VR系统构建虚拟化实验室，将普通课堂与实践操作紧密结合，让学生在“虚拟实验环境中”学习，既提高了学生对理论知识的学习兴趣，又可使其充分理解所学知识的工程意义，且能够及时、便利地与教师交流问题、交互心得，突破了传统课堂模式的限制。

（二）VR教学系统带来授课方式的变革

目前课堂教学中大多仅采用PPT或教学视频等进行形式较为单一的辅助，而VR教学系统则可让学生沉浸在虚拟环境中，通过视觉、听觉、触觉等多感官与系统进行交互体验，多种形式、全方位地接受知识的输入，得到印象更为深刻的体会。

（三）VR教学系统可助力课堂教学质量提升

目前本科专业课堂教学中缺乏师生互动的手段和条件，仅能通过作业、考试等方式了解学生的学习情况，无法实时掌握学生的学习动态，授业效率较低。而在应用VR教学系统的课堂上，教师可以在主机端全程观察、指导學生的实践操作过程，及时、准确了解学生存在的问题，并据其适当调整教学内容与进程，从而最大化提升教学效率。

（四）VR教学系统可节约资源、降低成本

VR教学系统内设的虚拟环境，可突破时间限制和空间约束。特别地，航空航天类学科教学涉及的对象往往成本高昂、难以购置，而通过虚拟技术手段对其进行构建则可在大大降低成本的同时达到几乎等效的操作、学习效果。另外，学生也可视知识掌握情况进行多次、长时操作，无须受成本、设备耗费、安全等条件制约。

本文提出的交互式反馈触动VR教学系统，内设对应讲授内容的虚拟环境和模拟设备，学生可对其进行多感官度的反馈触动操作，从而深层强化理解所见、所闻、所学，同时动手能力与创新能力也将得到充分锻炼。该系统对应的交互式反馈教学方式，也将有力促进师生交流、调动学生的学习积极性、提高学生的学习效率，从而有效提升整体授课效果。

參考文献

[1]李书杰，郑利平，谢文军，等.虚拟现实（VR）教育的问题与思考[J].计算机教育，2019（2）：41-44.

[2]CAI S， WANG X， CHIANG F-K. A case study of augmented reality simulation system application in a chemistry course [J]. Computers in human behavior， 2014（37）：31-40.

[3]刘洁，王庆扬，林奕琳.5G网络中的移动VR应用[J].电信科学，2018，34（10）：143-149.

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