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过程仪表课程教学中混合现实技术的探索

2021-12-24 61 上传者：管理员

摘要：混合现实技术(MR)是继虚拟现实技术(VR)、增强现实技术(AR)之后，建立在人类自然知觉之上的全新数字化全息影像技术，能实现同一场景内真实物体与全息影像共存，并能实现现实、虚拟和用户之间的信息交互与反馈，给用户带来一种难以置信的沉浸式视觉感受。目前，在过程仪表课程中重要的工业仪表和传感器的课程讲解，普遍采用的是实物展示、图片、视频展示，都属于单向传播，无法引起受众的共鸣。同时学校由于仪表短缺、师资不足、实验环境和经费限制等原因导致教学成本居高不下，使得教学效果并不理想。而将混合现实技术应用于过程仪表教学中可有效解决教学过程中课程资源匮乏、缺少互动、师资力量不足与学生评价体系不合理等问题，形成一种全新教学模式。但混合现实技术应用于过程仪表教学，也面临一些挑战，如MR设备价格昂贵，配套教学资源短缺等挑战。为了更好地提升过程仪表课程的教学效果，如何将混合现实技术应用于过程仪表教学中值得进一步去研究。

关键词：
实时交互
教学效果
教学模式
混合现实技术
过程仪表
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随着人工智能技术的革新和变革，混合现实技术也慢慢走近人们的视野。混合现实(MR)是在增强现实(AR)和虚拟现实(VR)的技术基础上发展起来的，弥补了它们的不足，实现了虚拟世界与现实世界的交互，使用户犹如身临其境[1]。基于MR技术的优点，越来越多的教育研究者试图将MR技术应用于教育中，而当前国内外已将MR技术应用于教学、数字博物馆、医疗等领域。在学科课堂教学方面，牛凯、卢洋等将MR技术应用到体育教学改革中[2]；吴睿等人研究了MR技术与态势感知在心脏大血管外科临床教学中应用的可行性[3]；在非物质文化遗产教育方面，张静探讨了MR技术在艺术交互式传播中的优势，并以敦煌飞天艺术流动之美为例，用MR技术将虚拟物像展示在现实空间，并能实现师生完美的互动融合，使用户有种沉浸式体验[4]。

在医学领域，MR技术的应用还处在起步阶段，尤其在神经外科和内科中的应用鲜有报道。张超超等人描述了MR技术在神经外科领域的研究进展，包括术前计划和术中指导、医患沟通、教学轮次、医师培训等[5]。RaiAT引入MR技术来实现神经内科手术的远程教学，通过使用光学头戴式显示器进行远距监护，当督查者佩戴显示器就能够看到患者当前的情况，同时还具有与操作员进行虚拟交互的功能[6]。在技能培训方面，孔玺等人[7]分析了MR技术在医疗卫生、建筑与电气工程、军事、游戏等领域技能培训的应用前景，该成果对探索MR技术在技能培训与教育的深度融合和创新发展上具有一定的指导意义。

目前，教师在讲解过程仪表课程中的仪表和传感器时，普遍采用的是教学实物展示、参观企业生产过程等方式，属于物理方式。随着多媒体技术的发展，教师讲解复杂仪表内部结构时普遍采用图片、视频等形式，但是不管是采用实物讲解，还是通过多媒体展示，都属于单向传播，无法引起学生的共鸣。这种讲课形式很难使学生彻底了解到仪表的内部结构和工作原理，长此以往学生会感觉到单调、乏味，丧失学习兴趣。当前学校面临仪表短缺、师资不足、实验环境简陋和经费限制等问题，加之教学配套资源不完善，使教学效果大打折扣。针对传统教学中存在的这些问题，有望通过MR技术来弥补，使过程仪表教学更加直观、精准和高效。本文旨在探究混合现实技术(MR)在过程仪表教学应用过程中存在的问题，以期改善当前的教学现状。

1、混合现实技术

混合现实(MixedReality，简称MR)是由两部分组成，分别是增强虚拟和增强现实。MR技术是在现实场景中呈现虚拟场景信息，然而它并不是简单地将虚拟信息叠加到现实场景实物上，而是能实现虚拟世界与现实世界实时自然交互，还能与用户实现反馈，让用户感觉处在一个真实的环境中。这一理论是从SteveMann提出的介导现实(MediatedReality)演化而来的。

MR技术能同时在一个显示设备中呈现虚拟与真实的世界。如图1展示了MR技术与现实世界和虚拟世界的关系，在图中的两极分别是现实世界与虚拟世界，它们分别向内延伸就形成增强现实与增强虚拟，而处于中间的增强现实和增强虚拟之间构成一个连续集，在连续集之间的任何位置就是混合现实。将图1组成的系统叫做混合现实构成体，MR技术实现的关键就是能与现实环境信息进行交互和及时获取关键信息。当用户在真实环境中移动事物时，虚拟物体也随之位移而做出相应变化，并实时互动。

2、混合现实技术(MR)应用于过程仪表教学

2.1 构建仪表结构、工艺流程的全息数字化立体影像

过程仪表是自动化专业的一门核心专业课，该课程主要讲述自动化控制系统中使用的主要仪器仪表的结构、工作原理和应用，具体包括：变送器(温度、压力、流量)、控制器、执行器等仪器。这门课程对以后从事自动化方面工作的学生具有重要作用，而学好本门课的关键就是掌握过程控制仪表的主要结构、原理及使用方法，并能对现场出现的仪表故障问题及时进行处理。

在过程仪表教学过程中，由于仪表短缺、师资不足、实验环境简陋和经费限制等原因导致教学效果不佳，在实际上课中教师大多采用多媒体教学，虽然多媒体教学有其一定优势，它能通过文本、图片、动画等多样性的形式展示课堂内容[8]，但是多媒体展示的实物都是二维的，讲解内部复杂结构时不能完全将各部分构件呈现在学生面前，还需要学生通过想象来理解，如讲解仪表内部复杂电路系统时，由于现在都是集成化的电路板，很难看出电路构成元件和控制原理，以图片展示又难以激发学生兴趣，从而影响到教学效果。如果教师过分依赖多媒体，将授课内容几乎都呈现在课件上，照着课件读，这完全是一种填鸭式教育模式[9]。对于部分复杂零部件的相关知识难以用实物进行讲解，那长此以往学生就会对所讲内容失去兴趣，大大降低了课堂效果。而MR技术能够实现同一场景内过程仪表的真实物体与虚拟影像实时共存与交互，并能达到突破时间和空间的局限性，使学习者达到完全沉浸于真实的学习环境中的效果。可见借助MR技术有望解决传统过程仪表教学中存在的难题。

目前MR技术已经广泛应用于医学领域，如KobayashiL等[10]人将病人CT扫描的图像使用AutodeskMaya软件进行建模和渲染，生成病人扫描部位解刨结构的全息影像，然后将生成的全息影像数据传送到MR眼镜设备和连接的显示器上，并将颈部和胸部解剖结构与病理学的分段重叠到物理任务训练器上，进行基于模拟的“盲插入”有序训练。教师同样可以利用MR技术，将仪表通过断层扫描设备采集到的影像数据来构建它的全息数字化立体影像，借助MR眼镜使相应的仪表内部结构和如何运作真实、立体地呈现出来。这样就能更加直观、清楚地了解仪表结构和其工作原理。在实训培训中，学生能通过虚拟的过程仪表进行反复多次的拆解和组装来锻炼实践操作能力，加深学生对于复杂零件及原理的感知和理解，进而提高教学效果。

同时，在构建好的全息世界中师生可同时进入，教师与学生共同完成课程内容，对于学生遇到不理解的部分，可以将其拖拽出来放大，学生可以通过小组的形式进行互动探讨，教师完成补充答疑解惑。MR还有一个巨大的优势就是不受教学场地的限制，学生在教室通过MR设备就能亲身感受到仪表的零部件构造和工作原理；同样可以将现实中过程仪表的经典生产过程控制系统利用MR技术进行虚拟化，学生戴上MR设备就可以直观地看到整个生产制造过程；也能针对教学任务当中的重难点知识进行反复深入地讲解，比如控制器、执行器、计算机控制系统等。总的来说，教师使用MR技术可以克服教学仪器设备匮乏、经费不足、实训场地限制等问题，缩短培训周期，提高教学效果。

2.2 采用大数据平台进行教学质量评价

教学质量评价体系作为影响院校整体教学质量的重要因素，其结果一方面关系到人才培养目标的实现，另一方面关系到教师教学的积极性以及今后的课改方向。然而，现阶段院校在过程仪表教学质量评价过程中仍存在着一系列问题，制约着整体教学质量的提升。当前主要面临的问题有：课程设置的评价目标不合理以及教学评价不够细化；整个评价指标过于单一，没有根据学生与专业特性进行评价指标的设定；在教学评估的过程中容易受到主客观因素的影响，很难把整个教学评价数据全部记录下来。这使得整体评价缺乏科学性。而采用MR技术建立的课程平台完全可以解决以上问题，该平台能排除人为因素的影响，具有完备的数据存储系统，采用人工智能算法对数据进行分析，使整体教学质量评价过程更科学。

在采用MR技术讲解过程仪表时，学习效果的评估活动可以在MR技术建立的课程平台上进行。同时教师能与学生进行互动，相互之间进行交流讨论，教师也可以通过该平台进行动态监视和观察学生学习过程与动手操作水平，该平台还附带数据收集的功能，并对学生操作过程中不合理的地方加以提示。教师在教学过程中采集到的大量数据可以通过大数据算法和人工智能[11]来分析学生学习过程、完成进度、学习时间，然后以图表的形式展现，从而科学分析学生的学习效果，以及学生在学习中存在的问题，并以此来指导教师改进教学方法，完善授课内容，从而更好地提升MR技术教学效果。整个教学过程的采集数据完全可以保存到后台服务器，当需要对学生进行考核评价时直接调出数据即可，这样即直观又有说服力。

3、MR技术应用于过程仪表教学中有待解决的问题

近年来，MR技术已经广泛应用于医学、汽车教学、数字博物馆等领域，从实践结果来看MR技术的成功应用，可以显著提高学生的学习兴趣，节约成本，降低风险，实现资源共享，打破时间和空间的限制，但将MR技术广泛应用于实践教学中还存在一些关键问题亟待解决。

3.1 MR技术设备昂贵，资金投入大

MR技术的研发与制造成本较高，是制约当前MR技术发展和推广的一个主要原因。当前只有少数公司针对客户需求研发MR技术在不同行业的应用，但针对教学使用的MR资源设备较少，现有的这部分资源只是针对个别案例设计的供学生体验的设备。如果需要整套MR过程仪表教学设备，则必须找特定公司针对教学实际需求定制设备，从而导致设备价格昂贵，并且后期相关的服务也需要大量资金投入。而每个学校用来购买教学器材的资金有限，无法大量购买，并且不能把所有钱都花在一个项目上。如果只是购买几台MR设备也就只能起到演示作用，无法满足教学需求，对教学效果的提高不大。但想做MR技术的企业也想推广自己的产品而苦寻市场，这样学校就可以与企业合作，实现双赢。同时，随着科技的发展，MR技术的研发和制造成本肯定会逐渐降低，在不久的将来肯定会广泛应用于教学。

3.2 MR技术应用于过程仪表的虚拟化资源匮乏

当前网络上出现的一些MR技术资源大多是企业进行宣传、娱乐化的产品，针对某一领域的全套MR资源根本没有，更别说针对过程仪表的MR虚拟化教学资源。虽然现有Mozaik3D软件能开发虚拟教学资源，但是仅靠个人或几个专业老师完成有些不现实，这主要是基于MR技术的过程仪表教学设计涉及到的内容广泛。一方面，采用MR技术制作产品，需要开发者具有很高的计算机水平，而学校过程仪表专业课老师普遍不具有利用MR技术开发过程仪表软件的技术。另一方面，MR企业中的研发人员对过程仪表这门专业的了解也很少，这就导致双方都孤掌难鸣。所以可以采用校企合作的模式，组建一支包含本专业和MR技术人员的团队共同研发设计，以满足实际需求。

3.3 MR技术发展有赖于人工智能、大数据的发展

MR技术最大的特征之一就是能实现实时交互，而这一功能的建立需要在人工智能和大数据的基础上，如对在交互中的手势识别、语音识别、情景感知等行为的响应，都需要后台的人工智能技术采集数据，并存储到数据库中。而对相关数据的分析则需要用到人工智能算法，如深度学习与模拟算法。当听课学生较多时，采集到的数据规模也较大，若要快速做出响应就需要用到大数据的相关算法与设备来提高相关数据的处理速度。如在全息影像中对建立的虚拟模型进行放大、缩小、拖拽等操作，并快速做出相应。这需要MR技术与人工智能和大数据相结合。MR技术依赖人工智能和大数据的发展，然而目前两者还处在探索与研发阶段。

4、总结

过程仪表课程在教学过程中存在教学仪器设备匮乏、师资力量不足、实训场地限制、安全风险高、评价体系不完善等一系列问题，而采用MR技术完全可以克服硬件不足、师资不足等问题，同时MR技术后台的大数据评价系统可以科学地给出一份学生评估报告，更好地分析每个学生的特点，从而快速改进教学策略。针对技能培训还可以通过虚拟仿真软件模拟技能操作，缩短培训周期，提高比赛竞争力。但将MR技术应用到过程仪表教学中还存在一些问题。如MR设备价格高、过程仪表相关的MR技术资源匮乏、人工智能和大数据分析能力有待提高等问题。但随着技术的发展，校企合作的深入这些问题将会迎刃而解，不久的将来定能看到MR技术广泛应用于过程仪表教学中。

参考文献:

[2]牛凯.卢洋,陈皓.从传统到现代:混合现实技术环境下体育教学改革[J].武汉职业技术学院学报,2018,17(05):50-53

[3]吴睿,贾文学,李由.混合现实技术与态势感知在心脏大血管外科临床教学中的应用[J].中华医学教育探索杂志,2021,20(03):308-312.

[4]张静.高校教学中混合现实交互式传播探究——以敦煌飞天艺术流动之美为例[J].陕西教育(高教),2020(08);79-80.

[7]孔玺,孟祥增,徐振国,等.混合现实技术及其教育应用现状与展望[J].现代远距离教育,2019(3):82-89.

[8]宋艳,戴丽萍,吴文青."过程控制仪表"课程教学改革的探讨[J].科技展望,2015,25(32):276.

[9]张为李晶,刘利强.信息技术在大学教学中的适切应用——以"过程检测技术及仪表’课程为例[J].长春理工大学学报(社会科学版)2018,31(04)154-157.

[11]吴立宝,曹雅楠,曹—鸣.人工智能赋能课堂教学评价改革与技术实现的框架构建[J].中国电化教育,2021(05):94-101.

文章来源：徐晨晨,吴瑞聪.混合现实技术在过程仪表课程教学中的探索[J].工业技术与职业教育,2021,19(04):50-53.