VR/AR技术在土木工程中实践教学的应用研究

孙佳鑫

（黑龙江工商学院 黑龙江哈尔滨 150025）

随着社会经济生活的不断发展，新一代信息技术的人机交互技术、图像展示技术被广泛应用，使得在教育教学的过程中越来越多的教育工作者运用新的信息网络技术辅助教学活动的开展，特别是虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）、增强现实技术（Augmented Reality，AR）（下简称VR/AR 技术）在教育领域的应用也越来越广泛。虽然VR/AR 技术开始被多应用于游戏、视频和直播等视域文化领域，但是，由于VR/AR 技术的特点和应用规律，使其在教育教学领域的优势也越发明显，不断受到教育工作者的青睐和重视。从VR/AR技术应用于基础教育、初级教育、高等教育及高职教育的教学实践中发现，VR/AR 技术具有着独特的教学实用性，因此，VR/AR技术在土木工程教学的应用实践对提升教学质量和教育的实效性具有一定的现实意义，这主要是因为土木工程专业与实际工程联系是非常紧密的，其教学研究具有着较为真实的实践性目的。

而虚拟现实技术（VR技术）就是把客观存在的世界用电子化的手段模拟仿真出来，使人在电子化创造的情境中身临其境进行体验和感受。增强现实技术（AR技术）实际上是一门基于虚拟现实技术基础之上发展起来的新型技术，它是借助计算机建模技术、可视化技术和计算机图形技术等，用于真实环境与虚拟对象进行交互而体现的真实场景，因此，它又被称为混合现实技术。而这种虚拟事物与真实场景相互交织于现实画面和空间中，两种显示形式相互依存和互补，使用户体验虚实结合的空间时间的叠加，从而使人的感知超出了现实感官的体验。从目前的应用情况来看，虚拟现实技术与增强现实技术合并应用于土木工程教学应用之中，可以有效地解决传统教学中教师难以表达知识结构的完整性和学习感官缺乏互动的教学问题，让学生在教学过程中体验到更为超现实的教学场景，调动学生感官进行教学互动，使学生更易接受所教授的内容。

1 虚拟现实技术与增强现实技术简介

1.1 虚拟现实技术

1.1.1 虚拟现实技术概念

虚拟现实技术是20世纪80年代初由美国人拉尼尔提出的，它主要是指运用计算机科学技术、各种显示及控制硬件设备和计算机图形处理软件系统等应用工具在计算机上生成虚拟的三维立体环境，用于可进行人机交互功能的沉浸式技术应用，主要生成的三维立体环境是虚拟环境。

1.1.2 虚拟现实技术的特征

虚拟现实技术的基本特征主要是运用计算机应用技术设定一种可交互、沉浸和联想式的环境，它的技术应用优势在于可提供人机交互操作、三维立体图形和画面及多种感官体验（目前技术只限定于视觉体验和听觉体验，而触觉体验与嗅觉体验还在研究实践过程中，但已取得相应的进展）的人机界面［1］。VR 技术的广泛应用使虚拟世界变得更为真实有效，用户甚至可以与虚拟世界进行互联互动，感觉虚拟世界所带来的不同感官体验。VR 技术实际是一种相比真实世界的模拟场景，只不过这种场景所渲染的动态事物具体而又真实，并可以对用户的语言、动作、神态和表情做出实时响应，从而构建出用户与虚拟环境之间的动态交互关联情境，使用户有着真实的感官体验。所以，VR技术可以广泛应用于获取信息、人机交流和虚拟教学实践等领域。

1.1.3 虚拟现实技术国内外发展历程

在20世纪60年代末期，第一个虚拟成像显示器被发明出来，这款显示器采用了计算机图形成像技术，可以跟踪人的头部运动的轨迹进行虚拟成像。而到了1977年，麻省理工学院构建了虚拟仿真系统，也预示了虚拟仿真技术的发展应用期的到来。1989年，美国人拉尼尔（Jaron Lanier）提出了“虚拟现实”这个计算机专业术语，从此，虚拟现实技术成为了一种新的信息科学技术。近年来，国际大型科技公司纷纷加入到虚拟现实技术的开发研究之中，研发出一系列的相关设备产品［2］。在国内，此项技术也逐步得到社会各界的普遍关注，特别是浙江大学、北京航空航天大学、哈尔滨工业大学、清华大学、北方工业大学等都从事此项技术的相关研究。

1.1.4 虚拟现实技术应用的范围

虚拟现实技术应用的范围比较广泛，可应用于生物学、化学、医学、土木工程与建筑学、金融数据分析、机械工程设计等领域。例如，医学生通过VR技术成像的体内血液循环分析体内血管分布及各器官供血情况；工程设计人员可通过VR 技术对工程的设计布局、施工情况、元件加工和产品性能等进行虚拟预测研究；教育工作者可以设计虚拟与真实环境相搭配的教学场景，使学生在这种现实与虚拟交互的场景模式下体验真实的教学实践过程。

1.1.5 虚拟现实技术存在的问题

虽然现在VR技术的应用领域比较广泛，但仍然存在着一些不可忽视的相关问题。例如，有些虚拟现实技术的应用产品在长期使用后，相关体验并没有达到要求标准，甚至出现了迷失方向和丧失平衡等感知方面的问题，这是由高像素、高延迟与较低的图像显示率所引起的。另外，还存在着三维建模工作量大、使用造价相对昂贵、需要数据信息量较大等相关问题，从而导致用户对虚拟现实技术开发应用产品的不认同，也会影响到虚拟现实技术的发展应用。

1.2 增强现实技术

1.2.1 增强现实技术的概念

增强现实技术是以虚拟现实技术为基础发展应用起来的新型信息叠加技术，它是通过计算机所提供的相关信息、虚拟事物和场景来增加用户对外界现实场景的体验感知度，从而实现人对现实感知的增强。AR技术是通过头盔显示系统与虚拟定位系统相结合的方式来实现技术应用的。

1.2.2 增强现实技术的特征

增强现实技术的基本特征是使真实环境与虚拟场景、信息完美的结合，形成虚拟与真实相互叠加、同步存在，用户可以在现实世界中直观地体验虚拟事物及虚拟信息，获得新的感官感受体验。

1.2.3 增强现实技术的发展历程

增强现实技术是20世纪90年代初由麦克莫里（Tom Caudell）提出的，主要是真实场景与计算机信息及虚拟事物、空间所叠加在一起所呈现的真实与虚拟交互的场景。而近年来，随着信息技术的不断发展，计算机硬件设备技术也不断提高，使增强现实技术系统研究得到了快速发展。

1.2.4 增强现实技术的技术开发

增强现实技术经过近些年的发展应用，其应用技术分类主要为界面可视技术、跟踪定位技术、显示技术及标定技术。一是界面可视技术。这是一种方便用户将虚拟图像与真实世界进行交互的技术，其主要利用显示头盔、移动电子设备和投影装置等工具对数字化信息图像进行传输，以计算机图形及图像处理技术为基础，使用户在现实与虚拟场景中进行感知体验，人机实现直接交流沟通。二是跟踪定位技术。就是能够准确地追踪到用户移动的方位，同时获得用户的视觉场景信息。这项技术主要是通过对用户的视觉方位进行定位来追踪用户的移动方位，还可以准确地定位用户视域内的各种事物及视点所在方向。三是显示技术。就是用AR 显示器成像，利用虚拟与现实的叠加成像功能，使用户获得环绕四周的真实场景的良好立体视觉体验。四是标定技术。用足够的标定，满足于用户的移动及视场转换。当前技，术应用是用摄像机标定功能及手动标定两种形式，通过对标定已知点和图像点间的对应，运用算法获得摄像设备的内外参数，完成用户视场及移动轨迹标定的目的。

1.2.5 增强现实技术的应用领域

增强现实技术不仅拥有虚拟现实技术应用的相类似的领域，并且因为其更为突出于对真实的环境增强效益，比虚拟现实技术更具明显的应用优势。虚拟现实技术可生成虚实结合的环境，用于增强补充用户对各种环境的真实体验，因此，可以广泛应用于教育、工业、国防和医疗等领域。例如，将增强现实技术应用在理工学科的实验教学领域，完全可以将显示头盔显示叠加相关试验的信息数据，使学生根据实验真实场景与定位信息数据，独立操作实验进程，从而顺利完成实验相关内容。

1.2.6 增强现实技术存在的问题

增强现实技术除存在与虚拟现实技术相类似的问题之外，最为严重的是，还可能存在泄露个人相关隐私的问题。而产生这个问题的原因主要是增强现实技术设备的功能十分强大，具备着人脸识别算法技术，因此，极易使用户在不经意间泄露个人隐私。

2 土木工程实践教学存在的问题

2.1 动手实践操作内容较少

土木工程专业教学中，主要分为理论知识教学与基础实验操作教学两种。而在传统的土木工程教学实践中，往往只注重理论知识的传授，教师把教学注意力几乎全部用于理论知识的深度学习研究中，然而，对基础实验的操作教学效果研究得不深、不透。其中原因也有在高等院校个别教师承担了大量科研任务和社会服务性工作，因此，教师按照教学大纲完成理论知识体系的教学任务后，并没有多少精力投入到指导学生各类实验操作的研究中，只是按照大纲要求，对所做的实验教学内容进行了演示教学。然而，由于教学时间紧、实验操作场景不真实等，这种以演示内容为主的实践教学没有达到锻炼学生动手实践操作的目的，教学效果非常不理想。

2.2 实验教学资源相对匮乏

在土木工程实验教学中，教学资源不足的问题一直困扰着教学实践工作者，特别是基础实验所用的耗材和实验室建设等方面，需要较为大量的人力、物力、财力的投入。然而，许多高等院校由于投入经费不足等，存在着实验器材老旧、实验设备更新不及时、实验仪器配套不完整、无法进行新技术新理论的研究探索等问题，这些问题都严重影响到了学生的实验操作体验［3］。另外，由于实习经费相对紧张等原因，从而极有可能导致生产实习、毕业实习等环节的教学计划不能够有序地进行，影响到了实习操作的效果和质量。

2.3 实践操作教学内容陈旧

高等院校的教师一般都是在毕业后就直接走上教学岗位，可以说，理论研究和教学技能的功底都很扎实，然而，毕竟没有工程实践工作经历，因此，对土木工程作业实践经验相对匮乏，特别是对当前土木作业的新技术、新方法、新标准、新规范不能及时跟踪掌控，缺乏一定的了解认识。因此，在土木工程教学的实践操作中，教师只是按照现在的教学大纲进行教学，教授的理论知识不能紧密地与土木工程发展实际相结合，从客观上导致学生土木工程实践的社会参与度较少，学习的专业知识相对陈旧，脱离社会发展需要。例如，在传统的土木工程课程设计中，生产实习实践操作多以钢筋混凝土框架教学为主，而涉及钢结构、超高层建筑和大跨空间结构的内容并不多见；而桥梁工程实习中，多以简支桥梁设计为主，其他桥型涉及较少，这些都与当今时代发展要求不符。然而，现代城市化建设和建筑工程发展日新月异，要使社会发展的新技术与院校教学实践紧密结合，对于传统的土木工程教学来说，很难达到和完成。

3 虚拟融合环境对土木工程实践应用教学研究

3.1 虚拟现实技术在土木工程教学中的应用

在土木工程教学中，虚拟现实技术主要应用于课堂理论知识讲解、实验操作教学和生产实习等环节之中。

3.1.1 虚拟现实技术在土木工程理论教学应用

在土木工程的课堂理论教学中，教师可以运用虚拟现实技术的人机交互功能实现课堂教学直观化、数字化、网络化发展，完全可以发挥仿真模拟和真实体验等优点。这种课堂教学模式还可应用于局域网与远程教育模式，特别是针对土木工程概念性和理解力要求较高的课程，通过虚拟现实技术，创建三维立体场景进行教学实践，虚拟现实动画演示教学效果，使学生更容易掌握教学应用的真实画面，提高学生参与教学的积极性和主动性［4］。另外，与二维的静态教学模式相比，三维立体动态演示教学模式可以使学生在短时间内获得理论与实践相结合的体验和感受，使学生更容易把具体操作经验上升到对抽象概念型经验的理解上。

3.1.2 虚拟现实技术在土木工程实践教学中的应用

土木工程的实践教学主要分为实习和实验教学训练两个方面。因为受到实验场地、实验仪器、实验经费和实验耗材等方面的限制，使传统的土木工程实践教学效果并不理想。因此，应运用虚拟现实技术建构虚拟实验室和虚拟实习基地，以仿真的实验设备、场景模型、实验流程的演示和交互、实验指导信息和提示内容等作为基础，使构建的虚拟实验室与实习基础更为直观地反映出场景环境、试验器材、方法步骤及注意事项等方面的内容，这样就可以使学生能够全程体验并参与到建筑施工的过程之中，全方位、多角度、分阶段和重复性地进行建筑现场施工体验［5］。另外，学生运用虚拟仪器、虚拟设备、虚拟场景进行实践操作，可以较好地实现低成本、低投入和低风险的教学要求，达到培养学生动手能力、分析能力和解决问题的能力的教学目标。通过对虚拟现实技术在土木工程教学实践应用，创新出一种低成本、低风险、低投入、高效率的全新教学方式，全方位、全过程、全领域地系统解析工程实践教学知识，提升学生对工程专业实践教学内容的全面理解和操作应用，达到理论结合实践的教学目标和效果。

3.2 增强现实技术在土木工程教学中的应用

3.2.1 增强现实技术搭建土木工程教学环境

增强现实技术搭建土木工程教学环境，主要体现在课堂理论知识教学中。通过对增强现实技术的应用，教师在讲解土木工程理论知识时，可以有效地结合三维立体的虚拟建筑工程的场景布设和施工操作技能要点进行模拟化、直观化的操作训练，根据土木工程教学实践有关内容，构建虚拟与真实相结合的教学情景，对学生讲解有关知识和技能实践，从而可以有效地使学生感受到土木工程施工现场真实场景，收获全新的知识体验。

3.2.2 增强现实技术在土木工程实践教学中的应用

教师在带领学生进行实验和实习操作时，可以在真实的实验环境中放置土木工程专业有关的教学标志物，学生可以通过移动终端摄像头来捕获到实验室内的实验器材、设备、元件等相关操作和知识信息［6］。增强现实技术还可以实现对实验室相关标志物在实验过程中的实时跟踪，利用搜索功能，实现获取真实或虚拟工程场景中所有标志物的具体方位和移动变化轨迹，有助于学生对于工程施工现场各要素的全方位感知和理解。

4 结语

虚拟现实技术与增强现实技术，即VR/AR 技术，是人机交互模式下的一种新的科学技术。通过VR/AR技术在土木工程教学中的实践应用，打破了传统被动式静态信息接受的教学模式，有效地利用虚拟与真实相结合的教学方式，创建人机交互的教学场景、实验场地，充分调动了学生听、视等多种感觉器官的动态感知能力，将理论知识研究与工程实践操作完美结合起来，使学生在全新教学体验中对所学知识技能进行深度的理解和掌握，达到了理论结合实际和学以致用的教学效果和目的。