孫佳鑫

（黑龍江工商學院 黑龍江哈爾濱 150025）

隨著社會經(jīng)濟生活的不斷發(fā)展，新一代信息技術(shù)的人機交互技術(shù)、圖像展示技術(shù)被廣泛應用，使得在教育教學的過程中越來越多的教育工作者運用新的信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)輔助教學活動的開展，特別是虛擬現(xiàn)實技術(shù)（Virtual Reality，VR）、增強現(xiàn)實技術(shù)（Augmented Reality，AR）（下簡稱VR/AR 技術(shù)）在教育領(lǐng)域的應用也越來越廣泛。雖然VR/AR 技術(shù)開始被多應用于游戲、視頻和直播等視域文化領(lǐng)域，但是，由于VR/AR 技術(shù)的特點和應用規(guī)律，使其在教育教學領(lǐng)域的優(yōu)勢也越發(fā)明顯，不斷受到教育工作者的青睞和重視。從VR/AR技術(shù)應用于基礎(chǔ)教育、初級教育、高等教育及高職教育的教學實踐中發(fā)現(xiàn)，VR/AR 技術(shù)具有著獨特的教學實用性，因此，VR/AR技術(shù)在土木工程教學的應用實踐對提升教學質(zhì)量和教育的實效性具有一定的現(xiàn)實意義，這主要是因為土木工程專業(yè)與實際工程聯(lián)系是非常緊密的，其教學研究具有著較為真實的實踐性目的。

而虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR技術(shù)）就是把客觀存在的世界用電子化的手段模擬仿真出來，使人在電子化創(chuàng)造的情境中身臨其境進行體驗和感受。增強現(xiàn)實技術(shù)（AR技術(shù)）實際上是一門基于虛擬現(xiàn)實技術(shù)基礎(chǔ)之上發(fā)展起來的新型技術(shù)，它是借助計算機建模技術(shù)、可視化技術(shù)和計算機圖形技術(shù)等，用于真實環(huán)境與虛擬對象進行交互而體現(xiàn)的真實場景，因此，它又被稱為混合現(xiàn)實技術(shù)。而這種虛擬事物與真實場景相互交織于現(xiàn)實畫面和空間中，兩種顯示形式相互依存和互補，使用戶體驗虛實結(jié)合的空間時間的疊加，從而使人的感知超出了現(xiàn)實感官的體驗。從目前的應用情況來看，虛擬現(xiàn)實技術(shù)與增強現(xiàn)實技術(shù)合并應用于土木工程教學應用之中，可以有效地解決傳統(tǒng)教學中教師難以表達知識結(jié)構(gòu)的完整性和學習感官缺乏互動的教學問題，讓學生在教學過程中體驗到更為超現(xiàn)實的教學場景，調(diào)動學生感官進行教學互動，使學生更易接受所教授的內(nèi)容。

1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)與增強現(xiàn)實技術(shù)簡介

1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)

1.1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)概念

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是20世紀80年代初由美國人拉尼爾提出的，它主要是指運用計算機科學技術(shù)、各種顯示及控制硬件設(shè)備和計算機圖形處理軟件系統(tǒng)等應用工具在計算機上生成虛擬的三維立體環(huán)境，用于可進行人機交互功能的沉浸式技術(shù)應用，主要生成的三維立體環(huán)境是虛擬環(huán)境。

1.1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征

虛擬現(xiàn)實技術(shù)的基本特征主要是運用計算機應用技術(shù)設(shè)定一種可交互、沉浸和聯(lián)想式的環(huán)境，它的技術(shù)應用優(yōu)勢在于可提供人機交互操作、三維立體圖形和畫面及多種感官體驗（目前技術(shù)只限定于視覺體驗和聽覺體驗，而觸覺體驗與嗅覺體驗還在研究實踐過程中，但已取得相應的進展）的人機界面［1］。VR 技術(shù)的廣泛應用使虛擬世界變得更為真實有效，用戶甚至可以與虛擬世界進行互聯(lián)互動，感覺虛擬世界所帶來的不同感官體驗。VR 技術(shù)實際是一種相比真實世界的模擬場景，只不過這種場景所渲染的動態(tài)事物具體而又真實，并可以對用戶的語言、動作、神態(tài)和表情做出實時響應，從而構(gòu)建出用戶與虛擬環(huán)境之間的動態(tài)交互關(guān)聯(lián)情境，使用戶有著真實的感官體驗。所以，VR技術(shù)可以廣泛應用于獲取信息、人機交流和虛擬教學實踐等領(lǐng)域。

1.1.3 虛擬現(xiàn)實技術(shù)國內(nèi)外發(fā)展歷程

在20世紀60年代末期，第一個虛擬成像顯示器被發(fā)明出來，這款顯示器采用了計算機圖形成像技術(shù)，可以跟蹤人的頭部運動的軌跡進行虛擬成像。而到了1977年，麻省理工學院構(gòu)建了虛擬仿真系統(tǒng)，也預示了虛擬仿真技術(shù)的發(fā)展應用期的到來。1989年，美國人拉尼爾（Jaron Lanier）提出了“虛擬現(xiàn)實”這個計算機專業(yè)術(shù)語，從此，虛擬現(xiàn)實技術(shù)成為了一種新的信息科學技術(shù)。近年來，國際大型科技公司紛紛加入到虛擬現(xiàn)實技術(shù)的開發(fā)研究之中，研發(fā)出一系列的相關(guān)設(shè)備產(chǎn)品［2］。在國內(nèi)，此項技術(shù)也逐步得到社會各界的普遍關(guān)注，特別是浙江大學、北京航空航天大學、哈爾濱工業(yè)大學、清華大學、北方工業(yè)大學等都從事此項技術(shù)的相關(guān)研究。

1.1.4 虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用的范圍

虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用的范圍比較廣泛，可應用于生物學、化學、醫(yī)學、土木工程與建筑學、金融數(shù)據(jù)分析、機械工程設(shè)計等領(lǐng)域。例如，醫(yī)學生通過VR技術(shù)成像的體內(nèi)血液循環(huán)分析體內(nèi)血管分布及各器官供血情況；工程設(shè)計人員可通過VR 技術(shù)對工程的設(shè)計布局、施工情況、元件加工和產(chǎn)品性能等進行虛擬預測研究；教育工作者可以設(shè)計虛擬與真實環(huán)境相搭配的教學場景，使學生在這種現(xiàn)實與虛擬交互的場景模式下體驗真實的教學實踐過程。

1.1.5 虛擬現(xiàn)實技術(shù)存在的問題

雖然現(xiàn)在VR技術(shù)的應用領(lǐng)域比較廣泛，但仍然存在著一些不可忽視的相關(guān)問題。例如，有些虛擬現(xiàn)實技術(shù)的應用產(chǎn)品在長期使用后，相關(guān)體驗并沒有達到要求標準，甚至出現(xiàn)了迷失方向和喪失平衡等感知方面的問題，這是由高像素、高延遲與較低的圖像顯示率所引起的。另外，還存在著三維建模工作量大、使用造價相對昂貴、需要數(shù)據(jù)信息量較大等相關(guān)問題，從而導致用戶對虛擬現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)應用產(chǎn)品的不認同，也會影響到虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展應用。

1.2 增強現(xiàn)實技術(shù)

1.2.1 增強現(xiàn)實技術(shù)的概念

增強現(xiàn)實技術(shù)是以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)發(fā)展應用起來的新型信息疊加技術(shù)，它是通過計算機所提供的相關(guān)信息、虛擬事物和場景來增加用戶對外界現(xiàn)實場景的體驗感知度，從而實現(xiàn)人對現(xiàn)實感知的增強。AR技術(shù)是通過頭盔顯示系統(tǒng)與虛擬定位系統(tǒng)相結(jié)合的方式來實現(xiàn)技術(shù)應用的。

1.2.2 增強現(xiàn)實技術(shù)的特征

增強現(xiàn)實技術(shù)的基本特征是使真實環(huán)境與虛擬場景、信息完美的結(jié)合，形成虛擬與真實相互疊加、同步存在，用戶可以在現(xiàn)實世界中直觀地體驗虛擬事物及虛擬信息，獲得新的感官感受體驗。

1.2.3 增強現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展歷程

增強現(xiàn)實技術(shù)是20世紀90年代初由麥克莫里（Tom Caudell）提出的，主要是真實場景與計算機信息及虛擬事物、空間所疊加在一起所呈現(xiàn)的真實與虛擬交互的場景。而近年來，隨著信息技術(shù)的不斷發(fā)展，計算機硬件設(shè)備技術(shù)也不斷提高，使增強現(xiàn)實技術(shù)系統(tǒng)研究得到了快速發(fā)展。

1.2.4 增強現(xiàn)實技術(shù)的技術(shù)開發(fā)

增強現(xiàn)實技術(shù)經(jīng)過近些年的發(fā)展應用，其應用技術(shù)分類主要為界面可視技術(shù)、跟蹤定位技術(shù)、顯示技術(shù)及標定技術(shù)。一是界面可視技術(shù)。這是一種方便用戶將虛擬圖像與真實世界進行交互的技術(shù)，其主要利用顯示頭盔、移動電子設(shè)備和投影裝置等工具對數(shù)字化信息圖像進行傳輸，以計算機圖形及圖像處理技術(shù)為基礎(chǔ)，使用戶在現(xiàn)實與虛擬場景中進行感知體驗，人機實現(xiàn)直接交流溝通。二是跟蹤定位技術(shù)。就是能夠準確地追蹤到用戶移動的方位，同時獲得用戶的視覺場景信息。這項技術(shù)主要是通過對用戶的視覺方位進行定位來追蹤用戶的移動方位，還可以準確地定位用戶視域內(nèi)的各種事物及視點所在方向。三是顯示技術(shù)。就是用AR 顯示器成像，利用虛擬與現(xiàn)實的疊加成像功能，使用戶獲得環(huán)繞四周的真實場景的良好立體視覺體驗。四是標定技術(shù)。用足夠的標定，滿足于用戶的移動及視場轉(zhuǎn)換。當前技，術(shù)應用是用攝像機標定功能及手動標定兩種形式，通過對標定已知點和圖像點間的對應，運用算法獲得攝像設(shè)備的內(nèi)外參數(shù)，完成用戶視場及移動軌跡標定的目的。

1.2.5 增強現(xiàn)實技術(shù)的應用領(lǐng)域

增強現(xiàn)實技術(shù)不僅擁有虛擬現(xiàn)實技術(shù)應用的相類似的領(lǐng)域，并且因為其更為突出于對真實的環(huán)境增強效益，比虛擬現(xiàn)實技術(shù)更具明顯的應用優(yōu)勢。虛擬現(xiàn)實技術(shù)可生成虛實結(jié)合的環(huán)境，用于增強補充用戶對各種環(huán)境的真實體驗，因此，可以廣泛應用于教育、工業(yè)、國防和醫(yī)療等領(lǐng)域。例如，將增強現(xiàn)實技術(shù)應用在理工學科的實驗教學領(lǐng)域，完全可以將顯示頭盔顯示疊加相關(guān)試驗的信息數(shù)據(jù)，使學生根據(jù)實驗真實場景與定位信息數(shù)據(jù)，獨立操作實驗進程，從而順利完成實驗相關(guān)內(nèi)容。

1.2.6 增強現(xiàn)實技術(shù)存在的問題

增強現(xiàn)實技術(shù)除存在與虛擬現(xiàn)實技術(shù)相類似的問題之外，最為嚴重的是，還可能存在泄露個人相關(guān)隱私的問題。而產(chǎn)生這個問題的原因主要是增強現(xiàn)實技術(shù)設(shè)備的功能十分強大，具備著人臉識別算法技術(shù)，因此，極易使用戶在不經(jīng)意間泄露個人隱私。

2 土木工程實踐教學存在的問題

2.1 動手實踐操作內(nèi)容較少

土木工程專業(yè)教學中，主要分為理論知識教學與基礎(chǔ)實驗操作教學兩種。而在傳統(tǒng)的土木工程教學實踐中，往往只注重理論知識的傳授，教師把教學注意力幾乎全部用于理論知識的深度學習研究中，然而，對基礎(chǔ)實驗的操作教學效果研究得不深、不透。其中原因也有在高等院校個別教師承擔了大量科研任務和社會服務性工作，因此，教師按照教學大綱完成理論知識體系的教學任務后，并沒有多少精力投入到指導學生各類實驗操作的研究中，只是按照大綱要求，對所做的實驗教學內(nèi)容進行了演示教學。然而，由于教學時間緊、實驗操作場景不真實等，這種以演示內(nèi)容為主的實踐教學沒有達到鍛煉學生動手實踐操作的目的，教學效果非常不理想。

2.2 實驗教學資源相對匱乏

在土木工程實驗教學中，教學資源不足的問題一直困擾著教學實踐工作者，特別是基礎(chǔ)實驗所用的耗材和實驗室建設(shè)等方面，需要較為大量的人力、物力、財力的投入。然而，許多高等院校由于投入經(jīng)費不足等，存在著實驗器材老舊、實驗設(shè)備更新不及時、實驗儀器配套不完整、無法進行新技術(shù)新理論的研究探索等問題，這些問題都嚴重影響到了學生的實驗操作體驗［3］。另外，由于實習經(jīng)費相對緊張等原因，從而極有可能導致生產(chǎn)實習、畢業(yè)實習等環(huán)節(jié)的教學計劃不能夠有序地進行，影響到了實習操作的效果和質(zhì)量。

2.3 實踐操作教學內(nèi)容陳舊

高等院校的教師一般都是在畢業(yè)后就直接走上教學崗位，可以說，理論研究和教學技能的功底都很扎實，然而，畢竟沒有工程實踐工作經(jīng)歷，因此，對土木工程作業(yè)實踐經(jīng)驗相對匱乏，特別是對當前土木作業(yè)的新技術(shù)、新方法、新標準、新規(guī)范不能及時跟蹤掌控，缺乏一定的了解認識。因此，在土木工程教學的實踐操作中，教師只是按照現(xiàn)在的教學大綱進行教學，教授的理論知識不能緊密地與土木工程發(fā)展實際相結(jié)合，從客觀上導致學生土木工程實踐的社會參與度較少，學習的專業(yè)知識相對陳舊，脫離社會發(fā)展需要。例如，在傳統(tǒng)的土木工程課程設(shè)計中，生產(chǎn)實習實踐操作多以鋼筋混凝土框架教學為主，而涉及鋼結(jié)構(gòu)、超高層建筑和大跨空間結(jié)構(gòu)的內(nèi)容并不多見；而橋梁工程實習中，多以簡支橋梁設(shè)計為主，其他橋型涉及較少，這些都與當今時代發(fā)展要求不符。然而，現(xiàn)代城市化建設(shè)和建筑工程發(fā)展日新月異，要使社會發(fā)展的新技術(shù)與院校教學實踐緊密結(jié)合，對于傳統(tǒng)的土木工程教學來說，很難達到和完成。

3 虛擬融合環(huán)境對土木工程實踐應用教學研究

3.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在土木工程教學中的應用

在土木工程教學中，虛擬現(xiàn)實技術(shù)主要應用于課堂理論知識講解、實驗操作教學和生產(chǎn)實習等環(huán)節(jié)之中。

3.1.1 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在土木工程理論教學應用

在土木工程的課堂理論教學中，教師可以運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)的人機交互功能實現(xiàn)課堂教學直觀化、數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化發(fā)展，完全可以發(fā)揮仿真模擬和真實體驗等優(yōu)點。這種課堂教學模式還可應用于局域網(wǎng)與遠程教育模式，特別是針對土木工程概念性和理解力要求較高的課程，通過虛擬現(xiàn)實技術(shù)，創(chuàng)建三維立體場景進行教學實踐，虛擬現(xiàn)實動畫演示教學效果，使學生更容易掌握教學應用的真實畫面，提高學生參與教學的積極性和主動性［4］。另外，與二維的靜態(tài)教學模式相比，三維立體動態(tài)演示教學模式可以使學生在短時間內(nèi)獲得理論與實踐相結(jié)合的體驗和感受，使學生更容易把具體操作經(jīng)驗上升到對抽象概念型經(jīng)驗的理解上。

3.1.2 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在土木工程實踐教學中的應用

土木工程的實踐教學主要分為實習和實驗教學訓練兩個方面。因為受到實驗場地、實驗儀器、實驗經(jīng)費和實驗耗材等方面的限制，使傳統(tǒng)的土木工程實踐教學效果并不理想。因此，應運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)建構(gòu)虛擬實驗室和虛擬實習基地，以仿真的實驗設(shè)備、場景模型、實驗流程的演示和交互、實驗指導信息和提示內(nèi)容等作為基礎(chǔ)，使構(gòu)建的虛擬實驗室與實習基礎(chǔ)更為直觀地反映出場景環(huán)境、試驗器材、方法步驟及注意事項等方面的內(nèi)容，這樣就可以使學生能夠全程體驗并參與到建筑施工的過程之中，全方位、多角度、分階段和重復性地進行建筑現(xiàn)場施工體驗［5］。另外，學生運用虛擬儀器、虛擬設(shè)備、虛擬場景進行實踐操作，可以較好地實現(xiàn)低成本、低投入和低風險的教學要求，達到培養(yǎng)學生動手能力、分析能力和解決問題的能力的教學目標。通過對虛擬現(xiàn)實技術(shù)在土木工程教學實踐應用，創(chuàng)新出一種低成本、低風險、低投入、高效率的全新教學方式，全方位、全過程、全領(lǐng)域地系統(tǒng)解析工程實踐教學知識，提升學生對工程專業(yè)實踐教學內(nèi)容的全面理解和操作應用，達到理論結(jié)合實踐的教學目標和效果。

3.2 增強現(xiàn)實技術(shù)在土木工程教學中的應用

3.2.1 增強現(xiàn)實技術(shù)搭建土木工程教學環(huán)境

增強現(xiàn)實技術(shù)搭建土木工程教學環(huán)境，主要體現(xiàn)在課堂理論知識教學中。通過對增強現(xiàn)實技術(shù)的應用，教師在講解土木工程理論知識時，可以有效地結(jié)合三維立體的虛擬建筑工程的場景布設(shè)和施工操作技能要點進行模擬化、直觀化的操作訓練，根據(jù)土木工程教學實踐有關(guān)內(nèi)容，構(gòu)建虛擬與真實相結(jié)合的教學情景，對學生講解有關(guān)知識和技能實踐，從而可以有效地使學生感受到土木工程施工現(xiàn)場真實場景，收獲全新的知識體驗。

3.2.2 增強現(xiàn)實技術(shù)在土木工程實踐教學中的應用

教師在帶領(lǐng)學生進行實驗和實習操作時，可以在真實的實驗環(huán)境中放置土木工程專業(yè)有關(guān)的教學標志物，學生可以通過移動終端攝像頭來捕獲到實驗室內(nèi)的實驗器材、設(shè)備、元件等相關(guān)操作和知識信息［6］。增強現(xiàn)實技術(shù)還可以實現(xiàn)對實驗室相關(guān)標志物在實驗過程中的實時跟蹤，利用搜索功能，實現(xiàn)獲取真實或虛擬工程場景中所有標志物的具體方位和移動變化軌跡，有助于學生對于工程施工現(xiàn)場各要素的全方位感知和理解。

4 結(jié)語

虛擬現(xiàn)實技術(shù)與增強現(xiàn)實技術(shù)，即VR/AR 技術(shù)，是人機交互模式下的一種新的科學技術(shù)。通過VR/AR技術(shù)在土木工程教學中的實踐應用，打破了傳統(tǒng)被動式靜態(tài)信息接受的教學模式，有效地利用虛擬與真實相結(jié)合的教學方式，創(chuàng)建人機交互的教學場景、實驗場地，充分調(diào)動了學生聽、視等多種感覺器官的動態(tài)感知能力，將理論知識研究與工程實踐操作完美結(jié)合起來，使學生在全新教學體驗中對所學知識技能進行深度的理解和掌握，達到了理論結(jié)合實際和學以致用的教學效果和目的。