剖繪

劉超見(jiàn) 劉美 郝銳 柴宇珂 張皓

摘 要：針對(duì)當(dāng)前高校教材利用率低的問(wèn)題，文中設(shè)計(jì)了一款剖繪——立體課堂學(xué)習(xí)輔助工具，可有效將圖片上的二維畫(huà)面轉(zhuǎn)化為3D立體效果，不僅有助于學(xué)生的理解，更能夠減輕教師的負(fù)擔(dān)。經(jīng)調(diào)查，該系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù);立體課堂

1 項(xiàng)目背景

1.1 項(xiàng)目來(lái)源與意義

據(jù)調(diào)查，全國(guó)800余所普通本科、1 200余所普通高職（?？疲┰盒Ｒ约敖?jīng)國(guó)家批準(zhǔn)設(shè)立的200余所獨(dú)立學(xué)校和50余所分校辦學(xué)點(diǎn)90%以上均開(kāi)設(shè)有機(jī)械制圖課程。機(jī)械制圖課程作為一門(mén)基礎(chǔ)課程，院校內(nèi)90%以上同學(xué)需要修讀，但該課程的優(yōu)秀率（80分以上）卻不足60%。究其原因，立體圖形想象難，不易理解是主因。

廣大教師團(tuán)體對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過(guò)程中遇到的問(wèn)題表示理解，他們也進(jìn)行過(guò)用三維建模軟件為學(xué)生課堂演示的嘗試，但耗時(shí)過(guò)多。教師普遍希望能夠找到一種方法可以在不拋棄書(shū)本教材的前提下利用科學(xué)技術(shù)幫助同學(xué)們更直觀地理解、想象立體圖形。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality，AR）是一種實(shí)時(shí)計(jì)算攝影機(jī)影像位置及角度并加上相應(yīng)圖像、視頻、3D模型的技術(shù)，可以在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界中并進(jìn)行互動(dòng)。AR技術(shù)的出現(xiàn)可通過(guò)旋轉(zhuǎn)屏幕與嵌套在屏幕中的3D建模模型進(jìn)行互動(dòng)，就像在現(xiàn)實(shí)中旋轉(zhuǎn)3D模型來(lái)直觀觀察3D模型那樣。

POU繪——立體課堂可以輔助教師教學(xué)與學(xué)生的理解，在不影響基本教學(xué)的前提下，增強(qiáng)課堂互動(dòng)性與可操作性，將平面化的圖像化為立體，方便學(xué)生多角度、全方位的觀察，解決了普通書(shū)本教材表現(xiàn)力弱，立體圖形想象難、理解不易的問(wèn)題。

為課堂配上POU繪，可以提高教學(xué)效率、提升教學(xué)質(zhì)量、擴(kuò)展教學(xué)互動(dòng)性，從而有效完善課堂體系。POU繪不僅可以用于機(jī)械制圖課堂的教學(xué)，更廣泛適用于建筑、醫(yī)學(xué)、珠寶設(shè)計(jì)以及眾多需要立體想象的領(lǐng)域。

1.2 同類產(chǎn)品對(duì)比

1.2.1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件

功能：可以用于二維制圖和基本三維設(shè)計(jì)，即使不懂編程也可自動(dòng)制圖，在全球范圍內(nèi)被廣泛使用，如土木建筑、裝飾裝潢、工業(yè)制圖、工程制圖、電子工業(yè)、服裝加工等領(lǐng)域。

缺點(diǎn)：制作三維圖形耗時(shí)較多，需要使用PC機(jī)安裝指定設(shè)計(jì)軟件和閱讀軟件。課堂教學(xué)效率較低，且只能在教師微機(jī)上展示，與學(xué)生之間的互動(dòng)性較差;學(xué)生無(wú)法針對(duì)自身問(wèn)題進(jìn)行實(shí)際操作，可操作性較弱;僅能在有限的課堂時(shí)間內(nèi)進(jìn)行展示，不便于學(xué)生課后回顧與練習(xí);對(duì)設(shè)備要求苛刻，無(wú)法隨時(shí)使用。

1.2.2 某機(jī)械制圖神器

功能：為機(jī)械制圖教材上的某些圖形建立了立體模型，通過(guò)掃描教材上的二維碼即可觀看該模型的gif動(dòng)畫(huà)展示。

缺點(diǎn)：僅能觀看立體模型，不能由用戶對(duì)其進(jìn)行相關(guān)操作，互動(dòng)性不足;僅適用于機(jī)械制圖課程，局限性較大;需要用戶購(gòu)買配套圖書(shū)（帶有二維碼版），增加了用戶體驗(yàn)費(fèi)用。

1.2.3AR圖書(shū)

功能：AR圖書(shū)，即將AR技術(shù)應(yīng)用在書(shū)籍上，其最大的特點(diǎn)是讓靜態(tài)的圖文“活”起來(lái)。通常情況下，使用手機(jī)、平板攝像頭掃描AR圖書(shū)指定頁(yè)碼上的圖片，可通過(guò)手機(jī)屏幕看到書(shū)中的二維人物形象變?yōu)?D立體模型，點(diǎn)擊屏幕還可互動(dòng)，將視覺(jué)體驗(yàn)擴(kuò)展到視聽(tīng)多方位的體驗(yàn)。

缺點(diǎn)：價(jià)格較普通圖書(shū)高，且需要下載配套APP;現(xiàn)階段大部分AR圖書(shū)都以兒童益智科普類為主，受眾范圍以及應(yīng)用前景存在很大的局限性;對(duì)于兒童而言，在沒(méi)有后續(xù)內(nèi)容更新補(bǔ)充的情況下，看似新奇的閱讀方式只能吸引他們一時(shí)的興趣。受限于AR技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)階段這種躍然紙上的閱讀的趣味性無(wú)可持續(xù)性;從家長(zhǎng)的角度來(lái)看，讓孩子長(zhǎng)時(shí)間盯著手機(jī)或者平板電腦不利于孩子的身心健康。產(chǎn)品對(duì)比見(jiàn)表1所列。

POU繪——立體課堂將看不懂、理解不透的三維圖像展示在眼前，真實(shí)、直觀，輕點(diǎn)觸摸即可全方位觀察。

2 項(xiàng)目概述

2.1 產(chǎn)品界面設(shè)計(jì)

（1）整體背景

背景色選為黑色，寓意黑板，黑色背景上的白色“粉筆字”畫(huà)滿數(shù)理化等學(xué)科的代表圖形和符號(hào)，充滿歡快的課堂氣息。

（2）圖標(biāo)特點(diǎn)

功能按鈕主要采用橘黃色，與黑色背景相互襯托，使整體色調(diào)變得活潑明亮，有助于改善學(xué)習(xí)心情。

分類圖標(biāo)選擇齒輪的形狀，充滿工業(yè)氣息和機(jī)械情懷，與軟件名“POU繪”相得益彰。3D立體圖設(shè)置為金屬銀，同時(shí)利用漸變色模擬不同平面的光感，最大程度還原工件原貌。

2.2 產(chǎn)品功能描述

（1）功能概述

“POU繪—立體課堂”（下稱“POU繪”）是一款基于Vuforia增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平臺(tái)以及EasyAR圖像識(shí)別系統(tǒng)的輔助學(xué)習(xí)類應(yīng)用。它可以通過(guò)手機(jī)攝像頭將課本、課件上平面的圖形變成“3D模型”或“注解視頻”來(lái)幫助學(xué)習(xí)者更好地理解立體圖和平面圖之間的關(guān)系。

（2）使用方法

教師或圖書(shū)出版商可以將制作好的學(xué)習(xí)輔助資料（三維模型、視頻動(dòng)畫(huà)等）通過(guò)網(wǎng)頁(yè)平臺(tái)上傳，進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)置后，學(xué)生可通過(guò)手機(jī)攝像頭拍攝相應(yīng)位置以獲取輔助資料。

（3）作用效果

我們的軟件使普通的平面圖形變?yōu)榱Ⅲw可360°觀看的三維模型，不僅可以幫助學(xué)生理解課本實(shí)例，也減少了教師制作額外演示項(xiàng)目的工作量。上課使用PPT時(shí)，教師只需在課下將教學(xué)演示的動(dòng)畫(huà)、視頻上傳至平臺(tái)即可，無(wú)需放入PPT中，解決了視頻動(dòng)畫(huà)與課堂電腦的兼容問(wèn)題，不會(huì)出現(xiàn)“視頻無(wú)法播放”或者“電腦卡頓”等狀況，浪費(fèi)課堂時(shí)間。

2.3 產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)

本產(chǎn)品具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）利用當(dāng)下熱門(mén)的AR技術(shù)，增添了學(xué)習(xí)樂(lè)趣，幫助學(xué)生更加直觀地理解課堂內(nèi)容。通過(guò)這種立體的展示讓學(xué)生更好地理解立體構(gòu)型，便于同學(xué)理解。

（2）解決了教師上課使用PPT時(shí)遇到的種種問(wèn)題，節(jié)約了課堂時(shí)間，減少了教師的工作量。通過(guò)APP將教學(xué)演示的動(dòng)畫(huà)、視頻上傳至平臺(tái)即可順利播放，有效解決了視頻動(dòng)畫(huà)與課堂電腦的兼容問(wèn)題。

（3）APP中識(shí)別的數(shù)據(jù)可以即時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)后臺(tái)更改，不需要完全更新程序。通過(guò)網(wǎng)頁(yè)后端課本、課件設(shè)置模塊，教師和圖書(shū)出版商可添加刪除教材、課件的AR資料識(shí)別集。使用者使用輔助資料上傳模塊，可以上傳3D模型/動(dòng)畫(huà)視頻作為AR識(shí)別后的內(nèi)容，同時(shí)還需要上傳識(shí)別點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

（4）環(huán)保，節(jié)約紙張，減少課本等的印刷。對(duì)比當(dāng)下的講解以及文字?jǐn)⑹?，該APP將簡(jiǎn)化課本，讓知識(shí)變的生動(dòng)，大大節(jié)約了資源，讓學(xué)習(xí)更加綠色。

（5）具有可分享性。模型展示可以共享，或增加其他互動(dòng)模塊，方便同學(xué)之間互相分享，讓知識(shí)更有趣。

（6）具有較強(qiáng)的創(chuàng)意。開(kāi)創(chuàng)虛擬課堂、立體課堂，將AR技術(shù)與教學(xué)相結(jié)合，讓機(jī)械制圖課程靈動(dòng)起來(lái)，是基于Vuforia增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平臺(tái)以及EasyAR圖像識(shí)別系統(tǒng)的一款輔助學(xué)習(xí)類應(yīng)用。它通過(guò)手機(jī)攝像頭將課本、課件上的平面圖形變成“3D模型”或“注解視頻”來(lái)幫助學(xué)習(xí)者更好地理解。

（7）從課堂到課下，貫穿整個(gè)學(xué)習(xí)流程。從課本、課件到習(xí)題冊(cè)，我們的軟件會(huì)幫助學(xué)生全程掌握知識(shí)，同時(shí)便于教師管理和教學(xué)。

3 POU繪 設(shè)計(jì)總體方案

“POU繪”產(chǎn)品設(shè)計(jì)使用了MVP （Model View Presenter，MVP）架構(gòu)，主要由跨平臺(tái)手機(jī)應(yīng)用終端、Web端后臺(tái)及云服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫(kù)三大部分組成。整體架構(gòu)如圖1所示。

跨平臺(tái)手機(jī)APP共有五個(gè)模塊，具有協(xié)調(diào)同步實(shí)現(xiàn)用戶交互、服務(wù)器通信、AR識(shí)別等功能。手機(jī)端APP模塊見(jiàn)表2所列。

3.1 總體框圖

MVP具體架構(gòu)如圖3所示。

3.2 手機(jī)端APP

3.2.1 運(yùn)行環(huán)境與開(kāi)發(fā)環(huán)境

運(yùn)行環(huán)境：Android 4.1+，iOS 9+。

開(kāi)發(fā)環(huán)境：Android Studio，Unity 5.6，Xcode 8+。

3.2.2 APP邏輯流程圖

手機(jī)APP邏輯流程如圖4所示。

3.2.3 功能模塊實(shí)現(xiàn)

（1）首先使用Unity進(jìn)行初次開(kāi)發(fā)。將Vuforia增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)工具包以及EasyAR工具包導(dǎo)入U(xiǎn)nity，設(shè)置camera方向、光照系統(tǒng)等初始值。

（2）編寫(xiě)Unity攝像頭識(shí)別代碼并創(chuàng)建Prefab預(yù)制件，調(diào)用EasyAR識(shí)別功能，實(shí)現(xiàn)AR識(shí)別模塊。

（3）編寫(xiě)模型受控旋轉(zhuǎn)的C#控制腳本。

（4）將Unity項(xiàng)目導(dǎo)出為Android工程項(xiàng)目，在AndroidStudio中進(jìn)行手機(jī)APP的二次開(kāi)發(fā)，完成UI設(shè)計(jì)、緩存模塊的設(shè)計(jì)。

（5）引入Socket包，編寫(xiě)與服務(wù)器通信的模塊，實(shí)現(xiàn)登錄注冊(cè)、下載識(shí)別數(shù)據(jù)以及即時(shí)下載模型資料等功能。

3.3 Web端及服務(wù)器開(kāi)發(fā)

3.3.1 運(yùn)行環(huán)境與開(kāi)發(fā)環(huán)境

運(yùn)行環(huán)境：IE 9+，F(xiàn)irefox 3.5+，Chrome 3.0+，Safari 3.0+，Opera 10.5+。

開(kāi)發(fā)環(huán)境：NodeJS，HTML 5+CSS 3，Vue.JS。

3.3.2 Web后臺(tái)邏輯流程

Web端邏輯流程如圖5所示。

3.3.3 服務(wù)器架構(gòu)

服務(wù)器架構(gòu)如圖6所示。

3.3.4 功能實(shí)現(xiàn)

（1）使用NodeJS+MySQL作為后端服務(wù)器的核心，前端使用Bootstrap與Vue.js。NodeJS作為Web端的Server可響應(yīng)用戶請(qǐng)求，Vue.js作為前端渲染部分。

（2）除賬戶信息外數(shù)據(jù)無(wú)需加密，因此開(kāi)放GET，POST方式與APP通信。

3.4 數(shù)據(jù)庫(kù)開(kāi)發(fā)

我們采用MySQL作為主數(shù)據(jù)庫(kù)。SQL是一種通用的、功能性極強(qiáng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫(kù)語(yǔ)言。其優(yōu)點(diǎn)包括綜合統(tǒng)一、高度非過(guò)程化、面向集合的操作方式等，并且只要在初期設(shè)計(jì)好數(shù)據(jù)庫(kù)表單，后期也容易拓展。

數(shù)據(jù)庫(kù)具體的表單字段如圖7所示。

4 產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新

4.1 關(guān)鍵技術(shù)

4.1.1 AR

使用AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)屏幕與嵌套在屏幕中的3D建模模型的互動(dòng)。

4.1.2 Unity+Andriod

Unity 3D是由Unity Technologies開(kāi)發(fā)的讓玩家輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫(huà)等互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)綜合型游戲開(kāi)發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎。Unity類似于Director，Blender game engine， Virtools 或 Torque Game Builder等利用交互圖型化開(kāi)發(fā)環(huán)境的軟件。其編輯器運(yùn)行在Windows 和Mac OS X下，可發(fā)布游戲至Windows，Mac，Wii，iPhone，WebGL（需要HTML5），Windows phone 8和Android平臺(tái)。通過(guò)3D MAX建模，導(dǎo)入U(xiǎn)nity中，通過(guò)Unity整合開(kāi)發(fā)，實(shí)現(xiàn)手指旋轉(zhuǎn)查看模型的功能。發(fā)布至Andriod平臺(tái)，使Android手機(jī)可以運(yùn)行POU繪立體課堂。

4.1.3 圖像識(shí)別

圖像識(shí)別是指利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析和理解，以識(shí)別各種不同模式的目標(biāo)和對(duì)像的技術(shù)。采用攝像頭采集圖片，然后利用軟件進(jìn)行識(shí)別處理。

4.1.4 云服務(wù)器

實(shí)現(xiàn)圖像的及時(shí)識(shí)別與下載教學(xué)功能。我們的教學(xué)模型并不繼承在軟件中，而是存儲(chǔ)在云服務(wù)器中，通過(guò)云查找實(shí)現(xiàn)。

4.2 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）利用當(dāng)下熱門(mén)的AR技術(shù)增添學(xué)習(xí)樂(lè)趣，幫助學(xué)生更加直觀的理解課堂內(nèi)容。

（2）跨平臺(tái)移動(dòng)終端應(yīng)用APP中識(shí)別的數(shù)據(jù)可即時(shí)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)后臺(tái)更改，不需要完全更新程序。通過(guò)網(wǎng)頁(yè)后端課本、課件設(shè)置模塊，教師和圖書(shū)出版商可添加刪除教材、課件的AR資料識(shí)別集。輔助資料上傳模塊，使用者可以上傳3D模型/動(dòng)畫(huà)視頻作為AR識(shí)別后的內(nèi)容，同時(shí)需要上傳識(shí)別點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

（3）具有可分享性。

（4）引入判斷對(duì)錯(cuò)功能。通過(guò)對(duì)習(xí)題結(jié)果的掃描，對(duì)學(xué)生繪制的作業(yè)圖案進(jìn)行識(shí)別判斷。本功能可以用來(lái)進(jìn)行學(xué)生自測(cè)、查缺補(bǔ)漏，并輔助教師評(píng)判作業(yè)，自動(dòng)形成作業(yè)習(xí)題完成情況報(bào)告，以減輕教師的工作量。

（5）節(jié)約課堂時(shí)間，減少PPT制作過(guò)程的工作量，更加快捷有效。以往教師上課時(shí)，通過(guò)制作PPT，加入視頻等增強(qiáng)學(xué)生的理解。而通過(guò)該APP，教師只需將教學(xué)演示的動(dòng)畫(huà)、視頻上傳至平臺(tái)即可。

（6）減少了出版商在印刷時(shí)的紙張用量，保護(hù)環(huán)境。

（7）增加二維碼功能，提供與其他平臺(tái)相兼容的接口。使產(chǎn)品擁有更多附加功能和兼容性，大大提升了產(chǎn)品使用量。

5 應(yīng)用場(chǎng)景

5.1 場(chǎng)景一 機(jī)械制圖課本

機(jī)械制圖是工程類，特別是機(jī)械專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課，學(xué)習(xí)機(jī)械制圖能有效提高學(xué)習(xí)者的分析綜合能力、空間邏輯思維和形象思維能力，以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)必須的想象能力[4]。

對(duì)于機(jī)械制圖或者相關(guān)工程制圖課程，同學(xué)普遍反映學(xué)習(xí)起來(lái)較為吃力，在非機(jī)類同學(xué)中反響更為強(qiáng)烈。究其原因，得出的結(jié)論是上課時(shí)間太短，課下時(shí)間自己看書(shū)因空間想象力較差理解起來(lái)較為困難。

通過(guò)該平臺(tái)，教師或圖書(shū)出版商可以將制作好的學(xué)習(xí)輔助資料通過(guò)網(wǎng)頁(yè)后臺(tái)上傳。包括三維模型、視頻動(dòng)畫(huà)等多媒體教具。進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)置后，學(xué)生便可以通過(guò)手機(jī)攝像頭拍攝相應(yīng)位置以獲取輔助資料。針對(duì)機(jī)械制圖教學(xué)過(guò)程中難以直觀觀察的視圖或各種細(xì)節(jié)的產(chǎn)生過(guò)程，利用了3DsMax生成動(dòng)畫(huà)，通過(guò)動(dòng)畫(huà)演示各個(gè)角度圖形的生成過(guò)程。

5.2 場(chǎng)景二 機(jī)械制圖習(xí)題集

機(jī)械制圖習(xí)題集作為學(xué)生自主學(xué)習(xí)過(guò)程中的重要環(huán)節(jié)，存在理解難、無(wú)引導(dǎo)、批改難等問(wèn)題，針對(duì)習(xí)題部分，本平臺(tái)在呈現(xiàn)立體圖形的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了自主判題功能。通過(guò)對(duì)學(xué)生作答筆跡的掃描，結(jié)合題干，可以很容易地對(duì)作答答案進(jìn)行判斷。如作答正確，屏幕上會(huì)顯示出綠色的正確的三維模型。如果作答錯(cuò)誤，屏幕上會(huì)出現(xiàn)紅色的“×”。該功能既可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行自測(cè)，查缺補(bǔ)漏，又可以輔助教師評(píng)判作業(yè)，減輕教師的工作壓力。學(xué)生在進(jìn)行自主判題之后會(huì)生成一條識(shí)別記錄，作為做題量記錄的依據(jù)，通過(guò)最終評(píng)分解決教師與學(xué)生需求不對(duì)應(yīng)的問(wèn)題。

5.3 場(chǎng)景三 機(jī)械制圖課堂

傳統(tǒng)課本加課件的教學(xué)方式存在一定的局限性，只能單一展示平面圖片或固定視角的形狀效果。若相對(duì)圖形進(jìn)行深入理解，就需要學(xué)生具備很強(qiáng)的空間構(gòu)象能力。使用AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，結(jié)合圖像識(shí)別與立體呈現(xiàn)技術(shù)，通過(guò)建模等方式將平面圖轉(zhuǎn)化為三維圖像，提升了學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中的樂(lè)趣。在課堂學(xué)習(xí)過(guò)程中，教師可以通過(guò)本平臺(tái)更好地展示教學(xué)內(nèi)容，通過(guò)AR實(shí)現(xiàn)由二維講解到三維講解的轉(zhuǎn)換。學(xué)生可以自行在書(shū)本上掃描自助學(xué)習(xí)?！罢n堂簽到”“課堂練習(xí)”等小功能也增加了課堂的互動(dòng)性。

5.4 場(chǎng)景四 建筑學(xué)

目前國(guó)內(nèi)建筑院校的本科教育雖然沿用包豪斯的“雙軌制教學(xué)”模式，提倡教授理論知識(shí)與培養(yǎng)實(shí)踐能力融為一體，但因?yàn)榻虒W(xué)大綱的任務(wù)要求已經(jīng)逐步轉(zhuǎn)變成為“先課堂教學(xué)，后社會(huì)實(shí)踐”的單向線性教學(xué)模式，故教學(xué)與實(shí)踐的結(jié)合對(duì)于建筑專業(yè)學(xué)生有著不可忽視的作用?！癙OU繪”平臺(tái)亦在建筑學(xué)教學(xué)上有著重要應(yīng)用。對(duì)于由于時(shí)間成本以及財(cái)力成本等限制的不能現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的場(chǎng)景，可以通過(guò)AR技術(shù)三維重建后具體觀測(cè)。建筑學(xué)類似于機(jī)械制圖，尤其重視建筑內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。以往的建筑學(xué)繪制模型通常采用圖紙進(jìn)行二維繪制，僅僅體現(xiàn)出與地面平行的結(jié)構(gòu)。為了在二維圖上體現(xiàn)出三維參數(shù)，就不得不對(duì)二維圖進(jìn)行一系列的符號(hào)化。這對(duì)學(xué)生立體感要求極高，且一旦看錯(cuò)，會(huì)造成嚴(yán)重后果，同時(shí)，將模型按比例縮放會(huì)浪費(fèi)財(cái)力、人力。

本平臺(tái)通過(guò)手機(jī)掃描圖紙即可實(shí)現(xiàn)從二維平面到三維立體的轉(zhuǎn)變，使建筑學(xué)教學(xué)更容易。建筑系的學(xué)生可以通過(guò)本平臺(tái)更方便地觀察建筑結(jié)構(gòu)及各類實(shí)例。

5.5 場(chǎng)景五 醫(yī)學(xué)

縱觀現(xiàn)在的醫(yī)學(xué)教育，大多數(shù)學(xué)校都是直接拿出立體的模型進(jìn)行展示。立體模型固然有它的好處，相對(duì)于純理論教授，它可以使教育變得更方便，且學(xué)生也可以更好的理解。然而實(shí)體模型帶來(lái)的問(wèn)題也顯而易見(jiàn)：實(shí)體模型在使用過(guò)程中的損耗會(huì)很大程度增加學(xué)校的教學(xué)成本。實(shí)體模型雖然單個(gè)成本不高，但是因使用頻率過(guò)大導(dǎo)致模型受損率極高;實(shí)體模型因成本問(wèn)題，通常也只會(huì)在實(shí)驗(yàn)室配備，或者是教師講解時(shí)配備;模型制作需要使用大量的生物資源以及化學(xué)資源，會(huì)給生態(tài)帶來(lái)一定的影響。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮獨(dú)特作用，可幫助醫(yī)學(xué)學(xué)習(xí)者建立對(duì)人體系統(tǒng)的立體動(dòng)態(tài)概念、觀察內(nèi)部活動(dòng)、模擬手術(shù)實(shí)踐等[6]。本平臺(tái)在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景：

（1）軟件的成本相比于硬件來(lái)說(shuō)要低，有利于大范圍采購(gòu)。經(jīng)AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)出現(xiàn)的三維模型更加綠色，無(wú)需借助實(shí)驗(yàn)室條件。

（2）通過(guò)手機(jī)端，每個(gè)學(xué)生都有一個(gè)屬于自己的模型，方便復(fù)習(xí)。

（3）攜帶方便。只需通過(guò)手機(jī)掃描圖片，即可得到三維模型。

6 產(chǎn)品測(cè)試

手機(jī)APP注冊(cè)界面、登錄界面、課程選擇分別如圖8～10所示，機(jī)械制圖課堂展示如圖11所示，拆分展示如圖12所示，機(jī)械制圖課件如圖13所示，建筑學(xué)展示如圖14所示，醫(yī)學(xué)展示如圖15所示，網(wǎng)頁(yè)后臺(tái)（前端仍在完善）如圖16所示。

7 市場(chǎng)前景

7.1 市場(chǎng)分析

傳統(tǒng)的教輔書(shū)籍的內(nèi)容和形式已經(jīng)跟不上現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的需要，沒(méi)有更多的內(nèi)容服務(wù)創(chuàng)新空間。21世紀(jì)以來(lái)，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，特別是在課堂教學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)有效實(shí)現(xiàn)了教學(xué)輔導(dǎo)的全方位覆蓋，克服了傳統(tǒng)教學(xué)的時(shí)空限制瓶頸，革新了傳統(tǒng)教學(xué)形式和方法，優(yōu)化了課堂教學(xué)資源。但在今天我國(guó)基礎(chǔ)教育實(shí)踐中，如何有效利用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)教材、教學(xué)和教輔書(shū)籍形式與內(nèi)容的突破性創(chuàng)新，為大學(xué)提供科學(xué)而新穎的教材輔助工具、課堂輔助工具、實(shí)驗(yàn)輔助工具，已成為一個(gè)緊迫而重要的實(shí)踐課題。

“POU繪——立體課堂”（下稱“POU繪”）是一款基于Vuforia增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平臺(tái)以及EasyAR圖像識(shí)別系統(tǒng)的輔助學(xué)習(xí)類應(yīng)用。它可以通過(guò)手機(jī)攝像頭將課本、課件上平面的圖形變成“3D模型”或“注解視頻”來(lái)幫助學(xué)習(xí)者更好的理解。

市場(chǎng)分析主要從學(xué)生、教師、圖書(shū)出版商三個(gè)方面進(jìn)行。經(jīng)調(diào)查，POU繪很符合現(xiàn)在大學(xué)生的需求，提高了課本的利用率，使用簡(jiǎn)單便捷。

團(tuán)隊(duì)成員對(duì)北京多所高校展開(kāi)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，近八成大學(xué)生反映教科書(shū)使用率低，原因包括教師的講義比書(shū)本更容易理解（68%），書(shū)本枯燥無(wú)味（42%），書(shū)本對(duì)于例子和實(shí)驗(yàn)的講解過(guò)于平面化（40%），書(shū)本更新率慢，不能緊跟時(shí)代潮流（29%）……

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，近八成的學(xué)生表示教師上課并不使用或很少使用教科書(shū)，他們都有自己的一套講義和課件，按教科書(shū)內(nèi)容進(jìn)行講解的教師更是少之又少。

但同學(xué)表示雖然課上教師大多使用講義，但是書(shū)本對(duì)于同學(xué)的學(xué)習(xí)來(lái)說(shuō)還占很大的比重。在考前一段時(shí)間，書(shū)本的利用率較高，但平日里由于書(shū)本內(nèi)容枯燥且篇幅大，不比講義精簡(jiǎn)，且詳細(xì)介紹的地方又過(guò)于平面化導(dǎo)致書(shū)本使用率較低。

調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，教科書(shū)利用情況在文理科生中有差異，但不同專業(yè)學(xué)生對(duì)于課本是課堂輔助學(xué)習(xí)工具這一觀點(diǎn)基本贊同。在大學(xué)教材利用率低的當(dāng)下，文理科的狀況又存在較大差異。大部分同學(xué)認(rèn)為文科對(duì)教科書(shū)的利用率普遍低于理工科。文科知識(shí)較為活躍，很多教師上課時(shí)不會(huì)刻板地按照教科書(shū)講解，而理工科的知識(shí)，比如一些原理性的東西，相對(duì)比較標(biāo)準(zhǔn)，教師對(duì)教科書(shū)的利用率會(huì)比較高。工科同學(xué)希望掃一掃課本可以得到某個(gè)實(shí)驗(yàn)的過(guò)程視頻，建筑學(xué)的同學(xué)希望掃一掃課本能夠看到書(shū)本上二維圖形建模成三維之后的效果圖，歷史學(xué)的同學(xué)希望掃一掃書(shū)本上的人物就可以出現(xiàn)這個(gè)歷史人物的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)……

調(diào)查中，團(tuán)隊(duì)成員認(rèn)識(shí)到教科書(shū)應(yīng)該是基本的知識(shí)拓展。教師上課不按教科書(shū)上的內(nèi)容講，并不代表教科書(shū)就沒(méi)有被使用的必要。教師看的書(shū)比學(xué)生多而且全面，所以教師能夠從中歸納出一套較為系統(tǒng)的授課教案。但教師講的只是一個(gè)線索，教科書(shū)應(yīng)該是學(xué)生最基本的知識(shí)拓展工具，也是最重要的參考書(shū)目。在具有良好學(xué)風(fēng)的一流大學(xué)里，學(xué)生都會(huì)把教科書(shū)讀透。改善教科書(shū)未得到較好利用的方法就是讓課本活起來(lái)，在輔助工具的幫助下，讓學(xué)生愛(ài)上課本，多一些課下的學(xué)習(xí)，以提高課本的利用率。

我們的產(chǎn)品可使教材中普通的平面圖形變?yōu)榱Ⅲw可360°觀看的三維模型，不僅可以幫助學(xué)生理解課本實(shí)例，也減少了教師的工作量。

有需求就有發(fā)展，對(duì)于POU繪——立體課堂想法的建立就是源自于廣大學(xué)生的需求，團(tuán)隊(duì)先從本校的機(jī)械制圖課入手，了解到同學(xué)們機(jī)械制圖課程分?jǐn)?shù)差距大，然而機(jī)械制圖課是一門(mén)必修的基礎(chǔ)課，制圖也是一種必備的能力。因此多方面了解同學(xué)們的需求后，設(shè)計(jì)了一種輔助工具以協(xié)助他們學(xué)習(xí)。此外，設(shè)計(jì)的彈幕功能是考慮到同學(xué)們的提議，待掃描出一道題目后有同學(xué)講解這道題的重點(diǎn)難點(diǎn)，方便其他同學(xué)學(xué)習(xí)。

教師認(rèn)為通過(guò)掃碼得到視頻講解以及知識(shí)點(diǎn)講解已成為未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)，表示愿意與我們合作，讓POU繪——立體課堂與課堂、課本結(jié)合起來(lái)，讓課堂上的效率更高，讓課下的課本內(nèi)容更加豐富。

此外，當(dāng)今時(shí)代，國(guó)家對(duì)于課改更加重視，對(duì)于課本的修改優(yōu)化也在積極探索中。AR技術(shù)的發(fā)展以及線上學(xué)習(xí)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展可以極大地滿足中國(guó)大學(xué)生以及教師的需求，使得POU繪——立體課堂擁有廣闊的市場(chǎng)前景。

學(xué)生調(diào)查問(wèn)卷總結(jié)結(jié)果：

（1）八成學(xué)生認(rèn)為教科書(shū)利用率低，講解過(guò)于平面化。

（2）大部分工科的學(xué)生需要學(xué)習(xí)機(jī)械制圖基礎(chǔ)課程。制圖作為一種必備能力，對(duì)于三維感知想象能力要求較高，調(diào)查中發(fā)現(xiàn)六成同學(xué)表示入門(mén)比較困難，期待借助三維輔助工具來(lái)幫助他們理解。

（3）七成機(jī)械類專業(yè)的同學(xué)表示也需要三維輔助工具來(lái)幫助他們更好地理解課本。雖然機(jī)械類專業(yè)學(xué)生不需要此類工具來(lái)輔助入門(mén)制圖課的學(xué)習(xí)，但他們普遍表示在學(xué)習(xí)中隨著知識(shí)點(diǎn)難度的提升，幫助他們構(gòu)建三維想象模型的工具十分重要。

（4）五成建筑專業(yè)和四成醫(yī)學(xué)專業(yè)的同學(xué)表示課本圖示不太立體，他們需要一些立體的講解助手來(lái)幫助他們快速理解知識(shí)點(diǎn)。

教師調(diào)查問(wèn)卷總結(jié)結(jié)果：

（1）大部分教師喜歡用教科書(shū)+PPT的方式授課。

（2）二成教師有近期出書(shū)的準(zhǔn)備，其中有九成教師有合作意向。

（3）八成教師認(rèn)為書(shū)本不比視頻等方式能夠清楚講解知識(shí)點(diǎn)，認(rèn)為在書(shū)本知識(shí)點(diǎn)以及圖片旁邊加上二維碼的想法很好。

調(diào)查問(wèn)卷圖示如圖17所示。

7.2 目標(biāo)市場(chǎng)

POU繪——立體課堂目標(biāo)市場(chǎng)主要是大學(xué)修機(jī)械制圖、建筑類、醫(yī)學(xué)類課程的學(xué)生。中國(guó)的普通本科院校約820所，普通高職院校約1 228所。而普通本科院校中，有80%都開(kāi)設(shè)了機(jī)械、建筑、醫(yī)學(xué)專業(yè)，所以目標(biāo)市場(chǎng)廣闊。

AR以及虛擬技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，然而教學(xué)方面并沒(méi)有享受到這種技術(shù)帶來(lái)的優(yōu)勢(shì)與進(jìn)步?，F(xiàn)行單一的課本教學(xué)、課件教學(xué)存在較大的局限性。課本為平面展示、不立體; PPT課件制作耗時(shí)且容易出現(xiàn)視頻不兼容、卡頓等問(wèn)題?；诖?，我們?cè)O(shè)計(jì)運(yùn)用AR等技術(shù)實(shí)現(xiàn)課堂革新。

通過(guò)為學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)資源來(lái)輔助學(xué)生更好地運(yùn)用課本，豐富課堂，補(bǔ)充和完善教師教學(xué)中可能存在的不足。課上以及課下的共同努力可快速實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)與能力的雙提升。

雖然市場(chǎng)分析指出不論文學(xué)類或理工類學(xué)生都需要這種課堂、課本輔助工具，但對(duì)于例子中的歷史系學(xué)生來(lái)說(shuō)，POU繪可以被百度代替，輕點(diǎn)開(kāi)百度也能得到所需要的知識(shí)。但是對(duì)于要學(xué)習(xí)機(jī)械制圖、建筑類課程的學(xué)生來(lái)說(shuō)，他把書(shū)本上的二維圖轉(zhuǎn)化成三維圖要使用電腦上的工具，且建模有一定的難度，并且模型建模需要耗費(fèi)大量精力，因此使用POU繪——立體課堂來(lái)驗(yàn)證自己腦海中轉(zhuǎn)化而得的立體圖是否正確簡(jiǎn)單便捷。

考慮到機(jī)械制圖、建筑類、醫(yī)學(xué)類專業(yè)的學(xué)生對(duì)POU繪——立體課堂的需求更大，所以產(chǎn)品的目標(biāo)市場(chǎng)是機(jī)械類、建筑類、醫(yī)學(xué)類專業(yè)學(xué)生。但我們相信，未來(lái)系統(tǒng)功能更加完善時(shí)，會(huì)有更多專業(yè)的學(xué)生需要它。

7.3 市場(chǎng)計(jì)劃

學(xué)生

（1）第一年，在大學(xué)機(jī)械制圖專業(yè)學(xué)生中推廣。

（2）第二年，在建筑和醫(yī)學(xué)類專業(yè)學(xué)生中推廣，慢慢擴(kuò)大市場(chǎng)。

（3）之后慢慢拓展到其他專業(yè)。

教師

（1）第一年，聯(lián)系北京機(jī)械專業(yè)的教師，詢問(wèn)是否要出新書(shū)，征求合作意向。

（2）第二年，把機(jī)械制圖課程做成一個(gè)成功案例，在教建筑和醫(yī)學(xué)的教師中推廣。

（3）慢慢拓展到其他專業(yè)。

7.4 未來(lái)方向

（1）在APP中添加課堂AR彈幕與課堂實(shí)景練習(xí)等功能，將課堂變的更加立體、有趣。

（2）增加POU繪——功能，使其成為課改輔助APP的范例。繼續(xù)完善網(wǎng)頁(yè)后端功能，使其更加美觀、易用。

（3）完善判錯(cuò)系統(tǒng)，提高其精確度。

（4）開(kāi)放框架可以引入教師教學(xué)的MOOC，擴(kuò)大POU繪——市場(chǎng)及其影響力。平臺(tái)對(duì)接，通過(guò)二維碼提供與其他平臺(tái)相兼容的接口。

（5）向大家征集模型，上傳可獲得積分。

（6）虛擬實(shí)驗(yàn)，可線上做實(shí)驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路、嵌入式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)組成原理等場(chǎng)景的使用，增強(qiáng)教學(xué)

效果。