增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在環(huán)境設(shè)計制圖課程中的應(yīng)用

◇楊 杰 楊 瀛

近年來，由于信息技術(shù)的快速發(fā)展與國家教育部門的大力提倡，信息化技術(shù)在高校教育中開始得到廣泛而適度的應(yīng)用，成為實踐教學(xué)重要的組成部分，成為提高教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)效率不可或缺的手段。增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的普及應(yīng)用無疑是對傳統(tǒng)教學(xué)的一場革命。

增強(qiáng)現(xiàn)實（AugmentedReality，簡稱AR）是通過攝像頭對現(xiàn)實空間位置進(jìn)行數(shù)據(jù)采樣，對采樣的數(shù)據(jù)坐標(biāo)和三維虛擬場景數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，現(xiàn)實空間信息和虛擬場景信息運(yùn)動路徑、光影變化等完美結(jié)合，達(dá)到最佳的體驗感。AR有別于VR（虛擬現(xiàn)實技術(shù)），AR不用購買價格昂貴的設(shè)備，不受定位器的束縛，無需佩戴全封閉式的頭顯，不必配備高端計算機(jī)就可以隨時隨地地使用移動設(shè)備進(jìn)行。近些年，對于用戶群而言，具有感知性、沉浸性、交互性等特點的AR，普及度更高，用戶范圍更加廣泛。AR以提高學(xué)生的技能水平為核心，有益于教師的實踐教學(xué)和學(xué)生專業(yè)技能的訓(xùn)練。

基于多年的教學(xué)經(jīng)驗，依托AR技術(shù)，結(jié)合環(huán)境設(shè)計制圖課程的特點，提出了“以虛促實，虛實結(jié)合”的建設(shè)思路，建設(shè)了環(huán)境設(shè)計制圖虛擬仿真平臺。在建設(shè)過程中，針對教學(xué)中存在的諸多問題，結(jié)合虛擬仿真特點，構(gòu)建了十個案例知識點，經(jīng)過兩學(xué)期的廣泛應(yīng)用，取得了較佳的成效。

一、虛擬仿真教學(xué)平臺資源建設(shè)的必要性

環(huán)境設(shè)計制圖課程在三視圖、軸測圖、透視圖，直至施工圖的繪制等比較抽象難以理解的空間邏輯關(guān)系環(huán)節(jié)，加入“環(huán)境設(shè)計制圖虛擬仿真教學(xué)平臺”教學(xué)系統(tǒng)，幫助學(xué)生構(gòu)建覆蓋課程“課前預(yù)習(xí)、課中學(xué)習(xí)、課后復(fù)習(xí)”全過程的實踐學(xué)習(xí)流程，既可較好解決單一結(jié)構(gòu)由于三維空間在二維平面投影難以理解、學(xué)生三維空間構(gòu)建能力差等因素限制而致環(huán)境設(shè)計制圖結(jié)構(gòu)復(fù)習(xí)難、考核難，空間中家具空間分布位置再現(xiàn)難，教師示教效果差等問題，還可增強(qiáng)學(xué)生對建筑切片操作流程、空間布局位置關(guān)系的感性認(rèn)識，實現(xiàn)“環(huán)境設(shè)計制圖虛擬仿真教學(xué)平臺”完整、高效、可視、便捷開發(fā)，以及該系統(tǒng)對較難知識點學(xué)習(xí)過程的全覆蓋。

二、“環(huán)境設(shè)計制圖虛擬仿真教學(xué)平臺”資源建設(shè)

“環(huán)境設(shè)計制圖虛擬仿真教學(xué)平臺”資源平臺框架構(gòu)建時，通過調(diào)研市場中主流手機(jī)分辨率，設(shè)計了低中高三個版本的分辨率，720p（720×1280）、1080p（1080×1920）、2k（2560×1440），非主流手機(jī)會有少許屏幕拉升現(xiàn)象或屏幕邊緣出現(xiàn)些許黑邊現(xiàn)象。通過以往開發(fā)經(jīng)驗設(shè)計了學(xué)生、教師和后臺管理員三個接口，如需更新內(nèi)容可以通過后臺管理員升級數(shù)據(jù)庫內(nèi)容。教師可以通過后臺數(shù)據(jù)檢查學(xué)生作業(yè)情況并進(jìn)行批改。

“環(huán)境設(shè)計制圖虛擬仿真教學(xué)平臺”資源平臺內(nèi)容包含制圖基礎(chǔ)、建筑工程制圖、室內(nèi)設(shè)計制圖、景觀設(shè)計制圖、透視圖和軸測圖六章節(jié)中難以表述的十個知識點。

三、增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

（一）制圖原理增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)

制圖原理增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)針對傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生對三維空間想象難以理解的部分進(jìn)行增強(qiáng)表現(xiàn)。在制圖原理課程中一般用V、H和W表示三維空間的投影。其中V（vertica）l表示主視圖承影面，H（horizontal）表示俯視圖承影面，W（Width）表示左視圖承影面。為了能夠表達(dá)出物體的形體特征，將物體放在由V、H、W這三個互相垂直的投影面上，分別用三個不同投影面上的正投影圖組合在一起形成三視圖，這是傳統(tǒng)教學(xué)關(guān)于三視圖的基本概念，不僅晦澀難懂，也讓空間理解能力較弱的學(xué)生在入門的第一課就被絆住腳。AR技術(shù)進(jìn)行解析，學(xué)生首先通過V、H、W三個投影面分色示意圖了解什么是立體的三維成像環(huán)境，接著再將物體以直觀的形式植入到三維成像環(huán)境中，增入理想化的平行光源照射物體，在不同的投影面上留下的圖形就是視圖，經(jīng)過這一AR演示過程，學(xué)生充分認(rèn)識主視圖、俯視圖和左視圖的成像原理。

（二）建筑工程制圖增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)

在建筑工程制圖章節(jié)，AR技術(shù)的輔助教學(xué)，主要運(yùn)用在了“建筑平面圖的識圖”這一知識點上，通過AR動畫的制作，將完整的建筑攔腰截斷，猶如對建筑做了一次解剖手術(shù)，讓學(xué)生對建筑來一次拆裝和重組。這一過程在現(xiàn)實中是無法完成的，但AR技術(shù)做到了，它幫助學(xué)生認(rèn)識和了解建筑平面圖投影的原理，強(qiáng)化學(xué)生對建筑平面圖制圖內(nèi)容的識記，增加了課堂教學(xué)的趣味性。

（三）室內(nèi)設(shè)計制圖增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)

室內(nèi)設(shè)計制圖的章節(jié)學(xué)習(xí)中，主要是為了學(xué)習(xí)施工圖做準(zhǔn)備工作。一方面針對知識點“室內(nèi)平面布置圖的形成”使用了AR技術(shù)輔助教學(xué)，由平面布置圖切入。這一過程與建筑平面圖的識圖學(xué)習(xí)比較類似，橫向剖切了住宅樓，延Z軸向上移動了上一層的住宅空間，使本層室內(nèi)平面布置圖在水平投影面上的關(guān)系清晰可見。另一方面，在學(xué)習(xí)“天花平面圖的形成”過程中，通過AR手段，讓學(xué)生在仰視的視角觀察出室內(nèi)天花的造型，再通過類似蓋章的方式，將天花的造型印在了平面上。

（四）軸測圖增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)

軸測圖是軸測投影圖的簡稱，又稱為直觀圖，是學(xué)生在學(xué)習(xí)完三視圖后，必須通過空間想象能力還原出的物體三維成像圖。軸測圖沒有透視效果，不會產(chǎn)生近大遠(yuǎn)小的關(guān)系，包含了正軸測圖和斜軸側(cè)圖，其中教學(xué)重點是正軸測圖中的正等軸測圖。經(jīng)過三視圖的前期訓(xùn)練，大多數(shù)學(xué)生能夠通過正等軸測圖繪制出相應(yīng)的三視圖，但反之根據(jù)三視圖繪制正等軸測圖卻顯得力不從心。AR技術(shù)通過對OX、OY、OZ三條軸不同的軸伸縮系數(shù)的演示，首先輔助學(xué)生識記軸測圖的種類，通過不同軸伸縮系數(shù)的物體形狀對比，進(jìn)一步掌握軸測圖，再在AR演示中逐步過渡到展示物體本身，其在正等軸測圖的不同投影面上的模樣，極大程度使學(xué)生茅塞頓開。

四、增強(qiáng)現(xiàn)實在教學(xué)應(yīng)用中的弊端

（一）3D畫面不同步產(chǎn)生的眩暈感

增強(qiáng)現(xiàn)實是一種新興的科技，受制于硬件設(shè)備和3D畫面的真實程度，現(xiàn)實畫面和3D畫面對比反差較明顯，手持式硬件的畫面抖動造成的眩暈更甚，視網(wǎng)膜呈現(xiàn)的圖像出現(xiàn)強(qiáng)烈的閃爍，用戶會從生理上產(chǎn)生不適感。在性能較好的硬件上運(yùn)行，軟件和硬件匹配度會提高，開發(fā)軟件時3D光影和現(xiàn)實影像的畫面對比適中，操作界面完美地匹配畫面，掉幀現(xiàn)象會消失，畫面幀數(shù)每秒達(dá)到30幀以上可以有效地避免眩暈感，但達(dá)到其效果需要一定的硬件和軟件門檻。

（二）信息化教學(xué)資源硬軟件的短缺

2016年被稱為虛擬現(xiàn)實元年，不管是VR還是AR都剛剛起步。從行業(yè)現(xiàn)狀來看，存在開發(fā)成本較高、從業(yè)人員不足、技術(shù)門檻較高、硬件設(shè)備昂貴等問題；從教育現(xiàn)狀來看，大部分學(xué)校未配置相關(guān)設(shè)備，教師幾乎沒有接觸過相關(guān)軟件，何談在日常教學(xué)中運(yùn)用。目前，教育部在大力發(fā)展信息化教學(xué)建設(shè)，構(gòu)建學(xué)科教學(xué)資源庫，資源的短缺是最大的難處。隨著信息化教學(xué)建設(shè)的推進(jìn)，未來不論是VR還是AR，都將給傳統(tǒng)課堂帶來一股清流。

（三） “教”與 “學(xué)”的形式主義

增強(qiáng)現(xiàn)實的沉浸感、互動性具有和游戲一樣的特點，增強(qiáng)現(xiàn)實把每個知識點單元化，每個單元是構(gòu)成獨立的虛擬環(huán)境。利用課本知識點構(gòu)建的增強(qiáng)現(xiàn)實，能充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，學(xué)生在虛擬環(huán)境中“玩”得眉開眼笑，但教材中的知識點依然是枯燥乏味的，增強(qiáng)現(xiàn)實只是單純地讓形式變得華麗。如何突破傳統(tǒng)教材知識點的形式，在內(nèi)容上真正的有趣，還不是形式手段上單純的豐富，跳不出內(nèi)容的單一，同時這也是“教”與“學(xué)”的瓶頸。

數(shù)字孿生、人工智能、增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）和虛擬現(xiàn)實（VR）是發(fā)展前景較好的行業(yè)。相信隨著科技的發(fā)展，未來這些行業(yè)必然會交織在一起，增強(qiáng)現(xiàn)實會廣泛運(yùn)用在線上教學(xué)和線下教學(xué)中，其較強(qiáng)的沉浸感會帶給學(xué)生全新的感官刺激，交互性的特點會吸引大量學(xué)生進(jìn)入系統(tǒng)平臺學(xué)習(xí)，學(xué)生可在虛擬世界中“游中學(xué)、學(xué)中游”。教師與學(xué)生在“教”與“學(xué)”中的地位勢必翻轉(zhuǎn)，學(xué)生作為學(xué)習(xí)的主體，自行探究，實踐創(chuàng)新，教師作為引導(dǎo)者，為學(xué)生制定學(xué)習(xí)計劃，解答難題。這是“教”與“學(xué)”最完美的生態(tài)關(guān)系。