AR 技術(shù)在液壓傳動(dòng)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中應(yīng)用的探討

王智林，朱節(jié)宏

(北海職業(yè)學(xué)院，廣西 北海536000)

0 引言

近年來(lái)，隨著互聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)通訊和人工智能技術(shù)的不斷深入發(fā)展，信息技術(shù)所引發(fā)的科技浪潮對(duì)教育領(lǐng)域的各方面帶來(lái)了極大的沖擊，同時(shí)也帶來(lái)巨大的驅(qū)動(dòng)力，推動(dòng)教育不斷變革與發(fā)展。2019 年是職業(yè)教育的里程碑，教育部積極響應(yīng)全國(guó)人大代表與全國(guó)政協(xié)委員的建議和提案，著力解決職業(yè)教育熱點(diǎn)難點(diǎn)問(wèn)題，并決取得了新進(jìn)展。2019 年初，《國(guó)家職業(yè)教育改革實(shí)施方案》(簡(jiǎn)稱“職教20 條”)應(yīng)運(yùn)而生，明確職業(yè)教育的定位——職業(yè)教育與普通教育是兩種不同教育類型，具有同等重要地位。在貫徹落實(shí)《國(guó)家職業(yè)教育改革實(shí)施方案》的背景下，需要重點(diǎn)關(guān)注并研究解決高職教育在教師、教材、教法中存在的問(wèn)題，以便進(jìn)一步深化內(nèi)涵建設(shè)。新的時(shí)代背景下，教師、教材、教法都應(yīng)該引入新理念和新技術(shù)。隨著“互聯(lián)網(wǎng)+職業(yè)教育”迅猛發(fā)展，教師運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)更新教材和改進(jìn)教法成為新常態(tài)，新技術(shù)在實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、實(shí)習(xí)等教學(xué)過(guò)程的關(guān)鍵環(huán)節(jié)的應(yīng)用尤為重要。

1 AR 技術(shù)概述

AR 技術(shù)(全稱Augmented Reality，又名增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))，最早于1990 年提出，是一種實(shí)時(shí)地計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像的技術(shù)，是一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息“無(wú)縫”集成的新技術(shù)，目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界并進(jìn)行互動(dòng)。隨著智能移動(dòng)通訊終端性能的不斷提升，AR技術(shù)應(yīng)用日益廣泛。

2 液壓傳動(dòng)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)現(xiàn)狀

液壓傳動(dòng)是汽車維修、港口機(jī)械、機(jī)電一體化、工業(yè)機(jī)器人等專業(yè)必修的一門重要基礎(chǔ)課程，其傳統(tǒng)的授課方式是理論講授與實(shí)踐操作相結(jié)合。但是經(jīng)調(diào)查統(tǒng)計(jì)，很多高職院校普遍存在理論授課與實(shí)踐操作課時(shí)分配不均的現(xiàn)象，教學(xué)效果也普遍較差，分析其原因，可大致歸結(jié)為：課程知識(shí)的覆蓋面較廣，內(nèi)容較復(fù)雜；所編教材復(fù)雜，概念與圖例過(guò)多；課程的實(shí)踐性較強(qiáng)，但大部分高職院校受實(shí)踐教學(xué)硬件設(shè)施的限制，導(dǎo)致學(xué)生對(duì)元件的認(rèn)識(shí)不夠清晰，教學(xué)效果不理想。因此為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性，提升教學(xué)效果，近年來(lái)各高職院校除了加大硬件設(shè)施的投入，同時(shí)還引入翻轉(zhuǎn)課堂這一教學(xué)模式。

翻轉(zhuǎn)課堂最早起源于美國(guó)，目前被越來(lái)越多的高職院校所采用。這種教學(xué)方式有別于傳統(tǒng)授課的“灌輸式”。翻轉(zhuǎn)課堂要求教師重新調(diào)整課堂內(nèi)外的時(shí)間，將學(xué)習(xí)的主導(dǎo)權(quán)轉(zhuǎn)移給學(xué)生。課前，教師將制作的PPT 課件、動(dòng)畫(huà)和微課短視頻線上推送給學(xué)生。學(xué)生在課前通過(guò)這些推送的信息資料完成自主學(xué)習(xí)，并完成相應(yīng)的練習(xí)，師生在線進(jìn)行反饋答疑，互動(dòng)交流。課內(nèi)，教師不再是知識(shí)講授者的角色，而是以引導(dǎo)員和協(xié)助者的角色，幫助學(xué)生自行提出問(wèn)題，并解決問(wèn)題，從而對(duì)課程知識(shí)有更深層次的理解，將知識(shí)內(nèi)化。翻轉(zhuǎn)課堂模式與混合式學(xué)習(xí)、 探究性學(xué)習(xí)、其他教學(xué)方法和工具在含義上有所重疊，都是為了讓學(xué)習(xí)更加靈活、主動(dòng)，讓學(xué)生的參與度更強(qiáng)。翻轉(zhuǎn)課堂這種教學(xué)模式下，教師所提供的PPT 課件、動(dòng)畫(huà)和微課短視頻等信息資料對(duì)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的幫助巨大，但是液壓傳動(dòng)系統(tǒng)的元件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)回路對(duì)于高職院校的學(xué)生而言依舊顯得較為復(fù)雜，即使在自主學(xué)習(xí)的過(guò)程中一直與教師保持交流互動(dòng)，可能仍需要花費(fèi)較長(zhǎng)的時(shí)間精力進(jìn)行想象和推演才能學(xué)會(huì)弄懂。所以液壓翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)實(shí)踐效果仍然有較大的提升空間，但是需要引入更優(yōu)化的教學(xué)資料或者技術(shù)來(lái)進(jìn)行教學(xué)輔助。

3 AR 技術(shù)在液壓傳動(dòng)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中的應(yīng)用策略

長(zhǎng)期以來(lái)，我們?cè)诮逃虒W(xué)過(guò)程中對(duì)于自主學(xué)習(xí)中互動(dòng)性的理解往往都片面的局限于學(xué)生與教師之間的交流互動(dòng)，而實(shí)際上學(xué)生與知識(shí)之間的互動(dòng)對(duì)自主學(xué)習(xí)的意義更為重要。不論是液壓傳統(tǒng)教學(xué)中的書(shū)面文字知識(shí)，亦或是翻轉(zhuǎn)課堂中的圖片、動(dòng)畫(huà)和微課短視頻等多媒體知識(shí)，都不具備動(dòng)態(tài)的可交互性，學(xué)生與其之間無(wú)法形成學(xué)習(xí)互動(dòng)，只是在被動(dòng)接受知識(shí)信息。而AR 技術(shù)的出現(xiàn)正好提供了一種技術(shù)平臺(tái)或者途徑，為實(shí)現(xiàn)學(xué)生與知識(shí)本身之間的互動(dòng)交流提供了可能性。目前，大學(xué)生智能移動(dòng)通訊終端的持有率為100%，智能移動(dòng)終端的高覆蓋率及其通訊的實(shí)時(shí)性，具有得天獨(dú)厚的時(shí)空優(yōu)勢(shì)，圍繞智能移動(dòng)終端深入開(kāi)展信息化教學(xué)將是未來(lái)的教育教學(xué)發(fā)展趨勢(shì)。

現(xiàn)階段，AR 技術(shù)在液壓翻轉(zhuǎn)課堂中的應(yīng)用主要集中在開(kāi)發(fā)立體交互式教材和網(wǎng)絡(luò)在線自主學(xué)習(xí)資源。由于液壓傳動(dòng)課程自身的特點(diǎn)，傳統(tǒng)教材即使圖文并茂，大多數(shù)的學(xué)生在面對(duì)傳統(tǒng)教材時(shí)都會(huì)感到晦澀難懂，無(wú)法做到高效閱讀?；贏R 技術(shù)，可在傳統(tǒng)教材的圖例中添加識(shí)別碼，通過(guò)智能移動(dòng)終端掃描識(shí)別碼［1-2］，甚至可以利用自主識(shí)別，通過(guò)攝像頭自動(dòng)追蹤平面圖形，不需要人工選擇識(shí)別區(qū)域或者識(shí)別碼，經(jīng)過(guò)自動(dòng)精準(zhǔn)的圖像識(shí)別，通過(guò)Web 端管理后臺(tái)及云服務(wù)器將數(shù)據(jù)庫(kù)中的數(shù)據(jù)傳輸給個(gè)人智能移動(dòng)終端，實(shí)現(xiàn)即時(shí)的 AR 的立體呈現(xiàn)［3-4］，通過(guò)終端的顯示屏幕將紙質(zhì)教材的圖形動(dòng)起來(lái)，能直觀體現(xiàn)液壓元器件內(nèi)部結(jié)構(gòu)及或者液壓回路中液體控制等復(fù)雜過(guò)程，極大提升了教材的趣味性，同時(shí)學(xué)生的閱讀效率也將大大提高；針對(duì)液壓翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)的課前自主學(xué)習(xí)，文字說(shuō)明、二維圖、三維立體模型的二維展示圖、 動(dòng)畫(huà)和微課視頻等資源雖然為學(xué)生提供了豐富學(xué)習(xí)資源，但是仍不足以讓學(xué)生更高效的自學(xué)。而教師將基于AR 技術(shù)的數(shù)字資源推送給學(xué)生后，學(xué)生的智能移動(dòng)終端出現(xiàn)相對(duì)應(yīng)的液壓傳動(dòng)元器件或者液壓回路系統(tǒng)的三維模型，只要通過(guò)手指在屏幕上輕點(diǎn)或者滑動(dòng)，就可以輕松的對(duì)模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放、移動(dòng)、拆解組裝、剖切和模擬運(yùn)行等操作，同時(shí)還可以隨時(shí)調(diào)取其中的零件并高亮顯示零件及其名稱。這類AR 數(shù)據(jù)資源基于屏幕單觸點(diǎn)或者多觸點(diǎn)應(yīng)用程序，只需要學(xué)生在模擬場(chǎng)景中用手勢(shì)就可以與屏幕中的模型進(jìn)行交互，使用者與設(shè)備將的交互要求較低，具備極佳的人機(jī)交互性和普及性［5］。

下一階段，AR 技術(shù)在液壓傳動(dòng)翻轉(zhuǎn)課堂中的應(yīng)用將進(jìn)一步深化，主要體現(xiàn)為：利用AR 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)軟件依托計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和AI 人工智能技術(shù)，最大限度地還原真實(shí)的實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景，通過(guò)學(xué)生個(gè)人智能移動(dòng)終端，擺脫實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地、儀器、設(shè)備、材料等硬件條件的制約，可以讓更多的學(xué)生充分參與到虛擬實(shí)踐其中。對(duì)于難以實(shí)施、成本高、系統(tǒng)復(fù)雜或者據(jù)有危險(xiǎn)性的場(chǎng)景實(shí)踐，在虛擬環(huán)境中都可以生動(dòng)形象地進(jìn)行交互式的操作，并且學(xué)生可重復(fù)實(shí)踐練習(xí)，直至理解消化相應(yīng)知識(shí)，以最少的消耗達(dá)到最優(yōu)化的學(xué)習(xí)效果。

4 AR 技術(shù)在液壓傳動(dòng)翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

4.1 虛實(shí)結(jié)合

AR 技術(shù)將虛擬圖像套在實(shí)際圖形上或者真實(shí)環(huán)境中，通過(guò)虛擬液壓元器件和回路系統(tǒng)，來(lái)增強(qiáng)學(xué)生對(duì)實(shí)體的真實(shí)感受，強(qiáng)化對(duì)液壓元器件實(shí)物的認(rèn)知。方便學(xué)生記憶和理解在翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)中的重難點(diǎn)知識(shí)。

4.2 實(shí)時(shí)性強(qiáng)

通過(guò)智能移動(dòng)終端的攝像頭掃面教材圖形，就可以同步在屏幕上顯示虛擬物體；在高速發(fā)展的互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代背景下，云數(shù)據(jù)通過(guò)網(wǎng)絡(luò)即時(shí)傳輸，AR 數(shù)據(jù)庫(kù)的學(xué)習(xí)資源，只需手指輕點(diǎn)就可將虛擬物體即時(shí)呈現(xiàn)在屏幕中。使得液壓翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)不再局限于教室和電腦前，也弱化了課前、課內(nèi)和課后的時(shí)間界限，翻轉(zhuǎn)課堂的教學(xué)不再受時(shí)空限制，隨時(shí)隨地都可進(jìn)行，更有利于時(shí)間的充分利用。

4.3 降低難度

原本晦澀難懂的原理性或者結(jié)構(gòu)性知識(shí)，在交互式三維虛擬實(shí)物的立體呈現(xiàn)下，變的簡(jiǎn)單明了，隨著理解難度的減低，學(xué)生一旦學(xué)懂弄通了，對(duì)液壓傳動(dòng)課程的接受程度就會(huì)提高。而AR 技術(shù)借助個(gè)人智能移動(dòng)終端的屏幕使學(xué)生輕松體驗(yàn)到有如真實(shí)情境的感受，學(xué)習(xí)的趣味性提高了，學(xué)生對(duì)這門課程的學(xué)習(xí)興趣自然也會(huì)隨之提高。

4.4 便于拓展

AR 技術(shù)由跨平臺(tái)的個(gè)人移動(dòng)通訊終端——Web端管理后臺(tái)及云服務(wù)器——數(shù)據(jù)庫(kù)3 大部分串連組成，只需要通過(guò)Web 端管理后臺(tái)及云服務(wù)器，將新的教學(xué)資源數(shù)據(jù)上傳到數(shù)據(jù)庫(kù)，學(xué)生在通過(guò)個(gè)人終端調(diào)取AR 教學(xué)資源時(shí)就可直接獲得拓展后的資源數(shù)據(jù)。

5 結(jié)束語(yǔ)

在大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)以及人工智能快速發(fā)展并不斷融合的時(shí)代背景之下，越來(lái)越多的信息化技術(shù)將融入到教育教學(xué)當(dāng)中。翻轉(zhuǎn)課堂或者慕課(MOOC)都是教學(xué)模式未來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。在這類教學(xué)模式下，“教”與“學(xué)”的過(guò)程有別于傳統(tǒng)模式，如何能提高教學(xué)效果，如何調(diào)動(dòng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，為學(xué)生提供最佳的自主學(xué)習(xí)資源和空間，這些問(wèn)題都是必須解決的。AR 技術(shù)正好因其良好的人機(jī)交互性為這些問(wèn)題提供了解決辦法，為進(jìn)一步推進(jìn)教育教學(xué)模式的信息化、科技化提供助力。