基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的理論力學(xué)新形態(tài)教材設(shè)計(jì)與實(shí)踐1)

李永強(qiáng) 張英杰 池維超 趙向東 安 莉 李紅影

?(東北大學(xué)，沈陽(yáng)110819)

?(高等教育出版社，北京100029)

“理論力學(xué)”課程是高等工科學(xué)校的技術(shù)基礎(chǔ)課，是連接基礎(chǔ)理論課與工程專(zhuān)業(yè)課的橋梁。課程的任務(wù)是使學(xué)生掌握質(zhì)點(diǎn)系和剛體機(jī)械運(yùn)動(dòng)(包括平衡)的基本規(guī)律及其研究方法，為學(xué)習(xí)有關(guān)的后續(xù)課程打好必要的基礎(chǔ)，初步學(xué)會(huì)應(yīng)用理論力學(xué)的理論和方法分析解決一些簡(jiǎn)單的工程實(shí)際問(wèn)題，同時(shí)結(jié)合課程的特點(diǎn)，培養(yǎng)學(xué)生的辯證唯物主義世界觀，以及分析問(wèn)題和解決問(wèn)題的能力。教材作為課程教學(xué)的基礎(chǔ)性資源，是教育思想、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法與手段的載體[1]。許多高校針對(duì)理論力學(xué)課程在教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)方法、教學(xué)手段和教材建設(shè)等方面進(jìn)行了大量教學(xué)改革[2-10]。從學(xué)校教育產(chǎn)生以來(lái)，傳統(tǒng)的紙質(zhì)教材作為教師傳道授業(yè)的必備工具，由于攜帶不便、知識(shí)信息更新慢等缺點(diǎn)，已很難滿足“互聯(lián)網(wǎng)＋”背景下學(xué)習(xí)者對(duì)理論力學(xué)課程的學(xué)習(xí)需求，新形態(tài)教材的開(kāi)發(fā)為教材改革提供了一個(gè)可行方向。

1 我國(guó)工科類(lèi)理論力學(xué)教材的現(xiàn)狀

我國(guó)工科類(lèi)理論力學(xué)教材建設(shè)起步于對(duì)蘇聯(lián)教材的翻譯，尤其是在1980年以后，我國(guó)高校教材從國(guó)家統(tǒng)編狀態(tài)進(jìn)入自由開(kāi)放狀態(tài)[9]，國(guó)內(nèi)高校紛紛開(kāi)始了自編理論力學(xué)教材的出版。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，目前市場(chǎng)上的理論力學(xué)教材種類(lèi)繁多。其中，哈爾濱工業(yè)大學(xué)理論力學(xué)教研室編著的《理論力學(xué)I，II》[11]、浙江大學(xué)理論力學(xué)教研室編著的《理論力學(xué)》[12]、中國(guó)礦業(yè)大學(xué)郝桐生教授編著的《理論力學(xué)》[13]、北京大學(xué)朱照宣教授等編著的《理論力學(xué)》[14]、上海交通大學(xué)洪嘉振教授等編著的《理論力學(xué)》[15]、清華大學(xué)李俊峰教授等編著的《理論力學(xué)》[16]、清華大學(xué)賈書(shū)惠教授編著的《理論力學(xué)教程》[17]、北京航空航天大學(xué)謝傳鋒、王琪教授編著的《理論力學(xué)》[18]、北京理工大學(xué)梅鳳翔教授等編著的《理論力學(xué)I，II》[19]、蘭州大學(xué)周又和教授編著的《理論力學(xué)》[20]等教材幾經(jīng)修訂，反復(fù)錘煉，已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)理論力學(xué)課程教學(xué)的經(jīng)典教材。

隨著互聯(lián)網(wǎng)和多媒體等現(xiàn)代教育技術(shù)的發(fā)展，理論力學(xué)教材的呈現(xiàn)形式早已打破傳統(tǒng)的紙質(zhì)印刷媒介的局限，發(fā)展成與電子教案、重點(diǎn)及難點(diǎn)例題、習(xí)題解題指導(dǎo)等多種數(shù)字資源相結(jié)合的立體化教材。立體化的理論力學(xué)教材因具有豐富的教學(xué)資源，可在一定程度上滿足學(xué)習(xí)者自主性、個(gè)性化的學(xué)習(xí)需求。但由于立體化教材通常采取先建紙質(zhì)教材，再配套數(shù)字教學(xué)資源的建設(shè)模式，編著者往往注重?cái)?shù)字教學(xué)資源的完整性，缺乏對(duì)紙質(zhì)教材和數(shù)字教學(xué)資源的整體設(shè)計(jì)。與立體化教材相配套的教學(xué)資源或存儲(chǔ)于相應(yīng)的資源網(wǎng)站或以單機(jī)版光盤(pán)的形式附于書(shū)后，學(xué)習(xí)者必須借助計(jì)算機(jī)讀取光盤(pán)或登陸資源網(wǎng)站進(jìn)行學(xué)習(xí)，便捷性較差。因此，為適應(yīng)互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展與需求，現(xiàn)有的理論力學(xué)教材亟待轉(zhuǎn)型升級(jí)，通過(guò)將教學(xué)內(nèi)容與互聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)代信息技術(shù)相融合，打造出全新的理論力學(xué)新形態(tài)教材。

2 理論力學(xué)新形態(tài)教材設(shè)計(jì)思路

在理論力學(xué)新形態(tài)教材中，紙質(zhì)教材與數(shù)字化教學(xué)資源并不是相互獨(dú)立的，而是有機(jī)地融合在一起。紙質(zhì)教材是教學(xué)內(nèi)容的主要載體，在保證系統(tǒng)性和完整性的前提下，應(yīng)保持以插圖和文字為主的傳統(tǒng)內(nèi)容呈現(xiàn)形式，便于學(xué)習(xí)者深度閱讀和學(xué)習(xí)。數(shù)字化教學(xué)資源應(yīng)針對(duì)教師和學(xué)習(xí)者的需求進(jìn)行分析與設(shè)計(jì)，從而成為紙質(zhì)教材的必要補(bǔ)充，同時(shí)可拓寬內(nèi)容空間，通過(guò)其豐富的表現(xiàn)形態(tài)，幫助學(xué)習(xí)者深入理解所學(xué)內(nèi)容[1]。

理論力學(xué)新形態(tài)教材立足于打造表現(xiàn)形式新穎的教材模式。目前，在國(guó)內(nèi)大多數(shù)理論力學(xué)教材中，插圖均為實(shí)際工程結(jié)構(gòu)的抽象化平面線條模型圖，圖形與工程實(shí)際結(jié)構(gòu)差別較大，學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)時(shí)容易引起誤解，無(wú)法較好與工程實(shí)際相結(jié)合。在東北大學(xué)新形態(tài)教材的編寫(xiě)中，教材插圖絕大多數(shù)采用SolidWorks軟件繪制的帶有渲染效果的高度仿真三維立體模型圖[21]，如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)教材與新形態(tài)教材插圖的對(duì)比

“互聯(lián)網(wǎng)＋”教材是指通過(guò)技術(shù)手段將紙質(zhì)教材與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)連起來(lái)的教材模式。結(jié)合當(dāng)前互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展情況、智能手機(jī)等移動(dòng)終端設(shè)備的應(yīng)用和普及程度，以及學(xué)生和教師的接受能力，我們最終選擇用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)(augmented reality，AR)作為理論力學(xué)新形態(tài)教材的主要技術(shù)手段。AR 也稱(chēng)為混合現(xiàn)實(shí)，是通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界、真實(shí)環(huán)境上，以及將虛擬的物體實(shí)時(shí)地疊加到同一個(gè)畫(huà)面或空間，形成交互式的三維圖像畫(huà)面，給用戶帶來(lái)更真實(shí)的體驗(yàn)與感受[22]。學(xué)習(xí)者只需使用移動(dòng)終端設(shè)備掃描紙質(zhì)教材中的識(shí)別圖或二維碼，就能迅速地以三維動(dòng)畫(huà)的形式轉(zhuǎn)動(dòng)和觀看插圖中的機(jī)械結(jié)構(gòu)(如圖2)，或訪問(wèn)互聯(lián)網(wǎng)上已關(guān)聯(lián)的數(shù)字教學(xué)資源進(jìn)行擴(kuò)展學(xué)習(xí)(如圖3)。這種方式與單調(diào)、乏味的單一紙質(zhì)教材相比，新形態(tài)教材能通過(guò)數(shù)字教學(xué)資源隨時(shí)解決書(shū)中的難點(diǎn)，便于學(xué)習(xí)者充分利用碎片化時(shí)間隨時(shí)隨地進(jìn)行在線學(xué)習(xí)，更符合“互聯(lián)網(wǎng)＋”背景下學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)習(xí)慣[1]，同時(shí)可調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和熱情。

圖2 AR 模型的使用過(guò)程

圖3 紙質(zhì)教材的版式及其數(shù)字課程資源

3 理論力學(xué)新形態(tài)教材的開(kāi)發(fā)流程

理論力學(xué)新形態(tài)教材的開(kāi)發(fā)流程主要分為紙質(zhì)教材的編寫(xiě)、數(shù)字課程資源制作和移動(dòng)終端APP的開(kāi)發(fā)三個(gè)部分。

3.1 紙質(zhì)教材的編寫(xiě)

在編寫(xiě)教材時(shí)，要將紙質(zhì)教材和數(shù)字課程資源同步統(tǒng)籌規(guī)劃，精心設(shè)計(jì)紙質(zhì)教材的版式，并選擇恰當(dāng)?shù)男畔⒒夹g(shù)手段，以實(shí)現(xiàn)紙質(zhì)教材和數(shù)字課程資源的一體化。在紙質(zhì)教材的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)處，采用“圖標(biāo)＋資源標(biāo)題或識(shí)別圖”的形式表明相應(yīng)資源，并在文前頁(yè)上配有相應(yīng)的文字使用說(shuō)明，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者去應(yīng)用這一數(shù)字課程資源。教材的版式一般采用較窄的版心，切口處留白較多，正文插圖中可以布置AR模型的掃描標(biāo)識(shí)符，學(xué)習(xí)者通過(guò)移動(dòng)終端設(shè)備掃描帶有掃描標(biāo)識(shí)符的模型圖，即可觀看相應(yīng)的動(dòng)畫(huà)資源，如圖2 所示。在正文相關(guān)知識(shí)點(diǎn)附近的切口處可以放置數(shù)字課程資源的相應(yīng)圖標(biāo)，在本教材中用符號(hào)表示該處知識(shí)點(diǎn)有相應(yīng)的視頻講解；符號(hào)表示該處知識(shí)點(diǎn)有相應(yīng)的PPT 教案；符號(hào)表示該處有隨堂測(cè)驗(yàn)，如圖3所示。

3.2 數(shù)字課程資源制作

理論力學(xué)數(shù)字課程資源依托高等教育出版社的課程云平臺(tái)，教師可在課程云平臺(tái)上開(kāi)展在線課程教學(xué)活動(dòng)，如在線發(fā)布和設(shè)定課程學(xué)習(xí)資源、在線布置和批改作業(yè)、成績(jī)統(tǒng)計(jì)分析等。學(xué)生則可自主選擇并隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)所選課程，教師與學(xué)生、助教與學(xué)生以及學(xué)生之間可圍繞課程教學(xué)進(jìn)行輔導(dǎo)、答疑、交流和討論。

訪問(wèn)課程網(wǎng)站有兩種方式，一種是通過(guò)計(jì)算機(jī)訪問(wèn)教材文前頁(yè)上標(biāo)注的網(wǎng)址，具體網(wǎng)址為http://abook.hep.com.cn/1254801，另一種是用移動(dòng)終端設(shè)備掃描教材文前頁(yè)上的二維碼，下載并安裝Abook應(yīng)用，如圖4所示。

圖4 數(shù)字課程資源訪問(wèn)方式

3.3 移動(dòng)終端APP的開(kāi)發(fā)

移動(dòng)終端APP 主要包括三維模型的建立、掃描識(shí)別標(biāo)識(shí)符的確定、動(dòng)畫(huà)資源展現(xiàn)形式的確定等。開(kāi)發(fā)流程如圖5所示。

圖5 移動(dòng)終端APP 的開(kāi)發(fā)流程

三維模型采用SolidWorks 軟件進(jìn)行初步建立，然后將其導(dǎo)入3D Max軟件中進(jìn)行材質(zhì)貼圖處理，并生成FBX格式文件，將FBX格式文件導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D軟件中進(jìn)行包括光澤度、高光發(fā)射等效果優(yōu)化，然后進(jìn)行生成.apk 文件的代碼編寫(xiě)，并在不同平臺(tái)進(jìn)行測(cè)試，優(yōu)化程序在移動(dòng)平臺(tái)上的運(yùn)行速度以及體現(xiàn)出最佳的顯示體驗(yàn)。對(duì)測(cè)試好的程序，輸出最終.apk文件，并通過(guò)網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)進(jìn)行發(fā)布。

4 應(yīng)用效果

理論力學(xué)新形態(tài)教材于2018年3 月在高等教育出版社出版，在使用一年后編者對(duì)東北大學(xué)使用教材的26 個(gè)教學(xué)班近800 名學(xué)生進(jìn)行了教材使用滿意度調(diào)查，調(diào)查結(jié)果如表1所示。從表1可以看出，學(xué)生對(duì)應(yīng)用AR 技術(shù)和三維圖形的新形態(tài)教材的認(rèn)可和接受程度較高，多元化的新形態(tài)內(nèi)容增強(qiáng)了對(duì)問(wèn)題的理解程度，感官的刺激提高了學(xué)習(xí)主動(dòng)性。目前課程的數(shù)字資源只包含課程視頻、教案、章節(jié)測(cè)試題，通過(guò)對(duì)學(xué)生和教師的調(diào)查反饋，教材還需進(jìn)一步豐富數(shù)字資源，目前編者正在根據(jù)建議進(jìn)行改進(jìn)，增加工程應(yīng)用案例、難點(diǎn)習(xí)題講解等內(nèi)容。此外，由于教材的數(shù)字資源需要登陸課程云平臺(tái)才能使用，部分學(xué)生認(rèn)為資源使用不方便，建議使用二維碼形式掃描獲取所要觀看的知識(shí)點(diǎn)，但由于數(shù)字資源的內(nèi)容已在高等教育出版社進(jìn)行了數(shù)字課程的出版，直接掃描使用涉及版權(quán)問(wèn)題，如何解決該問(wèn)題還需進(jìn)一步探討。

表1 教材使用滿意度調(diào)查

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著信息技術(shù)的發(fā)展，傳統(tǒng)的紙質(zhì)教材已經(jīng)不能滿足教學(xué)需要，與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)相融合的新形態(tài)教材已是大勢(shì)所趨。新形態(tài)教材具有形式新穎、資源豐富、應(yīng)用效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，有助于教學(xué)方法與教學(xué)手段的改革，可進(jìn)行教學(xué)模式的創(chuàng)新，滿足學(xué)習(xí)者的認(rèn)知需求。