增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在遠(yuǎn)程教育理工類(lèi)課程中的應(yīng)用研究

欒婷婷　于超　楊佳奇

摘 要：目前遠(yuǎn)程教育以其空間和時(shí)間的便捷性，受到了越來(lái)越多的關(guān)注和參與。然而在理工類(lèi)遠(yuǎn)程教育課程中，由于內(nèi)容往往比較抽象復(fù)雜，立體度高，使用傳統(tǒng)的二維素材學(xué)習(xí)往往導(dǎo)致學(xué)習(xí)者接受、理解較為困難，造成學(xué)習(xí)效率低下等問(wèn)題。利用基于移動(dòng)設(shè)備的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以將三維實(shí)景融入到抽象的二維素材中，使教學(xué)內(nèi)容生動(dòng)形象地展現(xiàn)在學(xué)習(xí)者面前，有助于提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效率和興趣，使學(xué)習(xí)者能夠更充分地掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容。本文就增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)如何應(yīng)用于遠(yuǎn)程教育《機(jī)械設(shè)計(jì)制造》課程進(jìn)行具體闡述。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程教育 機(jī)械設(shè)計(jì)制造 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù) 移動(dòng)設(shè)備

Research on Application of Augmented Reality Technology in Science and Engineering Courses of Distance Education

Luan Tingting Yu Chao Yang Jiaqi

Abstract：At present， distance education has received more and more attention and participation due to its space and time convenience. However， in the science and engineering distance education courses， as the content is often more abstract and complex， and the three-dimensionality is high， the use of traditional two-dimensional materials for learning often leads to difficulties for learners to accept and understand， resulting in low learning efficiency and other problems. With the use of augmented reality technology based on mobile devices， three-dimensional real scenes can be integrated into abstract two-dimensional materials， so that the teaching content can be vividly displayed in front of learners， which helps to improve the learning efficiency and interest of learners， and enables learners to morefully grasp the learning content. This article specifically elaborates how augmented reality technology is applied to the distance education of "Machinery Design and Manufacturing" course.

Key words：distance education， mechanical design and manufacturing， augmented reality technology， mobile devices

1 引言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality，AR）技術(shù)是于1990年由Tom Caudell首次提出的，是在虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）的基礎(chǔ)之上產(chǎn)生的。它對(duì)真實(shí)環(huán)境中的信息進(jìn)行三維注冊(cè)，將計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息疊加應(yīng)用到真實(shí)世界，利用傳感技術(shù)和顯示設(shè)備將虛擬信息和真實(shí)世界統(tǒng)一在一個(gè)畫(huà)面或空間內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的增強(qiáng)，達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)[1]。1997年Azuma等研究人員認(rèn)為AR應(yīng)該包含3個(gè)準(zhǔn)則：虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互和三維注冊(cè)[2]。到目前，隨著5G等技術(shù)的快速發(fā)展，AR技術(shù)已經(jīng)逐步具備了從研究為主轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用的條件，在游戲、旅游、文化、教育、軍事、工業(yè)等領(lǐng)域都開(kāi)始逐步嶄露頭角。由于增強(qiáng)顯示技術(shù)的三維性、交互性和趣味性，能夠解決教育行業(yè)中存在的諸多難題，因此該技術(shù)在教育方面的應(yīng)用受到越來(lái)越多的關(guān)注。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于AR技術(shù)在教育方面的研究如下：國(guó)內(nèi)方面，劉鑫對(duì)AR技術(shù)在機(jī)械制圖方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究，于勇等人研究了AR技術(shù)在工程圖教學(xué)方面的應(yīng)用，并基于Unity 3D制作出齒輪泵的三維模型實(shí)現(xiàn)交互。國(guó)外方面，Shelton和Hedley使用AR技術(shù)演示九大行星的教學(xué)實(shí)驗(yàn)、Kauf-mann將其用于空間幾何教學(xué)、Dnser與Homeker在兒童寓言故事中引入AR實(shí)現(xiàn)互動(dòng)與合作學(xué)習(xí)等。Billing Hurst，Poupyrev利用AR將圖書(shū)內(nèi)容呈現(xiàn)為動(dòng)畫(huà)形式[3]。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在遠(yuǎn)程教育理工類(lèi)課程中的需求性分析

現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育作為終身學(xué)習(xí)的重要組成部分，是伴隨信息技術(shù)不斷發(fā)展完善進(jìn)步而出現(xiàn)的一種新的教育教學(xué)模式，并在近年來(lái)發(fā)展迅速。隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和網(wǎng)絡(luò)媒體技術(shù)的不斷應(yīng)用，以互聯(lián)網(wǎng)為依托的現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育獲得了前所未有的發(fā)展，為更多想要接受繼續(xù)教育的人們提供了繼續(xù)學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)和途徑[4]?；诨ヂ?lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程教育，打破了傳統(tǒng)的時(shí)間、空間受限的教學(xué)模式，學(xué)習(xí)者可以在時(shí)間充裕時(shí)在線學(xué)習(xí)，靈活性大大加強(qiáng);而智能移動(dòng)設(shè)備的出現(xiàn)和進(jìn)化，則進(jìn)一步在時(shí)間和空間上解放了遠(yuǎn)程教育，為學(xué)習(xí)者提供了隨時(shí)隨地在線學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。

在遠(yuǎn)程教育中，理工類(lèi)課程往往是難度相對(duì)較高的課程。不同于一些人文課程，運(yùn)動(dòng)、生活相關(guān)課程，理工類(lèi)課程往往距離生活較遠(yuǎn)，無(wú)法機(jī)器學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的共鳴;同時(shí)，理工類(lèi)課程對(duì)邏輯思維和空間想象能力要求較高，很多內(nèi)容往往相對(duì)抽象，這為一些基礎(chǔ)不牢固、專(zhuān)業(yè)不對(duì)口的學(xué)習(xí)者帶來(lái)了諸多學(xué)習(xí)困難。以《機(jī)械設(shè)計(jì)制造》課程為例，課程中的知識(shí)點(diǎn)，如液壓傳動(dòng)裝置、齒輪傳動(dòng)裝置、電機(jī)減速器等等，都是相對(duì)復(fù)雜的三維立體機(jī)構(gòu)，而采用傳統(tǒng)的二維素材和平面圖片進(jìn)行遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)，相對(duì)來(lái)說(shuō)非?；逎y懂。另外，部件間的配合、傳動(dòng)、連接細(xì)致入微，一般的課程資源難以細(xì)致表述，這就會(huì)造成學(xué)習(xí)者一知半解，不夠深入，影響整體的教學(xué)效果。若能夠?qū)⒃鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入到遠(yuǎn)程教育的教學(xué)資源當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)虛擬信息的疊加，虛實(shí)結(jié)合，可以將機(jī)構(gòu)及部件的3D虛擬效果覆蓋在圖像上，使學(xué)習(xí)者對(duì)機(jī)構(gòu)及部件的整體效果一目了然;同時(shí)學(xué)習(xí)者還可以對(duì)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，360°旋轉(zhuǎn)，隨意“拆裝”，從而從各個(gè)角度觀看機(jī)械模型中各部件的工作原理、詳細(xì)構(gòu)造、配合情況等，一目了然;同時(shí)教學(xué)效果也更加生動(dòng)形象，增加課程的趣味性，對(duì)整體課程效果和學(xué)習(xí)者的參與積極性都有很大的幫助。

3 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的《機(jī)械設(shè)計(jì)制造》課程的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

整體的開(kāi)發(fā)流程分為以下幾個(gè)步驟：一是通過(guò)調(diào)研和咨詢(xún)，確認(rèn)當(dāng)前遠(yuǎn)程教育《機(jī)械設(shè)計(jì)制造》課程中空間構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，學(xué)習(xí)者不容易理解的知識(shí)點(diǎn)，將這些知識(shí)點(diǎn)作為通過(guò)AR技術(shù)交互來(lái)改進(jìn)的對(duì)象。二是建模工作，先利用Solidworks以真實(shí)的機(jī)構(gòu)或零件尺寸建立其三維模型，然后利用3D Max軟件對(duì)三維模型制作動(dòng)畫(huà)效果，接下來(lái)基于Unity 3D開(kāi)發(fā)引擎，將模型導(dǎo)入進(jìn)行編程開(kāi)發(fā)，并生成移動(dòng)端的可執(zhí)行程序。三是將可執(zhí)行程序移植至移動(dòng)設(shè)備中進(jìn)行調(diào)試，以充分驗(yàn)證其可靠性。最后，使用者通過(guò)移動(dòng)設(shè)備登錄可執(zhí)行程序，掃描AR知識(shí)點(diǎn)，就會(huì)出現(xiàn)三維模型，并能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。

基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的《機(jī)械設(shè)計(jì)制造》課程的開(kāi)發(fā)流程如下：

3.1 《機(jī)械設(shè)計(jì)制造》課程AR技術(shù)交互知識(shí)點(diǎn)選取

為切實(shí)增強(qiáng)遠(yuǎn)程教育課程的教學(xué)效果，提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果，在《機(jī)械設(shè)計(jì)制造》課程中，選取交互知識(shí)點(diǎn)的原則和方法如下：

（1）利用當(dāng)前教學(xué)方式進(jìn)行教學(xué)取得滿(mǎn)意效果的，不必進(jìn)行AR技術(shù)交互;

（2）遠(yuǎn)程教育教師反饋用傳統(tǒng)教學(xué)模式難以講解通透的、學(xué)習(xí)者普遍難以理解的知識(shí)點(diǎn)，是計(jì)劃作為AR技術(shù)交互的目標(biāo)對(duì)象;

（3）從目標(biāo)對(duì)象中挑選出適合進(jìn)行建模，編程，通過(guò)AR技術(shù)展示能夠體現(xiàn)良好效果的知識(shí)點(diǎn)，是最終選取作為AR技術(shù)交互的知識(shí)點(diǎn)。

3.2 AR技術(shù)交互知識(shí)點(diǎn)的建模

AR技術(shù)交互知識(shí)點(diǎn)的建模主要包括三維建模和動(dòng)畫(huà)制作。

三維建模主要利用的工具是Solidworks。Solidworks是一款功能十分強(qiáng)大，界面友好，零件庫(kù)十分豐富的繪圖軟件，廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)、圖紙制作及閱覽，繪制三維模型步驟簡(jiǎn)單，可隨意翻轉(zhuǎn)、拆分，交互性強(qiáng)。在本次研究中，利用該軟件完成AR交互對(duì)象，即一些機(jī)構(gòu)、部件的三維圖編輯。

完成三維圖編輯之后，將圖片文件導(dǎo)入到3D Max中進(jìn)行動(dòng)畫(huà)設(shè)計(jì)。3D Max軟件是目前應(yīng)用非常廣泛的動(dòng)畫(huà)制作軟件，并且能夠識(shí)別Solidworks制作好的三維圖文件，形成無(wú)縫銜接。在本次研究中，利用該軟件完成機(jī)構(gòu)、零件間的各種配合、動(dòng)作、分解等動(dòng)畫(huà)的渲染和生成。

3.3 編程并生成可執(zhí)行程序

三維建模和動(dòng)畫(huà)生成完畢之后，接下來(lái)需要通過(guò)編程開(kāi)發(fā)，生成基于移動(dòng)設(shè)備的可執(zhí)行程序，這一工作通過(guò)Unity 3D來(lái)完成。Unity 3D可以輕松地完成游戲制作、可視化等工作，并且生成的程序可以在Windows、Mac、Iphone和Android等環(huán)境下運(yùn)行，能夠滿(mǎn)足不同遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)人群的需要。在本次研究中，將動(dòng)畫(huà)素材導(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D，通過(guò)場(chǎng)景布置、腳本添加及打印包裝等操作，生成基于Android的可執(zhí)行程序APK文件，并植入到移動(dòng)設(shè)備中。

3.4 可執(zhí)行程序調(diào)試及運(yùn)行

檢驗(yàn)成果滿(mǎn)足要求，需要達(dá)成以下幾個(gè)條件：

（1）應(yīng)用程序在移動(dòng)設(shè)備中兼容性良好，運(yùn)行穩(wěn)定。

（2）應(yīng)用程序中AR模型能夠按照預(yù)設(shè)正常展現(xiàn)，與實(shí)景的配合疊加精確。

（3）AR模型的實(shí)時(shí)交互性良好，無(wú)卡頓或識(shí)別失敗現(xiàn)象。

（4）疊加AR技術(shù)的課程資源，能夠如預(yù)期一樣提升課程的教學(xué)效果。

通過(guò)不斷調(diào)試-運(yùn)行-再調(diào)試-再運(yùn)行，不斷完善以上幾點(diǎn)，最終滿(mǎn)足上述條件，使基于AR技術(shù)的可執(zhí)行程序能夠有效改善《機(jī)械設(shè)計(jì)制造》課程的效果和效率。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文旨在針對(duì)《機(jī)械設(shè)計(jì)制造》這一遠(yuǎn)程教育課程在教學(xué)過(guò)程中的實(shí)際問(wèn)題，提出通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)交互的方式，為課程素材增加視覺(jué)體驗(yàn)和學(xué)習(xí)效果。通過(guò)AR技術(shù)，可以將虛擬的三維機(jī)構(gòu)、零件疊加到平面素材，并為學(xué)習(xí)者提供實(shí)時(shí)交互的平臺(tái)，有助于提高學(xué)習(xí)效率，增強(qiáng)教學(xué)效果。因此，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在遠(yuǎn)程教育的《機(jī)械設(shè)計(jì)制造》課程，乃至于理工類(lèi)課程具有重要的研究意義。

課題項(xiàng)目：沈陽(yáng)開(kāi)放大學(xué)2021年校本科研規(guī)劃課題：《AR技術(shù)在遠(yuǎn)程教育理工類(lèi)課程中的應(yīng)用研究——以<機(jī)械設(shè)計(jì)制造>課程為例》，課題編號(hào)：SYKDXB2021-5-03。

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