增強現(xiàn)實技術(shù)在機械制圖課程教學(xué)中的應(yīng)用

李輝 馮巧 趙亞奇 夏學(xué)蓮 趙振新

摘要 在信息技術(shù)快速發(fā)展的背景下，在教學(xué)領(lǐng)域中運用增強現(xiàn)實（AR）等信息技術(shù)手段可以達到顯著的教學(xué)效果。文章針對目前機械制圖課程教學(xué)實踐過程中存在的問題，利用AR技術(shù)在機械制圖信息化教材建設(shè)和教學(xué)改革中進行應(yīng)用實踐，通過虛擬世界和現(xiàn)實世界交互融合的學(xué)習(xí)環(huán)境，立體化地展現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，強化學(xué)生對課程的認知，激發(fā)學(xué)生興趣，提高學(xué)習(xí)效率，達到超預(yù)期的信息化教學(xué)改革效果。

關(guān)鍵詞 機械制圖；增強現(xiàn)實；教學(xué)改革；虛擬教育

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.18.021

機械制圖課程是工科專業(yè)課程中的一門重要的理論與實踐相結(jié)合的核心基礎(chǔ)課，是大中專院校工科專業(yè)培養(yǎng)高級工程技術(shù)人才的核心內(nèi)容，學(xué)生對機械工程圖紙制圖和讀圖能力的掌握程度，將直接關(guān)系到大中專院校應(yīng)用型人才培養(yǎng)質(zhì)量和學(xué)生的就業(yè)能力。目前機械制圖課程主要依靠PPT式的傳統(tǒng)課堂教學(xué)，存在教學(xué)模式落后、教學(xué)內(nèi)容抽象和學(xué)生理解困難等問題，以致教學(xué)效果不盡如人意[1]。

增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”疊加的新技術(shù)，是把原本在現(xiàn)實世界的一定時間空間范圍內(nèi)很難體驗到的實體信息（視覺信息、聲音、味道和觸覺等），通過實時計算、模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應(yīng)用到真實世界，被人類感官所感知和交互，從而達到超越現(xiàn)實的感官體驗[2]。利用增強現(xiàn)實（AR）等虛擬手段進行教學(xué)方法與學(xué)習(xí)方法的改革，能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性，滿足學(xué)生個性化的學(xué)習(xí)需求，提高課堂效率和教學(xué)效果，符合國家教育數(shù)字化戰(zhàn)略方向，實現(xiàn)教育高質(zhì)量的發(fā)展。

本文針對目前機械制圖教學(xué)過程中存在教材內(nèi)容抽象、教學(xué)模式落后以及理論與實踐環(huán)節(jié)脫節(jié)等問題[3]，基于Unity3D平臺開發(fā)了可在移動平臺使用的機械制圖課程AR教學(xué)系統(tǒng)（圖1，p70），主要有立體化AR教材、課堂AR教學(xué)以及AR實踐教學(xué)等功能。AR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，滿足多元化、信息化的課堂和實踐教學(xué)改革的需要，實現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容的立體化，強化了學(xué)生對課程的感觀和認知，提高了學(xué)生的空間想象能力，激發(fā)了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性，改變了傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)授課模式，提高了課堂效率和教學(xué)效果。

1 AR技術(shù)在機械制圖教材中的應(yīng)用

利用AR技術(shù)可以將原來紙質(zhì)圖書無法表現(xiàn)的三維空間信息等內(nèi)容立體疊加到現(xiàn)實場景中，通過視覺耦合疊加和交互操作輔助學(xué)生對抽象概念的理解，提升學(xué)生的閱讀體驗。目前王晨曦主編的《機械制圖（微課版）（AR版）》和董文杰主編的《機械制圖（AR版）》等教材應(yīng)用了AR技術(shù)，但有限的AR資源依舊不能滿足多元化教學(xué)需求[4-5]。

該AR教材系統(tǒng)增添了具有交互功能的AR資源，能夠?qū)崿F(xiàn)讀者通過AR查看三維圖樣模型、微課以及習(xí)題測試，系統(tǒng)設(shè)計了任意旋轉(zhuǎn)、放大、縮小和剖切模型等交互功能，便于輔助學(xué)生理解畫法原理和表達方式，并提高空間想象能力和制圖能力（圖2，3）。為了幫助學(xué)生掌握制圖課的重難點和課后練習(xí)，系統(tǒng)在章節(jié)重難點和末尾設(shè)計了難點剖析、微課講解、習(xí)題和測驗的AR識別點，有助于激發(fā)學(xué)生自主探究式學(xué)習(xí)的積極性。

2 AR技術(shù)在機械制圖教學(xué)中的應(yīng)用

2.1 AR課堂教學(xué)

相對于傳統(tǒng)的板書或PPT投影式的教學(xué)模式，利用AR技術(shù)可以在課堂上將三維內(nèi)容以互動的方式呈獻給學(xué)生，從而改變機械制圖課程教學(xué)的策略與方式[6-7]。以機樣零件視圖選擇的課堂教學(xué)為案例，傳統(tǒng)授課時教師通常會展示一個實物教學(xué)道具來講授視圖的最佳選擇，這種方式無法保證所有學(xué)生看清教具，同時教具的數(shù)量及便攜性也限制了教師的使用。使用AR課堂，學(xué)生可通過智能手機或者AR穿戴設(shè)備對投影PPT、實物模型或標識圖例進行識別，在教室中能夠跟隨教學(xué)內(nèi)容并結(jié)合個人理解能力進行全方位的交互觀看和學(xué)習(xí)，教師也可以通過改變PPT、虛擬按鈕、移動模型和標識進行交互式的教學(xué)（如圖4）。通過課堂實踐，AR技術(shù)的應(yīng)用能夠吸引學(xué)生的注意力，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，取得了良好的教學(xué)效果。

近幾年，全國各個學(xué)校都開展了各種形式的網(wǎng)絡(luò)授課，如：播放慕課視頻、在線直播等。對于錄播的網(wǎng)絡(luò)慕課教學(xué)，可以在后期制作過程中添加所需的教學(xué)內(nèi)容和模型，能夠達到一定的教學(xué)效果。但優(yōu)秀的視頻制作需要教師花費大量時間精心籌備和錄制，后期高昂的編輯制作費用也阻礙了錄播網(wǎng)絡(luò)教學(xué)的推廣。為了能夠保證教學(xué)質(zhì)量，以及能夠方便地進行課堂互動和掌握學(xué)生學(xué)習(xí)情況，多數(shù)教師更愿選擇以網(wǎng)絡(luò)直播的形式進行線上教學(xué)。在線上直播的時候，可以利用AR課堂，通過攝像鏡頭捕捉教師展示的圖例、物體、手勢、聲音、表情和PPT等AR標識信息，實現(xiàn)在直播畫面中虛擬疊加必要的教學(xué)內(nèi)容和模型，并對其進行交互控制，起到良好的教學(xué)演示作用。

2.2 AR實踐教學(xué)

在各種學(xué)科的實踐教學(xué)領(lǐng)域中，虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)已廣泛推廣應(yīng)用，VR技術(shù)構(gòu)建的沉浸式環(huán)境使學(xué)生學(xué)習(xí)更為專注、更為積極，教學(xué)效果令人滿意[8-9]。然而，VR技術(shù)在實踐教學(xué)中的應(yīng)用卻受到了價格和使用條件的限制，因此基于移動端的AR技術(shù)的應(yīng)用就顯得更具優(yōu)勢[10]。AR技術(shù)在機械制圖實踐教學(xué)中的應(yīng)用能夠解決高投入、高風(fēng)險及數(shù)量大導(dǎo)致的難實施等難題，打破了困擾實踐教學(xué)的時間、空間以及人數(shù)等一系列問題。

以機用虎鉗拆裝測繪AR實踐教學(xué)系統(tǒng)為例（如圖5，6），通過AR及虛擬技術(shù)將機用虎鉗疊加在現(xiàn)實中，學(xué)生通過操作移動終端可以進行結(jié)構(gòu)的認知和工作原理的學(xué)習(xí)，并能夠進行自由拆裝和測繪，場景可以設(shè)定不同尺寸型號的機用虎鉗，供一人一題的測繪任務(wù)，避免小組人數(shù)過多造成實踐效果不佳和抄襲現(xiàn)象。隨著AR實踐項目庫的不斷開發(fā)和更新，可供學(xué)生進行實踐的內(nèi)容會不斷豐富，應(yīng)用范圍也會越來越廣。

3結(jié)語

教育領(lǐng)域中AR技術(shù)的逐漸推廣應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)學(xué)習(xí)和教學(xué)模式，這種虛實相結(jié)合的教學(xué)方式能夠?qū)⒊橄蟮恼n程內(nèi)容可視化、互動化，符合教育信息化和人才培養(yǎng)的新形勢，能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，獲得更好的課堂教學(xué)效果。但AR軟件的開發(fā)門檻較高，一線教師很難掌握開發(fā)技術(shù)，需要依靠開發(fā)技術(shù)團隊的協(xié)同參與才能實現(xiàn)，同時專業(yè)的AR穿戴設(shè)備價格也限制了普及應(yīng)用。相信在不久的將來，隨著信息技術(shù)和相關(guān)硬件設(shè)備的不斷發(fā)展與創(chuàng)新，教育教學(xué)模式將迎來虛擬技術(shù)的應(yīng)用革命，虛擬技術(shù)一定能夠在教育領(lǐng)域中發(fā)揮出前所未有的作用。

*通訊作者：李輝

基金項目：河南城建學(xué)院高等教育研究項目“基于虛擬技術(shù)的機械制圖與CAD模塊化和信息化教學(xué)改革研究與實踐”（GJYJPY-73）；河南城建學(xué)院網(wǎng)絡(luò)課程項目（JX2020202）。

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