基于AR技術的機械制圖課程教學探索

趙冬 宿州職業技術學院

1.增強現實技術簡介

AR就是增強現實技術的簡稱，它是由虛擬現實技術演變發展得來的，是一種比較新興的科技技術。這個技術是基于現實之外的虛擬世界而創建的，在創建的時候是將虛擬的內容疊加到現實的世界中去，把虛擬和現實相結合，創立了一個虛實結合的世界。在傳統的機械制圖教學模式中，都是用木模和圖形相結合來教學，但是這樣的制圖教學模式的教學效果很差，所以在現代的教學模式中引入了AR技術。在AR技術中，用虛擬和現實相互結合，讓它們相互補充，把真實的世界與虛擬的世界同時結合疊加到同一個空間或者畫面當中去，從而實現超越真實世界的場景，讓人感受到視覺上的盛宴。

2.增強現實技術在機械制圖教學中的應用

增強現實技術在機械制圖教學過程中，用處是非常大的，比如老師可以用增強現實技術畫出模型、掛圖、多媒體課件輔助的講解等等，讓學生從眼前所見到的立體圖像去理解老師所講的課題，同時也讓學生理解了立體的物體是如何利用投影原理進行轉換為平面圖形的。當然在學習制圖課程之前要進行大量的課外練習，這樣子才能熟練的掌握繪圖的技能，也才能更好的去理解圖形，而且對于剛學制圖的同學或者想象力比較低的同學來說，沒有課前的大量練習，那么在學習制圖的時候就會覺得很難，無從下手，面對沒有實物對照之下他們很難進行制圖。所以，AR能夠很好的將平面圖展示到大家眼前，而且還會實時將平面圖轉化成相應的立體圖形，這樣一來不僅能夠很好的幫助學生進行空間思考練習，還能提高學生的制圖能力。AR技術能夠很好的解決機械制圖教學中所遇到的難題，通過不斷的嘗試與學習，找到了基于手機攝像頭AR技術與機械制圖教學的新方式，利用AR技術開發了機械制圖輔助教學APP。在制圖學習中有一種叫三視圖的圖形，這種繪制這種圖形需要的基礎非常高，所以面對沒有制圖基礎的學生來說，沒有直視的模型來做參照的話，那么將會會很難進行制圖學習。但是在采用AR技術之后，這些問題都得到了解決，因為可以通過增強現實技術將虛擬的3D模型疊加到投影儀上，讓學生從中深刻了解到此圖的制圖構想。在制圖的教學過程中，老師可以要求學生在手機上安裝機械制圖輔助教學APP，當他們在學習制圖或者在制圖的時候遇到難題之時，可以打開手機上的機械制圖輔助教學APP，然后用APP里面的攝像頭掃描教材上所遇到的制圖難題的平面圖，然后機械制圖輔助教學APP將會自動識別平面圖之后匹配出相應的3D圖形，然后學生可以通過手機上的立體圖形進行分析和定位，然后再把立體圖形和現實的實物進行疊加之后在手機上顯示出來，學生可以通過觸摸手機屏幕、旋轉手機的方式對立體圖形進行放大、縮小等操作，然后從不同的視角去觀察圖形，這樣不但能幫助學生快捷的進行制圖，還能提高學生對制圖的思路。

3.開發工具以及APP設計

本文所講述的AR技術，其開發的環境是vuforia，這個環境能幫助AR技術解決各種方案，運用的是計算機視覺技術，這個技術能及時的識別和跟蹤平面圖像還有比較簡單的3D圖像。由于這個技術的存在，教學模式得到了新的發展 ，同時也使得開發者能夠在現實世界和虛擬世界之間構建起一座連通的橋梁。其中機械制圖輔助教學APP程序AR識別流程如下圖所示：

AR識別流程圖

增強現實技術是在現實中建立的，其本質是將計算機技術中生成的虛擬物體結合到現實的世界中，然后讓同學們通過計算機技術得到一個真實的物體展示，但是實際上這個真實的物體是真實實物和虛擬事物相結合得到的。根據這個原理，就可以得出機械制圖輔助教學APP的AR識別流程：獲取手機攝像頭圖像或者視頻、對獲取到的圖像或者視頻進行信息識別、通過程序分析和定位檢測、對獲取的圖像進行信息識別然后生成相關的虛擬圖、最后把實物和虛擬物品相結合，然后在相關的移動設備中顯示出來。

在增強現實技術中，當手機中的機械制圖輔助教學APP這個程序在運行的時候，可以利用手機的的攝像頭去掃描教材上面的平面圖，然后通過vuforia平臺對攝像頭所掃描到圖像進行相關的信息分析，然后對圖片進行處理，再通過AR技術，將圖像識別到的信息和本地數據庫存在的信息相匹配。找到匹配的圖像之后，平臺會對圖像進行三維處理，制作出一個虛擬的立體圖形，然后再將得到的虛擬的立體圖像和現實的物品相疊合，然后展現給各位操作者。

增強現實技術被越來越多的社會領域使用，機械制圖輔助教學APP在各大學校中得到廣泛使用，主要是使用于機械制圖教學。經過一段時間的教學使用，實踐應用結果證明AR機械制圖輔助教學APP不但能方便老師的教學，還能為學生的學習制圖提供了更加直觀、生動的學習方法，從根本上提高了學生的學習興趣，使得學生課外主動的去學習，同時還彌補了實物教具和教學資源的不足，解決了學校面臨的教學難題，還從一定程度上提高了教學的效率和教學進度。通過本文的研究，其他工程類的課程輔助教學應該也像機械制圖輔助教學APP一樣，應用AR技術對課程的教學產生較大的意義。

總結：機械制圖課程主要目的是為了培養學生的空間思維能力，這是一種完全靠想象的能力，很難用語言去表達。這個思維空間能力對于想象力比較差的學生來說，是很難對其進行掌控的。面對同樣的一個平面圖，想象力比較低的學生很難將其轉化成為立體圖形。在過去的傳統的教學模式當中，老師在制圖的課程中采用的是木模加掛圖的形式進行教學，但是這樣的教學方式的效果并不理想。最近這幾年來，隨著科技的不斷發展，多媒體技術不斷得到普及，在制圖的課程中加入了三維的計算機模型，用這個方式代替了傳統的教學模式。但是這個方式也只能是在課堂上應用，學生還需要在課外進行努力的練習，才能真正的掌握繪圖技能。 在課外的學習中，學生可以借鑒教材的圖形模型，但是這樣的圖形模型很少，比較缺乏，所以學生的課外學習效率低，效果差，即使通過了大量的練習還是不能好好的掌握制圖技能。所以，為了解決這一些難題，引入了增強現實技術，輔助學生學習制圖。經過一系列的研究以及實踐表明，用AR技術開發了機械制圖輔助教學APP，這個機械制圖輔助教學APP能在課外的時候幫助學生學習如何建立立體圖形，對學生的空間思維進行了很好的訓練，同時提高了制圖教學的效率。在教學課堂中，應該引入這種新的教學模式來幫助學生去學習制圖課程。