AR技術在機械制圖課程教學上的應用

李琳　石峰　董楠楠

摘要：目前，各高校的教學模式仍為傳統的單一教學模式，為提升教學水平，提高教學質量，將虛擬現實技術和增強現實技術應用到教學中，是目前改變傳統教學模式的一種方法。論文以《機械制圖》課程為例，使用HoloLens虛擬智能眼鏡，探究將增強現實技術應用到該課程上的優勢，以及該課程的AR輔助教學系統的研發和應用。

關鍵詞：增強現實;機械制圖;HoloLens;虛擬現實;教育應用

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）04-0213-02

Abstract： At present， the teaching method of university is still the traditional single teaching method. In order to improve the teaching level and teaching quality， virtual reality technology and augmented reality technology are applied to teaching， which is a way to change the traditional teaching method. Taking Mechanical Drawing course as an example， this paper uses Hololens virtual goggles to explore the advantages of applying augmented reality technology to this course， as well as the development and application of AR assistant instructional system of this course.

Key words： augmented reality; mechanical drawing; hololens; virtual reality; education application

1 引言

《機械制圖》是各院校工科專業的一門非常重要的專業基礎課。其教學目標是培養學生具有一定的識圖、讀圖和制圖能力，并培養學生使其具有一定的空間想象能力[1]。但在傳統教學模式下，由于教學模式單一、教學內容與實際聯系脫節以及課程設置不合理等原因，使得部分學生對平面上的三維零件圖，很難想象出其三視圖的效果。進而逐漸使學生對該課程產生抵觸心理，而達不到良好的教學效果。但隨著虛擬現實技術的不斷蓬勃發展，將AR技術應用到《機械制圖》的課程中，學生將從被動轉向主動，通過增強學生對學習內容的感知和認知途徑，調動學生的學習積極性，進而達到更好的教學效果。

2 增強現實（AR）技術

增強現實（AR的英文全稱為Augmented Reality）是一種將真實的現實世界與虛擬環境中的信息巧妙融合的技術[2]。該技術廣泛運用了多媒體、三維建模、實時跟蹤及注冊、智能交互、傳感等多種技術手段，將由計算機制作出來的三維模型、虛擬場景以及音樂、文字、視頻等信息應用到真實世界中[3]，使人們能都在現實環境中與虛擬的各種場景信息進行觀摩或互動，進而達到真實世界“增強”的目的。

增強現實技術主要有三個特點，分別是三維注冊、虛擬現實融合顯示以及人機交互[4]。其中三維注冊是指，為了讓虛擬環境中的各個虛擬物體能夠與周圍的真實環境完美融合，且不會讓體驗者在AR環境中產生異物感或沖突感，而對虛擬物體和真實環境的三維空間位置坐標進行的精準匹配。正是由于增強現實技術的這三個主要特點，為現代教育領域增添了新的教學方式，使那些晦澀難懂或者需要較強空間想象能力的學習內容有了一個全新的展示方式，也為學習者搭建了更具有探索性的學習平臺，為未來的教學領域開拓了更廣闊的空間。

3 AR技術應用于機械制圖課程的優勢分析

3.1教學模式多樣化，開闊學生視野

在傳統的《機械制圖》課堂教學模式下，學生通過教師單向的進行教學內容的傳遞，學生也只能被動的通過聽取課堂教學內容，根據自己的空間想象能力對機械零件結構進行繪制主視圖、俯視圖、左視圖以及剖面圖。將AR技術應用到課堂教學中，學生可以在課堂上更直觀地看到機械結構，充分理解機械結構在圖紙上的展現形式，一方面使課堂教學活動變得更加活躍不再如傳統教學那般的單一、枯燥。另一方面，讓學生能夠更多地接觸新設備，新技術，感受科學技術的飛速發展，進而開闊了學生的視野。

3.2虛實結合，提高學生空間想象能力

不同于VR技術的純虛擬環境下展示，AR技術可以借用AR設備，將虛擬模型與真實環境相結合并反映在同一個空間中。而且對于《機械制圖》課程中一些較為復雜的機械零件，學生是需要具有一定的空間想象能力才能畫出其三視圖。而通過AR技術，機械零件會以更為直觀的形式呈現在學生面前，學生可以直接360°的觀察模型，充分理解機械零件在圖紙上的表達方式，幫助學生理解對三視圖畫法原理，進而激發學生的空間想象能力。

3.3交互設計，提升學生學習興趣

在課堂教學中，使用圖片展示，視頻播放或者增加與學生之間的互動，可以在一定程度上激發學生的學習興趣并調動學生的學習積極性。而在《機械制圖》課堂教學中，學生可以通過AR虛擬場景與零件模型進行環繞走動觀察和點擊模型的互動交互，使書本上靜態的知識，變得可以互動選擇、可以接觸甚至可以近距離觀察。這樣的互動交互將極大地激發學生的學習興趣，同時也為學生創造更多的探索式學習機會，增加教師與學生之間的交流互通，活躍課堂氛圍。

4 AR輔助教學系統的設計與研發

4.1系統研發工具的選擇

該系統采用微軟公司設計開發的虛擬智能眼鏡產品——HoloLens，并采用的是第一代設備產品。該設備采用Windows10系統，擁有先進的傳感器、高清晰度3D光學透鏡顯示器和環繞音效，允許用戶在虛擬場景中通過凝視（Gaze Input）、語音輸入（Voice Input）和手勢（Gesture）與虛擬場景進行交互[5]，圖1簡要列舉HoloLens的一些硬件細節。在HoloLens設備中，是通過創建一種稱為全息圖（Hologram）的包含光線和聲音的物體，在真實環境中進行展示和交互。使用者可通過手勢或者語音對Hologram進行互動，在與用戶互動的同時，Hologram同樣能夠與真實世界的表面產生互動。

全息圖在現實環境中有兩種處理方式。一種處理方式是放置。使用者可以將創建出來的虛擬物體非常準確的放置在現實環境中的某個位置，并且可以360°觀察它且虛擬物體在現實環境中不會出現抖動或者消失的現象。另一種處理方式是跟隨。開發者可以將虛擬物體的位置設置在相對用戶的某個位置。即，使用者無論位置發生怎樣的變換，虛擬物體都會跟隨使用者，且相對位置不發生改變。

4.2自主選擇觀察模型功能實現

對模型添加自主選擇功能，可增加系統操作的靈活性。HoloLens設備可通過添加手勢功能實現對模型的選擇交互功能。HoloLens設備的手勢功能分為低級別的收視數據訪問和高級別手勢識別。該系統采用高級別手勢識別中的tap（單擊）功能。

在Unity中添加創建好的機械零件模型，對Unity環境進行場景設置和工程設置。創建Gesture Recognizer后制定需要捕捉的手勢類型，該程序設置手勢類型為單擊，圖2為零件模型的手勢識別效果圖。添加捕捉的單擊手勢后的處理程序，設定為選擇目標模型后，模型移動至用戶眼前適當距離并放大。

4.3多方位觀察模型功能實現

HoloLens的強大功能在于用戶佩戴上設備后，觀察到的虛擬物體和周圍的真實世界是有機完美結合的。而將真實世界和虛擬物體完美結合的橋梁，便是世界錨（World Anchor）。通過世界錨，設計人員可以在Unity中添加一個虛擬物體并定位到現實世界的某個位置，增加虛擬物體與真實環境的融合性。

該系統中，用戶佩戴上HoloLens設備后，場景中的機械模型是跟隨用戶的頭部轉動而轉動的，始終保持在相對人眼的一個固定位置。單擊選擇需要觀察的機械模型后，模型會移動到用戶眼前的位置并固定，用戶可圍繞模型走動，即可觀察機械模型三視圖的畫法。

5 AR技術在教學上的展望

將AR技術應用在《機械制圖》的教學課堂上，只是AR技術在教學領域上應用的一個縮影。AR技術的直觀性、交互性以及可定位性等特點，決定了AR技術在教育教學上有著巨大的發揮空間。不論是將教學內容向學生展示，降低學生理解抽象理論的難度，還是讓學生在增強現實的環境中，與模型進行實時互動，比如進行實訓操作方面的練習等等。AR技術，使學生的學習狀態從被動變為主動式探究學習，開拓學生的眼界，發散學生的思維，進而培養出創新型人才。

參考文獻：

[1] 王翔.機械制圖教學思考[J].信息記錄材料，2018，19（6）：146-147.

[2] 徐子澤，崔虹云.國內外增強現實技術及其在教學領域的現狀分析[J].廣東化工，2019，46（13）：211-212.

[3] 陳潔菲.基于AR的社區教育3D課件設計與應用研究[D].上海：華東師范大學，2017.

[4] 李紹良，姜靈美，任建峰.AR增強現實技術在職業教育數字化教材開發中的應用研究[J].教育現代化，2019，82：177-179.

[5] 閆興亞，張克發.HoloLens與混合現實開發[M].北京：機械工業出版社：2019：30.

【通聯編輯：王力】