5G融合AR技術視域下的課程教學改革研究

賈玉坤 沈姝君

摘 要：利用時下流行的5G技術同時融合AR技術，實現了一種“身臨其境”的普世教學方法。學生們沉浸在虛擬的儀器上“不能自拔”，從而快速掌握相關基礎知識，以及各個元件的內部結構。依托5G高速網絡及AR技術，學生設計師可按照自己的構思去設計真實的空間，且通過改變觀察位置，查看設計的效果，節約設計成本和設計時間。此方法采用了人機互動的教學方法，無須材料費用支出，且可無限重復利用。以《液壓氣壓傳動與控制》為例，由于液壓傳動實訓過程中，操作不當可導致液壓油亂飛，引入AR增強現實技術也可以減少學生“滿手油污”的煩惱。

關鍵詞：AR技術;5G技術;教學改革

時下最流行的5G技術即為第五代移動通信技術，5G技術有著超低的延遲，超高的數據傳輸速率及超大的數據傳輸量等特點。5G技術自2019年已經開始大量應用，它的投入運營代表著更加優質的網絡通信環境，同時也為數字化、信息化課堂打下硬件基礎，提升了數字媒體對學生的積極作用，并使之成為常態化的教學手段之一，推動了優質的信息化教學資源的共享、公用[1-2]。

AR（Augmented Reality）即增強現實，他是利用計算機生成逼真的虛擬環境，輔之其他先進的傳感器加載在AR眼鏡或手機中，讓用戶沉浸到虛擬環境與真實環境疊加的交互式環境中，完成相應的任務。AR技術強調的是一種“身臨其境”的用戶體驗，突破了傳統的空間、時間限，AR技術的應用帶來的用戶體驗與互動更加真實，可推動教學資源的發展[3，4，5]。

5G融合AR技術的教學模式是一種利用高速的數據通信網實現實時互動，并置身于虛擬與現實相結合的環境中完成教學任務的教學方法。而5G融合AR技術將傳動的教學方式進行了延伸，可以替代傳統的教學模式和教學理念;將這些信息化教學資源做成優質教學資源庫，可極大地緩解師資力量配比不均的問題，同時可豐富教師的教學手段。

1 教學現狀

機電一體化專業是高職傳統優勢專業，社會需求量大，但往往剛入職學生“眼高手低”，很多零件內部結構完全不了解或一點不知道。《液壓氣壓傳動與控制》是機電一體化專業課程體系中的一門重要專業核心課程，授課對象是大二學生，每周4節課，且是“理、實、仿”（理論+實訓+仿真）一體化課程。同時他也是一門實踐性很強的專業核心課，由于課程概念抽象、原理圖復雜、計算量大、空間想象力要求高。如何能將“想象”變為“現實”，使略顯枯燥乏味的理論變得“熱熱鬧鬧”，變成現實中亟待解決的問題。

以《液壓氣壓傳動與控制》為例分析其在教學中存在的主要問題。

（1）從學生的畢業實踐指導及畢業后學生反饋中發現，大多數學生在面對實際的項目時顯得束手無策，不知所措;不知道從何做起，如何去完成，而且需要非常長的時間去適應相關的工作。

（2）學生在實訓過程中，材料安排不合理，實驗器材隨意放置，甚至丟棄，造成材料的極大浪費，且某些材料污染嚴重。

（3）以講授為主的教學方式，教師占主導作用，學生自主學習積極性很低，致使學生產生一種不知道要問“為什么”的麻木習慣。

2 改革目標及關鍵問題

通過引入5G+AR技術，讓學生在“沉浸式”的虛擬與現實的環境中完成教師安排的課程，完成對各種虛擬機器進行拆解，研究其內部構造、原理、使用方法等。

（1）教學中采用的實訓項目囊括了所有必修內容，且全部來源于目前正在使用的經典案例，全部為精挑細選，以此引導學生建立完整知識體系。

（2）5G融合AR技術引入內容可更加直觀，AR技術教學法將枯燥難懂的理論轉化成直觀的范例展示給學生，并將學生在實踐回路連接項目主體地位發揮到最大，充分調動學生的創造性。學生在“身臨其境”的體驗中實現液壓氣壓系統動力元件、執行元件、壓力控制元件、流量控制元件、速度控制元件回路的連接，元件的拆裝等。

（3）“學生為主、教師主導、雙導師制”為指導思想，讓學生從相對被動的地位轉變到相對主導地位。

3 內容的構建

《液壓氣壓傳動與控制》是一門具有創新性與實踐性相結合的課程，屬于三大傳動方式中的一種，具有機械傳動和電氣傳動等無可替代的優越性。隨著現代化工業生產的發展，電子技術、自動控制技術、傳感器技術等快速滲透到液壓與氣壓傳動技術當中，該技術已廣泛地應用到自動化生產線、機電工程設備等領域中，展示出強大的生產力。實驗及實訓教學是液壓與氣壓傳動課程的重要教學環節。

以機電一體化專業《液壓氣壓傳動與控制》課程為例，利用時下流行的5G技術同時融合AR技術，實現一直普世的教學方法。依托5G技術的高速度、泛在網、低功耗、低時延以及AR增強現實技術的“身臨其境”，讓學生們沉浸在虛擬的儀器上“不能自拔”，從而快速掌握液氣壓相關基礎知識，以及液氣壓各個元件的內部結構、使用方法。

依據《液壓氣壓傳動與控制》課程的主要教學特點，有如下幾點，將5G技術及AR技術融入到課程教學中。

3.1 “拆中學”

每個新的部件、每個新的模塊均從實物拆解開始，將各個液壓部件依托AR技術將其“大卸八塊”，這樣可以更深入了解各個液壓部件原理、內部構造，有個形象的認識。接著由淺入深講解部件的原理、回路中的作用、如何使用、主要參數、圖形符號等，中間穿插視頻、小微課。

3.2 “仿中學”

液壓及氣壓控制原理回路圖抽象、復雜且靜態狀態不易理解。同時受到空間限制，復雜項目無法進入實訓室回路實訓，引入AR技術，讓學生搭建回路、運行回路、同時檢查回路、修改回路，通過虛擬仿真，虛擬拆裝，虛擬回路鏈接達到高效學習的目的。

3.3 “虛中學”

液壓氣壓系統回路圖包含大量元件符號，各種符號之間非常接近，不易理解也不容易記憶，即使常安裝，維修的技術人員有時也會出錯。依托AR技術可以讓學生對各種元件進行拆裝、剖視、查看工作原理等，利用工作原理掌握各種液壓氣壓符號。

4 改革的實施

《液壓氣壓傳動與控制》在教學安排上，整個過程分兩個階段，第一階段講解基礎知識部分，共20課時，第二階段要求將AR增強現實技術應用于課堂實踐教學，共32課時，總52個課時。

為達到《液壓氣壓傳動與控制》知識與能力培養大綱的要求，教學內容的設計基于要求學生掌握機電一體化相關基本知識的基礎上進行回路連接實訓、液壓元件拆裝實訓、液壓回路仿真實訓等。根據課程內容豐富、工程特質強的特點，充分運用5G及AR技術實現回路連接、液壓元件拆裝、液壓回路仿真等。下圖為液壓元件拆裝在手機端運行效果。

教學內容分為兩個階段。第一階段講解基礎知識部分，即液壓氣壓系統基本定律、液壓氣壓系統動力元件、執行元件、壓力控制元件、流量控制元件、速度控制元件原理及內部構造。第二階段將5G融合AR增強現實技術應用于液壓氣壓控制的實訓項目中。學生根據教師的安排完成各個元件的內部構造拆裝以及回路連接，實現相應的功能。

（1）基礎知識學習（20節課），包括液壓氣壓系統基本原理、液壓氣壓系統動力元件、執行元件、壓力控制元件、流量控制元件、速度控制元件，為后續的拆解、仿真、回路連接做準備。

（2）液氣壓元件拆解（10節課），利用AR技術對液壓系統五大部分（動力、執行、流量控制、壓力控制、速度控制）進行拆解，熟悉內部結構及元件主要功能，深入了解使用相應元件的注意事項等。

（3）回路連接（22節課），依托高速5G網絡及AR增強現實技術完成液氣壓系統回路連接并完成相應的功能，提供10個回路連接項目。

5 結語

結合機電專業崗位分析，利用時下流行的5G技術融合AR（Augmented Reality）增強現實技術，對《液壓氣壓傳動與控制》課程整理結構、單元結構及信息化資源進行了重新開發，并建立了AR增強現實教學資源庫，利用該信息化教學資源庫，學生可“游戲式”地完成相關理論知識的學習、技能的培養。學生在學習過程轉換了角色，變成了學習的主導;教師從原來的“演講者”變成了“導演”。同時，在學生的實訓過程中減少了材料不必要的浪費，并能讓學生有一種“身臨其境”的沉浸式體驗。

參考文獻：

[1]孫素萍.5G+智能技術在教育領域的應用[J].中國新通信，2020（7）.

[2]孫田琳子.5G背景下教學視頻的設計理念轉向：從教輔工具到智媒教材[J].2020（6）.

[3]鄭志遠.AR技術與紙質教材相融合的物理實驗教學研究[J].物理與工程，2020（30）.

[4]劉坤.融入AR技術的混合學習模式在高職課程應用研究[J].軟件工程，2019（7）.

[5]雷浩鵬.基于增強現實技術的沉浸式教學方法設計研究[J].計算機教育，2019（1）.