混合現實技術融入工程制圖課程教學改革

吳振增 姚晶宏 鄧秀春 丁曉紅

摘 ?要：工程制圖課程具有抽象、枯燥等特點，傳統的教學模式具有很大的局限性，對學生的空間思維想象能力要求很高，學生的學習興趣低、效率也不高。將MR技術融入課程教學可以激發學生的學習興趣，提高學生的空間想象能力。MR技術的引入既增強了學生的制圖能力，又提高了教育教學質量及效果，是一種實用的好方法。

關鍵詞：混合現實技術;工程制圖;教學改革

中圖分類號：G642 ? ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? ?文章編號：2096-000X（2021）29-0127-05

Abstract： The course of "Engineering Cartography" has the character of abstract and kind of boring， and the traditional teaching mode has great limitations. It has high requirements on students' spatial thinking ability， and students' learning interest is low. Their learning efficiency is not high. Integrating Mixed Reality （MR） technology into classroom teaching can stimulate students' interest in learning and improve their spatial imagination ability. The introduction of MR technology not only enhances students' drawing ability， but also improves the teaching quality and effect. It is a good practical method.

Keywords： Mixed Reality Technology; Engineering Cartography; educational reform

一、混合現實技術的含義及在教育領域的應用

混合現實（Mixed Reality，MR;又稱為Hybrid Reality）技術，是利用在現實世界中導入仿真場景信息，在現實場景、虛擬場景和使用者這三者之中建立一種相互反饋的數據閉環，來提高使用者體驗的逼真感，具有實時交互性和構想性等特征[1-2]。如圖1所示，實體世界（Real Environment， RE）和模擬世界（Virtual Environment， VE）是實體-模擬通聯體的兩個末端，增強實體（Augmented Reality， AR）位于通聯體的實體處，將模擬對象集成到實體世界的環境中;增強模擬（Augmented Virtuality， AV）位于通聯體的模擬處，把實體目標結合到數字世界的環境中[3]?；旌犀F實是處在通聯體內部，把實體和模擬要素按一定程度產生無縫融合的產物。以數字化、信息化、智能化為基礎特點的第三代科技革命，把人工智能（Artificial Intelligence， AI）、5G通信、模擬現實（Virtual Reality， VR）等新興網絡信息技術漸漸變成促進國家經濟進步的重要方法，并實時改變著大家的衣食住行。這些年，虛擬仿真技術的穩步發展，由VR的面世到AR的出現，再從MR來到大眾視野，為使用者提供了優于現實的感官體驗[4]。2016年頒布的《“十三五”國家科技創新規劃》指出：“要大力發展自然人機交互技術，尤其是在虛擬現實和增強現實方面”[5]。混合現實技術與增強現實技術最大的不同點是，MR能夠實現虛擬和現實之間的相互轉變，不僅可以在虛擬中保留現實，還可以把現實改變成虛擬[6-7]。信息技術不斷進步，科技發展如火如荼，MR因可以帶來身臨其境的學習體驗，使得教育領域對其的關注日漸高漲。一方面，MR技術強大的交互系統能夠給學生的學習挖掘巨大機會;另一方面，MR技術給老師與學生上課感受的策劃者帶來了更多教育機會[8]。在教學人員與科研工作者的一起奮斗下，這些年，MR技術已經在場館教育、教學變革、實驗室創設、師資培養、建筑與航天技能培訓等領域得到了不錯的使用成效[9]。把MR技術融入課堂講授過程能夠引入傳統教學所不能呈現的真實場景，提供更真實的上課體驗[10-11]。

二、工程制圖課程的特點及存在問題

工程制圖這門課的特點有：內容比較抽象性，上課缺乏趣味性等，需要同學們具有較好的三維空間想象能力。以往的工程制圖上課形式是以老師和書本為核心，同學只能被動地從老師那獲得信息，上課時沒有相應的師生協作，同學們的讀書主動性較低[12-14]?，F在，很多學校工程制圖的上課模式仍按照以往的上課形式進行教學，主要存在著下面這些問題。

（一）授課的觀念過時

以往工程制圖這門課的上課形式為“灌輸式”教育，即“老師說，學生聽”。首先，工程制圖這門課有很多的例題和例圖，老師必須使用很多時間去準備、編寫授課PPT，在上課時以解說和演示為主，與學生進行交流的時間較少， 降低了學生的學習欲望，上課效率也較差。其次，這門課的首要目的是訓練學生的三維空間想象力，學生的思維要不停地在空間三維圖形與平面的三視圖之間進行變換，此為工程制圖這門課授課時的一個難點。粉筆板書和課堂PPT一起的授課形式還是比較單調，上課比較枯燥，學生對于課堂講授的知識也不容易記住。

（二）上課的材料有限

現在很多學校的工程制圖這門課使用的是固定的一本教學材料，學生自主查看網上的教育資源的能力不足，沒有適當的引導，這就導致學生可以預習的材料僅限于課本，在課后可以做的題目和作業也只有試題冊，有的老師的授課PPT僅僅是把課本上的材料進行簡單地復制粘貼，授課內容相對單調，這樣毫無疑問會制約學生接收信息的其他途徑。