增強現實技術在遠程教育理工類課程中的應用研究

欒婷婷　于超　楊佳奇

摘 要：目前遠程教育以其空間和時間的便捷性，受到了越來越多的關注和參與。然而在理工類遠程教育課程中，由于內容往往比較抽象復雜，立體度高，使用傳統的二維素材學習往往導致學習者接受、理解較為困難，造成學習效率低下等問題。利用基于移動設備的增強現實技術，可以將三維實景融入到抽象的二維素材中，使教學內容生動形象地展現在學習者面前，有助于提高學習者的學習效率和興趣，使學習者能夠更充分地掌握學習內容。本文就增強現實技術如何應用于遠程教育《機械設計制造》課程進行具體闡述。

關鍵詞：遠程教育 機械設計制造 增強現實技術 移動設備

Research on Application of Augmented Reality Technology in Science and Engineering Courses of Distance Education

Luan Tingting Yu Chao Yang Jiaqi

Abstract：At present， distance education has received more and more attention and participation due to its space and time convenience. However， in the science and engineering distance education courses， as the content is often more abstract and complex， and the three-dimensionality is high， the use of traditional two-dimensional materials for learning often leads to difficulties for learners to accept and understand， resulting in low learning efficiency and other problems. With the use of augmented reality technology based on mobile devices， three-dimensional real scenes can be integrated into abstract two-dimensional materials， so that the teaching content can be vividly displayed in front of learners， which helps to improve the learning efficiency and interest of learners， and enables learners to morefully grasp the learning content. This article specifically elaborates how augmented reality technology is applied to the distance education of "Machinery Design and Manufacturing" course.

Key words：distance education， mechanical design and manufacturing， augmented reality technology， mobile devices

1 引言

增強現實（augmented reality，AR）技術是于1990年由Tom Caudell首次提出的，是在虛擬現實（virtual reality，VR）的基礎之上產生的。它對真實環境中的信息進行三維注冊，將計算機生成的虛擬信息疊加應用到真實世界，利用傳感技術和顯示設備將虛擬信息和真實世界統一在一個畫面或空間內，從而實現對現實世界的增強，達到超越現實的感官體驗[1]。1997年Azuma等研究人員認為AR應該包含3個準則：虛實結合、實時交互和三維注冊[2]。到目前，隨著5G等技術的快速發展，AR技術已經逐步具備了從研究為主轉向實際應用的條件，在游戲、旅游、文化、教育、軍事、工業等領域都開始逐步嶄露頭角。由于增強顯示技術的三維性、交互性和趣味性，能夠解決教育行業中存在的諸多難題，因此該技術在教育方面的應用受到越來越多的關注。

目前國內外關于AR技術在教育方面的研究如下：國內方面，劉鑫對AR技術在機械制圖方面的應用進行了研究，于勇等人研究了AR技術在工程圖教學方面的應用，并基于Unity 3D制作出齒輪泵的三維模型實現交互。國外方面，Shelton和Hedley使用AR技術演示九大行星的教學實驗、Kauf-mann將其用于空間幾何教學、Dnser與Homeker在兒童寓言故事中引入AR實現互動與合作學習等。Billing Hurst，Poupyrev利用AR將圖書內容呈現為動畫形式[3]。

2 增強現實技術在遠程教育理工類課程中的需求性分析

現代遠程教育作為終身學習的重要組成部分，是伴隨信息技術不斷發展完善進步而出現的一種新的教育教學模式，并在近年來發展迅速。隨著互聯網的普及和網絡媒體技術的不斷應用，以互聯網為依托的現代遠程教育獲得了前所未有的發展，為更多想要接受繼續教育的人們提供了繼續學習的機會和途徑[4]。基于互聯網的遠程教育，打破了傳統的時間、空間受限的教學模式，學習者可以在時間充裕時在線學習，靈活性大大加強;而智能移動設備的出現和進化，則進一步在時間和空間上解放了遠程教育，為學習者提供了隨時隨地在線學習的機會。

在遠程教育中，理工類課程往往是難度相對較高的課程。不同于一些人文課程，運動、生活相關課程，理工類課程往往距離生活較遠，無法機器學習者學習的共鳴;同時，理工類課程對邏輯思維和空間想象能力要求較高，很多內容往往相對抽象，這為一些基礎不牢固、專業不對口的學習者帶來了諸多學習困難。以《機械設計制造》課程為例，課程中的知識點，如液壓傳動裝置、齒輪傳動裝置、電機減速器等等，都是相對復雜的三維立體機構，而采用傳統的二維素材和平面圖片進行遠程學習，相對來說非常晦澀難懂。另外，部件間的配合、傳動、連接細致入微，一般的課程資源難以細致表述，這就會造成學習者一知半解，不夠深入，影響整體的教學效果。若能夠將增強現實技術融入到遠程教育的教學資源當中，實現虛擬信息的疊加，虛實結合，可以將機構及部件的3D虛擬效果覆蓋在圖像上，使學習者對機構及部件的整體效果一目了然;同時學習者還可以對模型進行實時交互，360°旋轉，隨意“拆裝”，從而從各個角度觀看機械模型中各部件的工作原理、詳細構造、配合情況等，一目了然;同時教學效果也更加生動形象，增加課程的趣味性，對整體課程效果和學習者的參與積極性都有很大的幫助。

3 基于增強現實技術的《機械設計制造》課程的開發與實現

整體的開發流程分為以下幾個步驟：一是通過調研和咨詢，確認當前遠程教育《機械設計制造》課程中空間構造相對復雜，學習者不容易理解的知識點，將這些知識點作為通過AR技術交互來改進的對象。二是建模工作，先利用Solidworks以真實的機構或零件尺寸建立其三維模型，然后利用3D Max軟件對三維模型制作動畫效果，接下來基于Unity 3D開發引擎，將模型導入進行編程開發，并生成移動端的可執行程序。三是將可執行程序移植至移動設備中進行調試，以充分驗證其可靠性。最后，使用者通過移動設備登錄可執行程序，掃描AR知識點，就會出現三維模型，并能夠進行實時交互。

基于增強現實技術的《機械設計制造》課程的開發流程如下：

3.1 《機械設計制造》課程AR技術交互知識點選取

為切實增強遠程教育課程的教學效果，提升學習者的學習效果，在《機械設計制造》課程中，選取交互知識點的原則和方法如下：

（1）利用當前教學方式進行教學取得滿意效果的，不必進行AR技術交互;

（2）遠程教育教師反饋用傳統教學模式難以講解通透的、學習者普遍難以理解的知識點，是計劃作為AR技術交互的目標對象;

（3）從目標對象中挑選出適合進行建模，編程，通過AR技術展示能夠體現良好效果的知識點，是最終選取作為AR技術交互的知識點。

3.2 AR技術交互知識點的建模

AR技術交互知識點的建模主要包括三維建模和動畫制作。

三維建模主要利用的工具是Solidworks。Solidworks是一款功能十分強大，界面友好，零件庫十分豐富的繪圖軟件，廣泛應用于機械設計、圖紙制作及閱覽，繪制三維模型步驟簡單，可隨意翻轉、拆分，交互性強。在本次研究中，利用該軟件完成AR交互對象，即一些機構、部件的三維圖編輯。

完成三維圖編輯之后，將圖片文件導入到3D Max中進行動畫設計。3D Max軟件是目前應用非常廣泛的動畫制作軟件，并且能夠識別Solidworks制作好的三維圖文件，形成無縫銜接。在本次研究中，利用該軟件完成機構、零件間的各種配合、動作、分解等動畫的渲染和生成。

3.3 編程并生成可執行程序

三維建模和動畫生成完畢之后，接下來需要通過編程開發，生成基于移動設備的可執行程序，這一工作通過Unity 3D來完成。Unity 3D可以輕松地完成游戲制作、可視化等工作，并且生成的程序可以在Windows、Mac、Iphone和Android等環境下運行，能夠滿足不同遠程學習人群的需要。在本次研究中，將動畫素材導入Unity 3D，通過場景布置、腳本添加及打印包裝等操作，生成基于Android的可執行程序APK文件，并植入到移動設備中。

3.4 可執行程序調試及運行

檢驗成果滿足要求，需要達成以下幾個條件：

（1）應用程序在移動設備中兼容性良好，運行穩定。

（2）應用程序中AR模型能夠按照預設正常展現，與實景的配合疊加精確。

（3）AR模型的實時交互性良好，無卡頓或識別失敗現象。

（4）疊加AR技術的課程資源，能夠如預期一樣提升課程的教學效果。

通過不斷調試-運行-再調試-再運行，不斷完善以上幾點，最終滿足上述條件，使基于AR技術的可執行程序能夠有效改善《機械設計制造》課程的效果和效率。

4 結束語

本文旨在針對《機械設計制造》這一遠程教育課程在教學過程中的實際問題，提出通過增強現實技術交互的方式，為課程素材增加視覺體驗和學習效果。通過AR技術，可以將虛擬的三維機構、零件疊加到平面素材，并為學習者提供實時交互的平臺，有助于提高學習效率，增強教學效果。因此，增強現實技術在遠程教育的《機械設計制造》課程，乃至于理工類課程具有重要的研究意義。

課題項目：沈陽開放大學2021年校本科研規劃課題：《AR技術在遠程教育理工類課程中的應用研究——以<機械設計制造>課程為例》，課題編號：SYKDXB2021-5-03。

參考文獻：

[1]潘旭東，孫曉磊.基于AR技術的機械制造工藝課程設計教學輔助系統開發[J].實驗技術與管理，2017（10）：139-142.

[2]Nincareana D. Mobile Augmented Reality： The Potential for Education[J]. Procedia-Social and Behavioral Science，2013，103：657-664.

[3]劉麗蘭，陳恩來.增強現實技術在《機械設計》課堂教學的應用[J].教育教學論壇，2018（8）：177-180.

[4]趙慶.如何提高遠程教育的質量[J].文教資料，2018（33）：103-104.