增強現實技術在培養留學生空間想象能力中的應用

楊志凌，劉小海，鄭 凱

（華北電力大學 能源動力與機械工程學院，北京 102206）

引言

工程圖樣是工程師的語言，而空間想象力是工程師理解工程圖樣的關鍵，是工程師觀察、分析、認知工程對象的抽象思維能力，具體體現為以下三個方面：（1）根據描述工程對象的語言、符號或圖形，在大腦中展現相應的形狀、結構、位置等空間幾何信息的能力；（2）將眼前的或大腦中的工程對象的形狀、結構、位置等空間幾何信息表述為語言、符號或圖形的能力；（3）將大腦中已有的工程對象進行分解、排列、平移、旋轉、組合，產生新的工程對象的能力。

在工科專業本科課程體系中，“工程圖學（Engineering Graphics）”（下文簡稱“工圖”）是機類和近機類專業留學生的專業基礎課，課程的目標之一是培養空間想象能力，提高學生的綜合素質。在教學實踐中，已有一些有效提高空間想象能力的方法，例如直觀教學法［1］、“一題多解”和“圖形異位”［2］等。其中很多文獻提出，利用計算機三維模型增強學生的空間想象力，例如，將SolidWorks建模融入課程體系［3］，建立虛擬模型庫［4］等。但三維模型大多依賴于計算機三維建模軟件，只能在筆記本電腦等終端設備上使用，無法在手機等移動設備上打開，在課堂教學中無法達到“即插即用”的效果。

為了提供真正的“沉浸式教學”，部分教師開始嘗試將增強現實（Augmented Reality,AR）技術引入課堂教學中，為抽象學習創造了“真實”情境，為課堂提供了數字資源環境，交叉利用教育與信息科技加強學習過程［5-6］。

一、增強現實技術的實現

AR增強現實技術是將虛擬世界信息疊加到真實世界信息之上，使其在同一個畫面或空間中同時存在，并且被人類感官感知，幫助用戶增強對真實世界的理解。

基于AR鏡片的增強現實的主要應用領域是工業和軍事，但手機是更適合于教育場合的硬件設備。手機AR 應用開發SDK 有蘋果的ARKit、谷歌的ARCore、華為的HUAWEI AR Engine、視+AR的EasyAR等十余種。最常用的開發環境是跨平臺2D/3D游戲引擎Unity，通過引擎，開發的AR應用可以在不同的平臺（安卓、IOS、Windows）上運行。

本文采用了Unity2019+EasyAR4.1來實現手機端的AR應用。實現步驟如圖1所示。

圖1 AR應用的實現步驟

（一）準備識別的圖片和相應的三維模型

此時應當注意：（1）Unity的標準模型大小是120 cm；（2）三維模型的格式為FBX格式，可以通過step格式，在3DMax中導出；（3）導出的模型可直接拖入Assets，以便接下來的使用。

（二）申請key下載AR包和設置Unity

先在EasyAR的官網中申請賬號，登錄開發中心申請key密鑰。同樣在官網中找到在Unity場景中應用的EasyAR包，將EasyAR導入Unity中，修改密鑰key；在Assets找到EasyAR_ImageTracker-1和Image Target并拖到上面的Hierarchy里；再在項目的Assets內建立一個名為StreamingAssets的文件夾，用來保存提前準備的圖片；接下來點擊Image Target并設置圖片的路徑、名字和規模尺寸；然后把與圖片對應的模型拖到Image Target中，調整模型與圖片相對應的位置和尺寸比例。

如果需要多張圖片識別時，需要在EasyAR_ImageTracker-1里面的Image Tracker設置“同時目標數量”，使之大于或等于圖片的數量。

（三）設置三維模型的旋轉和放縮

本文采用的是設置相機，優點是不用設置每個模型。首先需要把相機的background設置為黑色，避免手機掃描的時候出現Unity默認的場景。用visual studio編譯器編寫腳本，并將腳本加在相機下面，設置對應的參數。

（四）發布APK文件

在安裝unity時，會同步安裝unity Hub。在unity Hub內添加模塊，安裝Android Build Support；在unity中的preferences欄目下External Tools中設置JDK和SDK的安裝位置；接下來在文件的Build settings中 點開player settings，設 置product name，并保證package name與之前申請key時的名字相同，以及最小API水平不小于API level 19；最后點擊switch platform發布到手機端，并授權相機使用功能，完成AR應用的制作。

二、增強現實技術的應用

我校給機類和近機類留學生開設的“工圖”課程共56+32學時，分別在第一學年上下兩個學期進行。其中，“工圖1”主要培養空間想象能力，訓練形體表達能力，“工圖2”主要學習機械圖樣中的各種規定畫法，以及機械零部件的圖樣表達。留學生來自孟加拉國、巴基斯坦、塔吉克斯坦、剛果、贊比亞等南亞、中亞、非洲國家，雖然留學生的入學水平參差不齊，但是大多數留學生具有很強的好奇心，對于提倡動手動腦的“工圖”課程的興趣很高。

圖2 相貫線的AR應用案例

空間想象能力是基于經驗的，學生大腦中的形體印象積累得越多，越有利于對新形體的想象。同時，學生還需要對工程中描述零件形狀的各種術語及其含義有深刻的理解，才能跟隨教師的講述進行正確的空間想象。基于AR 技術開發的手機應用提供了大量的基本形體素材，可以豐富留學生的空間想象經驗，并且通過手機上三維虛擬模型幫助其理解和掌握各種幾何概念和詞匯。

空間想象能力還需要推理能力，留學生需要在大腦中對形體進行分解、組合、旋轉等想象。基于AR技術開發的手機應用可以通過示例幫助學生體驗整個過程，驗證空間想象的結果是否正確，從而不斷地肯定正確的想象，糾正錯誤的想象。

三、教學案例

相貫線一直是留學生“工圖”課程的難點之一，學生對于基本立體及其之間的相貫線的空間形狀和位置的認識不足，因此往往容易產生錯誤的空間想象。

立體已知條件為一個軸線側垂的圓柱管，如圖2（a）所示，在上方加工一個圓柱孔，下方加工一個方孔，其中圓柱孔直徑與圓柱管的孔徑相同。等徑圓孔與圓柱管內外圓柱面的交線、方孔與圓柱管內外圓柱面的交線是待求相貫線。

這是一道綜合考查學生空間想象力的題目，考查知識點包括：兩個異徑圓柱體的相貫、兩個等徑圓柱體的相貫、四棱柱體與圓柱體的相貫、孔與實體的相貫、孔與孔的相貫。由于以前從來沒有見過類似的形體，學生在完成時，很容易混淆各個知識點，從而顧此失彼。

利用AR增強現實開發的應用，可以讓學生使用手機掃描題目，在手機上立即生成三維模型，如圖2（b）所示，并且可以任意縮放和旋轉，方便學生從不同角度觀察模型，從而產生直觀的認識。學生也可以在得到答案后使用手機掃描，生成三維模型，如圖2（c）所示，從而驗證自己的空間想象是否正確。

我們在2021級留學生的“工圖1”課程中采用了AR增強現實App輔助課堂教學，并為部分課后作業提供了手機端的三維模型。圖3為機械LX2021和機械LX2020兩個年級的留學生期末考試的截交線和相貫線試題。兩次試題的考查內容基本一致，難度相當。

圖3 留學生的“工圖1”期末考試試題

表1為兩次考試的統計結果，從表1可以看出，2021級留學生在截交線和相貫線試題上的平均得分率高于2020級，最高得分率基本與2020級持平，體現出了AR增強現實App取得了較好的教學效果。

表1 留學生“工圖1”期末考試結果統計

結語

本文介紹了使用Unity+EasyAR開發AR增強現實App的過程和案例。留學生使用手機識別習題二維圖形，在手機上顯示對應三維模型。增強現實三維模型資源可及時糾正空間想象中的錯誤，達到提高空間想象力的效果。