劉麗蘭 陳恩來 譚晶 鄧召義 任彬 傅燕鳴

摘要：《機(jī)械設(shè)計》課程是機(jī)械工程學(xué)科的專業(yè)核心基礎(chǔ)課，存在著內(nèi)容繁多、理解難度大、課堂教學(xué)枯燥等問題。本文提出將增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）技術(shù)應(yīng)用到課堂教學(xué)中，充分利用AR技術(shù)的虛實結(jié)合、互動操作與沉浸式體驗等優(yōu)勢，開發(fā)出《機(jī)械設(shè)計》課程中包括標(biāo)準(zhǔn)零件、傳動結(jié)構(gòu)、實例機(jī)械等在內(nèi)的一系列虛擬產(chǎn)品對象，并采用打包為應(yīng)用的形式，實現(xiàn)虛擬對象與打印圖紙的同步三維立體顯示和操作。課堂中學(xué)生們可以采用Ipad、安卓手機(jī)等電子設(shè)備安裝使用，實現(xiàn)對教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行原理分析、實例展示、內(nèi)容拓展等，達(dá)到課堂教學(xué)生動立體、課程內(nèi)容快速理解和掌握的效果。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實；教學(xué)應(yīng)用；《機(jī)械設(shè)計》

中圖分類號：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-9324（2018）08-0177-04

一、背景介紹

《機(jī)械設(shè)計》是一門論述機(jī)械設(shè)計理論、方法，培養(yǎng)學(xué)生具有機(jī)械設(shè)計能力的技術(shù)基礎(chǔ)課，任務(wù)是使學(xué)生掌握如何設(shè)計和選用通用機(jī)械零部件，進(jìn)而具備設(shè)計機(jī)械傳動裝置和簡單機(jī)構(gòu)的能力。教學(xué)內(nèi)容包括：聯(lián)接設(shè)計（螺紋、鍵銷等）、機(jī)械傳動設(shè)計（如帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動等）和軸系零部件設(shè)計（如滑動、滾動軸承還有聯(lián)軸器等）。近年來，隨著課程結(jié)構(gòu)的調(diào)整，該課程的教學(xué)內(nèi)容在不斷更新和增加，而總的課時卻在不斷減少，如何解決學(xué)時數(shù)與教學(xué)內(nèi)容之間的沖突，并在有限的學(xué)時內(nèi)提高學(xué)生的機(jī)械設(shè)計和創(chuàng)新能力，已經(jīng)成為廣大一線教師開展教學(xué)改革的目標(biāo)[1]。

在傳統(tǒng)機(jī)械類課程中，教師一般使用圖片、影像和實物模型講解機(jī)械結(jié)構(gòu)和運動功能等，這些方式通常存在以下一些問題：①靜態(tài)的教具很難講清楚機(jī)械的具體結(jié)構(gòu)和原理，學(xué)生不易想象零件形狀和空間結(jié)構(gòu)。②實物模型制作成本高，攜帶不方便，教師演示時學(xué)生容易錯過關(guān)鍵信息。③傳統(tǒng)的板書加PPT的教學(xué)不易激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生易注意力不集中，上課開小差。

為了改善傳統(tǒng)《機(jī)械設(shè)計》課程教學(xué)的弊端，本文提出采用AR技術(shù)輔助教學(xué)，將理論、靜態(tài)的內(nèi)容轉(zhuǎn)化為生動、形象的模型畫面，結(jié)合到真實環(huán)境的圖紙中，利用互動操作降低學(xué)習(xí)難度，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果，從而推動創(chuàng)新課程的建設(shè)。

二、基于AR的機(jī)械設(shè)計產(chǎn)品制作流程

1.增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）技術(shù)。增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)（Augmented Reality，AR）是在虛擬現(xiàn)實的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新技術(shù)，是通過計算機(jī)提供的數(shù)據(jù)信息來增加使用者對現(xiàn)實世界感知的科學(xué)技術(shù)，并將計算機(jī)生成的虛擬物體場景或系統(tǒng)提示信息等內(nèi)容疊加到真實場景中，從而實現(xiàn)對現(xiàn)實世界的增強(qiáng)。在實現(xiàn)功能的同時，由于與真實世界的聯(lián)系未被切斷，其交互方式更加自然[2]。

AR技術(shù)可廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。在教育領(lǐng)域，國外學(xué)者已經(jīng)做了比較多的實踐研究：①將AR融入課堂教學(xué)。Shelton和Hedley使用AR技術(shù)演示九大行星的教學(xué)實驗、Kauf-mann將其用于空間幾何教學(xué)、Dnser與Horneker在兒童寓言故事中引入AR實現(xiàn)互動與合作學(xué)習(xí)等[3]。②將AR技術(shù)應(yīng)用于圖書閱讀。BillingHurst，Poupyrev利用AR將圖書內(nèi)容呈現(xiàn)為動畫形式[4]。③將AR技術(shù)應(yīng)用于游戲娛樂中。如新加坡公司的娛教產(chǎn)品wIzQubes；Hye Sun Lee和Jong Weon Lee設(shè)計用于幼兒算數(shù)的教育游戲；Ori Inbar開發(fā)手機(jī)AR游戲?qū)崿F(xiàn)隨時隨地學(xué)習(xí)拼音 [5]。

相比于國外，國內(nèi)AR研究尚處于初級層次，大多數(shù)存在于高等科研院校，因此具體應(yīng)用比較少，將其應(yīng)用于教育領(lǐng)域則更少，但目前也有一些成果：北京師范大學(xué)現(xiàn)代教育研究所蔡蘇等人探討了AR對教學(xué)的意義和價值，并對應(yīng)用前景做出了展望；張寶運、惲如偉分析了AR的教學(xué)應(yīng)用需求和應(yīng)用優(yōu)勢，在物理教學(xué)上進(jìn)行了嘗試；李婷分析了AR的特點，探討了其在移動學(xué)習(xí)中的應(yīng)用；徐媛根據(jù)AR所具備的性能和已有成果，探討其在教學(xué)中的應(yīng)用領(lǐng)域；張洪波探討了增強(qiáng)現(xiàn)實的技術(shù)原理，設(shè)計了部分教學(xué)模型，開發(fā)了應(yīng)用案例；蘇俊欽將增強(qiáng)現(xiàn)實應(yīng)用于兒童學(xué)習(xí)注音符號的學(xué)習(xí)；等等[5]。

AR技術(shù)具有三個突出的特點：①真實世界和虛擬的信息集成；②具有實時交互性；③在三維尺度空間中增添定位虛擬物體。將虛擬模型疊加到真實環(huán)境中，可以攜帶更多的輔助信息，十分適合《機(jī)械設(shè)計》課程中零件外形、機(jī)械結(jié)構(gòu)和運動變化的演示，并且形式新穎，使學(xué)生能在互動中大大提高教學(xué)的趣味性和吸引力，提高教學(xué)質(zhì)量。

2.《機(jī)械設(shè)計》教學(xué)應(yīng)用制作流程。針對傳統(tǒng)《機(jī)械設(shè)計》課程中存在的問題，本文采用AR技術(shù)制作輔助教學(xué)應(yīng)用來提升教學(xué)效果。本文以減速箱這一經(jīng)典設(shè)計產(chǎn)品為例，通過制作三維模型的動畫以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)展示，將虛擬的三維效果與真實的圖紙結(jié)合，呈現(xiàn)出更為豐富的教學(xué)信息，讓學(xué)生在互動中掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容。應(yīng)用制作中先后使用了SolidWorks、3d Max和Unity 3d三個軟件，制作流程如圖1所示。

（1）繪制三維模型。能夠制作三維模型的軟件有很多，本文采用在高校中機(jī)械設(shè)計方面較流行的SolidWorks軟件進(jìn)行繪制。SolidWorks軟件功能強(qiáng)大，組件繁多，各種標(biāo)準(zhǔn)的零件庫數(shù)量豐富，可供直接調(diào)用。其界面簡潔，操作方便，深受高校學(xué)子的青睞。打開SolidWorks，根據(jù)設(shè)計要求先繪制非標(biāo)準(zhǔn)零部件，比如減速器箱體吊耳等部分，之后標(biāo)準(zhǔn)件直接調(diào)用SolidWorks的零件庫，最后組裝為完整的裝配體保存。

（2）制作相關(guān)變化動畫。在SolidWorks中完成機(jī)械三維模型繪制后，保存成.wrl格式，使之能被3d Max軟件打開制作動畫。雖然SolidWorks本身也能制作運動仿真等動畫，但由于最后要做成一個應(yīng)用軟件，其格式無法使用。此外，由于最后的應(yīng)用需要一些動畫效果，使用專門制作游戲動畫的軟件3d Max更為適合。3d Max是基于PC系統(tǒng)的三維動畫渲染制作軟件，廣泛應(yīng)用于廣告、影視、工業(yè)設(shè)計、建筑設(shè)計、三維動畫、多媒體制作、游戲、輔助教學(xué)等領(lǐng)域的動畫制作。其本身具有三維建模能力，但并不是專門為機(jī)械方面設(shè)計，故采用SolidWorks建模和3d Max制作動畫，以兩個軟件相結(jié)合的方式各取所長。在3d Max中，將前一步驟中繪制的模型作為素材導(dǎo)入，主要制作兩個齒輪的傳動配合動畫以及減速器的分解動畫，如圖2。前者用于教學(xué)展示減速器內(nèi)部運轉(zhuǎn)以及齒輪嚙合的過程，后者為學(xué)生展示整個減速器內(nèi)部構(gòu)造，各零部件之間的位置關(guān)系還有組裝情況，最后將結(jié)果保存成.fbx，用于Unity 3d制作應(yīng)用軟件。

（3）組合素材編輯互動操作。Unity 3d是一個讓用戶輕松創(chuàng)建三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等互動類型的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個全面整合的專業(yè)游戲引擎，用它制作的軟件可發(fā)布至Windows、Mac、Iphone和Android等平臺。本文將利用之前制作的模型和動畫作為素材，采用Unity 3d軟件整合制作成一個AR互動軟件，最后安裝于安卓手機(jī)作為教學(xué)工具。①導(dǎo)入素材。將之前制作好的三維模型以及相關(guān)動畫導(dǎo)入軟件中，Unity 3d很多操作都可以通過簡單的拖拉進(jìn)行。AR所用的識別圖，需要制作特征識別點，目前主要通過Vuforia官網(wǎng)進(jìn)行處理，其有專門為Unity 3d設(shè)計的圖片處理服務(wù)。在網(wǎng)站中上傳需要被識別的圖片，簡單設(shè)置參數(shù)后，后臺將處理拾取特征點，最后生成插件包供用戶下載到本地，作為用戶個人包加載入軟件就可以使用了，且識別效果良好。處理后的圖片特征點如圖3。②場景布置。在Unity 3d添加ImageTarget組件，對其設(shè)置識別對象，設(shè)置為插件包中的識別圖。添加ARCamera組件，設(shè)置使攝像頭識別圖片，以其作為觸發(fā)顯示模型。添加識別圖對應(yīng)的三維模型，并調(diào)整大小與相對位置。添加操作按鈕，如移動、旋轉(zhuǎn)、運動拆解等，調(diào)整大小，布置在周圍合適位置，結(jié)果如圖4。③操作添加及打包安裝。Unity 3d本身是一款游戲引擎，可通過添加C#腳本對模型組件進(jìn)行控制。由于是教學(xué)使用，本文添加的按鈕用于展示的前后左右移動、旋轉(zhuǎn)、放大縮小、運動配合以及爆炸分散這幾種。添加腳本并關(guān)聯(lián)按鈕和被控模型后就可以打包成軟件安裝包。本文采用安卓系統(tǒng)，將打包好的APK文件安裝進(jìn)手機(jī)，這便完成了教學(xué)設(shè)備的制作。

三、應(yīng)用效果分析

1.《機(jī)械設(shè)計》教學(xué)中的演示。將AR技術(shù)引入《機(jī)械設(shè)計》的課程教學(xué)中，實行中采購了一批安卓智能手機(jī)，結(jié)合課程教學(xué)安排制作相應(yīng)章節(jié)的AR應(yīng)用軟件，再將軟件安裝入手機(jī)中用來展示模型和一些相關(guān)信息。在課堂中，教師給學(xué)生分發(fā)教學(xué)用手機(jī)作為AR顯示工具，并分發(fā)帶有本節(jié)教學(xué)內(nèi)容的識別圖，學(xué)生利用手機(jī)打開軟件識別圖片，之后生成的三維圖片就會在手機(jī)的顯示窗口中疊加到真實場景中。結(jié)合識別圖上的信息以及直觀的三維模型，互相輔助加以理解。AR顯示的還有機(jī)構(gòu)運動的動畫，學(xué)生也可以自主觀察自己不明白的細(xì)節(jié)部分，如圖5所示。

2.課堂教學(xué)應(yīng)用效果分析。在《機(jī)械設(shè)計》課程教學(xué)中，教師需要講解機(jī)械結(jié)構(gòu)的具體細(xì)節(jié)、零部件之間的聯(lián)接方式以及運動傳遞形式等。這類內(nèi)容的教學(xué)如果單靠圖片，則需要教師具有較好的表達(dá)能力，需要學(xué)生有較好的空間想象能力，因此通常輔助以實物模型的展示，但是實物模型具有體積大、零部件繁多、不易攜帶的特點，此外還易損壞、不便保管[6]。在課堂中，由于教師攜帶數(shù)量有限，通常由教師在講臺上展示模型，在課間才能供學(xué)生傳閱，因此學(xué)生無法長時間地仔細(xì)觀摩，只能走馬觀花地看一下，教學(xué)效果一般。利用虛擬產(chǎn)品進(jìn)行課堂教學(xué)，主要取得了如下效果。

（1）數(shù)據(jù)內(nèi)容豐富。通過制作模型動畫，打包成手機(jī)軟件。在如今的手機(jī)存儲能力下，可以存放大量的數(shù)據(jù)內(nèi)容，可以加入同類別機(jī)構(gòu)的多種不同形式。在現(xiàn)實中疊加模型的同時，也可以插入文字介紹信息以及實際使用的視頻片段，借此拓展教學(xué)的信息容量。

（2）互動操作體驗。形式新穎，能夠吸引學(xué)生的注意力。學(xué)生可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的按鍵進(jìn)行一定的互動操作，通過點擊按鍵使機(jī)構(gòu)運動或播放周邊視頻。最重要的是可以操作模型的顯示大小以及位置姿態(tài)，學(xué)生可以對自己不理解的區(qū)域，自己獨立探究，借此能加深理解，提升學(xué)習(xí)效果。

（3）激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。AR展示其形式本身如同游戲，學(xué)生在動手玩的過程中不斷加深印象，在方位轉(zhuǎn)換之間享受探索的樂趣。借助電子設(shè)備的高存儲能力，添加教材以外的信息，拓展模型的展示來增加學(xué)生的閱歷，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（4）結(jié)論與今后的工作。在《機(jī)械設(shè)計》這類需要展示空間結(jié)構(gòu)的課程中引入AR技術(shù)，將立體的三維模型和平面的二維圖片疊加后呈現(xiàn)。學(xué)生通過AR的實時性可以自由觀察模型的各個位置，只需看真實物體移動自己的視角。通過增加互動按鈕可以提高互動的操作性能，以此可用來革新教學(xué)模式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而提升教學(xué)質(zhì)量。

今后的工作主要是改善模型建立的精細(xì)程度，完善AR互動方面的設(shè)置以及顯示效果和形式，增加展示的信息量，使之能提高整個互動體驗。進(jìn)一步可嘗試使用在線數(shù)據(jù)庫的模式，通過網(wǎng)絡(luò)連接來獲取模型取代目前本地逐一安裝軟件的情況。

參考文獻(xiàn)：

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