李琳　石峰　董楠楠

摘要：目前，各高校的教學(xué)模式仍為傳統(tǒng)的單一教學(xué)模式，為提升教學(xué)水平，提高教學(xué)質(zhì)量，將虛擬現(xiàn)實技術(shù)和增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中，是目前改變傳統(tǒng)教學(xué)模式的一種方法。論文以《機械制圖》課程為例，使用HoloLens虛擬智能眼鏡，探究將增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到該課程上的優(yōu)勢，以及該課程的AR輔助教學(xué)系統(tǒng)的研發(fā)和應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：增強現(xiàn)實;機械制圖;HoloLens;虛擬現(xiàn)實;教育應(yīng)用

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）04-0213-02

Abstract： At present， the teaching method of university is still the traditional single teaching method. In order to improve the teaching level and teaching quality， virtual reality technology and augmented reality technology are applied to teaching， which is a way to change the traditional teaching method. Taking Mechanical Drawing course as an example， this paper uses Hololens virtual goggles to explore the advantages of applying augmented reality technology to this course， as well as the development and application of AR assistant instructional system of this course.

Key words： augmented reality; mechanical drawing; hololens; virtual reality; education application

1 引言

《機械制圖》是各院校工科專業(yè)的一門非常重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。其教學(xué)目標是培養(yǎng)學(xué)生具有一定的識圖、讀圖和制圖能力，并培養(yǎng)學(xué)生使其具有一定的空間想象能力[1]。但在傳統(tǒng)教學(xué)模式下，由于教學(xué)模式單一、教學(xué)內(nèi)容與實際聯(lián)系脫節(jié)以及課程設(shè)置不合理等原因，使得部分學(xué)生對平面上的三維零件圖，很難想象出其三視圖的效果。進而逐漸使學(xué)生對該課程產(chǎn)生抵觸心理，而達不到良好的教學(xué)效果。但隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的不斷蓬勃發(fā)展，將AR技術(shù)應(yīng)用到《機械制圖》的課程中，學(xué)生將從被動轉(zhuǎn)向主動，通過增強學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的感知和認知途徑，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，進而達到更好的教學(xué)效果。

2 增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)

增強現(xiàn)實（AR的英文全稱為Augmented Reality）是一種將真實的現(xiàn)實世界與虛擬環(huán)境中的信息巧妙融合的技術(shù)[2]。該技術(shù)廣泛運用了多媒體、三維建模、實時跟蹤及注冊、智能交互、傳感等多種技術(shù)手段，將由計算機制作出來的三維模型、虛擬場景以及音樂、文字、視頻等信息應(yīng)用到真實世界中[3]，使人們能都在現(xiàn)實環(huán)境中與虛擬的各種場景信息進行觀摩或互動，進而達到真實世界“增強”的目的。

增強現(xiàn)實技術(shù)主要有三個特點，分別是三維注冊、虛擬現(xiàn)實融合顯示以及人機交互[4]。其中三維注冊是指，為了讓虛擬環(huán)境中的各個虛擬物體能夠與周圍的真實環(huán)境完美融合，且不會讓體驗者在AR環(huán)境中產(chǎn)生異物感或沖突感，而對虛擬物體和真實環(huán)境的三維空間位置坐標進行的精準匹配。正是由于增強現(xiàn)實技術(shù)的這三個主要特點，為現(xiàn)代教育領(lǐng)域增添了新的教學(xué)方式，使那些晦澀難懂或者需要較強空間想象能力的學(xué)習(xí)內(nèi)容有了一個全新的展示方式，也為學(xué)習(xí)者搭建了更具有探索性的學(xué)習(xí)平臺，為未來的教學(xué)領(lǐng)域開拓了更廣闊的空間。

3 AR技術(shù)應(yīng)用于機械制圖課程的優(yōu)勢分析

3.1教學(xué)模式多樣化，開闊學(xué)生視野

在傳統(tǒng)的《機械制圖》課堂教學(xué)模式下，學(xué)生通過教師單向的進行教學(xué)內(nèi)容的傳遞，學(xué)生也只能被動的通過聽取課堂教學(xué)內(nèi)容，根據(jù)自己的空間想象能力對機械零件結(jié)構(gòu)進行繪制主視圖、俯視圖、左視圖以及剖面圖。將AR技術(shù)應(yīng)用到課堂教學(xué)中，學(xué)生可以在課堂上更直觀地看到機械結(jié)構(gòu)，充分理解機械結(jié)構(gòu)在圖紙上的展現(xiàn)形式，一方面使課堂教學(xué)活動變得更加活躍不再如傳統(tǒng)教學(xué)那般的單一、枯燥。另一方面，讓學(xué)生能夠更多地接觸新設(shè)備，新技術(shù)，感受科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，進而開闊了學(xué)生的視野。

3.2虛實結(jié)合，提高學(xué)生空間想象能力

不同于VR技術(shù)的純虛擬環(huán)境下展示，AR技術(shù)可以借用AR設(shè)備，將虛擬模型與真實環(huán)境相結(jié)合并反映在同一個空間中。而且對于《機械制圖》課程中一些較為復(fù)雜的機械零件，學(xué)生是需要具有一定的空間想象能力才能畫出其三視圖。而通過AR技術(shù)，機械零件會以更為直觀的形式呈現(xiàn)在學(xué)生面前，學(xué)生可以直接360°的觀察模型，充分理解機械零件在圖紙上的表達方式，幫助學(xué)生理解對三視圖畫法原理，進而激發(fā)學(xué)生的空間想象能力。

3.3交互設(shè)計，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

在課堂教學(xué)中，使用圖片展示，視頻播放或者增加與學(xué)生之間的互動，可以在一定程度上激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣并調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性。而在《機械制圖》課堂教學(xué)中，學(xué)生可以通過AR虛擬場景與零件模型進行環(huán)繞走動觀察和點擊模型的互動交互，使書本上靜態(tài)的知識，變得可以互動選擇、可以接觸甚至可以近距離觀察。這樣的互動交互將極大地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，同時也為學(xué)生創(chuàng)造更多的探索式學(xué)習(xí)機會，增加教師與學(xué)生之間的交流互通，活躍課堂氛圍。

4 AR輔助教學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計與研發(fā)

4.1系統(tǒng)研發(fā)工具的選擇

該系統(tǒng)采用微軟公司設(shè)計開發(fā)的虛擬智能眼鏡產(chǎn)品——HoloLens，并采用的是第一代設(shè)備產(chǎn)品。該設(shè)備采用Windows10系統(tǒng)，擁有先進的傳感器、高清晰度3D光學(xué)透鏡顯示器和環(huán)繞音效，允許用戶在虛擬場景中通過凝視（Gaze Input）、語音輸入（Voice Input）和手勢（Gesture）與虛擬場景進行交互[5]，圖1簡要列舉HoloLens的一些硬件細節(jié)。在HoloLens設(shè)備中，是通過創(chuàng)建一種稱為全息圖（Hologram）的包含光線和聲音的物體，在真實環(huán)境中進行展示和交互。使用者可通過手勢或者語音對Hologram進行互動，在與用戶互動的同時，Hologram同樣能夠與真實世界的表面產(chǎn)生互動。

全息圖在現(xiàn)實環(huán)境中有兩種處理方式。一種處理方式是放置。使用者可以將創(chuàng)建出來的虛擬物體非常準確的放置在現(xiàn)實環(huán)境中的某個位置，并且可以360°觀察它且虛擬物體在現(xiàn)實環(huán)境中不會出現(xiàn)抖動或者消失的現(xiàn)象。另一種處理方式是跟隨。開發(fā)者可以將虛擬物體的位置設(shè)置在相對用戶的某個位置。即，使用者無論位置發(fā)生怎樣的變換，虛擬物體都會跟隨使用者，且相對位置不發(fā)生改變。

4.2自主選擇觀察模型功能實現(xiàn)

對模型添加自主選擇功能，可增加系統(tǒng)操作的靈活性。HoloLens設(shè)備可通過添加手勢功能實現(xiàn)對模型的選擇交互功能。HoloLens設(shè)備的手勢功能分為低級別的收視數(shù)據(jù)訪問和高級別手勢識別。該系統(tǒng)采用高級別手勢識別中的tap（單擊）功能。

在Unity中添加創(chuàng)建好的機械零件模型，對Unity環(huán)境進行場景設(shè)置和工程設(shè)置。創(chuàng)建Gesture Recognizer后制定需要捕捉的手勢類型，該程序設(shè)置手勢類型為單擊，圖2為零件模型的手勢識別效果圖。添加捕捉的單擊手勢后的處理程序，設(shè)定為選擇目標模型后，模型移動至用戶眼前適當(dāng)距離并放大。

4.3多方位觀察模型功能實現(xiàn)

HoloLens的強大功能在于用戶佩戴上設(shè)備后，觀察到的虛擬物體和周圍的真實世界是有機完美結(jié)合的。而將真實世界和虛擬物體完美結(jié)合的橋梁，便是世界錨（World Anchor）。通過世界錨，設(shè)計人員可以在Unity中添加一個虛擬物體并定位到現(xiàn)實世界的某個位置，增加虛擬物體與真實環(huán)境的融合性。

該系統(tǒng)中，用戶佩戴上HoloLens設(shè)備后，場景中的機械模型是跟隨用戶的頭部轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動的，始終保持在相對人眼的一個固定位置。單擊選擇需要觀察的機械模型后，模型會移動到用戶眼前的位置并固定，用戶可圍繞模型走動，即可觀察機械模型三視圖的畫法。

5 AR技術(shù)在教學(xué)上的展望

將AR技術(shù)應(yīng)用在《機械制圖》的教學(xué)課堂上，只是AR技術(shù)在教學(xué)領(lǐng)域上應(yīng)用的一個縮影。AR技術(shù)的直觀性、交互性以及可定位性等特點，決定了AR技術(shù)在教育教學(xué)上有著巨大的發(fā)揮空間。不論是將教學(xué)內(nèi)容向?qū)W生展示，降低學(xué)生理解抽象理論的難度，還是讓學(xué)生在增強現(xiàn)實的環(huán)境中，與模型進行實時互動，比如進行實訓(xùn)操作方面的練習(xí)等等。AR技術(shù)，使學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)從被動變?yōu)橹鲃邮教骄繉W(xué)習(xí)，開拓學(xué)生的眼界，發(fā)散學(xué)生的思維，進而培養(yǎng)出創(chuàng)新型人才。

參考文獻：

[1] 王翔.機械制圖教學(xué)思考[J].信息記錄材料，2018，19（6）：146-147.

[2] 徐子澤，崔虹云.國內(nèi)外增強現(xiàn)實技術(shù)及其在教學(xué)領(lǐng)域的現(xiàn)狀分析[J].廣東化工，2019，46（13）：211-212.

[3] 陳潔菲.基于AR的社區(qū)教育3D課件設(shè)計與應(yīng)用研究[D].上海：華東師范大學(xué)，2017.

[4] 李紹良，姜靈美，任建峰.AR增強現(xiàn)實技術(shù)在職業(yè)教育數(shù)字化教材開發(fā)中的應(yīng)用研究[J].教育現(xiàn)代化，2019，82：177-179.

[5] 閆興亞，張克發(fā).HoloLens與混合現(xiàn)實開發(fā)[M].北京：機械工業(yè)出版社：2019：30.

【通聯(lián)編輯：王力】