鄭 凱， 董興輝

（華北電力大學(xué)能源動力與機械工程學(xué)院，北京 102206）

0 引言

工程制圖是工科院校的一門專業(yè)基礎(chǔ)課程，除了培養(yǎng)學(xué)生繪制和識讀工程圖樣的能力外，還兼具培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力、工程意識和創(chuàng)新設(shè)計能力等。傳統(tǒng)教學(xué)模式以課堂教學(xué)和教師講授為主，配以板書、木模、掛件、PPT等教輔工具，學(xué)生只是灌輸式被動學(xué)習(xí)，對于空間想象力較差的學(xué)生，學(xué)習(xí)效果并不理想。傳統(tǒng)教學(xué)模式只注重知識的傳授，沒有立足于培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和工程素質(zhì)，未注重啟發(fā)學(xué)生的思維能力和探索精神，難以達到新工科背景下培養(yǎng)綜合性創(chuàng)新人才的要求［1-3］。

近年來，很多高校對制圖類課程開展了全面深入的教學(xué)改革，包括在課程教學(xué)中整合融入信息和網(wǎng)絡(luò)化新技術(shù)和新方法，開展翻轉(zhuǎn)課堂、MOOC、線上線下混合教學(xué)等新型教學(xué)模式，追求“以學(xué)生為核心，以能力培養(yǎng)為主”的新型教學(xué)目標(biāo)，力求充分發(fā)揮學(xué)生主體作用，激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新學(xué)習(xí)興趣［4-6］。在以學(xué)生為主體的教學(xué)改革中，主要面臨兩方面的難題：①隨著高等教育在培養(yǎng)制度、模式方面發(fā)生的一些重大轉(zhuǎn)變，如淡化專業(yè)、夯實基礎(chǔ)、改變應(yīng)試教育、最大限度發(fā)揮學(xué)生學(xué)習(xí)主體的主觀能動性等一系列戰(zhàn)略舉措的貫徹實施，普遍減少了學(xué)生的課程課時。在課程內(nèi)容未變的情況下，老師在課堂上只能對課程內(nèi)容進行有所偏重的講解，內(nèi)容的深度和廣度不如以前，學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)效果會受到很大影響。②制圖類課程的學(xué)習(xí)除課堂上聽老師講解外，還需要通過大量課后練習(xí)才能掌握課程知識。由于課外缺乏可供參考的模型，學(xué)生的抽象思維能力難以建立，導(dǎo)致課后學(xué)習(xí)效率低、效果差，即使花費大量時間也難以很好地掌握所學(xué)內(nèi)容。在新型教改模式下，對于習(xí)慣了應(yīng)試教育和被動教育的學(xué)生而言，必須轉(zhuǎn)變學(xué)習(xí)模式，發(fā)揮主觀能動性，由被動學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為自主學(xué)習(xí)，由記憶型學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)為理解型學(xué)習(xí)。

增強現(xiàn)實技術(shù)（augmented reality，AR）是一種新興交互技術(shù)，可以將計算機生成的虛擬信息實時疊加到真實環(huán)境中，從而創(chuàng)造出一種虛實融合的視覺感受和超越現(xiàn)實的用戶體驗。相較于傳統(tǒng)講授式教學(xué)方式枯燥、乏味、信息量單薄，AR技術(shù)的圖像化、立體式信息傳遞方式不僅可以傳遞更豐富的信息量，而且沉浸式、場景式的教學(xué)從傳統(tǒng)的由教師主動傳送知識過渡到學(xué)生自主學(xué)習(xí)知識，不僅可以培養(yǎng)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，還可以鍛煉學(xué)生的學(xué)習(xí)能力和創(chuàng)新思維［7-9］。本文將研究利用增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)把制圖課程的抽象內(nèi)容具體化，實現(xiàn)新技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)課堂的深度融合，豐富教學(xué)手段，激發(fā)學(xué)生的自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)興趣，以提升教學(xué)效果。

1 圖學(xué)思維與自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)

工程制圖課程主要內(nèi)容包括讀圖和畫圖，即將三維形體表示為二維圖形，將二維圖樣抽象還原出三維形體。這種基于圖形的思維特點是以投影概念和初等幾何等概念為主導(dǎo)，以形體構(gòu)型的幾何特征以及圖形特點為表象，展開思維活動，進而發(fā)展思維能力。傳統(tǒng)教育模式只注重傳授知識而輕視傳授思維方法，注重記憶內(nèi)容而輕視創(chuàng)新能力的培養(yǎng)；創(chuàng)新型教育模式則需注重傳授科學(xué)思維方法，以發(fā)展學(xué)生的創(chuàng)新意識和創(chuàng)新能力為主。在課程學(xué)習(xí)過程中，要注重引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生展開邏輯思維活動，在畫圖和讀圖過程中充分進行空間思維活動，即將形象思維與邏輯思維交替運用，歷經(jīng)理論學(xué)習(xí)和重復(fù)訓(xùn)練，由量變發(fā)生質(zhì)變，產(chǎn)生靈感進而發(fā)展創(chuàng)新思維能力［10-11］。

培養(yǎng)創(chuàng)新能力，必須從創(chuàng)新學(xué)習(xí)起步。創(chuàng)新學(xué)習(xí)是指學(xué)生的自主學(xué)習(xí)活動，能主動探求未知，不囿于已有知識而尋求新的學(xué)習(xí)方法和學(xué)習(xí)模式，從而實現(xiàn)不斷超越自我。通過創(chuàng)新學(xué)習(xí)可以培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新思維和實踐能力，能夠更好更快地利用已有知識來探求未知，積累創(chuàng)新的潛能，豐富學(xué)習(xí)經(jīng)驗，增強學(xué)習(xí)興趣［12-13］。隨著課時總量的進一步壓縮，學(xué)生可自行支配的課外時間越來越多。但課時減量模式并不意味著課程知識學(xué)習(xí)量的減少和質(zhì)的降低，反而要求學(xué)生們自主發(fā)揮學(xué)習(xí)的主動能動性，讓他們真正懂得個人的學(xué)習(xí)態(tài)度和努力程度才是決定學(xué)習(xí)成效的內(nèi)因，一切教學(xué)和社會資源都應(yīng)該自己積極地去利用。在完成學(xué)業(yè)期間逐步培養(yǎng)自覺努力的習(xí)慣，也是將來在當(dāng)今自由、進取、競爭社會的立足之本。按照現(xiàn)代學(xué)習(xí)理論的觀點來看，充分調(diào)動學(xué)生自覺學(xué)習(xí)的積極性，培養(yǎng)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的意識和習(xí)慣等，已經(jīng)成為現(xiàn)代教育的一個本質(zhì)要求。

大量的課外時間將為學(xué)生自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)提供了廣闊的空間和保障。不同于課堂上被動聽講時思維處于高度緊張集中狀態(tài)，課外在身心放松、思維自由活躍的狀態(tài)下進行自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)更有助于發(fā)揮學(xué)生的學(xué)習(xí)能動性，更容易產(chǎn)生各種創(chuàng)新靈感，會對課堂學(xué)習(xí)的內(nèi)容理解得更加透徹，對一些理解上的難點更容易突然頓悟［14］。通過改進教學(xué)模式，支持學(xué)生開展自主學(xué)習(xí)、創(chuàng)新實踐，為學(xué)生課后自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)提供更加多元化的輔助工具和材料，成為教學(xué)改革過程中教師的一項重要任務(wù)。

2 AR技術(shù)與課程教學(xué)

增強現(xiàn)實技術(shù)（AR）是一種將虛擬信息和真實世界巧妙融合的技術(shù)，可使用戶能夠同時接受對虛擬和物理環(huán)境的雙重信息，獲得雙重感受，交互效果也最為直觀?；贏R的互動能給教師提供全新的教學(xué)方式，也能用最貼近實際的沉浸式場景為學(xué)生創(chuàng)建一個身臨其境的學(xué)習(xí)空間。傳統(tǒng)課程教學(xué)中的模樣、掛圖、PPT等展示的三維形體也僅是常規(guī)感觀的用戶體驗，學(xué)生感受到往往都是獨立的個體，很難想象出二維圖形與三維形體的內(nèi)在關(guān)聯(lián)。當(dāng)引入AR技術(shù)后，利用手機、平板等移動終端掃描二維圖樣，把對應(yīng)的三維立體模型完美地呈現(xiàn)在學(xué)生們眼前，同時還可以對模型進行縮放、旋轉(zhuǎn)、剖切等操作，在帶給學(xué)生新奇的視覺感受同時，也能開闊學(xué)生的視野，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣與創(chuàng)新思維。

利用AR技術(shù)學(xué)習(xí)工程制圖課程的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下幾個方面［15-16］：

（1）AR環(huán)境中的三維形體真實表達，能夠激發(fā)和提升學(xué)生的動手操作和創(chuàng)新思維能力。相較于傳統(tǒng)的二維圖樣表達，學(xué)生們明顯更傾向于直觀性更強的三維形體表達。在學(xué)習(xí)工程制圖相關(guān)國家標(biāo)準及表達技法的同時，可以進一步拓展學(xué)習(xí)空間三維構(gòu)型設(shè)計能力，更好地理解和掌握正投影法、形體分析法等，提高學(xué)生的空間思維和邏輯推理能力。

（2）通過AR技術(shù)創(chuàng)建的沉浸式虛實結(jié)合場景，可以加深學(xué)生對二維圖樣與真實三維形體的圖學(xué)表達和轉(zhuǎn)換理解，調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，快速掌握課程中的重難點。相比于傳統(tǒng)二維圖樣到三維形體的抽象思維過程，通過直觀地觀察三維形體與二維圖樣表達之間的關(guān)系，可以更清楚地印證理論知識與三維構(gòu)型的邏輯推理關(guān)系，以強化和拓展學(xué)生的想象力。

（3）開放的AR互動學(xué)習(xí)場景將教學(xué)交互方式由傳統(tǒng)的教師講學(xué)生聽的單向輸入式學(xué)習(xí)升華至全體師生的交互模式，進一步提升教學(xué)效果。VR場景中整個系統(tǒng)中的所有師生可以進行資源共享，大大提高學(xué)生們的學(xué)習(xí)熱情，對于一題多解的題目，通過AR課件可以起到拋磚引玉的效果，引導(dǎo)和啟發(fā)學(xué)生開展創(chuàng)新思維，得出更多的答案和思路，對于新奇的思路解答可以作為案例進一步豐富和擴充AR教學(xué)資源，起到推進學(xué)習(xí)正循環(huán)的效果。

（4）通過VR教學(xué)可以進一步豐富教學(xué)資源，便于學(xué)生自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)。相對于教材，VR教學(xué)資源可以無限豐富，教師可以根據(jù)教學(xué)需要隨時增刪教學(xué)素材，學(xué)生可利用碎片時間下載相應(yīng)的AR資源進行學(xué)習(xí)，可避免課后練習(xí)時沒有模型可供參考的尷尬，打破傳統(tǒng)模式下“上課聽的明白，課后稀里糊涂”的困境。

3 AR教學(xué)系統(tǒng)的實現(xiàn)

本系統(tǒng)采用的AR交互環(huán)境是利用Unity平臺+EasyAR插件建立增強現(xiàn)實模型與二維圖樣間的虛實融合。

開發(fā)流程主要包括三維建模、虛實融合、實時交互3個步驟。

（1）三維建模。通過三維建模軟件如Solidworks等，根據(jù)二維圖樣建立三維模型（見圖1）。然后再導(dǎo)入3 DsMax等軟件對三維模型的材質(zhì)、光照、顏色以及數(shù)據(jù)格式等信息進行編輯轉(zhuǎn)換，供unity平臺使用。

圖1 三維建模

（2）虛實融合。在Unity平臺中安裝EasyAR插件后，添加ImageTracker和ImageTarget特征，在ImageTarget中指定識別圖片的name、path、scale、tracker等參數(shù)，再將三維模型導(dǎo)入到ImageTarget下，就可以快速實現(xiàn)二維圖樣與三維形體之間的匹配映射，實現(xiàn)虛實融合（見圖2）。通過輸入腳本代碼也可實現(xiàn)對模型縮放、旋轉(zhuǎn)等操作。

圖2 二維圖與三維形體之間的虛實融合

（3）實時交互。將項目輸出為安卓或IOS的APP，安裝到手機或平板等移動終端中，通過攝像頭掃描二維圖樣即可實現(xiàn)AR交互體驗。增強模型不僅可以展示單個的模型，也可以是裝配體，可以交互方式詳細查看裝配體的內(nèi)容（見圖3）。

圖3 二維圖與AR實時交互體驗

4 結(jié)語

在課程總課時壓縮的教改形勢下，要充分激活學(xué)生的自主創(chuàng)新學(xué)習(xí)積極性，教師要及時改進教學(xué)方式和教學(xué)內(nèi)容，為學(xué)生的自主學(xué)習(xí)提供各種便利條件。將AR技術(shù)引入工程制圖課程教學(xué)實踐中，在二維圖紙和三維模型之間搭建沉浸式的直觀視覺體驗，可以更好地吸引學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，拓寬學(xué)生的知識面，也可以激發(fā)和提升學(xué)生的思維能力和創(chuàng)新意識。相較于傳統(tǒng)的教學(xué)模式，AR教學(xué)模式交互性更好，提高了教學(xué)效果，是值得采用的教學(xué)方法。