楊志凌，劉小海，鄭 凱

（華北電力大學(xué) 能源動(dòng)力與機(jī)械工程學(xué)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(guān)鍵，是工程師觀察、分析、認(rèn)知工程對(duì)象的抽象思維能力，具體體現(xiàn)為以下三個(gè)方面：（1）根據(jù)描述工程對(duì)象的語言、符號(hào)或圖形，在大腦中展現(xiàn)相應(yīng)的形狀、結(jié)構(gòu)、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(duì)象的形狀、結(jié)構(gòu)、位置等空間幾何信息表述為語言、符號(hào)或圖形的能力；（3）將大腦中已有的工程對(duì)象進(jìn)行分解、排列、平移、旋轉(zhuǎn)、組合，產(chǎn)生新的工程對(duì)象的能力。

在工科專業(yè)本科課程體系中，“工程圖學(xué)（Engineering Graphics）”（下文簡(jiǎn)稱“工圖”）是機(jī)類和近機(jī)類專業(yè)留學(xué)生的專業(yè)基礎(chǔ)課，課程的目標(biāo)之一是培養(yǎng)空間想象能力，提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。在教學(xué)實(shí)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(xué)法［1］、“一題多解”和“圖形異位”［2］等。其中很多文獻(xiàn)提出，利用計(jì)算機(jī)三維模型增強(qiáng)學(xué)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(kù)［4］等。但三維模型大多依賴于計(jì)算機(jī)三維建模軟件，只能在筆記本電腦等終端設(shè)備上使用，無法在手機(jī)等移動(dòng)設(shè)備上打開，在課堂教學(xué)中無法達(dá)到“即插即用”的效果。

為了提供真正的“沉浸式教學(xué)”，部分教師開始嘗試將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality,AR）技術(shù)引入課堂教學(xué)中，為抽象學(xué)習(xí)創(chuàng)造了“真實(shí)”情境，為課堂提供了數(shù)字資源環(huán)境，交叉利用教育與信息科技加強(qiáng)學(xué)習(xí)過程［5-6］。

一、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)

AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是將虛擬世界信息疊加到真實(shí)世界信息之上，使其在同一個(gè)畫面或空間中同時(shí)存在，并且被人類感官感知，幫助用戶增強(qiáng)對(duì)真實(shí)世界的理解。

基于AR鏡片的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的主要應(yīng)用領(lǐng)域是工業(yè)和軍事，但手機(jī)是更適合于教育場(chǎng)合的硬件設(shè)備。手機(jī)AR 應(yīng)用開發(fā)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(fā)環(huán)境是跨平臺(tái)2D/3D游戲引擎Unity，通過引擎，開發(fā)的AR應(yīng)用可以在不同的平臺(tái)（安卓、IOS、Windows）上運(yùn)行。

本文采用了Unity2019+EasyAR4.1來實(shí)現(xiàn)手機(jī)端的AR應(yīng)用。實(shí)現(xiàn)步驟如圖1所示。

圖1 AR應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)步驟

（一）準(zhǔn)備識(shí)別的圖片和相應(yīng)的三維模型

此時(shí)應(yīng)當(dāng)注意：（1）Unity的標(biāo)準(zhǔn)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(dǎo)出；（3）導(dǎo)出的模型可直接拖入Assets，以便接下來的使用。

（二）申請(qǐng)key下載AR包和設(shè)置Unity

先在EasyAR的官網(wǎng)中申請(qǐng)賬號(hào)，登錄開發(fā)中心申請(qǐng)key密鑰。同樣在官網(wǎng)中找到在Unity場(chǎng)景中應(yīng)用的EasyAR包，將EasyAR導(dǎo)入U(xiǎn)nity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(xiàng)目的Assets內(nèi)建立一個(gè)名為StreamingAssets的文件夾，用來保存提前準(zhǔn)備的圖片；接下來點(diǎn)擊Image Target并設(shè)置圖片的路徑、名字和規(guī)模尺寸；然后把與圖片對(duì)應(yīng)的模型拖到Image Target中，調(diào)整模型與圖片相對(duì)應(yīng)的位置和尺寸比例。

如果需要多張圖片識(shí)別時(shí)，需要在EasyAR_ImageTracker-1里面的Image Tracker設(shè)置“同時(shí)目標(biāo)數(shù)量”，使之大于或等于圖片的數(shù)量。

（三）設(shè)置三維模型的旋轉(zhuǎn)和放縮

本文采用的是設(shè)置相機(jī)，優(yōu)點(diǎn)是不用設(shè)置每個(gè)模型。首先需要把相機(jī)的background設(shè)置為黑色，避免手機(jī)掃描的時(shí)候出現(xiàn)Unity默認(rèn)的場(chǎng)景。用visual studio編譯器編寫腳本，并將腳本加在相機(jī)下面，設(shè)置對(duì)應(yīng)的參數(shù)。

（四）發(fā)布APK文件

在安裝unity時(shí)，會(huì)同步安裝unity Hub。在unity Hub內(nèi)添加模塊，安裝Android Build Support；在unity中的preferences欄目下External Tools中設(shè)置JDK和SDK的安裝位置；接下來在文件的Build settings中 點(diǎn)開player settings，設(shè) 置product name，并保證package name與之前申請(qǐng)key時(shí)的名字相同，以及最小API水平不小于API level 19；最后點(diǎn)擊switch platform發(fā)布到手機(jī)端，并授權(quán)相機(jī)使用功能，完成AR應(yīng)用的制作。

二、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用

我校給機(jī)類和近機(jī)類留學(xué)生開設(shè)的“工圖”課程共56+32學(xué)時(shí)，分別在第一學(xué)年上下兩個(gè)學(xué)期進(jìn)行。其中，“工圖1”主要培養(yǎng)空間想象能力，訓(xùn)練形體表達(dá)能力，“工圖2”主要學(xué)習(xí)機(jī)械圖樣中的各種規(guī)定畫法，以及機(jī)械零部件的圖樣表達(dá)。留學(xué)生來自孟加拉國(guó)、巴基斯坦、塔吉克斯坦、剛果、贊比亞等南亞、中亞、非洲國(guó)家，雖然留學(xué)生的入學(xué)水平參差不齊，但是大多數(shù)留學(xué)生具有很強(qiáng)的好奇心，對(duì)于提倡動(dòng)手動(dòng)腦的“工圖”課程的興趣很高。

圖2 相貫線的AR應(yīng)用案例

空間想象能力是基于經(jīng)驗(yàn)的，學(xué)生大腦中的形體印象積累得越多，越有利于對(duì)新形體的想象。同時(shí)，學(xué)生還需要對(duì)工程中描述零件形狀的各種術(shù)語及其含義有深刻的理解，才能跟隨教師的講述進(jìn)行正確的空間想象。基于AR 技術(shù)開發(fā)的手機(jī)應(yīng)用提供了大量的基本形體素材，可以豐富留學(xué)生的空間想象經(jīng)驗(yàn)，并且通過手機(jī)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(xué)生需要在大腦中對(duì)形體進(jìn)行分解、組合、旋轉(zhuǎn)等想象?；贏R技術(shù)開發(fā)的手機(jī)應(yīng)用可以通過示例幫助學(xué)生體驗(yàn)整個(gè)過程，驗(yàn)證空間想象的結(jié)果是否正確，從而不斷地肯定正確的想象，糾正錯(cuò)誤的想象。

三、教學(xué)案例

相貫線一直是留學(xué)生“工圖”課程的難點(diǎn)之一，學(xué)生對(duì)于基本立體及其之間的相貫線的空間形狀和位置的認(rèn)識(shí)不足，因此往往容易產(chǎn)生錯(cuò)誤的空間想象。

立體已知條件為一個(gè)軸線側(cè)垂的圓柱管，如圖2（a）所示，在上方加工一個(gè)圓柱孔，下方加工一個(gè)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(nèi)外圓柱面的交線、方孔與圓柱管內(nèi)外圓柱面的交線是待求相貫線。

這是一道綜合考查學(xué)生空間想象力的題目，考查知識(shí)點(diǎn)包括：兩個(gè)異徑圓柱體的相貫、兩個(gè)等徑圓柱體的相貫、四棱柱體與圓柱體的相貫、孔與實(shí)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(xué)生在完成時(shí)，很容易混淆各個(gè)知識(shí)點(diǎn)，從而顧此失彼。

利用AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開發(fā)的應(yīng)用，可以讓學(xué)生使用手機(jī)掃描題目，在手機(jī)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(zhuǎn)，方便學(xué)生從不同角度觀察模型，從而產(chǎn)生直觀的認(rèn)識(shí)。學(xué)生也可以在得到答案后使用手機(jī)掃描，生成三維模型，如圖2（c）所示，從而驗(yàn)證自己的空間想象是否正確。

我們?cè)?021級(jí)留學(xué)生的“工圖1”課程中采用了AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)App輔助課堂教學(xué)，并為部分課后作業(yè)提供了手機(jī)端的三維模型。圖3為機(jī)械LX2021和機(jī)械LX2020兩個(gè)年級(jí)的留學(xué)生期末考試的截交線和相貫線試題。兩次試題的考查內(nèi)容基本一致，難度相當(dāng)。

圖3 留學(xué)生的“工圖1”期末考試試題

表1為兩次考試的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從表1可以看出，2021級(jí)留學(xué)生在截交線和相貫線試題上的平均得分率高于2020級(jí)，最高得分率基本與2020級(jí)持平，體現(xiàn)出了AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)App取得了較好的教學(xué)效果。

表1 留學(xué)生“工圖1”期末考試結(jié)果統(tǒng)計(jì)

結(jié)語

本文介紹了使用Unity+EasyAR開發(fā)AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)App的過程和案例。留學(xué)生使用手機(jī)識(shí)別習(xí)題二維圖形，在手機(jī)上顯示對(duì)應(yīng)三維模型。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)三維模型資源可及時(shí)糾正空間想象中的錯(cuò)誤，達(dá)到提高空間想象力的效果。