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摘要：目前遠(yuǎn)程教育以其空間和時(shí)間的便捷性，受到了越來越多的關(guān)注和參與。然而在理工類遠(yuǎn)程教育課程中，由于內(nèi)容往往比較抽象復(fù)雜，立體度高，使用傳統(tǒng)的二維素材學(xué)習(xí)往往導(dǎo)致學(xué)習(xí)者接受、理解較為困難，造成學(xué)習(xí)效率低下等問題。利用基于移動(dòng)設(shè)備的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以將三維實(shí)景融入到抽象的二維素材中，使教學(xué)內(nèi)容生動(dòng)形象地展現(xiàn)在學(xué)習(xí)者面前，有助于提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效率和興趣，使學(xué)習(xí)者能夠更充分地掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容。本文就增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)如何應(yīng)用于遠(yuǎn)程教育《機(jī)械設(shè)計(jì)制造》課程進(jìn)行具體闡述。

關(guān)鍵詞：遠(yuǎn)程教育；機(jī)械設(shè)計(jì)制造；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)；移動(dòng)設(shè)備

1引言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(augmentedreality，AR)技術(shù)是于1990年由TomCaudell首次提出的，是在虛擬現(xiàn)實(shí)(virtualreality，VR)的基礎(chǔ)之上產(chǎn)生的。它對(duì)真實(shí)環(huán)境中的信息進(jìn)行三維注冊(cè)，將計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息疊加應(yīng)用到真實(shí)世界，利用傳感技術(shù)和顯示設(shè)備將虛擬信息和真實(shí)世界統(tǒng)一在一個(gè)畫面或空間內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的增強(qiáng)，達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)[1]。1997年Azuma等研究人員認(rèn)為AR應(yīng)該包含3個(gè)準(zhǔn)則:虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互和三維注冊(cè)[2]。到目前，隨著5G等技術(shù)的快速發(fā)展，AR技術(shù)已經(jīng)逐步具備了從研究為主轉(zhuǎn)向?qū)嶋H應(yīng)用的條件，在游戲、旅游、文化、教育、軍事、工業(yè)等領(lǐng)域都開始逐步嶄露頭角。由于增強(qiáng)顯示技術(shù)的三維性、交互性和趣味性，能夠解決教育行業(yè)中存在的諸多難題，因此該技術(shù)在教育方面的應(yīng)用受到越來越多的關(guān)注。目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于AR技術(shù)在教育方面的研究如下：國(guó)內(nèi)方面，劉鑫對(duì)AR技術(shù)在機(jī)械制圖方面的應(yīng)用進(jìn)行了研究，于勇等人研究了AR技術(shù)在工程圖教學(xué)方面的應(yīng)用，并基于Unity3D制作出齒輪泵的三維模型實(shí)現(xiàn)交互。國(guó)外方面，Shelton和Hedley使用AR技術(shù)演示九大行星的教學(xué)實(shí)驗(yàn)、Kauf-mann將其用于空間幾何教學(xué)、Dnser與Homeker在兒童寓言故事中引入AR實(shí)現(xiàn)互動(dòng)與合作學(xué)習(xí)等。BillingHurst,Poupyrev利用AR將圖書內(nèi)容呈現(xiàn)為動(dòng)畫形式[3]。

2增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在遠(yuǎn)程教育理工類課

程中的需求性分析現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育作為終身學(xué)習(xí)的重要組成部分，是伴隨信息技術(shù)不斷發(fā)展完善進(jìn)步而出現(xiàn)的一種新的教育教學(xué)模式，并在近年來發(fā)展迅速。隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及和網(wǎng)絡(luò)媒體技術(shù)的不斷應(yīng)用，以互聯(lián)網(wǎng)為依托的現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育獲得了前所未有的發(fā)展，為更多想要接受繼續(xù)教育的人們提供了繼續(xù)學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)和途徑[4]。基于互聯(lián)網(wǎng)的遠(yuǎn)程教育，打破了傳統(tǒng)的時(shí)間、空間受限的教學(xué)模式，學(xué)習(xí)者可以在時(shí)間充裕時(shí)在線學(xué)習(xí)，靈活性大大加強(qiáng)；而智能移動(dòng)設(shè)備的出現(xiàn)和進(jìn)化，則進(jìn)一步在時(shí)間和空間上解放了遠(yuǎn)程教育，為學(xué)習(xí)者提供了隨時(shí)隨地在線學(xué)習(xí)的機(jī)會(huì)。在遠(yuǎn)程教育中，理工類課程往往是難度相對(duì)較高的課程。不同于一些人文課程，運(yùn)動(dòng)、生活相關(guān)課程，理工類課程往往距離生活較遠(yuǎn)，無法機(jī)器學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)的共鳴；同時(shí)，理工類課程對(duì)邏輯思維和空間想象能力要求較高，很多內(nèi)容往往相對(duì)抽象，這為一些基礎(chǔ)不牢固、專業(yè)不對(duì)口的學(xué)習(xí)者帶來了諸多學(xué)習(xí)困難。以《機(jī)械設(shè)計(jì)制造》課程為例，課程中的知識(shí)點(diǎn)，如液壓傳動(dòng)裝置、齒輪傳動(dòng)裝置、電機(jī)減速器等等，都是相對(duì)復(fù)雜的三維立體機(jī)構(gòu)，而采用傳統(tǒng)的二維素材和平面圖片進(jìn)行遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)，相對(duì)來說非常晦澀難懂。另外，部件間的配合、傳動(dòng)、連接細(xì)致入微，一般的課程資源難以細(xì)致表述，這就會(huì)造成學(xué)習(xí)者一知半解，不夠深入，影響整體的教學(xué)效果。若能夠?qū)⒃鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入到遠(yuǎn)程教育的教學(xué)資源當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)虛擬信息的疊加，虛實(shí)結(jié)合，可以將機(jī)構(gòu)及部件的3D虛擬效果覆蓋在圖像上，使學(xué)習(xí)者對(duì)機(jī)構(gòu)及部件的整體效果一目了然；同時(shí)學(xué)習(xí)者還可以對(duì)模型進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，360°旋轉(zhuǎn)，隨意“拆裝”，從而從各個(gè)角度觀看機(jī)械模型中各部件的工作原理、詳細(xì)構(gòu)造、配合情況等，一目了然；同時(shí)教學(xué)效果也更加生動(dòng)形象，增加課程的趣味性，對(duì)整體課程效果和學(xué)習(xí)者的參與積極性都有很大的幫助。

3基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的《機(jī)械設(shè)計(jì)制造》課程的開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

整體的開發(fā)流程分為以下幾個(gè)步驟：一是通過調(diào)研和咨詢，確認(rèn)當(dāng)前遠(yuǎn)程教育《機(jī)械設(shè)計(jì)制造》課程中空間構(gòu)造相對(duì)復(fù)雜，學(xué)習(xí)者不容易理解的知識(shí)點(diǎn)，將這些知識(shí)點(diǎn)作為通過AR技術(shù)交互來改進(jìn)的對(duì)象。二是建模工作，先利用Solidworks以真實(shí)的機(jī)構(gòu)或零件尺寸建立其三維模型，然后利用3DMax軟件對(duì)三維模型制作動(dòng)畫效果，接下來基于Unity3D開發(fā)引擎，將模型導(dǎo)入進(jìn)行編程開發(fā)，并生成移動(dòng)端的可執(zhí)行程序。三是將可執(zhí)行程序移植至移動(dòng)設(shè)備中進(jìn)行調(diào)試，以充分驗(yàn)證其可靠性。最后，使用者通過移動(dòng)設(shè)備登錄可執(zhí)行程序，掃描AR知識(shí)點(diǎn)，就會(huì)出現(xiàn)三維模型，并能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)交互。基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的《機(jī)械設(shè)計(jì)制造》課程的開發(fā)流程如下：

3.1《機(jī)械設(shè)計(jì)制造》課程AR技術(shù)交互知識(shí)點(diǎn)選取

為切實(shí)增強(qiáng)遠(yuǎn)程教育課程的教學(xué)效果，提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果，在《機(jī)械設(shè)計(jì)制造》課程中，選取交互知識(shí)點(diǎn)的原則和方法如下：（1）利用當(dāng)前教學(xué)方式進(jìn)行教學(xué)取得滿意效果的，不必進(jìn)行AR技術(shù)交互；（2）遠(yuǎn)程教育教師反饋用傳統(tǒng)教學(xué)模式難以講解通透的、學(xué)習(xí)者普遍難以理解的知識(shí)點(diǎn)，是計(jì)劃作為AR技術(shù)交互的目標(biāo)對(duì)象；（3）從目標(biāo)對(duì)象中挑選出適合進(jìn)行建模，編程，通過AR技術(shù)展示能夠體現(xiàn)良好效果的知識(shí)點(diǎn)，是最終選取作為AR技術(shù)交互的知識(shí)點(diǎn)。

3.2AR技術(shù)交互知識(shí)點(diǎn)的建模

AR技術(shù)交互知識(shí)點(diǎn)的建模主要包括三維建模和動(dòng)畫制作。三維建模主要利用的工具是Solidworks。Solidworks是一款功能十分強(qiáng)大，界面友好，零件庫(kù)十分豐富的繪圖軟件，廣泛應(yīng)用于機(jī)械設(shè)計(jì)、圖紙制作及閱覽，繪制三維模型步驟簡(jiǎn)單，可隨意翻轉(zhuǎn)、拆分，交互性強(qiáng)。在本次研究中，利用該軟件完成AR交互對(duì)象，即一些機(jī)構(gòu)、部件的三維圖編輯。完成三維圖編輯之后，將圖片文件導(dǎo)入到3DMax中進(jìn)行動(dòng)畫設(shè)計(jì)。3DMax軟件是目前應(yīng)用非常廣泛的動(dòng)畫制作軟件，并且能夠識(shí)別Solidworks制作好的三維圖文件，形成無縫銜接。在本次研究中，利用該軟件完成機(jī)構(gòu)、零件間的各種配合、動(dòng)作、分解等動(dòng)畫的渲染和生成。

3.3編程并生成可執(zhí)行程序

三維建模和動(dòng)畫生成完畢之后，接下來需要通過編程開發(fā)，生成基于移動(dòng)設(shè)備的可執(zhí)行程序，這一工作通過Unity3D來完成。Unity3D可以輕松地完成游戲制作、可視化等工作，并且生成的程序可以在Windows、Mac、Iphone和Android等環(huán)境下運(yùn)行，能夠滿足不同遠(yuǎn)程學(xué)習(xí)人群的需要。在本次研究中，將動(dòng)畫素材導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D，通過場(chǎng)景布置、腳本添加及打印包裝等操作，生成基于Android的可執(zhí)行程序APK文件，并植入到移動(dòng)設(shè)備中。

3.4可執(zhí)行程序調(diào)試及運(yùn)行

檢驗(yàn)成果滿足要求，需要達(dá)成以下幾個(gè)條件：（1）應(yīng)用程序在移動(dòng)設(shè)備中兼容性良好，運(yùn)行穩(wěn)定。（2）應(yīng)用程序中AR模型能夠按照預(yù)設(shè)正常展現(xiàn)，與實(shí)景的配合疊加精確。（3）AR模型的實(shí)時(shí)交互性良好，無卡頓或識(shí)別失敗現(xiàn)象。（4）疊加AR技術(shù)的課程資源，能夠如預(yù)期一樣提升課程的教學(xué)效果。通過不斷調(diào)試-運(yùn)行-再調(diào)試-再運(yùn)行，不斷完善以上幾點(diǎn)，最終滿足上述條件，使基于AR技術(shù)的可執(zhí)行程序能夠有效改善《機(jī)械設(shè)計(jì)制造》課程的效果和效率。

4結(jié)束語(yǔ)

本文旨在針對(duì)《機(jī)械設(shè)計(jì)制造》這一遠(yuǎn)程教育課程在教學(xué)過程中的實(shí)際問題，提出通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)交互的方式，為課程素材增加視覺體驗(yàn)和學(xué)習(xí)效果。通過AR技術(shù)，可以將虛擬的三維機(jī)構(gòu)、零件疊加到平面素材，并為學(xué)習(xí)者提供實(shí)時(shí)交互的平臺(tái)，有助于提高學(xué)習(xí)效率，增強(qiáng)教學(xué)效果。因此，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在遠(yuǎn)程教育的《機(jī)械設(shè)計(jì)制造》課程，乃至于理工類課程具有重要的研究意義。

作者:欒婷婷 于超 楊佳奇 單位:沈陽(yáng)開放大學(xué)