劉麗蘭 陳恩來 譚晶 鄧召義 任彬 傅燕鳴

摘要：《機械設計》課程是機械工程學科的專業(yè)核心基礎課，存在著內容繁多、理解難度大、課堂教學枯燥等問題。本文提出將增強現實（Augmented Reality，AR）技術應用到課堂教學中，充分利用AR技術的虛實結合、互動操作與沉浸式體驗等優(yōu)勢，開發(fā)出《機械設計》課程中包括標準零件、傳動結構、實例機械等在內的一系列虛擬產品對象，并采用打包為應用的形式，實現虛擬對象與打印圖紙的同步三維立體顯示和操作。課堂中學生們可以采用Ipad、安卓手機等電子設備安裝使用，實現對教學內容進行原理分析、實例展示、內容拓展等，達到課堂教學生動立體、課程內容快速理解和掌握的效果。

關鍵詞：增強現實；教學應用；《機械設計》

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

一、背景介紹

《機械設計》是一門論述機械設計理論、方法，培養(yǎng)學生具有機械設計能力的技術基礎課，任務是使學生掌握如何設計和選用通用機械零部件，進而具備設計機械傳動裝置和簡單機構的能力。教學內容包括：聯接設計（螺紋、鍵銷等）、機械傳動設計（如帶傳動、鏈傳動和齒輪傳動等）和軸系零部件設計（如滑動、滾動軸承還有聯軸器等）。近年來，隨著課程結構的調整，該課程的教學內容在不斷更新和增加，而總的課時卻在不斷減少，如何解決學時數與教學內容之間的沖突，并在有限的學時內提高學生的機械設計和創(chuàng)新能力，已經成為廣大一線教師開展教學改革的目標[1]。

在傳統機械類課程中，教師一般使用圖片、影像和實物模型講解機械結構和運動功能等，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械的具體結構和原理，學生不易想象零件形狀和空間結構。②實物模型制作成本高，攜帶不方便，教師演示時學生容易錯過關鍵信息。③傳統的板書加PPT的教學不易激發(fā)學習興趣，學生易注意力不集中，上課開小差。

為了改善傳統《機械設計》課程教學的弊端，本文提出采用AR技術輔助教學，將理論、靜態(tài)的內容轉化為生動、形象的模型畫面，結合到真實環(huán)境的圖紙中，利用互動操作降低學習難度，提高學生的學習興趣和學習效果，從而推動創(chuàng)新課程的建設。

二、基于AR的機械設計產品制作流程

1.增強現實（AR）技術。增強現實技術（Augmented Reality，AR）是在虛擬現實的基礎上發(fā)展起來的新技術，是通過計算機提供的數據信息來增加使用者對現實世界感知的科學技術，并將計算機生成的虛擬物體場景或系統提示信息等內容疊加到真實場景中，從而實現對現實世界的增強。在實現功能的同時，由于與真實世界的聯系未被切斷，其交互方式更加自然[2]。

AR技術可廣泛應用于多種領域。在教育領域，國外學者已經做了比較多的實踐研究：①將AR融入課堂教學。Shelton和Hedley使用AR技術演示九大行星的教學實驗、Kauf-mann將其用于空間幾何教學、Dnser與Horneker在兒童寓言故事中引入AR實現互動與合作學習等[3]。②將AR技術應用于圖書閱讀。BillingHurst，Poupyrev利用AR將圖書內容呈現為動畫形式[4]。③將AR技術應用于游戲娛樂中。如新加坡公司的娛教產品wIzQubes；Hye Sun Lee和Jong Weon Lee設計用于幼兒算數的教育游戲；Ori Inbar開發(fā)手機AR游戲實現隨時隨地學習拼音 [5]。

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

AR技術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《機械設計》課程中零件外形、機械結構和運動變化的演示，并且形式新穎，使學生能在互動中大大提高教學的趣味性和吸引力，提高教學質量。

2.《機械設計》教學應用制作流程。針對傳統《機械設計》課程中存在的問題，本文采用AR技術制作輔助教學應用來提升教學效果。本文以減速箱這一經典設計產品為例，通過制作三維模型的動畫以及內部結構展示，將虛擬的三維效果與真實的圖紙結合，呈現出更為豐富的教學信息，讓學生在互動中掌握學習內容。應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械設計方面較流行的SolidWorks軟件進行繪制。SolidWorks軟件功能強大，組件繁多，各種標準的零件庫數量豐富，可供直接調用。其界面簡潔，操作方便，深受高校學子的青睞。打開SolidWorks，根據設計要求先繪制非標準零部件，比如減速器箱體吊耳等部分，之后標準件直接調用SolidWorks的零件庫，最后組裝為完整的裝配體保存。

（2）制作相關變化動畫。在SolidWorks中完成機械三維模型繪制后，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用軟件，其格式無法使用。此外，由于最后的應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系統的三維動畫渲染制作軟件，廣泛應用于廣告、影視、工業(yè)設計、建筑設計、三維動畫、多媒體制作、游戲、輔助教學等領域的動畫制作。其本身具有三維建模能力，但并不是專門為機械方面設計，故采用SolidWorks建模和3d Max制作動畫，以兩個軟件相結合的方式各取所長。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。前者用于教學展示減速器內部運轉以及齒輪嚙合的過程，后者為學生展示整個減速器內部構造，各零部件之間的位置關系還有組裝情況，最后將結果保存成.fbx，用于Unity 3d制作應用軟件。

（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作為教學工具。①導入素材。將之前制作好的三維模型以及相關動畫導入軟件中，Unity 3d很多操作都可以通過簡單的拖拉進行。AR所用的識別圖，需要制作特征識別點，目前主要通過Vuforia官網進行處理，其有專門為Unity 3d設計的圖片處理服務。在網站中上傳需要被識別的圖片，簡單設置參數后，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，對其設置識別對象，設置為插件包中的識別圖。添加ARCamera組件，設置使攝像頭識別圖片，以其作為觸發(fā)顯示模型。添加識別圖對應的三維模型，并調整大小與相對位置。添加操作按鈕，如移動、旋轉、運動拆解等，調整大小，布置在周圍合適位置，結果如圖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#腳本對模型組件進行控制。由于是教學使用，本文添加的按鈕用于展示的前后左右移動、旋轉、放大縮小、運動配合以及爆炸分散這幾種。添加腳本并關聯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，將打包好的APK文件安裝進手機，這便完成了教學設備的制作。

三、應用效果分析

1.《機械設計》教學中的演示。將AR技術引入《機械設計》的課程教學中，實行中采購了一批安卓智能手機，結合課程教學安排制作相應章節(jié)的AR應用軟件，再將軟件安裝入手機中用來展示模型和一些相關信息。在課堂中，教師給學生分發(fā)教學用手機作為AR顯示工具，并分發(fā)帶有本節(jié)教學內容的識別圖，學生利用手機打開軟件識別圖片，之后生成的三維圖片就會在手機的顯示窗口中疊加到真實場景中。結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顯示的還有機構運動的動畫，學生也可以自主觀察自己不明白的細節(jié)部分，如圖5所示。

2.課堂教學應用效果分析。在《機械設計》課程教學中，教師需要講解機械結構的具體細節(jié)、零部件之間的聯接方式以及運動傳遞形式等。這類內容的教學如果單靠圖片，則需要教師具有較好的表達能力，需要學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，由于教師攜帶數量有限，通常由教師在講臺上展示模型，在課間才能供學生傳閱，因此學生無法長時間地仔細觀摩，只能走馬觀花地看一下，教學效果一般。利用虛擬產品進行課堂教學，主要取得了如下效果。

（1）數據內容豐富。通過制作模型動畫，打包成手機軟件。在如今的手機存儲能力下，可以存放大量的數據內容，可以加入同類別機構的多種不同形式。在現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，借此拓展教學的信息容量。

（2）互動操作體驗。形式新穎，能夠吸引學生的注意力。學生可以根據預先設定的按鍵進行一定的互動操作，通過點擊按鍵使機構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，提升學習效果。

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

（4）結論與今后的工作。在《機械設計》這類需要展示空間結構的課程中引入AR技術，將立體的三維模型和平面的二維圖片疊加后呈現。學生通過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模式，提高學生的學習興趣，進而提升教學質量。

今后的工作主要是改善模型建立的精細程度，完善AR互動方面的設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。進一步可嘗試使用在線數據庫的模式，通過網絡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：

[1]申燚，王明強，袁明新，馮振，陳文.虛擬仿真與裝配在機械原理與設計課程群教學中的應用[J].當代教育理論與實踐，2013，（12）：79-81.

[2]Cabrilo I，Bijlenga P，Schaller K.Augmented reality in the surgery of cerebral aneurysms：a technical report [J].Neurosurgery，2014，10 Suppl（2）：252-261.

[3]El Sayed，N.A.M.，Zayed，H.H.，Sharawy，M.I.ARSC：Augmented Reality Student Card [J].Computers & Education，2011，56（4）：1045-1061.

[4]Billinghurst，M.，Kato，H.Collaborative Augmented Reality [J].Communications of the ACM，2002，45（7）：64-70.

[5]胡智標.增強教學效果 拓展學習空間——增強現實技術在教育中的應用研究[J].遠程教育雜志，2014，（02）：106-112.

[6]李曙生，金家楣.三維動畫技術在機械類課程教學中的應用[J].泰州職業(yè)技術學院學報，2003，（2）.