華雯婷 張賽 王成琳

摘 要：土木工程專業(yè)因其具有理論性與實(shí)踐性并重的特點(diǎn)，僅依靠傳統(tǒng)教學(xué)方式無法滿足現(xiàn)代化人才培養(yǎng)的需要。文章介紹了“AR助學(xué)”App，這種基于AR技術(shù)的可視化自主學(xué)習(xí)平臺具有直觀式、沉浸式、交互式的特點(diǎn)，有助于解決學(xué)生理論知識理解困難、實(shí)踐機(jī)會不足的問題，有助于培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新能力，提高工程實(shí)踐能力，有助于提升高校信息化教學(xué)水平。AR技術(shù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用是對傳統(tǒng)教學(xué)模式的巨大改進(jìn)。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí);可視化;教學(xué)平臺

0 引言

隨著科技經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，社會對高等教育提出了更高的要求，應(yīng)用型本科人才不僅要具有扎實(shí)的理論基礎(chǔ)、過硬的專業(yè)技能，還要求具有一定的組織協(xié)調(diào)能力，具備科學(xué)實(shí)踐創(chuàng)新能力。本科教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)方式將直接影響高校人才的培養(yǎng)質(zhì)量。隨著近年來新課程改革的持續(xù)推進(jìn)，互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)、人工智能、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)及3D打印等現(xiàn)代科技深刻影響和改變著當(dāng)下的教育和學(xué)習(xí)方式。此外，智能手機(jī)的廣泛使用，使得現(xiàn)代信息技術(shù)融入課堂成為現(xiàn)實(shí)。其中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新的信息技術(shù)手段，越來越多地被應(yīng)用于教學(xué)。國外學(xué)者在情境設(shè)計、教學(xué)實(shí)驗(yàn)、課外研究活動等教學(xué)中，利用AR技術(shù)進(jìn)行模擬教學(xué)。克罩斯托弗·德迪教授提出了基于“增強(qiáng)的現(xiàn)實(shí)”的新課程模式，他認(rèn)為在創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境方面，由于注重學(xué)生對學(xué)習(xí)活動的參與，可利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)對學(xué)習(xí)情境進(jìn)行模擬，達(dá)到促進(jìn)學(xué)習(xí)的目的^[1]。還有學(xué)者認(rèn)為，使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可將復(fù)雜的教學(xué)內(nèi)容簡單、直觀地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，并可拉近師生間的距離，實(shí)現(xiàn)師生間的互動，調(diào)動學(xué)生積極性。

1 AR技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality，AR）是利用計算機(jī)技術(shù)，將虛擬物體和真實(shí)環(huán)境實(shí)時疊加在一個空間或畫面中。軟、硬件系統(tǒng)的相互協(xié)調(diào)使虛擬物體和真實(shí)環(huán)境進(jìn)行三維的實(shí)時交互，使虛擬物體在用戶感官上成為真實(shí)環(huán)境的一部分。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以增強(qiáng)用戶的感知能力和交互能力，為學(xué)生提供直觀的學(xué)習(xí)情境，增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，為培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力奠定基礎(chǔ)。這種學(xué)習(xí)形式，可以讓學(xué)生在最接近真實(shí)交互的形式下搭建自主學(xué)習(xí)的環(huán)境，創(chuàng)造學(xué)習(xí)環(huán)境的體驗(yàn)感和沉浸感，以此促進(jìn)學(xué)生對知識的構(gòu)建，這對土木工程專業(yè)中較抽象教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)具有重要的作用^[2]。

2 基于AR技術(shù)的可視化自主學(xué)習(xí)平臺設(shè)計

2.1 AR在土木工程課程中應(yīng)用的思路

AR技術(shù)在土木工程專業(yè)中的教學(xué)應(yīng)用，應(yīng)結(jié)合應(yīng)用型人才培養(yǎng)目標(biāo)和行業(yè)崗位的需要，開發(fā)出具有一定規(guī)模和體系的AR教學(xué)課程、教學(xué)資源以及虛擬仿真教學(xué)平臺。開發(fā)教學(xué)體系的手機(jī)應(yīng)用程序，配合智能手機(jī)，搭建針對專業(yè)教學(xué)課程體系的可視化自主學(xué)習(xí)平臺。

根據(jù)土木工程專業(yè)課程設(shè)置，AR技術(shù)可以針對以下3個大類進(jìn)行應(yīng)用研究：

（1）設(shè)計類課程。如“工程制圖”“房屋建筑學(xué)”等課程，主要利用AR技術(shù)的沉浸性，讓學(xué)生切身感受布局和設(shè)計的合理性。

（2）理論類課程。如“理論力學(xué)”“材料力學(xué)”“結(jié)構(gòu)力學(xué)”等課程，將構(gòu)件內(nèi)部的受力情況進(jìn)行可視化處理，使理論知識直觀化。

（3）操作類課程。如各類實(shí)驗(yàn)、實(shí)訓(xùn)、實(shí)踐課程，基于AR平臺，虛擬出全過程操作，使學(xué)生不到現(xiàn)場也能體驗(yàn)實(shí)踐過程，并完成操作。

2.2 基于AR技術(shù)的可視化自主學(xué)習(xí)平臺研究內(nèi)容

青島理工大學(xué)琴島學(xué)院土木工程專業(yè)分設(shè)房屋建筑與道路橋梁兩個專業(yè)。本研究中，可視化自主學(xué)習(xí)平臺是基于土木工程道路橋梁方向，理論分組選修課程“交通工程”建立的。本課程主要介紹道路交通系統(tǒng)中人、車、路、環(huán)境的綜合知識，通過對交通流運(yùn)行機(jī)理、交通工程技術(shù)的闡述，使學(xué)生理解道路等設(shè)施的建設(shè)過程對道路使用的重要影響，為后期道路橋梁工程建設(shè)相關(guān)課程奠定基礎(chǔ)^[3]。

本課程具有綜合性、開放性、空間性、動態(tài)性等特點(diǎn)，雖然教學(xué)內(nèi)容與學(xué)生的日常生活關(guān)系密切，但其中多數(shù)理論觀點(diǎn)，如跟馳理論、流體力學(xué)模擬理論，若僅利用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，通過文字和圖片詮釋，不利于學(xué)生直觀理解。此外，對于交通流參數(shù)、車輛等相關(guān)技術(shù)參數(shù)名詞，若只依靠教師單獨(dú)講解，會導(dǎo)致課程內(nèi)容枯燥，不能提高學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，不利于知識的認(rèn)知，難以達(dá)到使土木工程專業(yè)學(xué)生對本課程建立宏觀認(rèn)識的教學(xué)目的。且學(xué)生若一味單純被動接收知識，只注重知識的生成和記憶，忽略了直觀、形象化的學(xué)習(xí)過程，不利于培養(yǎng)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力和空間思維能力。

基于此，本文以Android手機(jī)為載體，根據(jù)教材中的知識點(diǎn)，結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，搭建一款針對本課程教學(xué)內(nèi)容的可視化自主學(xué)習(xí)平臺。平臺以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的方式，將虛擬的信息擴(kuò)充在現(xiàn)實(shí)空間中，即由計算機(jī)程序與手機(jī)攝像機(jī)的辨識技術(shù)相結(jié)合，使設(shè)定對象置于攝像頭內(nèi)，屏幕即會出現(xiàn)對應(yīng)的虛擬對象。

2.3 可視化自主學(xué)習(xí)平臺的教學(xué)效果

2.3.1 提供具有沉浸感、交互性的教學(xué)環(huán)境

可視化自主學(xué)習(xí)平臺可通過智能手機(jī)掃描課本中的關(guān)鍵字或圖片，360°展現(xiàn)相關(guān)實(shí)景圖像，讓學(xué)生置身其中，深層次地理解問題。

2.3.2 激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)自主學(xué)習(xí)能力

將AR技術(shù)應(yīng)用在教學(xué)中能增加學(xué)習(xí)過程的趣味性，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生自主學(xué)習(xí)，有利于學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)。

2.3.3 優(yōu)化學(xué)習(xí)環(huán)境，提高學(xué)習(xí)效率

將AR技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)，使傳統(tǒng)以被動接收知識傳遞、間接獲取學(xué)習(xí)經(jīng)驗(yàn)的學(xué)習(xí)方式，向以學(xué)生為主體的主動學(xué)習(xí)過程轉(zhuǎn)化，體現(xiàn)了讓學(xué)生參與課堂、讓學(xué)生主導(dǎo)課堂的教學(xué)改革思想。此外，在這種高度模擬的環(huán)境中學(xué)習(xí)知識，會使學(xué)生加深對知識的記憶，從而提高學(xué)習(xí)效率。

3 應(yīng)用實(shí)例

3.1 “AR助學(xué)”手機(jī)App概述

本文以“AR助學(xué)”手機(jī)App為例，進(jìn)一步探究AR技術(shù)與課程自主學(xué)習(xí)的深度融合?！癆R助學(xué)”應(yīng)用AR技術(shù)，將虛擬模型與現(xiàn)實(shí)場景進(jìn)行疊加，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)和虛擬結(jié)合的直觀效果。該應(yīng)用程序由兩大模塊組成：AR識圖和知識介紹。

本應(yīng)用程序以Android智能手機(jī)為載體，利用智能手機(jī)攝像頭獲取平面影像或關(guān)鍵字，借助AR技術(shù)，通過疊加真實(shí)的三維立體虛擬影像，在手機(jī)屏幕上顯示特殊效果。利用Android系統(tǒng)對智能手機(jī)方向傳感器的調(diào)用，可呈現(xiàn)360°的AR實(shí)景圖像。通過拖動、旋轉(zhuǎn)等操作，使所成三維影像實(shí)現(xiàn)空間上的位置變換，從而可以從空間各個角度對影像進(jìn)行觀察，使學(xué)生身臨其境地操作和感受?！癆R助學(xué)”也可針對個別知識點(diǎn)進(jìn)行深入講解，點(diǎn)擊與知識點(diǎn)有關(guān)的鏈接，即可出現(xiàn)詳細(xì)的文字及語音信息^[4]。

3.2 “AR助學(xué)”手機(jī)App應(yīng)用

以車輛技術(shù)參數(shù)為例，通過“AR助手”，可以直觀了解各尺寸參數(shù)所代表的含義，展現(xiàn)學(xué)習(xí)過程的趣味性。

首先，在智能手機(jī)設(shè)備中打開“AR助手”，點(diǎn)擊“AR識圖”并利用攝像頭識別教材中的車輛圖片，手機(jī)即呈現(xiàn)虛擬三維車輛的空間圖像，學(xué)生可轉(zhuǎn)動、放大或縮小車輛進(jìn)行觀看，對車輛的技術(shù)參數(shù)進(jìn)行學(xué)習(xí)記憶。教師可以引導(dǎo)學(xué)生，通過調(diào)用手機(jī)方向傳感器，找出各尺寸參數(shù)所表征的位置，將理論概念具象化，加深學(xué)生的印象?！癆R助手”可對尺寸參數(shù)進(jìn)行逐一介紹。以軸距概念為例，應(yīng)用程序可通過旋轉(zhuǎn)模型呈現(xiàn)如固定軸距、轉(zhuǎn)向架軸距、全軸距的具體位置，并深入講解與軸距相關(guān)的概念，有播放需要的還可點(diǎn)擊播放按鈕進(jìn)行3D動畫演示。

4 結(jié)語

基于AR的可視化自主平臺是將傳統(tǒng)教學(xué)、多媒體教學(xué)與現(xiàn)代化信息技術(shù)有效結(jié)合的一種全新教育模式。利用AR技術(shù)，最大限度地保留教學(xué)過程中的互動與自主學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，調(diào)動學(xué)生的積極性，使學(xué)習(xí)過程變得生動有趣，達(dá)到最佳的教學(xué)效果。還能在降低教學(xué)實(shí)驗(yàn)投入成本的同時，保留學(xué)生參與實(shí)踐的真實(shí)感受，是應(yīng)用型人才培養(yǎng)中一種理想的教學(xué)方式。

基金項(xiàng)目：2020年山東省高等教育研究項(xiàng)目;項(xiàng)目名稱：“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下可視化自主學(xué)習(xí)平臺在土木工程專業(yè)課程中的應(yīng)用研究;項(xiàng)目編號：20HER018。

作者簡介：華雯婷（1985—?），女，山東青島人，副教授，碩士;研究方向：交通工程專業(yè)教學(xué)。

[參考文獻(xiàn)]

[1]廖平，向敏，謝兆平.應(yīng)用型本科土木工程專業(yè)課程的教學(xué)改革探究[J].創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)理論研究與實(shí)踐，2020（22）：60-62.

[2]方燾，薛凱喜.以創(chuàng)新能力為核心的土木工程實(shí)踐教學(xué)方法與平臺改革探索[J].高教學(xué)刊，2019（21）：41-46.

[3]王濤.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在教學(xué)中的應(yīng)用及范例設(shè)計[D].大連：遼寧師范大學(xué)，2017.

[4]王鵬，李志強(qiáng)，李彩紅，等.VR技術(shù)在土木工程教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].黑龍江生態(tài)工程職業(yè)學(xué)院學(xué)報，2020（6）：126-137.

（編輯?王雪芬）

Research on the application of visualized autonomous learning platform based on AR

Hua Wenting， Zhang Sai， Wang Chenglin

（Qingdao Technological University Qindao College， Qingdao 266106， China）

Abstract：The specialty of civil engineering cannot meet the needs of modern personnel training only by traditional teaching methods because of its characteristics of emphasizing both theory and practice. This paper introduces the?“AR Learning Aid”?App. This visualized autonomous learning platform based on AR technology has the characteristics of intuitionistic， immersive and interactive. This procedure is helpful to solve the problem that students have difficulty in understanding theoretical knowledge and lack of opportunities in practice. It is helpful to cultivate students?innovative ability and improve their engineering practice ability， and it helps to improve the level of information-based teaching in colleges and universities. The application of AR technology in college teaching is a great improvement for the traditional teaching mode.

Key words：augmented reality; visualized; teaching platform