谈增强现实技术在工程实践教学中的应用

周秀梅，杨伟

（三峡大学大学生素质教育中心，湖北 宜昌）

一 引言

目前绝大部分高校的工程训练课程采用传统的教学方式，对于一些枯燥的知识展示效果不佳，不够形象，学生较难理解。虚拟仿真实验教学是实验教学建设的重要内容[1]。很多高校专门成立了虚拟仿真实验教学中心，以便提供更具展示性的实验教学资源，使学生更生动直观地学到相关实验知识，使学生的实践能力得到更大的提高。

现有的虚拟仿真实验平台有很多，有很多专业的仿真软件，比如电子仿真protuse、数学软件MATLAB、虚拟仪器软件LABVIEW等[2]。但这些专业软件更多的是功能方面的仿真，生动性不高，直观性也不好。近几年兴起的虚拟现实、增强现实、混合现实的生动性、真观性则非常好，可用三维的方式将传统的教学过程展示出来。因此这三种技术在教育行业的应用被很多学者专家及科技开发人员看好，近几年也出现了这三种技术在教育行业的应用实例，但在工程训练课程中的应用较少，目前做的比较好的只有增强现实在车削加工的应用。为此笔者通过比较虚拟现实、增强现实、混合现实的优缺点，提出应用于工程训练的三维仿真设计，以便提高教学的效率，提升学生学习的积极性。

二 虚拟现实的概述与应用前景

虚拟现实技术又称为灵镜技术，简称AR技术，其实就是一种计算机高级人机界面，它的主要特征就是多感知性、沉浸感、交互性、构想性[3]。这种界面以多维的形式呈现，模拟人的视觉、听觉、触觉等感官功能，是一种沉浸式、交互式的多维信息体验。它依靠三维图形生成技术、多传感器交互技术，生成具有超越现实的三维逼真的虚拟环境。虚拟现实技术应用非常广泛，开始的时候用于军事和航空航天领域，现在游戏、教育、工业、设计、娱乐、医疗、电力等方面都有很多应用。虚拟现实的主要显示设备包含VR眼镜、三维投影仪、VR头盔等，它的交互外设包括数据手套、语音识别设备、三维鼠标、运动跟踪器等。

虚拟现实最大的优点是给人的画面感特别好，给人一个非常好的沉浸感，但这是依托于它后面有强大的运算能力的电脑，因此对硬件要求也非常高，所以它的设备一般也比较重，同时这个沉浸感虽然一直是我们想要的，也是非常好的优点，但沉浸感也分场合，有些场合非常需要沉浸感，比如我们看小说、看电影、打游戏等场合，这种场合中我们希望全身心地投入进去。但像实践教育这种场合，需要和现实环境进行有效交互时，虚拟现实技术的沉浸感就反而成了缺点了，太过强大的沉浸感，反而相当于把现实世界给隔离了[4]。

三 增强现实的概述与应用前景

增强现实技术又称扩展现实技术，简称AR，它实时地根据摄像机的位置及角度显示相应图像、视频、3D模型，它将虚拟世界信息与真实世界信息无缝集成，在现实世界中叠加虚拟的信息并进行互动，现实世界信息和虚拟世界信息实时地在同一画面或空间中存在，达到超越现实的视听体验。近年来增强现实技术日益成熟，在很多场景中都有使用，比如游戏、建筑、室内设计、医学、购物、企业培训、教育等[5]。

在教育方面，已经出现了很多可应用的增强现实软件，JigSpace就是一款基于苹果 ARKit工具开发的增强现实软件工具。使用JigSpace可以用移动设备在桌子上体验物体的虚拟3D模型，并可以通过虚拟3D模型展示物体的内部构造，通过交互式输入设备，可以把虚拟3D模型和物体一步步拆分，达到超越现实的感受[6]。

在工程实践训练中哈尔滨工业大学正在进行虚实结合让工程训练走向智能化的研究，只要通过手机扫描，学生就可以知晓这个设备背后的“秘密”，包括使用方法、设备参数等。这种基于CPS（信息物理系统）的思想让设备活了起来，也给学生提供了一个自主认知设备的机会和条件[7]。采用了“实-虚”结合的教学理念，梳理出了虚辅、实操和创新的学生实践能力培养的主线。但增强现实技术在工程实践教学的应用范围远不止这些。如设备拆装就可以用增强现实虚拟出很多现实实训中不方便提供实物的设备，住宅布线中可以用增强现实虚拟出家庭的布线场景，让学生有更深的体会。

四 混合现实的概述与应用前景

混合现实技术简称MR，混合现实技术的定义并不明确，有多种定义，其中微软的定义认可度较高，既混合现实是基于增强现实之上，虚拟的世界还是放在真实世界内，但是虚拟世界要真的能和这些现实物体交互[8]。

混合现实对硬件要求非常高，因此成本非常贵，混合现实技术虽然很早就提出了，但发展比较缓慢，现在可以应用的产品并不多，现在做得最好的是微软的Hololens，已经开始尝试商用了，像Magic Leap现在仅仅停留在实验室阶段[9]。混合现实技术应用前景主要在推广营销、设计行业、家装行业、教育行业、直播行业等。

五 虚拟现实、增强现实、混合现实的区别

其实人类最终需要裸眼看到叠加在真实世界中的全新多维虚拟画面，这才是将来的趋势，就是所谓的全息投影，现在所有的眼镜式的3D技术，全部都是人类在过渡到全息投影之间的一个过渡技术[10]。现在全息投影技术也有很大突破，在一些大型舞台中已经开始使用了，但成本非常高，画面也比较单一，场景限制也比较多。因此暂时还是虚拟现实、增强现实、混合现实的应用更多一些。

虚拟现实技术其实是呈现一个虚拟的世界，画面感特别强，可以简单进行交互，基本上你带上眼镜或头盔的那一刻起，我们就基本和现实世界切断了。增强现实技术是把虚拟的画面简单叠加在现实世界之上，画面上并没有和现实世界交互，而且画面感特别差。混合现实技术实际上是虚拟现实技术与增强现实技术的叠加，他有虚拟现实技术的超强画面感，同时超强的画面又是融合在现实世界中的，而且与增强现实技术不同的是，不是简单叠加在现实世界之上，而是和现实世界有相互交融[11]。

虚拟现实技术和增强现实技术对设备要求不高，因此成本不高，生产的产品主要面向C端，也是现阶段发展得比较好的。混合现实技术则对设备要求非常高，因此成本很高，生产的产品主要面向B端，也是现阶段发展得比较慢的，不过随着5G技术的应用，混合现实技术的部分运算将可以转向云端，可以降低混合现实产品的成本[12]。

由于虚拟现实技术完全独立于现实世界之外，相比较于增强现实技术和混合现实技术而言，增强现实技术和混合现实技术显得更适合在工程实践类教育中应用，同时由于现阶段混合现实还基本处于研究阶段，尚不具备大面积使用和推广的条件，因此笔者觉得现阶段增强现实技术最适合用于在工程实践类教育中应用。

六 增强现实技术在工程实践类教育中应用展望

根据增强现实技术的诸多优点，笔者对增强现实技术在工程实践类教育中的应用作了如下展望。

（一） 增强现实技术在实验室安全教育中的应用

增强现实在火灾防范及逃生、地震逃生等不便进行实践训练的安全教育课程中可以广泛使用，比如火灾防范及逃生教育中，当增强现实设备扫到什么设备就可以提示相关信息，告知你这个设备有可能的误操作会发生火灾，要怎么防范。同时还能虚拟发生火灾，指导怎么处理，如果处理不当，还将教你怎么逃生，一步一步地可视化演示。同时还可以制作些配套的教具。

（二） 增强现实技术在工业机器人教学中的应用

现有的工业机器人教学在实践教学中无法避免存在一些问题，比如说：工业机器人范围广泛，价格昂贵，采购许多种类的工业机器人显然不可能[13]；工业机器人配备的有些外围设备，例如传送带、焊机等，可能会因为误操作伤害到学生。增强现实技术则很好解决这些问题，增强现实可以虚拟出很多工业机器人，这样省去了很多成本，同时增强现实技术可以在学生实操一些有危险的工业机器人设备时，在现实的基础上叠加显示危险提醒，并给出正确操作方法。

（三） 增强现实技术在电力仿真培训中的应用

在电力仿真中，增强现实技术可以给输电线路带电作业做仿真培训，培养学员的安全生产意识，增强现实技术还可以在高空巡线中模拟巡视业务，主要包括高空走线、高空坠落等，增强现实技术在电力行业的设备认知培训中，也能起到很好作用，实现对设备外形、结构、功能的学习，增强现实技术还可以提供远程专家支持，通过专家的远程协助解决现场难题[14]。

（四） 增强现实技术在设备拆装中的应用

工程实践教学很大的一块就是要对各种设备的认知，其实设备拆装就是很好的一个认知过程，实际设备比较贵重，把每一种设备都拿来拆装显然不现实，增强现实技术就可以虚拟出各种设备，在虚拟环境中进行设备拆装。在实际设备中进行拆装的时候，增强现实技术还可以在每完成一个动作后，提示下一个动作，防止设备被不正确的拆装方法损坏。

（五） 增强现实技术在铣销加工的应用

铣床加工与车销加工，基本是每个工程训练必须的工种，也是整个工程训练中最花教学人力成本的工种，因为这两个工种的机器太危险了，稍有不慎就会造成事故，但同学们初生牛犊不怕虎，在学习时总有人不严格遵守安全操作规则，或者有的同学，总是忘了安全操作规则，增强现实技术就可以很好解决这个问题，增强现实可以在开始操作前，演示操作方法，醒目提醒安全操作规则，展示不按要求操作发生的事故，同时在实际操作时如果违反了操作规程，也会醒目实时提醒[15]。

（六） 增强现实技术在住宅布线训练中的应用

住宅布线训练是近年来新兴的一个工程训练项目，这个项目可以让学生很好认识到家里的走线是怎么样的情况，让同学可以解决家里一些用电的突发状况。但这个项目其实非常危险，因为在训练中要验证布线设计及连接的对错，就要上电实验，要是不小心发生触电现象的话，触电者将会出现生命危险。增强现实技术则能很好解决这个问题，它可以在学生做每个动作的时候指导学生，防止学生发生错误操作。甚至把看不到的电流情况展现在眼镜中，使同学不仅学会布线，还得很好了解到其内部的运转情况。

七 增强现实技术在工程实践类教育中推广设想

增强现实技术虽然有很多优点，注定着它将在工程教育中有着不平凡的境遇，但任何技术想要快速发展，迅速出现在大众视野中，都需要一定的推广。增强现实技术在工程实践类教育中想要得到更多的师生认可，也需要一定的推广。增强现实技术在工程实践教育中的推广需要老师、同学们、AR眼镜开发公司、学校等各方的集体努力。本文对增强现实技术在工程实践教育中的应用推广做了如下几个设想。

1.建立一个开源的增强现实技术用于教育的网络社区，大家可以在这个网络社区分享自己的作品、素材。也可以在社区获取别人的素材，这样可以避免大家花大量时间做重复的素材，大大加快课程开发时间。同时可取长补短，更好更快地提高大家在增强现实课程设计中的水平。

2.对增强现实技术需要的相关技术的专业的同学设立与增强现实相关的课程设计类的大实验，使同学们能将自己的所学用来加快增强现实技术的发展，同时可以在学校里鼓励创立增强现实技术类的社团。

3.学校鼓励老师使用增强现实技术设计出更多更有互动性的课程，鼓励老师花更多的时间，设计更多增强现实场景，在更多的课程中应用增强现实技术。鼓励老师参加各类增强现实技术的课程比赛，将其作为教学研究的一部分。

4.AR眼镜开发公司开发更多的开源平台，让更多人可以免费使用这个技术用于非商业场合，加快这项技术的普及。

八 结语

在增强现实技术快速发展的背景下，增强现实已经被越来越多用于教育行业，经过老师、同学们、AR眼镜开发公司、学校等各方的集体努力，相信在未来也会越来越多用于工程实践教学。未来增强现实技术将结合人工智能，可以更多发挥增强现实技术的优点，同时随着云计算的发展，增强现实技术会更快地向混合现实技术发展，甚至很快地发展全息投影。