基于增强现实的机械类专业情景教学探索

2020-11-26朱继华王仁宗张素香

无线互联科技 2020年10期

朱继华，王仁宗，张素香

（中原工学院机电学院，河南郑州 450007）

新型冠状病毒感染肺炎疫情对高校的正常课堂教学造成了较大影响，教育部在《关于在疫情防控期间做好普通高等学校在线教学组织与管理工作的指导意见》中指出，在疫情防控期间高校要加强实施保障在线教学，实现“停课不停教、停课不停学”。充分利用在线教学资源，采用网络授课学习等教学方式，不但是疫情防控期间保障教学质量和教学进度的重要手段，也是长期以来高校课堂教学改革的重要研究方向。

自2016年以来，虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术和增强现实（Augmented Reality，AR）技术的研究逐渐广泛开展，并在信息技术领域带动了大变革的热潮。沉浸式的体验对提升学生的学习认知能力有明显的效果，所以利用VR和AR技术进行计算机辅助教学的课堂教学改革研究也成了大势所趋。而VR技术和AR技术具体哪种技术更适合机械类专业情景教学的提升是值得探讨的问题，文章拟对VR技术和AR技术进行探索，分析两种技术的应用、优势和存在的问题，总结出AR技术在机械类专业课堂情景教学中的推广优势。

1 虚拟现实和增强现实的定义和区别

1.1 虚拟现实技术

VR技术是利用计算机传感技术、多媒体技术、仿真技术来架构沉浸式交互环境，在特定范围内生成仿真的视觉、听觉甚至触觉一体化的虚拟环境。师生采用必要的设备，与虚拟对象进行交互而相互影响，从而产生身临其境的感受和体验[1]。

虚拟现实是未来科技发展的方向之一，可以让用户增强空间的体验感，目前在硬件设计开发、软件设计开发、资源设计开发和资源运营平台方面都有一定的发展[1]。虚拟现实技术具有3大特性，即交互性、沉浸性、构想性。

1.2 增强现实技术

AR技术是虚拟现实技术的延伸，通过计算机的显示、交互和网络的跟踪、定位等技术，将虚拟信息附加到真实场景中。通过对现实事物的信息叠加，使师生在视觉、听觉甚至触觉等方面增强对现实世界的了解和体验[2]。

增强现实目前已经开始运用的领域包括教育、旅游业、电玩业、零售业、医疗等方面，甚至在工业、军事等领域也开始崭露头角。增强现实技术具有3大特点，即实时交互、虚实结合和三维配准[3]。

1.3 虚拟现实技术、增强现实技术的区别

虚拟现实技术打造的是“虚拟世界”，用户使用虚拟现实设备探索纯粹的虚拟空间，以体验沉浸感，体现的是纯虚拟数字画面。

增强现实技术是“现实世界”的一种补充，用户使用增强现实设备呈现的虚拟信息去探索现实世界，具有极强的信息补充功能，是虚拟数字界面与裸眼现实相融合[1]。

2 增强现实比虚拟现实在课堂情景教学上更具备优势

虚拟现实技术和增强现实技术已经成为现代教育技术发展新的飞跃。利用新技术构建出生动、逼真的学习环境，使学生通过沉浸式的真实感受来增强记忆，提高认知，更容易激发学生的学习兴趣，提高学习效果，有利于对学生核心素养的培养。

虽然虚拟现实技术和增强现实技术都已经在现代教育中逐渐普及推广，但增强现实技术相对于虚拟现实技术在一定的范围内具有更大的优势。

2.1 无需昂贵的专业设备，利用移动终端设备即可实现

虚拟现实技术的成果展示需要较为专业的设备，仅在计算机显示器上呈现出相关仿真界面并不能称之为虚拟现实，因为失去了沉浸式体验的仿真技术。虚拟现实技术的展示设备基本上都是以VR头盔或3D眼镜作为核心部件，目前作为主流的Oculus Rift或者HTC VIVE动辄数千，再加上PC设备，基本每套近万元。

增强现实技术不仅是通过3D眼镜等设备来呈现，还可以通过手持式移动设备与APP软件相结合来实现。例如通过识别二维码或者手机摄像头扫描图书的图片，在手机屏幕上呈现献出3D演示效果。通过逼真的增强现实特效，学习过程具有体验感、沉浸感、真实感。

所以，利用增强现实技术作为情景教学的主要手段可以降低教学设备成本，更便于教学效果的实现。

2.2 更具现实感，把用户体验带入真实世界

增强现实技术可以让用户扩展真实世界，直接体验裸眼现实中看不见的虚拟物体或信息。传统的虚拟现实技术可以为用户创造另一个虚幻的世界，使其沉浸其中；而增强现实技术则是把计算机数据带入到用户的真实世界中，与现实场景、物体相结合，通过相关数据、模型等信息提示，能让用户在认知的过程中更加直观而亲切。

3 机械类专业课堂教学的增强现实应用探索

3.1 机械类专业课堂教学的难点

机械类专业是工科院校的重要学科基础，具有较强的理论性和实践性。由于该类课程理论性较强，内容较多，在学习过程中较枯燥，采用传统的板书或者多媒体的授课模式，难以提起学生的学习兴趣；机械类专业的基础课程涵盖“机械原理”“机械设计”“机械制造技术”等，具有实践性强、灵活性较大的特点，尤其在实验实践方面有很高的要求。

通过增强现实技术，能够很好地提高学生的学习主动性、学习兴趣，而且在实践教学方面更有独到之处。例如，教师可以让学生在学习的过程中，把课程中实践性较强的教学内容，利用增强现实技术进行模拟，让学生深入体会，使机械类专业的学习过程更为直观而高效。

3.2 增强现实技术在机械类课堂情景教学中的推广优势

3.2.1 突破时间与空间的限制，提高教学效率

通过增强现实技术，可以利用网络进行线上教学，也可以编译成软件传播使用，教学活动就不仅局限于课堂，而是可以突破时间和空间的限制，采用体验式、自主式、个性化的方式来组织教学，可以因材施教，使学习内容变得更加形象而便于理解。而增强现实技术所特有的体验感更容易提高学生的学习兴趣，帮助学生理解和掌握抽象的概念[4]。

3.2.2 改善教学条件的不足，提高实验效率

机械类课堂教学离不开各种机械设备的实践实验，学生通过主动而直观的操作可以大大提高实践能力，所以机械类专业在学生培养方面一向都重视实验室的建设和教学。但是实验仪器设备高昂的成本、场地的限制、时间的冲突等都有可能无法达到预想的实验效果。

利用增强现实技术实现的虚拟仿真实验，不但降低了实验仪器设备采购、耗材的成本，而且突破了实验场地和时间的限制。利用随时随处都能实现的增强现实仿真实验，可以让学生自主设计思路，进行主动探究实验，从而提高学习的趣味性和认知度。

3.2.3 避免现实实验中的事故

机械类专业教学体系中不可避免地有很多教学实验，然而部分实验存在一定的安全隐患，如危险性实验、破坏性实验、无法控制反应过程的实验等。为了保证教学的安全性，传统的教学试验中可能会忽略，通过增强现实技术可以把这类危险实验安全、直观地展示出来，以提高学生的认知，让学生对学习有了进一步的了解[4]。