AR技术在机械制图课程教学上的应用

李琳　石峰　董楠楠

摘要：目前，各高校的教学模式仍为传统的单一教学模式，为提升教学水平，提高教学质量，将虚拟现实技术和增强现实技术应用到教学中，是目前改变传统教学模式的一种方法。论文以《机械制图》课程为例，使用HoloLens虚拟智能眼镜，探究将增强现实技术应用到该课程上的优势，以及该课程的AR辅助教学系统的研发和应用。

关键词：增强现实;机械制图;HoloLens;虚拟现实;教育应用

中图分类号：G642        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）04-0213-02

Abstract： At present， the teaching method of university is still the traditional single teaching method. In order to improve the teaching level and teaching quality， virtual reality technology and augmented reality technology are applied to teaching， which is a way to change the traditional teaching method. Taking Mechanical Drawing course as an example， this paper uses Hololens virtual goggles to explore the advantages of applying augmented reality technology to this course， as well as the development and application of AR assistant instructional system of this course.

Key words： augmented reality; mechanical drawing; hololens; virtual reality; education application

1 引言

《機械制图》是各院校工科专业的一门非常重要的专业基础课。其教学目标是培养学生具有一定的识图、读图和制图能力，并培养学生使其具有一定的空间想象能力[1]。但在传统教学模式下，由于教学模式单一、教学内容与实际联系脱节以及课程设置不合理等原因，使得部分学生对平面上的三维零件图，很难想象出其三视图的效果。进而逐渐使学生对该课程产生抵触心理，而达不到良好的教学效果。但随着虚拟现实技术的不断蓬勃发展，将AR技术应用到《机械制图》的课程中，学生将从被动转向主动，通过增强学生对学习内容的感知和认知途径，调动学生的学习积极性，进而达到更好的教学效果。

2 增强现实（AR）技术

增强现实（AR的英文全称为Augmented Reality）是一种将真实的现实世界与虚拟环境中的信息巧妙融合的技术[2]。该技术广泛运用了多媒体、三维建模、实时跟踪及注册、智能交互、传感等多种技术手段，将由计算机制作出来的三维模型、虚拟场景以及音乐、文字、视频等信息应用到真实世界中[3]，使人们能都在现实环境中与虚拟的各种场景信息进行观摩或互动，进而达到真实世界“增强”的目的。

增强现实技术主要有三个特点，分别是三维注册、虚拟现实融合显示以及人机交互[4]。其中三维注册是指，为了让虚拟环境中的各个虚拟物体能够与周围的真实环境完美融合，且不会让体验者在AR环境中产生异物感或冲突感，而对虚拟物体和真实环境的三维空间位置坐标进行的精准匹配。正是由于增强现实技术的这三个主要特点，为现代教育领域增添了新的教学方式，使那些晦涩难懂或者需要较强空间想象能力的学习内容有了一个全新的展示方式，也为学习者搭建了更具有探索性的学习平台，为未来的教学领域开拓了更广阔的空间。

3 AR技术应用于机械制图课程的优势分析

3.1教学模式多样化，开阔学生视野

在传统的《机械制图》课堂教学模式下，学生通过教师单向的进行教学内容的传递，学生也只能被动的通过听取课堂教学内容，根据自己的空间想象能力对机械零件结构进行绘制主视图、俯视图、左视图以及剖面图。将AR技术应用到课堂教学中，学生可以在课堂上更直观地看到机械结构，充分理解机械结构在图纸上的展现形式，一方面使课堂教学活动变得更加活跃不再如传统教学那般的单一、枯燥。另一方面，让学生能够更多地接触新设备，新技术，感受科学技术的飞速发展，进而开阔了学生的视野。

3.2虚实结合，提高学生空间想象能力

不同于VR技术的纯虚拟环境下展示，AR技术可以借用AR设备，将虚拟模型与真实环境相结合并反映在同一个空间中。而且对于《机械制图》课程中一些较为复杂的机械零件，学生是需要具有一定的空间想象能力才能画出其三视图。而通过AR技术，机械零件会以更为直观的形式呈现在学生面前，学生可以直接360°的观察模型，充分理解机械零件在图纸上的表达方式，帮助学生理解对三视图画法原理，进而激发学生的空间想象能力。

3.3交互设计，提升学生学习兴趣

在课堂教学中，使用图片展示，视频播放或者增加与学生之间的互动，可以在一定程度上激发学生的学习兴趣并调动学生的学习积极性。而在《机械制图》课堂教学中，学生可以通过AR虚拟场景与零件模型进行环绕走动观察和点击模型的互动交互，使书本上静态的知识，变得可以互动选择、可以接触甚至可以近距离观察。这样的互动交互将极大地激发学生的学习兴趣，同时也为学生创造更多的探索式学习机会，增加教师与学生之间的交流互通，活跃课堂氛围。

4 AR辅助教学系统的设计与研发

4.1系统研发工具的选择

该系统采用微软公司设计开发的虚拟智能眼镜产品——HoloLens，并采用的是第一代设备产品。该设备采用Windows10系统，拥有先进的传感器、高清晰度3D光学透镜显示器和环绕音效，允许用户在虚拟场景中通过凝视（Gaze Input）、语音输入（Voice Input）和手势（Gesture）与虚拟场景进行交互[5]，图1简要列举HoloLens的一些硬件细节。在HoloLens设备中，是通过创建一种称为全息图（Hologram）的包含光线和声音的物体，在真实环境中进行展示和交互。使用者可通过手势或者语音对Hologram进行互动，在与用户互动的同时，Hologram同样能够与真实世界的表面产生互动。

全息图在现实环境中有两种处理方式。一种处理方式是放置。使用者可以将创建出来的虚拟物体非常准确的放置在现实环境中的某个位置，并且可以360°觀察它且虚拟物体在现实环境中不会出现抖动或者消失的现象。另一种处理方式是跟随。开发者可以将虚拟物体的位置设置在相对用户的某个位置。即，使用者无论位置发生怎样的变换，虚拟物体都会跟随使用者，且相对位置不发生改变。

4.2自主选择观察模型功能实现

对模型添加自主选择功能，可增加系统操作的灵活性。HoloLens设备可通过添加手势功能实现对模型的选择交互功能。HoloLens设备的手势功能分为低级别的收视数据访问和高级别手势识别。该系统采用高级别手势识别中的tap（单击）功能。

在Unity中添加创建好的机械零件模型，对Unity环境进行场景设置和工程设置。创建Gesture Recognizer后制定需要捕捉的手势类型，该程序设置手势类型为单击，图2为零件模型的手势识别效果图。添加捕捉的单击手势后的处理程序，设定为选择目标模型后，模型移动至用户眼前适当距离并放大。

4.3多方位观察模型功能实现

HoloLens的强大功能在于用户佩戴上设备后，观察到的虚拟物体和周围的真实世界是有机完美结合的。而将真实世界和虚拟物体完美结合的桥梁，便是世界锚（World Anchor）。通过世界锚，设计人员可以在Unity中添加一个虚拟物体并定位到现实世界的某个位置，增加虚拟物体与真实环境的融合性。

该系统中，用户佩戴上HoloLens设备后，场景中的机械模型是跟随用户的头部转动而转动的，始终保持在相对人眼的一个固定位置。单击选择需要观察的机械模型后，模型会移动到用户眼前的位置并固定，用户可围绕模型走动，即可观察机械模型三视图的画法。

5 AR技术在教学上的展望

将AR技术应用在《机械制图》的教学课堂上，只是AR技术在教学领域上应用的一个缩影。AR技术的直观性、交互性以及可定位性等特点，决定了AR技术在教育教学上有着巨大的发挥空间。不论是将教学内容向学生展示，降低学生理解抽象理论的难度，还是让学生在增强现实的环境中，与模型进行实时互动，比如进行实训操作方面的练习等等。AR技术，使学生的学习状态从被动变为主动式探究学习，开拓学生的眼界，发散学生的思维，进而培养出创新型人才。

参考文献：

[1] 王翔.机械制图教学思考[J].信息记录材料，2018，19（6）：146-147.

[2] 徐子泽，崔虹云.国内外增强现实技术及其在教学领域的现状分析[J].广东化工，2019，46（13）：211-212.

[3] 陈洁菲.基于AR的社区教育3D课件设计与应用研究[D].上海：华东师范大学，2017.

[4] 李绍良，姜灵美，任建峰.AR增强现实技术在职业教育数字化教材开发中的应用研究[J].教育现代化，2019，82：177-179.

[5] 闫兴亚，张克发.HoloLens与混合现实开发[M].北京：机械工业出版社：2019：30.

【通联编辑：王力】