5G融合AR技术视域下的课程教学改革研究

贾玉坤 沈姝君

摘 要：利用时下流行的5G技术同时融合AR技术，实现了一种“身临其境”的普世教学方法。学生们沉浸在虚拟的仪器上“不能自拔”，从而快速掌握相关基础知识，以及各个元件的内部结构。依托5G高速网络及AR技术，学生设计师可按照自己的构思去设计真实的空间，且通过改变观察位置，查看设计的效果，节约设计成本和设计时间。此方法采用了人机互动的教学方法，无须材料费用支出，且可无限重复利用。以《液压气压传动与控制》为例，由于液压传动实训过程中，操作不当可导致液压油乱飞，引入AR增强现实技术也可以减少学生“满手油污”的烦恼。

关键词：AR技术;5G技术;教学改革

时下最流行的5G技术即为第五代移动通信技术，5G技术有着超低的延迟，超高的数据传输速率及超大的数据传输量等特点。5G技术自2019年已经开始大量应用，它的投入运营代表着更加优质的网络通信环境，同时也为数字化、信息化课堂打下硬件基础，提升了数字媒体对学生的积极作用，并使之成为常态化的教学手段之一，推动了优质的信息化教学资源的共享、公用[1-2]。

AR（Augmented Reality）即增强现实，他是利用计算机生成逼真的虚拟环境，辅之其他先进的传感器加载在AR眼镜或手机中，让用户沉浸到虚拟环境与真实环境叠加的交互式环境中，完成相应的任务。AR技术强调的是一种“身临其境”的用户体验，突破了传统的空间、时间限，AR技术的应用带来的用户体验与互动更加真实，可推动教学资源的发展[3，4，5]。

5G融合AR技术的教学模式是一种利用高速的数据通信网实现实时互动，并置身于虚拟与现实相结合的环境中完成教学任务的教学方法。而5G融合AR技术将传动的教学方式进行了延伸，可以替代传统的教学模式和教学理念;将这些信息化教学资源做成优质教学资源库，可极大地缓解师资力量配比不均的问题，同时可丰富教师的教学手段。

1 教学现状

机电一体化专业是高职传统优势专业，社会需求量大，但往往刚入职学生“眼高手低”，很多零件内部结构完全不了解或一点不知道。《液压气压传动与控制》是机电一体化专业课程体系中的一门重要专业核心课程，授课对象是大二学生，每周4节课，且是“理、实、仿”（理论+实训+仿真）一体化课程。同时他也是一门实践性很强的专业核心课，由于课程概念抽象、原理图复杂、计算量大、空间想象力要求高。如何能将“想象”变为“现实”，使略显枯燥乏味的理论变得“热热闹闹”，变成现实中亟待解决的问题。

以《液压气压传动与控制》为例分析其在教学中存在的主要问题。

（1）从学生的毕业实践指导及毕业后学生反馈中发现，大多数学生在面对实际的项目时显得束手无策，不知所措;不知道从何做起，如何去完成，而且需要非常长的时间去适应相关的工作。

（2）学生在实训过程中，材料安排不合理，实验器材随意放置，甚至丢弃，造成材料的极大浪费，且某些材料污染严重。

（3）以讲授为主的教学方式，教师占主导作用，学生自主学习积极性很低，致使学生产生一种不知道要问“为什么”的麻木习惯。

2 改革目标及关键问题

通过引入5G+AR技术，让学生在“沉浸式”的虚拟与现实的环境中完成教师安排的课程，完成对各种虚拟机器进行拆解，研究其内部构造、原理、使用方法等。

（1）教学中采用的实训项目囊括了所有必修内容，且全部来源于目前正在使用的经典案例，全部为精挑细选，以此引导学生建立完整知识体系。

（2）5G融合AR技术引入内容可更加直观，AR技术教学法将枯燥难懂的理论转化成直观的范例展示给学生，并将学生在实践回路连接项目主体地位发挥到最大，充分调动学生的创造性。学生在“身临其境”的体验中实现液压气压系统动力元件、执行元件、压力控制元件、流量控制元件、速度控制元件回路的连接，元件的拆装等。

（3）“学生为主、教师主导、双导师制”为指导思想，让学生从相对被动的地位转变到相对主导地位。

3 内容的构建

《液压气压传动与控制》是一门具有创新性与实践性相结合的课程，属于三大传动方式中的一种，具有机械传动和电气传动等无可替代的优越性。随着现代化工业生产的发展，电子技术、自动控制技术、传感器技术等快速渗透到液压与气压传动技术当中，该技术已广泛地应用到自动化生产线、机电工程设备等领域中，展示出强大的生产力。实验及实训教学是液压与气压传动课程的重要教学环节。

以机电一体化专业《液压气压传动与控制》课程为例，利用时下流行的5G技术同时融合AR技术，实现一直普世的教学方法。依托5G技术的高速度、泛在网、低功耗、低时延以及AR增强现实技术的“身临其境”，让学生们沉浸在虚拟的仪器上“不能自拔”，从而快速掌握液气压相关基础知识，以及液气压各个元件的内部结构、使用方法。

依据《液压气压传动与控制》课程的主要教学特点，有如下几点，将5G技术及AR技术融入到课程教学中。

3.1 “拆中学”

每个新的部件、每个新的模块均从实物拆解开始，将各个液压部件依托AR技术将其“大卸八块”，这样可以更深入了解各个液压部件原理、内部构造，有个形象的认识。接着由浅入深讲解部件的原理、回路中的作用、如何使用、主要参数、图形符号等，中间穿插视频、小微课。

3.2 “仿中学”

液压及气压控制原理回路图抽象、复杂且静态状态不易理解。同时受到空间限制，复杂项目无法进入实训室回路实训，引入AR技术，让学生搭建回路、运行回路、同时检查回路、修改回路，通过虚拟仿真，虚拟拆装，虚拟回路链接达到高效学习的目的。

3.3 “虚中学”

液压气压系统回路图包含大量元件符号，各种符号之间非常接近，不易理解也不容易记忆，即使常安装，维修的技术人员有时也会出错。依托AR技术可以让学生对各种元件进行拆装、剖視、查看工作原理等，利用工作原理掌握各种液压气压符号。

4 改革的实施

《液压气压传动与控制》在教学安排上，整个过程分两个阶段，第一阶段讲解基础知识部分，共20课时，第二阶段要求将AR增强现实技术应用于课堂实践教学，共32课时，总52个课时。

为达到《液压气压传动与控制》知识与能力培养大纲的要求，教学内容的设计基于要求学生掌握机电一体化相关基本知识的基础上进行回路连接实训、液压元件拆装实训、液压回路仿真实训等。根据课程内容丰富、工程特质强的特点，充分运用5G及AR技術实现回路连接、液压元件拆装、液压回路仿真等。下图为液压元件拆装在手机端运行效果。

教学内容分为两个阶段。第一阶段讲解基础知识部分，即液压气压系统基本定律、液压气压系统动力元件、执行元件、压力控制元件、流量控制元件、速度控制元件原理及内部构造。第二阶段将5G融合AR增强现实技术应用于液压气压控制的实训项目中。学生根据教师的安排完成各个元件的内部构造拆装以及回路连接，实现相应的功能。

（1）基础知识学习（20节课），包括液压气压系统基本原理、液压气压系统动力元件、执行元件、压力控制元件、流量控制元件、速度控制元件，为后续的拆解、仿真、回路连接做准备。

（2）液气压元件拆解（10节课），利用AR技术对液压系统五大部分（动力、执行、流量控制、压力控制、速度控制）进行拆解，熟悉内部结构及元件主要功能，深入了解使用相应元件的注意事项等。

（3）回路连接（22节课），依托高速5G网络及AR增强现实技术完成液气压系统回路连接并完成相应的功能，提供10个回路连接项目。

5 结语

结合机电专业岗位分析，利用时下流行的5G技术融合AR（Augmented Reality）增强现实技术，对《液压气压传动与控制》课程整理结构、单元结构及信息化资源进行了重新开发，并建立了AR增强现实教学资源库，利用该信息化教学资源库，学生可“游戏式”地完成相关理论知识的学习、技能的培养。学生在学习过程转换了角色，变成了学习的主导;教师从原来的“演讲者”变成了“导演”。同时，在学生的实训过程中减少了材料不必要的浪费，并能让学生有一种“身临其境”的沉浸式体验。

参考文献：

[1]孙素萍.5G+智能技术在教育领域的应用[J].中国新通信，2020（7）.

[2]孙田琳子.5G背景下教学视频的设计理念转向：从教辅工具到智媒教材[J].2020（6）.

[3]郑志远.AR技术与纸质教材相融合的物理实验教学研究[J].物理与工程，2020（30）.

[4]刘坤.融入AR技术的混合学习模式在高职课程应用研究[J].软件工程，2019（7）.

[5]雷浩鹏.基于增强现实技术的沉浸式教学方法设计研究[J].计算机教育，2019（1）.