AR技术在工程训练教学中的探索与实践

李晓春，黄海龙，曲晓海

（吉林大学 机械与航空航天工程学院工程训练中心，长春 吉林 130025）

0 引言

实践教学在高等工程教育中占有举足轻重的地位，特别是在教育部积极推进“新工科建设”背景下，通过实践教学改革进一步提高学生动手能力与综合素质以适应时代和实践发展的需要具有重要的现实意义[1，2]。

AR技术（增强现实Augmented Reality，简称AR）是将原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息（视觉信息、声音、触觉等），通过技术性手段实现真实的环境和虚拟的物体实时叠加于同一个画面或空间，从而在被人类感官感知后带给人们视觉、听觉、触觉上全方位的超越现实的感官体验。AR技术其使抽象的内容具体化、形象化的特质与工程训练实践教学具有极强的贴合性，能够打破传统工程教育实践教学模式的局限性，为工程训练的发展提供全新的机遇。不过，当前国内AR技术运用还不够广泛，投入工程训练方面也基本属于全新领域。如何充分发挥AR技术的优势，改善工程训练中存在的问题已是所有工程训练创新的重要方面[3，4]。

1 当前工程训练存在的主要问题

当前我国高等教育工程训练实践教学由于其课程的特殊性和历史发展的延续性，仍存在一定的问题。这些问题主要集中在以下方面：

（1）传统教学模式缺乏创新

我国多数高校工程训练中心都是由原校办实习工厂转型而来，相应之下工程训练指导人员素质参差不齐，教学方法单一，有些指导人员的知识严重老化，已跟不上时代的进步。讲述的知识和讲述方法很多都是上个世纪七八十年代的东西，已无法满足现在学生的要求。工程训练中心的历史渊源造成了当前工程训练教学模式上一定程度的路径依赖，即传统工程训练“师带徒”式的“讲—做”教学模式单纯强调在知识的单向传递，忽略学生作为教学另一主体的主体性地位，从而带来工程训练全过程学生自主性学习缺位问题。具体来说，个别模块在教学过程中至今在沿用指导人员从头到尾演示一遍，包括设备的操作、数据的输入等，学生再重复这一过程的教学流程，使整个整个工程训练过程学生不需动脑思考，只能进行单调的重复，造成训练过程枯燥无味，学生很难真正习得相应技能[6]。

（2）实训指导人员数量严重不足

工程训练不同于其他专业性课程，指导人员和学生人数必需满足一定的比例，否则无法保障教学质量甚至无法保证学生的实习安全。因此，《工程训练教学示范中心建设规划与验收标准》中对指导人员与学生人数比例有着严格的规定，如车工1∶1～7、铣工1∶6～8等。但随着高校扩展背景下学生规模的扩大和新技术、新工艺不断涌现背景下工程训练模块不断增加，有限的实训指导人员引进现实中很难严格满足相关标准的要求，当前全国许多工程训练训练中心都存在指导人员严重不足、指导人员与学生人数比例不达标的人力问题。

（3）安全问题较为突出

工程训练实训中很多模块都是有一定的危险性，如车削加工、铣削加工等模块易发生缠绕事故，热锻模块易发生烫伤事故，激光加工如不按规定操作易对眼睛及身体造成损伤等。传统式的安全讲解如今很难引起一部分学生的真正重视，同时也由于学生对实训工艺流程知识模糊、工具使用不熟练往往也造成一定的操作风险。加之，当前各高校工程训练过程中安全事故时有发生，不利于工程训练事业持续、健康、稳定发展。

（4）难以进行预习和复习

受制于工程训练课程自身强调操作性的性质要求，学生单纯的通过阅读书籍进行预习、复习的效果十分有限。但工程训练中心实训现场资源很难提供给学生进行课前的预习和课后的复习，使得当前工程训练实训教学通常只是“一锤子买卖”，很难通过自学实现巩固和提高。

2 AR技术在解决工程训练中相应问题的措施

针对工程训练中存在的主要问题，AR技术能够从AR可视化工程训练教材建设、AR技术应用于实训现场、虚拟仿真与现实操作相结合及线上视频资源建设四个方面提供一定的解决方案。

（1）AR可视化工程训练教材的建设

AR可视化教材的建设包括书籍内容的编写与配套数字化教学资源的制作两大环节。①在书籍编写上，完整的教材体系一方面要包含以基本概念为基础，在传统实习内容的基础上进行适当的整合规划，充实新技术、新工艺相关内容，深入浅出介绍相关模块涉及理论知识的教材；另一方面根据各模块其自身特点，对实训中所需使用的设备的具体操作进行详尽的叙述，力求让学生可以对整个实训操作过程清晰明了的指导书；还要有对实训内容进行复习、总结、归纳提高，对课程考查知识点进行强化理解的报告书。②为了使学生进一步的理解，还应在教材中配备适量的数字化教学资源，即围绕知识体系下的难点、抽象知识点、复杂工艺过程等，通过二维平面动画、三维立体动画、三维仿真交互建立支撑工程训练教材的数字化教学资源。教材应按照逻辑结构与可视化教学资源实时一一对应，根据具体内容增加二维码，通过扫描纸质教材中的二维码，从而实现与教材对应的立体可视化学习过程。

（2）AR技术在实训现场的应用

工程训练实训现场是同学们进行实训学习的地点，其设计与布置往往尽可能的真实模拟生产环境。但为配合教学需要，实训现场仍需悬挂一些教学挂图。传统的教学挂图往往是一些枯燥的机械制图，不能充分调动同学认真观察的积极性。AR技术在实训现场的应用关键在于重建实践教学场地挂图体系。AR技术能够将一部分较复杂的二维图纸更新为三维图纸，在部分的教学挂图旁、实践操作指导上、操作机床上附加数字化教学资源二维码，可以方便学习者在学习过程中随时使用对应的教学资源，使学生在遇到疑问不仅仅可以向老师寻求帮助，也可以借助AR技术对一些表述繁琐、理解难度较大、不易观察的知识点和操作难点进行扫码学习。

（3）虚拟仿真与现实操作相结合

虚拟仿真运用于工程训练实训中，能够通过采用计算机虚拟现实技术创建的虚拟交互式实践操作环境，使操作者可以像如同在真实环境中一样完成各种预定的实践项目和实践训练。将虚拟仿真与现实操作相结合，既增加了工程训练实训的技术吸引力，也大大降低了工程训练的安全隐患，提升了工程训练效率与质量。以机械拆装模块课程为例，该模块教学要求学生对实训设备进行拆装实训，要求学生掌握机械拆装的基本方法和常用工具的使用，同时了解机械传动的基本原理和配合的基本形式。由于学生对传动形式、连接方式和固定方式、拆装工具等了解不够充分，经常会进行野蛮操作并造成高风险、高成本、低质量的教学悖论。而如果使用虚拟仿真软件，将虚拟仿真与现实操作相结合，将会大大提升工程训练实训的整体品质。

（4）构建完善的线上视频资源

随着“互联网+”“大数据”时代的到来，探索线上学习、线下实践的工程训练新模式对于实训效率和效果的提高已具有越来越突出的作用。AR技术引入之下，通过在线教学平台的整体建设和在线课程视频资源的开发，学生可以通过手机在学习通中随时随地学习，最大限度地获取相关的课程知识和技能；也可以对不熟悉或者有疑问的知识点，通过网络资源可反复观看学习。线上教学平台的使用一方面可以培养学生自主学习的能力，另一方面可以使老师通过网络后台记录的学生平时线上学习的状况，及时掌握学生的学习情况和学习中的难疑点，便于在今后的教学中进行改善。

3 AR在工程训练教学中的实践成果

（1）线上教学及线下教学配合相得益彰

此处利用工程训练成绩测评本项目的效果，工程训练成绩测评采用线下+线上混合考核法，总成绩包括线上学习成绩（占10%），工程训练线下模块实训操作成绩（占总成绩56%）、实习报告成绩（占14%）及工程训练考试成绩（占20%）。研究对象为吉林大学汽车工程学院2018级、2019级及2020级参加工程训练的学生。2018级学生使用旧版教材、2019级学生使用新版AR可视化教材，2020级学生使用新版AR可视化教材的同时配合线上视频资源使用。学生成绩统计情况如图1所示。

图1 工程训练成绩对比图

2020级学生同2018级学生相比，优秀率由18.5%提高至25.9%，良好率由42.3%提高至57.2%，优秀率和良好率分别提升了7.4%和14.9%。从上述数据可以看出，随着新版AR可视化工程训练教材的使用及线上资源的投放。学生的工程训练成绩有了较明显的提升，而通过对学生线下模块实际成绩的分析，也可以看出学生的动手能力及操作的规范性都得到了进一步的提高。

（2）利用虚拟仿真软件降低教学耗损，保证学生实训安全

通过机械拆装虚拟仿真软件（图2）的使用使学生熟练掌握拆装顺序及拆装工具的使用方法，一方面大大地减少零件的破损及丢失，延长了实训设备的使用寿命，进而减少了教学损耗，降低了教学成本；另一方面将实训过程中的危险性进一步降低，使学生的安全得到了保障。

图2 机械拆装教学模块虚拟仿真软件

同时，在整体课时不变的基础上，虚拟仿真软件的使用大大提升了学生的拆装速度，在一定程度上弥补了课时不足的问题。

此外，虚拟仿真软件的使用丰富了拆装训练模块的教学内容，使原本繁重、枯燥的实训内容紧凑、新颖起来，提高了学生的学习兴趣和教学效果。

（3）教学资源的充分利用

在AR技术的支撑下，根据实训模块的重点及难点，进一步丰富了教学资源。重新构建了工程训练教学场地挂图，在需要的位置附加数字化教学资源二维码。学生可以直接利用手机进行预习、复习或补充学习，实现自我答疑解惑，从而建立起信息化支撑下的实践教学环境。

为验证效果，对吉林大学2021年春季学期参加智能制造模块实训的72组学生进行调查问卷。发现绝大多数的教学组内有超过80%的同学使用了相关的教学资源，见表1。并在后期的回访中，同学们普遍反映通过扫码学习解决了操作上的难点，同时对一些不易观察的内容也可以清晰明了的进行学习。

4 结语

面对新一轮的世界竞争，只有增强国家工业的竞争力，在世界工业发展中才能抢占先机。工程训练作为一个重要的实践教学环节实践，学生在这里培养工程设计、制造、管理、创新这一系列的整体工程综合能力。只有打破传统教育模式的局限性，才能为工程训练教学提供新的发展机遇与进步途径，而AR技术在工程训练中的应用无疑做到的这一点。工程训练教学改革任重而道远，需要不懈的努力与探索才能使学生把动脑与动手、实践与理论、教学与生产、方法训练与技能培训紧密地联系和有机地结合，为祖国提供优秀的工科人才，使中国迈入制造强国行列，成为制造强国。