增强现实技术在机械制图课程教学中的应用

李辉 冯巧 赵亚奇 夏学莲 赵振新

摘要 在信息技术快速发展的背景下，在教学领域中运用增强现实（AR）等信息技术手段可以达到显著的教学效果。文章针对目前机械制图课程教学实践过程中存在的问题，利用AR技术在机械制图信息化教材建设和教学改革中进行应用实践，通过虚拟世界和现实世界交互融合的学习环境，立体化地展现教学内容，强化学生对课程的认知，激发学生兴趣，提高学习效率，达到超预期的信息化教学改革效果。

关键词 机械制图；增强现实；教学改革；虚拟教育

中图分类号：G424文献标识码：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2023.18.021

机械制图课程是工科专业课程中的一门重要的理论与实践相结合的核心基础课，是大中专院校工科专业培养高级工程技术人才的核心内容，学生对机械工程图纸制图和读图能力的掌握程度，将直接关系到大中专院校应用型人才培养质量和学生的就业能力。目前机械制图课程主要依靠PPT式的传统课堂教学，存在教学模式落后、教学内容抽象和学生理解困难等问题，以致教学效果不尽如人意[1]。

增强现实（AR）技术是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”叠加的新技术，是把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、味道和触觉等），通过实时计算、模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知和交互，从而达到超越现实的感官体验[2]。利用增强现实（AR）等虚拟手段进行教学方法与学习方法的改革，能够提高学生的学习兴趣和主动性，满足学生个性化的学习需求，提高课堂效率和教学效果，符合国家教育数字化战略方向，实现教育高质量的发展。

本文针对目前机械制图教学过程中存在教材内容抽象、教学模式落后以及理论与实践环节脱节等问题[3]，基于Unity3D平台开发了可在移动平台使用的机械制图课程AR教学系统（图1，p70），主要有立体化AR教材、课堂AR教学以及AR实践教学等功能。AR技术在教学中的应用，满足多元化、信息化的课堂和实践教学改革的需要，实现了教学内容的立体化，强化了学生对课程的感观和认知，提高了学生的空间想象能力，激发了学生的学习兴趣和主动性，改变了传统的学习授课模式，提高了课堂效率和教学效果。

1 AR技术在机械制图教材中的应用

利用AR技术可以将原来纸质图书无法表现的三维空间信息等内容立体叠加到现实场景中，通过视觉耦合叠加和交互操作辅助学生对抽象概念的理解，提升学生的阅读体验。目前王晨曦主编的《机械制图（微课版）（AR版）》和董文杰主编的《机械制图（AR版）》等教材应用了AR技术，但有限的AR资源依旧不能满足多元化教学需求[4-5]。

该AR教材系统增添了具有交互功能的AR资源，能够实现读者通过AR查看三维图样模型、微课以及习题测试，系统设计了任意旋转、放大、缩小和剖切模型等交互功能，便于辅助学生理解画法原理和表达方式，并提高空间想象能力和制图能力（图2，3）。为了帮助学生掌握制图课的重难点和课后练习，系统在章节重难点和末尾设计了难点剖析、微课讲解、习题和测验的AR识别点，有助于激发学生自主探究式学习的积极性。

2 AR技术在机械制图教学中的应用

2.1 AR课堂教学

相对于传统的板书或PPT投影式的教学模式，利用AR技术可以在课堂上将三维内容以互动的方式呈献给学生，从而改变机械制图课程教学的策略与方式[6-7]。以机样零件视图选择的课堂教学为案例，传统授课时教师通常会展示一个实物教学道具来讲授视图的最佳选择，这种方式无法保证所有学生看清教具，同时教具的数量及便携性也限制了教师的使用。使用AR课堂，学生可通过智能手机或者AR穿戴設备对投影PPT、实物模型或标识图例进行识别，在教室中能够跟随教学内容并结合个人理解能力进行全方位的交互观看和学习，教师也可以通过改变PPT、虚拟按钮、移动模型和标识进行交互式的教学（如图4）。通过课堂实践，AR技术的应用能够吸引学生的注意力，提高学生的学习积极性，取得了良好的教学效果。

近几年，全国各个学校都开展了各种形式的网络授课，如：播放慕课视频、在线直播等。对于录播的网络慕课教学，可以在后期制作过程中添加所需的教学内容和模型，能够达到一定的教学效果。但优秀的视频制作需要教师花费大量时间精心筹备和录制，后期高昂的编辑制作费用也阻碍了录播网络教学的推广。为了能够保证教学质量，以及能够方便地进行课堂互动和掌握学生学习情况，多数教师更愿选择以网络直播的形式进行线上教学。在线上直播的时候，可以利用AR课堂，通过摄像镜头捕捉教师展示的图例、物体、手势、声音、表情和PPT等AR标识信息，实现在直播画面中虚拟叠加必要的教学内容和模型，并对其进行交互控制，起到良好的教学演示作用。

2.2 AR实践教学

在各种学科的实践教学领域中，虚拟现实（VR）技术已广泛推广应用，VR技术构建的沉浸式环境使学生学习更为专注、更为积极，教学效果令人满意[8-9]。然而，VR技术在实践教学中的应用却受到了价格和使用条件的限制，因此基于移动端的AR技术的应用就显得更具优势[10]。AR技术在机械制图实践教学中的应用能够解决高投入、高风险及数量大导致的难实施等难题，打破了困扰实践教学的时间、空间以及人数等一系列问题。

以机用虎钳拆装测绘AR实践教学系统为例（如图5，6），通过AR及虚拟技术将机用虎钳叠加在现实中，学生通过操作移动终端可以进行结构的认知和工作原理的学习，并能够进行自由拆装和测绘，场景可以设定不同尺寸型号的机用虎钳，供一人一题的测绘任务，避免小组人数过多造成实践效果不佳和抄袭现象。随着AR实践项目库的不断开发和更新，可供学生进行实践的内容会不断丰富，应用范围也会越来越广。

3结语

教育领域中AR技术的逐渐推广应用，改变了传统学习和教学模式，这种虚实相结合的教学方式能够将抽象的课程内容可视化、互动化，符合教育信息化和人才培养的新形势，能够激发学生的学习兴趣，获得更好的课堂教学效果。但AR软件的开发门槛较高，一线教师很难掌握开发技术，需要依靠开发技术团队的协同参与才能实现，同时专业的AR穿戴设备价格也限制了普及应用。相信在不久的将来，随着信息技术和相关硬件设备的不断发展与创新，教育教学模式将迎来虚拟技术的应用革命，虚拟技术一定能够在教育领域中发挥出前所未有的作用。

*通讯作者：李辉

基金项目：河南城建学院高等教育研究项目“基于虚拟技术的机械制图与CAD模块化和信息化教学改革研究与实践”（GJYJPY-73）；河南城建学院网络课程项目（JX2020202）。

参考文献

[1]易声耀，徐海军，罗自荣.我国机械基础系列课程体系改革二十年述评[J].教育教学论坛，2015（32）：100-103.

[2]刘彬.增强现实（AR）技術的教育应用综述[J].计算机产品与流通， 2019（2）：234.

[3]于勇，赵罡，李亚初.增强现实技术在工程图学教学中的应用[J].图学学报，2018，39（1）：175-178.

[4]刘强，韩旭俊，段成浩.AR技术在机械类教材的应用及设计策略[J].科技视界，2019（2）：65-66.

[5]王晨曦.机械制图（微课版）（AR版）[M].北京：北京邮电大学出版社，2018.

[6]潘冬玲.AR增强现实技术在《机械制图》课程教学中应用初探[J].轻纺工业与技术，2018，47（9）：45-46.

[7]刘鑫. AR增强现实技术在机械制图教学中的应用研究[J].科技创新导报，2018，15（17）：208，210.

[8]李阳春，程小凤，邵琳.基于虚拟仿真技术的“工程制图与识图”教学改革与探讨[J].科教导刊，2023（6）：96-98.

[9]原彬，于彦，孙昂.机械制图课程中虚拟现实技术的应用[J].高校学刊，2018（1）：73-75.

[10]蔡苏.VR/AR教育应用案例及发展趋势[J].数字教育，2017，3（3）： 1-10.