AR技术在机械制图中的应用探究

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摘 要：在课堂教学中使用AR机械制图APP，改变了教师的授课方式和学生的学习方式，使学习知识变成了知识信息的输入和输出的体验过程。直观、生动、有趣的交互式体验，使学生产生了强烈的学习动机，同时手机APP的使用，突破时空限制，促进了教学模式的改革，提高了教学效率。
关键词：机械制图 教学模式 AR技术
机械制图是机械类专业必修的基础课程之一，是一门研究图形的学科，着眼于识图和绘图能力的培养。传统的课堂教学，是通过黑板、投影或者挂图，出示二维机械样图，让学生想象三维立体，或者由轴测图，再画出二维图形。稍微复杂点的机械零件图，学生就感觉“烧脑”，难以想象，大多数学生会产生畏难心理，慢慢就失去了兴趣，导致教学效率难以提高。特别是复杂的装配图，其中要涉及的零件，少则十几个，多则几十个零件，这些零件之间有着复杂的关系。而且各零件的表达方法也不尽相同，如半剖、全剖、局部剖、旋转剖等等，采用传统的教学模式，很难让学生分析清楚。但是识读装配图，又是工科机械类专业学生必须具备的基本技能，从机械的设计、制造到技术交流等都要用到装配图，因此从事工程技术的工作人员都必须能读懂装配图。长期以来，如何让学生学会识读装配图的问题，一直困扰着机械制图教学。
AR技术，即增强现实技术（Augmented Reality），是一种将虚拟图像与现实生活场景相结合的技术，它利用计算机生成一种逼真的视、听、力、触和动等感觉的虚拟环境，使用户在真实场景中，通过虚拟世界的场景与规则，实现对现实场景的增强效果，虚拟场景与现实场景叠加到一个画面或空间，两种信息相互补充，给用户呈现感官效果上的真实环境，使得虚拟物体从感官上成为真实世界的组成部分，从而达到超越现实的感官体验。以VR技术为基础的“互联网+”创新型教材，利用增强现实技术，引入大量的3D模型，使用Android和iPhone智能手机扫描课本二维码，安装魔眼APP，就可以通过拍摄课本机械样图，得到相应的3D模型，在三维空间中随意旋转观看，并且能够对3D模型进行拆分，有效地解决了机械制图的难点问题，推动了机械制图教学的改革，在课堂教学中有着积极的意义。
一、虚实结合的教学环境，拓展想象空间，降低想象难度
在机械制图中，需要将立体放置于三维空间的投影系中，想象它在三维空间各个投影面上的投影，然后将三维空间展开成二维平面，并画出各个面上的立体的投影，同样，如果给出二维平面的投影，要求学生能想象出三维空间立体形状。学生在这一过程中，需要很强的空间想象能力。很多学生由于空间想象力比较弱，在学习过程中感觉很吃力。例如，在切割体投影的教学中，切割后产生的截交线的形状难以想象，特别是曲面体切割，学生经常因想象不出具体形状，无法画出正确图形。在增强现实的环境中，学生通过手机的魔眼APP，拍摄课本和练习册上的二维图样，就可以看到切割体的实体图，并且用手指操纵实体，在三维空间中旋转任意角度查看，如同将实体拿在手中查看一样，学生可以从不同的角度观看，想象出各个投影面上的投影，再对照现实环境中的二维投影图，学习投影图的画法。AR技术的应用，降低了学生的想象难度，同时帮助学生拓展思维空间，想象类似实体画法。
二、直观展现、实时互动，提高学生的学习兴趣
兴趣是最好的老师，古人亦云：“知之者不如好之者，好知者不如乐之者”。90后的高职学生，比较厌烦单调的传统课堂教学，喜欢人机交互的灵活教学方式。增强现实技术，直观展示课本中对应机械样图的实体，降低了学生的空间想象难度，解除了学生对机械制图的畏难心理，提高了学生的学习积极性，同时实时互动的环境和丰富的色彩，带给学生多重感官刺激，激发学生的学习兴趣。
在识读装配图课程中，学生学习齿轮泵装配图的识读，齿轮泵包含十几个零件，装配图中各个零件的画法不同。传统教学中，学生难以区分齿轮泵的零件，无法想象出装配关系，因而不愿意学习这部分内容。在增强现实技术的环境中，学生不仅可以任意角度查看齿轮泵的结构，而且可以在手机上拆解齿轮泵零件，再重新组装。在拆解组装的过程中，理解齿轮泵的装配关系，分析齿轮泵的结构。学生对虚拟拆装齿轮泵很感兴趣，学习的积极性高，在拆装过程中，很多问题迎刃而解，大大提高了学习效率，学习效果显著提高。原本复杂枯燥的学习过程，变成具有无限生机和活力的学习体验。学生成为学习的主人，在愉悦的学习氛围中，自然有序的练习、讨论，感悟知识，体验过程，反思结果。
三、利用移动工具，突破时空限制
在机械制图的“互联网+”创新型教材中，利用手机APP实现增强现实效果，突破了课堂上的时空限制，学习环境更加自由灵活。学生在课前、课中、课后随时随地可以用手机APP，进入到增强现实的环境中学习。课前，学生可以拍摄课本的机械样图，根据老师推送的课前任务，预习或者学习课堂中的基础知识。课中，学生之间，教师和学生之间，通过增强现实环境中的交互操作，理清重点，掌握难点；在制图练习中，对于想象困难的机械样图，也可以通过观察增强现实中的实体模型得以解决。课后，学生对于课堂中有疑问的知识点，通过微课和手机APP，再次学习解决。
四、革新教学模式，促进知识构建
AR（增强现实）技术被称为继语言、文字、印刷、电话和互联网之后的第六次信息革命的核心技术，在机械教学中广受青睐，它充分发挥了学生的主体作用，让学生沉浸在虚拟与现实世界相叠加的环境中，在教师的引导下，自主探索，解决问题，提高能力。在识读装配图的过程中，学生根据教师下达的任务，课前利用手机APP，获取AR资源，认识齿轮泵的零件结构，自主研究，解决老师提出的问题。课中教师针对齿轮泵的装配图，设计研究项目，学生在AR环境中，观察齿轮泵并按照正确的方法拆分齿轮泵，对照装配图，分析讨论，归纳总结识读装配图定的方法。更好地实现了课堂教学的翻转，体现了学生的主题地位，提高了学习效果。
学生获取学科知识，大多是在一定的学习情境中，借助于他人（包括教师、学习伙伴等）的帮助，利用必要的学习资料和学习工具，通过学习者的相互协作、对学习资料的搜索与分析探究，提出问题、提出设想，进行验证，发现规律、解决问题以及对某些学习成果的评价，从而实现自身学科知识的建构。增强现实技术，为学生学习创建了直观易懂的学习情境，学生在虚拟情景中直观地观察机械实体结构，在现实情景中，学生和学生之间、学生和教师之间讨论分析二维的机械样图，解决问题，熟悉机械样图，学会识读和绘制机械样图，从而构建完整的机械制图知识体系。
五、丰富教学资源，提高教学效率
AR丰富的教学资源，弥补了机械制图实物模型资源的短缺。传统教学中，为了降低学生的空间想象难度，让学生更好地理解机械样图表达的内容，需要制作大量的机械实物模型。这些模型，大部分用于教师拿在手中给学生展示，距离教师远的学生，根本看不清楚。由于资金、场地各方面的原因，学生不能人手一个模型。而且，制图需要大量的练习模型，制作模型的成本会很高，许多复杂的模型，难以制造。AR技术不仅给学生提供了这些模型，让学生随意观察，而且对于结构复杂的组合体模型，可以拆分每一个零件，随意观察每一个零件以及这些零件的位置、配合关系等。这种零件的拆分与组合的效果，是传统模型难以达到的。
在AR环境中，给每个教师、学生都配备了自己的模型资源库，可以随时随地拿出来观看。这种资源新颖神奇，完全颠覆了传统的教具，不仅节省了模型成本和存储空间，而且具有强烈的吸引力，学生喜欢使用，在使用过程中，自然而然地获取知识，获得好的教学效果。
通过在课堂教学中使用AR机械制图APP，改变了教师的授课方式和学生的学习方式，使学习知识变成了知识信息的输入和输出的体验过程。直观、生动、有趣的交互式体验，使学生产生了强烈的学习动机，教学效率自然提高。
参考文献
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[2]程彤，汪存友.增强现实技术在非正式学习空间中的应用探讨[J].中国教育信息化，2016（22）.