AR技術在高職教育中的應用研究
——以“平板電視檢測與維修”為例

陳 麗 夏興隆

(1. 蘇州工業職業技術學院 電子與通信工程系，江蘇 蘇州 215000； 2. 蘇州易泰勒電子科技有限公司，江蘇 蘇州 215123)

增強現實(Augmented Reality，簡稱AR)技術的發展，已經在很多領域得到了廣泛應用。這種技術是虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)的延伸，可以實時地計算攝影機影像的位置及角度再加上相應圖像的技術，在屏幕上模擬三維的虛擬空間，并與現實世界進行互動[1]。AR技術的顯著優勢在教育領域受到了廣泛關注，尤其是在職業技術教育方面。與傳統本科院校不同，職業教育主要側重培養學生職業技能、實踐動手能力等。在教學過程中，實訓條件的好壞很大程度上決定了職業技能培養的成效。只有建設完善的實訓條件，才能更好地滿足高職學生的培養需求。然而，有些實際工作現場環境惡劣、生產設備體積龐大等諸多因素導致很難在實驗室搭建實訓平臺，即使可以搭建出類似的實訓平臺，由于實驗實訓中場地、設備、工作環境等方面與實際條件存在的差異，也無法完全真實還原生產現場，教學與生產仍有很大程度的脫節。

AR技術的出現，可以彌補這方面的不足。隨著AR技術越發成熟，職業教育領域課堂中也逐漸出現AR技術，為一些受客觀條件限制而難以開展的項目提供了逼真的模擬現實機會[2]。探索AR技術在高職教育中的應用，對利用該技術進一步提升高職教育質量有著重要的意義。

1 AR技術綜述

AR技術的應用無論是技術層面還是應用層面，都已經有一些成功案例。技術層面，Z Space、Metaio等公司已經研發出AR解決方案和工具，使該技術在各領域的應用得以落實[3]。應用層面，最常見的開發軟件為基于C#語言的Unity 3D。有學者從理論層面分析了如何實現AR技術的方式；也有學者調研了海外AR技術的應用案例，主要用于大學物理實驗[5]、環境科學戶外實踐[6]、數學非正式學習環境[7]、藝術教育[2]等。AR技術在職業技能訓練方面也有報道，如魏國前在2007 年的研究中提到利用AR 模擬技術來訓練學生學習起重機實操技術[8]。這些都為AR技術的應用提供了支撐。

但是，AR技術在職業教育領域的發展還存在一定難度。AR技術在教育教學領域中應用的關鍵技術大多是高新技術，不僅技術應用困難，而且投資研究成本較高，需要大量的技術支持才能很好地運用實現。如今對AR技術的研究開發還處于表面，不夠深入。目前，市面上最常見的AR方式是制作成手機APP，在使用過程中，打開手機攝像頭，通過手機攝像頭引入現實場景，再疊加虛擬場景，實現虛擬和現實的有機結合。在課堂教學當中，能夠運用到AR技術的教學并不多，大部分都是教材中自帶演示功能的AR軟件。教師對于現有的AR技術運用也不熟悉，AR技術使用中存在的不足尚不明確。何種場景適合采用AR技術，如何發揮他在教育中的教學優勢，AR技術在使用過程中，還存在哪些問題，如何避開AR技術的不足，這些都是值得研究的。

2 實驗設計

2.1 知識點選擇

本研究選取“平板電視檢測與維修”課程為主要研究對象。該課程主要目標是培養學生識別平板電視故障、測試及故障排查、故障修復及調試等技能。平板電視一般包括液晶屏、驅動板、信號輸入等幾大模塊，其中，故障和不良品檢測是后續教學的基礎，也是學生應掌握的就業相關技能，直接對接用人單位品質管控等崗位。

在這些模塊中，有關電路、信號接口等方面的故障檢測與維修在實驗教學中較容易進行，傳統的電路檢測維修方法、設備等都可以使用，且操作直觀，對動手能力的培養更為直接有效。然而，液晶顯示屏的問題，由于實驗場地、條件的限制，很多不良品、故障現象較難復現。主要原因包括以下三方面：

(1) 實驗實訓環境并非無塵環境，拆解完的顯示屏會直接報廢，成本非常高。因此，在課堂上將顯示屏進行大范圍的拆解并不現實。

(2) 實驗實訓設備均采用良品顯示屏，即使可以拆解顯示屏，各部分部件均是通過出廠檢驗的良品，仍然無法看到各部件的不良現象。

(3) 實驗室演示顯示器不良現象主要是點亮顯示屏后，通過軟件系統來模擬產生故障現象的圖像，與實際生產工藝中的品質管控仍有較大差距。

因此，對于顯示屏模組的檢驗檢修方面的技能并沒有合適的實驗條件來對學生進行培訓。

本項目選取液晶顯示屏模組中最具代表性的組成部分——玻璃基板作為研究對象，在實際生產中，玻璃基板的品質管控必須熟悉常見缺陷，能對這類缺陷進行有效識別。該部件的缺陷與電路相比，缺陷種類多，現象各異，大部分是在生產過程中，由于工藝、管控等原因造成的。采用AR技術，可以很好地解決這部分問題。通過AR軟件的制作，在課堂中進行互動式的交互體驗，可以對學生進行這方面技能培訓。

2.2 實驗內容設計

AR軟件的開發，主要以行業應用為出發點，鍛煉學生技能，滿足企業用人需求。因此，確定研究對象后，選取從事光電顯示行業玻璃貼合的蘇州博奇電子科技有限公司為典型合作企業，進行調研后確定典型任務。企業生產對象均基于玻璃制品開展，且生產要求需要滿足顯示模組的品質要求，比常規玻璃制品要求更高。在進行玻璃基板貼合之前，需要對玻璃進行品質檢驗，對常見的玻璃缺陷進行識別、分類，并根據缺陷的大小進行篩選。對于部分有缺陷，但缺陷大小小于一定尺寸的玻璃，在不影響使用時，仍然可以繼續進行下一步工序。如果在制作完成后，再發現缺陷，則該產品會直接報廢。因此，在整個工藝流程中，玻璃基板品質管控的作用非常重要。

在整個生產過程中，有6種不良現象最為常見，具體如圖1所示。這些缺陷部分由保管時產生，部分由玻璃生產過程中的管控產生。后續將選擇這六類中最常見的缺陷作為AR軟件的制作內容。

由于玻璃是透明的，對于缺陷面積較小，且對比度不高，缺陷現象不明顯的情況，只有在特定觀察條件下才可以看到。因此，教師在實驗室現場沒有實物的情況下，直接通過傳統的信息化手段——PPT進行演示，根本無法取得較好的效果，學生也無法理解其缺陷現象。

(a)毛屑(b)臟污(c)白點(d)黑點(e)劃痕(f)異色點

圖1 六種常見缺陷

2.3 AR軟件設計

基于上述6種最常見的缺陷，整個AR軟件設計包括兩部分內容：單項缺陷和綜合缺陷。

單項缺陷包括毛屑、臟污、白點、黑點、劃痕、異色點。展示每種缺陷時，AR軟件會呈現多個數量不等的同種缺陷。圖2為其中兩種缺陷的三維建模效果圖。

為了盡量模擬實際缺陷效果，基于三維建模的效果圖，開發了一款教學App。App內容包括六種典型缺陷的單項訓練，學生通過選擇缺陷名稱，調出該缺陷對應的現象效果圖，通過手勢操作，可以實現圖像的放大、旋轉，也可以通過按鍵改變觀察的環境光。

在熟悉單項缺陷的基礎上，教師可以通過綜合缺陷進行知識點測試。

(a)白點(b)劃痕

圖2 三維建模效果

在軟件制作過程中，主要采用3DMax軟件和Unity 3D軟件進行App制作。3DMax軟件是目前市面上比較常見的動畫制作軟件，采用該軟件可以制作三維渲染動畫，在建筑設計、工業設計等方面應用非常廣泛。在本設計中，采用3DMax制作各種帶缺陷的玻璃模型圖，并進行渲染、生成.fbx文件，用于下一步Unity 3D軟件進行App制作。Unity 3D是比較常見的AR制作軟件。首先，將上述.fbx文件導入軟件，然后在此基礎上進行縮放等操作。該軟件基于C#進行編程，其中縮放的流程如圖3所示。完成各種缺陷的效果后，打包生成安卓Apk文件。在上課前，教師發送給學生提前安裝。

圖3 縮放流程

3 實驗結果

實驗在課程實施過程中，隨堂進行。課前讓學生尋找日常生活中能觀察到的缺陷，通過課堂中的交流，在未經過訓練的情況下，學生能找到的缺陷主要是玻璃劃痕、玻璃碎裂，他們對其余缺陷現象幾乎沒有任何概念。經過缺陷現象講解，學生將對各類缺陷有一定的了解。隨后，進行單項訓練，對學生進行簡單測試。記錄學生在不同條件下，找出缺陷的時間，測試結果如圖4所示。

圖4 測試結果

從圖4中可以看出，高亮情況下，缺陷的觀察時間普遍比低亮要少，也就是高亮情況更容易觀察到缺陷。在實際檢測過程中，通常會采用照燈的方式使環境光更亮，各種缺陷在此環境下更易觀察到。實驗結果與實際檢測一致。6種不同缺陷中，劃痕所需的觀察時間較短，這種缺陷比較常見，學生對這類缺陷較熟悉。異色點所需時間最長，原因是異色點與其他缺陷相比，對比度較小，現象不明顯。

在測試單項缺陷后，教師對學生進行考核，學生點開綜合測試，隨機生成缺陷圖片，學生指出缺陷類型和數量。測試結果表明，100%的同學可以在AR軟件中正確指出缺陷類型，并總結出最佳觀測條件。

訪談是教育研究的常見方法之一。在課后，對部分學生進行訪談，進一步獲取對該軟件的評價。訪談內容主要包括：

問題1：6種缺陷是否可以辨別？

問題2：AR軟件對學習6種缺陷有沒有幫助？

問題3：在這個知識點的學習過程中，還有什么比較困難的地方？

問題4：這個軟件在使用過程中有什么問題？

經過對訪談結果的整理，得出以下結論：

(1) AR軟件對缺陷現象識別有很大幫助，學生通過AR軟件的學習，可以分辨不同缺陷，并掌握玻璃基板缺陷識別這一知識點。

(2) AR軟件的使用可以使課堂進行時空拓展，課后的學習和復習也有了載體，效果較好。學生課后可以利用軟件復習這一知識點與實際生活場景中玻璃缺陷進行對比，加深了對知識點的掌握。

(3) 整個實驗過程中，部分缺陷不太明顯，學生觀察起來較困難，可以通過放大找到缺陷。

(4) 軟件使用簡單，容易上手。在使用體驗上，部分同學認為軟件需要打開攝像頭，且實驗持續時間較長，手機耗電較快，影響使用體驗。

從上述訪談結果中可以看出，學生對該AR App的評價比較正面，該AR App對學生技能鍛煉起到重要作用。從學生的反饋可以看出，AR技術的引入雖然起到很大作用，但也存在一些不足。主要體現在使用體驗和實際應用能力上。引入AR后，打開攝像頭勢必會引起耗電快的問題，尤其是現有智能手機已經普及，手機電池在持續使用過程中，電量不能滿足長時間打開攝像頭使用。AR的效果可以讓學生了解到這些缺陷現象，但是在實際操作中，由于玻璃基板面積大，無法放大等問題，缺陷現象的查找相比App還是存在一定的難度。

4 AR技術在高職教育中的應用啟示

本研究是以“平板電視檢測與維修”課程中玻璃基板缺陷的識別為具體內容進行的AR App設計。依據實際調研，確定了6種最常見的缺陷現象作為App具體展示內容。課堂教學以及課后訪談結果表明，AR軟件的使用對于提升教學質量有很大幫助。同時也帶來了使用體驗的問題。通過AR技術在高職教育中的應用，得出了以下啟示。

4.1 利用信息化手段，改善實驗實訓條件

目前，職業教育以培養學生職業素養、鍛煉學生職業技能為主要目標。在學生培養過程中，注重鍛煉學生實踐動手能力，因此需要投入大量儀器設備創造實踐條件。但是，很多應用場景很難在課堂復現。即使可以復現，也并不一定適合教學。信息化手段的引入，可以解決應用場景難以復現的問題，還可以通過趣味設計，提高學生的學習興趣。

4.2 針對AR特征，設計實驗內容

在各級教育中，信息化教學形式多樣，多媒體、動畫等技術已經較為成熟，并廣泛應用于教學過程中。AR技術帶來了與傳統信息技術不同的優勢，其交互性、真實與虛擬的融合性等優點是傳統信息技術無法比擬的。然而，設計AR項目，技術難度較大。因此，在實際教學設計中，必須權衡不同信息技術的優缺點，考慮使用AR技術的必要性。只有當AR技術優勢明顯時，才考慮設計AR技術，充分發揮AR技術的優勢。

4.3 課后拓展，充分發揮AR優勢

AR技術的優勢除了可以提高學生學習興趣，與實際實訓條件進行互補，還可以充分利用信息化手段實現課堂翻轉，有效利用課余時間對知識點進行鞏固。

4.4 多種手段并用，彌補AR不足

研究發現，在課堂中長時間反復使用軟件進行訓練，大部分智能手機存在電池電量無法滿足兩節課訓練的要求。在AR技術的設計和應用中，應考慮這個因素，將項目進行分解，采用其他信息化手段進行現象講解，使AR技術主要用于操作練習。在設計教學任務時，控制AR軟件的使用時間，避免由于電池電量等因素導致使用體驗下降。