增強現實技術在環境設計制圖課程中的應用

◇楊 杰 楊 瀛

近年來，由于信息技術的快速發展與國家教育部門的大力提倡，信息化技術在高校教育中開始得到廣泛而適度的應用，成為實踐教學重要的組成部分，成為提高教學質量和教學效率不可或缺的手段。增強現實技術在教學中的普及應用無疑是對傳統教學的一場革命。

增強現實（AugmentedReality，簡稱AR）是通過攝像頭對現實空間位置進行數據采樣，對采樣的數據坐標和三維虛擬場景數據進行融合，現實空間信息和虛擬場景信息運動路徑、光影變化等完美結合，達到最佳的體驗感。AR有別于VR（虛擬現實技術），AR不用購買價格昂貴的設備，不受定位器的束縛，無需佩戴全封閉式的頭顯，不必配備高端計算機就可以隨時隨地地使用移動設備進行。近些年，對于用戶群而言，具有感知性、沉浸性、交互性等特點的AR，普及度更高，用戶范圍更加廣泛。AR以提高學生的技能水平為核心，有益于教師的實踐教學和學生專業技能的訓練。

基于多年的教學經驗，依托AR技術，結合環境設計制圖課程的特點，提出了“以虛促實，虛實結合”的建設思路，建設了環境設計制圖虛擬仿真平臺。在建設過程中，針對教學中存在的諸多問題，結合虛擬仿真特點，構建了十個案例知識點，經過兩學期的廣泛應用，取得了較佳的成效。

一、虛擬仿真教學平臺資源建設的必要性

環境設計制圖課程在三視圖、軸測圖、透視圖，直至施工圖的繪制等比較抽象難以理解的空間邏輯關系環節，加入“環境設計制圖虛擬仿真教學平臺”教學系統，幫助學生構建覆蓋課程“課前預習、課中學習、課后復習”全過程的實踐學習流程，既可較好解決單一結構由于三維空間在二維平面投影難以理解、學生三維空間構建能力差等因素限制而致環境設計制圖結構復習難、考核難，空間中家具空間分布位置再現難，教師示教效果差等問題，還可增強學生對建筑切片操作流程、空間布局位置關系的感性認識，實現“環境設計制圖虛擬仿真教學平臺”完整、高效、可視、便捷開發，以及該系統對較難知識點學習過程的全覆蓋。

二、“環境設計制圖虛擬仿真教學平臺”資源建設

“環境設計制圖虛擬仿真教學平臺”資源平臺框架構建時，通過調研市場中主流手機分辨率，設計了低中高三個版本的分辨率，720p（720×1280）、1080p（1080×1920）、2k（2560×1440），非主流手機會有少許屏幕拉升現象或屏幕邊緣出現些許黑邊現象。通過以往開發經驗設計了學生、教師和后臺管理員三個接口，如需更新內容可以通過后臺管理員升級數據庫內容。教師可以通過后臺數據檢查學生作業情況并進行批改。

“環境設計制圖虛擬仿真教學平臺”資源平臺內容包含制圖基礎、建筑工程制圖、室內設計制圖、景觀設計制圖、透視圖和軸測圖六章節中難以表述的十個知識點。

三、增強現實技術在教學中的應用

（一）制圖原理增強現實系統

制圖原理增強現實系統針對傳統教學中學生對三維空間想象難以理解的部分進行增強表現。在制圖原理課程中一般用V、H和W表示三維空間的投影。其中V（vertica）l表示主視圖承影面，H（horizontal）表示俯視圖承影面，W（Width）表示左視圖承影面。為了能夠表達出物體的形體特征，將物體放在由V、H、W這三個互相垂直的投影面上，分別用三個不同投影面上的正投影圖組合在一起形成三視圖，這是傳統教學關于三視圖的基本概念，不僅晦澀難懂，也讓空間理解能力較弱的學生在入門的第一課就被絆住腳。AR技術進行解析，學生首先通過V、H、W三個投影面分色示意圖了解什么是立體的三維成像環境，接著再將物體以直觀的形式植入到三維成像環境中，增入理想化的平行光源照射物體，在不同的投影面上留下的圖形就是視圖，經過這一AR演示過程，學生充分認識主視圖、俯視圖和左視圖的成像原理。

（二）建筑工程制圖增強現實系統

在建筑工程制圖章節，AR技術的輔助教學，主要運用在了“建筑平面圖的識圖”這一知識點上，通過AR動畫的制作，將完整的建筑攔腰截斷，猶如對建筑做了一次解剖手術，讓學生對建筑來一次拆裝和重組。這一過程在現實中是無法完成的，但AR技術做到了，它幫助學生認識和了解建筑平面圖投影的原理，強化學生對建筑平面圖制圖內容的識記，增加了課堂教學的趣味性。

（三）室內設計制圖增強現實系統

室內設計制圖的章節學習中，主要是為了學習施工圖做準備工作。一方面針對知識點“室內平面布置圖的形成”使用了AR技術輔助教學，由平面布置圖切入。這一過程與建筑平面圖的識圖學習比較類似，橫向剖切了住宅樓，延Z軸向上移動了上一層的住宅空間，使本層室內平面布置圖在水平投影面上的關系清晰可見。另一方面，在學習“天花平面圖的形成”過程中，通過AR手段，讓學生在仰視的視角觀察出室內天花的造型，再通過類似蓋章的方式，將天花的造型印在了平面上。

（四）軸測圖增強現實系統

軸測圖是軸測投影圖的簡稱，又稱為直觀圖，是學生在學習完三視圖后，必須通過空間想象能力還原出的物體三維成像圖。軸測圖沒有透視效果，不會產生近大遠小的關系，包含了正軸測圖和斜軸側圖，其中教學重點是正軸測圖中的正等軸測圖。經過三視圖的前期訓練，大多數學生能夠通過正等軸測圖繪制出相應的三視圖，但反之根據三視圖繪制正等軸測圖卻顯得力不從心。AR技術通過對OX、OY、OZ三條軸不同的軸伸縮系數的演示，首先輔助學生識記軸測圖的種類，通過不同軸伸縮系數的物體形狀對比，進一步掌握軸測圖，再在AR演示中逐步過渡到展示物體本身，其在正等軸測圖的不同投影面上的模樣，極大程度使學生茅塞頓開。

四、增強現實在教學應用中的弊端

（一）3D畫面不同步產生的眩暈感

增強現實是一種新興的科技，受制于硬件設備和3D畫面的真實程度，現實畫面和3D畫面對比反差較明顯，手持式硬件的畫面抖動造成的眩暈更甚，視網膜呈現的圖像出現強烈的閃爍，用戶會從生理上產生不適感。在性能較好的硬件上運行，軟件和硬件匹配度會提高，開發軟件時3D光影和現實影像的畫面對比適中，操作界面完美地匹配畫面，掉幀現象會消失，畫面幀數每秒達到30幀以上可以有效地避免眩暈感，但達到其效果需要一定的硬件和軟件門檻。

（二）信息化教學資源硬軟件的短缺

2016年被稱為虛擬現實元年，不管是VR還是AR都剛剛起步。從行業現狀來看，存在開發成本較高、從業人員不足、技術門檻較高、硬件設備昂貴等問題；從教育現狀來看，大部分學校未配置相關設備，教師幾乎沒有接觸過相關軟件，何談在日常教學中運用。目前，教育部在大力發展信息化教學建設，構建學科教學資源庫，資源的短缺是最大的難處。隨著信息化教學建設的推進，未來不論是VR還是AR，都將給傳統課堂帶來一股清流。

（三） “教”與 “學”的形式主義

增強現實的沉浸感、互動性具有和游戲一樣的特點，增強現實把每個知識點單元化，每個單元是構成獨立的虛擬環境。利用課本知識點構建的增強現實，能充分調動學生的學習積極性，學生在虛擬環境中“玩”得眉開眼笑，但教材中的知識點依然是枯燥乏味的，增強現實只是單純地讓形式變得華麗。如何突破傳統教材知識點的形式，在內容上真正的有趣，還不是形式手段上單純的豐富，跳不出內容的單一，同時這也是“教”與“學”的瓶頸。

數字孿生、人工智能、增強現實（AR）和虛擬現實（VR）是發展前景較好的行業。相信隨著科技的發展，未來這些行業必然會交織在一起，增強現實會廣泛運用在線上教學和線下教學中，其較強的沉浸感會帶給學生全新的感官刺激，交互性的特點會吸引大量學生進入系統平臺學習，學生可在虛擬世界中“游中學、學中游”。教師與學生在“教”與“學”中的地位勢必翻轉，學生作為學習的主體，自行探究，實踐創新，教師作為引導者，為學生制定學習計劃，解答難題。這是“教”與“學”最完美的生態關系。