談增強現實技術在工程實踐教學中的應用

周秀梅，楊偉

（三峽大學大學生素質教育中心，湖北 宜昌）

一 引言

目前絕大部分高校的工程訓練課程采用傳統的教學方式，對于一些枯燥的知識展示效果不佳，不夠形象，學生較難理解。虛擬仿真實驗教學是實驗教學建設的重要內容[1]。很多高校專門成立了虛擬仿真實驗教學中心，以便提供更具展示性的實驗教學資源，使學生更生動直觀地學到相關實驗知識，使學生的實踐能力得到更大的提高。

現有的虛擬仿真實驗平臺有很多，有很多專業的仿真軟件，比如電子仿真protuse、數學軟件MATLAB、虛擬儀器軟件LABVIEW等[2]。但這些專業軟件更多的是功能方面的仿真，生動性不高，直觀性也不好。近幾年興起的虛擬現實、增強現實、混合現實的生動性、真觀性則非常好，可用三維的方式將傳統的教學過程展示出來。因此這三種技術在教育行業的應用被很多學者專家及科技開發人員看好，近幾年也出現了這三種技術在教育行業的應用實例，但在工程訓練課程中的應用較少，目前做的比較好的只有增強現實在車削加工的應用。為此筆者通過比較虛擬現實、增強現實、混合現實的優缺點，提出應用于工程訓練的三維仿真設計，以便提高教學的效率，提升學生學習的積極性。

二 虛擬現實的概述與應用前景

虛擬現實技術又稱為靈鏡技術，簡稱AR技術，其實就是一種計算機高級人機界面，它的主要特征就是多感知性、沉浸感、交互性、構想性[3]。這種界面以多維的形式呈現，模擬人的視覺、聽覺、觸覺等感官功能，是一種沉浸式、交互式的多維信息體驗。它依靠三維圖形生成技術、多傳感器交互技術，生成具有超越現實的三維逼真的虛擬環境。虛擬現實技術應用非常廣泛，開始的時候用于軍事和航空航天領域，現在游戲、教育、工業、設計、娛樂、醫療、電力等方面都有很多應用。虛擬現實的主要顯示設備包含VR眼鏡、三維投影儀、VR頭盔等，它的交互外設包括數據手套、語音識別設備、三維鼠標、運動跟蹤器等。

虛擬現實最大的優點是給人的畫面感特別好，給人一個非常好的沉浸感，但這是依托于它后面有強大的運算能力的電腦，因此對硬件要求也非常高，所以它的設備一般也比較重，同時這個沉浸感雖然一直是我們想要的，也是非常好的優點，但沉浸感也分場合，有些場合非常需要沉浸感，比如我們看小說、看電影、打游戲等場合，這種場合中我們希望全身心地投入進去。但像實踐教育這種場合，需要和現實環境進行有效交互時，虛擬現實技術的沉浸感就反而成了缺點了，太過強大的沉浸感，反而相當于把現實世界給隔離了[4]。

三 增強現實的概述與應用前景

增強現實技術又稱擴展現實技術，簡稱AR，它實時地根據攝像機的位置及角度顯示相應圖像、視頻、3D模型，它將虛擬世界信息與真實世界信息無縫集成，在現實世界中疊加虛擬的信息并進行互動，現實世界信息和虛擬世界信息實時地在同一畫面或空間中存在，達到超越現實的視聽體驗。近年來增強現實技術日益成熟，在很多場景中都有使用，比如游戲、建筑、室內設計、醫學、購物、企業培訓、教育等[5]。

在教育方面，已經出現了很多可應用的增強現實軟件，JigSpace就是一款基于蘋果 ARKit工具開發的增強現實軟件工具。使用JigSpace可以用移動設備在桌子上體驗物體的虛擬3D模型，并可以通過虛擬3D模型展示物體的內部構造，通過交互式輸入設備，可以把虛擬3D模型和物體一步步拆分，達到超越現實的感受[6]。

在工程實踐訓練中哈爾濱工業大學正在進行虛實結合讓工程訓練走向智能化的研究，只要通過手機掃描，學生就可以知曉這個設備背后的“秘密”，包括使用方法、設備參數等。這種基于CPS（信息物理系統）的思想讓設備活了起來，也給學生提供了一個自主認知設備的機會和條件[7]。采用了“實-虛”結合的教學理念，梳理出了虛輔、實操和創新的學生實踐能力培養的主線。但增強現實技術在工程實踐教學的應用范圍遠不止這些。如設備拆裝就可以用增強現實虛擬出很多現實實訓中不方便提供實物的設備，住宅布線中可以用增強現實虛擬出家庭的布線場景，讓學生有更深的體會。

四 混合現實的概述與應用前景

混合現實技術簡稱MR，混合現實技術的定義并不明確，有多種定義，其中微軟的定義認可度較高，既混合現實是基于增強現實之上，虛擬的世界還是放在真實世界內，但是虛擬世界要真的能和這些現實物體交互[8]。

混合現實對硬件要求非常高，因此成本非常貴，混合現實技術雖然很早就提出了，但發展比較緩慢，現在可以應用的產品并不多，現在做得最好的是微軟的Hololens，已經開始嘗試商用了，像Magic Leap現在僅僅停留在實驗室階段[9]。混合現實技術應用前景主要在推廣營銷、設計行業、家裝行業、教育行業、直播行業等。

五 虛擬現實、增強現實、混合現實的區別

其實人類最終需要裸眼看到疊加在真實世界中的全新多維虛擬畫面，這才是將來的趨勢，就是所謂的全息投影，現在所有的眼鏡式的3D技術，全部都是人類在過渡到全息投影之間的一個過渡技術[10]。現在全息投影技術也有很大突破，在一些大型舞臺中已經開始使用了，但成本非常高，畫面也比較單一，場景限制也比較多。因此暫時還是虛擬現實、增強現實、混合現實的應用更多一些。

虛擬現實技術其實是呈現一個虛擬的世界，畫面感特別強，可以簡單進行交互，基本上你帶上眼鏡或頭盔的那一刻起，我們就基本和現實世界切斷了。增強現實技術是把虛擬的畫面簡單疊加在現實世界之上，畫面上并沒有和現實世界交互，而且畫面感特別差。混合現實技術實際上是虛擬現實技術與增強現實技術的疊加，他有虛擬現實技術的超強畫面感，同時超強的畫面又是融合在現實世界中的，而且與增強現實技術不同的是，不是簡單疊加在現實世界之上，而是和現實世界有相互交融[11]。

虛擬現實技術和增強現實技術對設備要求不高，因此成本不高，生產的產品主要面向C端，也是現階段發展得比較好的。混合現實技術則對設備要求非常高，因此成本很高，生產的產品主要面向B端，也是現階段發展得比較慢的，不過隨著5G技術的應用，混合現實技術的部分運算將可以轉向云端，可以降低混合現實產品的成本[12]。

由于虛擬現實技術完全獨立于現實世界之外，相比較于增強現實技術和混合現實技術而言，增強現實技術和混合現實技術顯得更適合在工程實踐類教育中應用，同時由于現階段混合現實還基本處于研究階段，尚不具備大面積使用和推廣的條件，因此筆者覺得現階段增強現實技術最適合用于在工程實踐類教育中應用。

六 增強現實技術在工程實踐類教育中應用展望

根據增強現實技術的諸多優點，筆者對增強現實技術在工程實踐類教育中的應用作了如下展望。

（一） 增強現實技術在實驗室安全教育中的應用

增強現實在火災防范及逃生、地震逃生等不便進行實踐訓練的安全教育課程中可以廣泛使用，比如火災防范及逃生教育中，當增強現實設備掃到什么設備就可以提示相關信息，告知你這個設備有可能的誤操作會發生火災，要怎么防范。同時還能虛擬發生火災，指導怎么處理，如果處理不當，還將教你怎么逃生，一步一步地可視化演示。同時還可以制作些配套的教具。

（二） 增強現實技術在工業機器人教學中的應用

現有的工業機器人教學在實踐教學中無法避免存在一些問題，比如說：工業機器人范圍廣泛，價格昂貴，采購許多種類的工業機器人顯然不可能[13]；工業機器人配備的有些外圍設備，例如傳送帶、焊機等，可能會因為誤操作傷害到學生。增強現實技術則很好解決這些問題，增強現實可以虛擬出很多工業機器人，這樣省去了很多成本，同時增強現實技術可以在學生實操一些有危險的工業機器人設備時，在現實的基礎上疊加顯示危險提醒，并給出正確操作方法。

（三） 增強現實技術在電力仿真培訓中的應用

在電力仿真中，增強現實技術可以給輸電線路帶電作業做仿真培訓，培養學員的安全生產意識，增強現實技術還可以在高空巡線中模擬巡視業務，主要包括高空走線、高空墜落等，增強現實技術在電力行業的設備認知培訓中，也能起到很好作用，實現對設備外形、結構、功能的學習，增強現實技術還可以提供遠程專家支持，通過專家的遠程協助解決現場難題[14]。

（四） 增強現實技術在設備拆裝中的應用

工程實踐教學很大的一塊就是要對各種設備的認知，其實設備拆裝就是很好的一個認知過程，實際設備比較貴重，把每一種設備都拿來拆裝顯然不現實，增強現實技術就可以虛擬出各種設備，在虛擬環境中進行設備拆裝。在實際設備中進行拆裝的時候，增強現實技術還可以在每完成一個動作后，提示下一個動作，防止設備被不正確的拆裝方法損壞。

（五） 增強現實技術在銑銷加工的應用

銑床加工與車銷加工，基本是每個工程訓練必須的工種，也是整個工程訓練中最花教學人力成本的工種，因為這兩個工種的機器太危險了，稍有不慎就會造成事故，但同學們初生牛犢不怕虎，在學習時總有人不嚴格遵守安全操作規則，或者有的同學，總是忘了安全操作規則，增強現實技術就可以很好解決這個問題，增強現實可以在開始操作前，演示操作方法，醒目提醒安全操作規則，展示不按要求操作發生的事故，同時在實際操作時如果違反了操作規程，也會醒目實時提醒[15]。

（六） 增強現實技術在住宅布線訓練中的應用

住宅布線訓練是近年來新興的一個工程訓練項目，這個項目可以讓學生很好認識到家里的走線是怎么樣的情況，讓同學可以解決家里一些用電的突發狀況。但這個項目其實非常危險，因為在訓練中要驗證布線設計及連接的對錯，就要上電實驗，要是不小心發生觸電現象的話，觸電者將會出現生命危險。增強現實技術則能很好解決這個問題，它可以在學生做每個動作的時候指導學生，防止學生發生錯誤操作。甚至把看不到的電流情況展現在眼鏡中，使同學不僅學會布線，還得很好了解到其內部的運轉情況。

七 增強現實技術在工程實踐類教育中推廣設想

增強現實技術雖然有很多優點，注定著它將在工程教育中有著不平凡的境遇，但任何技術想要快速發展，迅速出現在大眾視野中，都需要一定的推廣。增強現實技術在工程實踐類教育中想要得到更多的師生認可，也需要一定的推廣。增強現實技術在工程實踐教育中的推廣需要老師、同學們、AR眼鏡開發公司、學校等各方的集體努力。本文對增強現實技術在工程實踐教育中的應用推廣做了如下幾個設想。

1.建立一個開源的增強現實技術用于教育的網絡社區，大家可以在這個網絡社區分享自己的作品、素材。也可以在社區獲取別人的素材，這樣可以避免大家花大量時間做重復的素材，大大加快課程開發時間。同時可取長補短，更好更快地提高大家在增強現實課程設計中的水平。

2.對增強現實技術需要的相關技術的專業的同學設立與增強現實相關的課程設計類的大實驗，使同學們能將自己的所學用來加快增強現實技術的發展，同時可以在學校里鼓勵創立增強現實技術類的社團。

3.學校鼓勵老師使用增強現實技術設計出更多更有互動性的課程，鼓勵老師花更多的時間，設計更多增強現實場景，在更多的課程中應用增強現實技術。鼓勵老師參加各類增強現實技術的課程比賽，將其作為教學研究的一部分。

4.AR眼鏡開發公司開發更多的開源平臺，讓更多人可以免費使用這個技術用于非商業場合，加快這項技術的普及。

八 結語

在增強現實技術快速發展的背景下，增強現實已經被越來越多用于教育行業，經過老師、同學們、AR眼鏡開發公司、學校等各方的集體努力，相信在未來也會越來越多用于工程實踐教學。未來增強現實技術將結合人工智能，可以更多發揮增強現實技術的優點，同時隨著云計算的發展，增強現實技術會更快地向混合現實技術發展，甚至很快地發展全息投影。