基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)情景教學(xué)探索

朱繼華，王仁宗，張素香

（中原工學(xué)院 機(jī)電學(xué)院，河南 鄭州 450007）

新型冠狀病毒感染肺炎疫情對(duì)高校的正常課堂教學(xué)造成了較大影響，教育部在《關(guān)于在疫情防控期間做好普通高等學(xué)校在線教學(xué)組織與管理工作的指導(dǎo)意見(jiàn)》中指出，在疫情防控期間高校要加強(qiáng)實(shí)施保障在線教學(xué)，實(shí)現(xiàn)“停課不停教、停課不停學(xué)”。充分利用在線教學(xué)資源，采用網(wǎng)絡(luò)授課學(xué)習(xí)等教學(xué)方式，不但是疫情防控期間保障教學(xué)質(zhì)量和教學(xué)進(jìn)度的重要手段，也是長(zhǎng)期以來(lái)高校課堂教學(xué)改革的重要研究方向。

自2016年以來(lái)，虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）技術(shù)的研究逐漸廣泛開(kāi)展，并在信息技術(shù)領(lǐng)域帶動(dòng)了大變革的熱潮。沉浸式的體驗(yàn)對(duì)提升學(xué)生的學(xué)習(xí)認(rèn)知能力有明顯的效果，所以利用VR和AR技術(shù)進(jìn)行計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)的課堂教學(xué)改革研究也成了大勢(shì)所趨。而VR技術(shù)和AR技術(shù)具體哪種技術(shù)更適合機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)情景教學(xué)的提升是值得探討的問(wèn)題，文章擬對(duì)VR技術(shù)和AR技術(shù)進(jìn)行探索，分析兩種技術(shù)的應(yīng)用、優(yōu)勢(shì)和存在的問(wèn)題，總結(jié)出AR技術(shù)在機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)課堂情景教學(xué)中的推廣優(yōu)勢(shì)。

1 虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的定義和區(qū)別

1.1 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)

VR技術(shù)是利用計(jì)算機(jī)傳感技術(shù)、多媒體技術(shù)、仿真技術(shù)來(lái)架構(gòu)沉浸式交互環(huán)境，在特定范圍內(nèi)生成仿真的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)甚至觸覺(jué)一體化的虛擬環(huán)境。師生采用必要的設(shè)備，與虛擬對(duì)象進(jìn)行交互而相互影響，從而產(chǎn)生身臨其境的感受和體驗(yàn)[1]。

虛擬現(xiàn)實(shí)是未來(lái)科技發(fā)展的方向之一，可以讓用戶(hù)增強(qiáng)空間的體驗(yàn)感，目前在硬件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、軟件設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)、資源設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和資源運(yùn)營(yíng)平臺(tái)方面都有一定的發(fā)展[1]。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有3大特性，即交互性、沉浸性、構(gòu)想性。

1.2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

AR技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的延伸，通過(guò)計(jì)算機(jī)的顯示、交互和網(wǎng)絡(luò)的跟蹤、定位等技術(shù)，將虛擬信息附加到真實(shí)場(chǎng)景中。通過(guò)對(duì)現(xiàn)實(shí)事物的信息疊加，使師生在視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)甚至觸覺(jué)等方面增強(qiáng)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的了解和體驗(yàn)[2]。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)目前已經(jīng)開(kāi)始運(yùn)用的領(lǐng)域包括教育、旅游業(yè)、電玩業(yè)、零售業(yè)、醫(yī)療等方面，甚至在工業(yè)、軍事等領(lǐng)域也開(kāi)始嶄露頭角。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有3大特點(diǎn)，即實(shí)時(shí)交互、虛實(shí)結(jié)合和三維配準(zhǔn)[3]。

1.3 虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的區(qū)別

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)打造的是“虛擬世界”，用戶(hù)使用虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備探索純粹的虛擬空間，以體驗(yàn)沉浸感，體現(xiàn)的是純虛擬數(shù)字畫(huà)面。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是“現(xiàn)實(shí)世界”的一種補(bǔ)充，用戶(hù)使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備呈現(xiàn)的虛擬信息去探索現(xiàn)實(shí)世界，具有極強(qiáng)的信息補(bǔ)充功能，是虛擬數(shù)字界面與裸眼現(xiàn)實(shí)相融合[1]。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)比虛擬現(xiàn)實(shí)在課堂情景教學(xué)上更具備優(yōu)勢(shì)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)已經(jīng)成為現(xiàn)代教育技術(shù)發(fā)展新的飛躍。利用新技術(shù)構(gòu)建出生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)生通過(guò)沉浸式的真實(shí)感受來(lái)增強(qiáng)記憶，提高認(rèn)知，更容易激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果，有利于對(duì)學(xué)生核心素養(yǎng)的培養(yǎng)。

雖然虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)都已經(jīng)在現(xiàn)代教育中逐漸普及推廣，但增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)相對(duì)于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在一定的范圍內(nèi)具有更大的優(yōu)勢(shì)。

2.1 無(wú)需昂貴的專(zhuān)業(yè)設(shè)備，利用移動(dòng)終端設(shè)備即可實(shí)現(xiàn)

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的成果展示需要較為專(zhuān)業(yè)的設(shè)備，僅在計(jì)算機(jī)顯示器上呈現(xiàn)出相關(guān)仿真界面并不能稱(chēng)之為虛擬現(xiàn)實(shí)，因?yàn)槭チ顺两襟w驗(yàn)的仿真技術(shù)。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的展示設(shè)備基本上都是以VR頭盔或3D眼鏡作為核心部件，目前作為主流的Oculus Rift或者HTC VIVE動(dòng)輒數(shù)千，再加上PC設(shè)備，基本每套近萬(wàn)元。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)不僅是通過(guò)3D眼鏡等設(shè)備來(lái)呈現(xiàn)，還可以通過(guò)手持式移動(dòng)設(shè)備與APP軟件相結(jié)合來(lái)實(shí)現(xiàn)。例如通過(guò)識(shí)別二維碼或者手機(jī)攝像頭掃描圖書(shū)的圖片，在手機(jī)屏幕上呈現(xiàn)獻(xiàn)出3D演示效果。通過(guò)逼真的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)特效，學(xué)習(xí)過(guò)程具有體驗(yàn)感、沉浸感、真實(shí)感。

所以，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為情景教學(xué)的主要手段可以降低教學(xué)設(shè)備成本，更便于教學(xué)效果的實(shí)現(xiàn)。

2.2 更具現(xiàn)實(shí)感，把用戶(hù)體驗(yàn)帶入真實(shí)世界

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以讓用戶(hù)擴(kuò)展真實(shí)世界，直接體驗(yàn)裸眼現(xiàn)實(shí)中看不見(jiàn)的虛擬物體或信息。傳統(tǒng)的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以為用戶(hù)創(chuàng)造另一個(gè)虛幻的世界，使其沉浸其中；而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)則是把計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)帶入到用戶(hù)的真實(shí)世界中，與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景、物體相結(jié)合，通過(guò)相關(guān)數(shù)據(jù)、模型等信息提示，能讓用戶(hù)在認(rèn)知的過(guò)程中更加直觀而親切。

3 機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)課堂教學(xué)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用探索

3.1 機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)課堂教學(xué)的難點(diǎn)

機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)是工科院校的重要學(xué)科基礎(chǔ)，具有較強(qiáng)的理論性和實(shí)踐性。由于該類(lèi)課程理論性較強(qiáng)，內(nèi)容較多，在學(xué)習(xí)過(guò)程中較枯燥，采用傳統(tǒng)的板書(shū)或者多媒體的授課模式，難以提起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣；機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的基礎(chǔ)課程涵蓋“機(jī)械原理”“機(jī)械設(shè)計(jì)”“機(jī)械制造技術(shù)”等，具有實(shí)踐性強(qiáng)、靈活性較大的特點(diǎn)，尤其在實(shí)驗(yàn)實(shí)踐方面有很高的要求。

通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，能夠很好地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)主動(dòng)性、學(xué)習(xí)興趣，而且在實(shí)踐教學(xué)方面更有獨(dú)到之處。例如，教師可以讓學(xué)生在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，把課程中實(shí)踐性較強(qiáng)的教學(xué)內(nèi)容，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行模擬，讓學(xué)生深入體會(huì)，使機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)的學(xué)習(xí)過(guò)程更為直觀而高效。

3.2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在機(jī)械類(lèi)課堂情景教學(xué)中的推廣優(yōu)勢(shì)

3.2.1 突破時(shí)間與空間的限制，提高教學(xué)效率

通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行線上教學(xué)，也可以編譯成軟件傳播使用，教學(xué)活動(dòng)就不僅局限于課堂，而是可以突破時(shí)間和空間的限制，采用體驗(yàn)式、自主式、個(gè)性化的方式來(lái)組織教學(xué)，可以因材施教，使學(xué)習(xí)內(nèi)容變得更加形象而便于理解。而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)所特有的體驗(yàn)感更容易提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，幫助學(xué)生理解和掌握抽象的概念[4]。

3.2.2 改善教學(xué)條件的不足，提高實(shí)驗(yàn)效率

機(jī)械類(lèi)課堂教學(xué)離不開(kāi)各種機(jī)械設(shè)備的實(shí)踐實(shí)驗(yàn)，學(xué)生通過(guò)主動(dòng)而直觀的操作可以大大提高實(shí)踐能力，所以機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)在學(xué)生培養(yǎng)方面一向都重視實(shí)驗(yàn)室的建設(shè)和教學(xué)。但是實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備高昂的成本、場(chǎng)地的限制、時(shí)間的沖突等都有可能無(wú)法達(dá)到預(yù)想的實(shí)驗(yàn)效果。

利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)，不但降低了實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備采購(gòu)、耗材的成本，而且突破了實(shí)驗(yàn)場(chǎng)地和時(shí)間的限制。利用隨時(shí)隨處都能實(shí)現(xiàn)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)仿真實(shí)驗(yàn)，可以讓學(xué)生自主設(shè)計(jì)思路，進(jìn)行主動(dòng)探究實(shí)驗(yàn)，從而提高學(xué)習(xí)的趣味性和認(rèn)知度。

3.2.3 避免現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中的事故

機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)教學(xué)體系中不可避免地有很多教學(xué)實(shí)驗(yàn)，然而部分實(shí)驗(yàn)存在一定的安全隱患，如危險(xiǎn)性實(shí)驗(yàn)、破壞性實(shí)驗(yàn)、無(wú)法控制反應(yīng)過(guò)程的實(shí)驗(yàn)等。為了保證教學(xué)的安全性，傳統(tǒng)的教學(xué)試驗(yàn)中可能會(huì)忽略，通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以把這類(lèi)危險(xiǎn)實(shí)驗(yàn)安全、直觀地展示出來(lái)，以提高學(xué)生的認(rèn)知，讓學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)有了進(jìn)一步的了解[4]。

4 結(jié)語(yǔ)

隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，在機(jī)械類(lèi)專(zhuān)業(yè)情景教學(xué)中部署支持增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)設(shè)備，大力開(kāi)發(fā)其在課堂教學(xué)的應(yīng)用，滿(mǎn)足課程改革和創(chuàng)新人才培養(yǎng)的需求，對(duì)創(chuàng)新課堂教學(xué)模式、為教學(xué)提供逼真的學(xué)習(xí)情境，具有很高的應(yīng)用價(jià)值。