基于AR技術的可視化自主學習平臺應用研究

華雯婷 張賽 王成琳

摘 要：土木工程專業因其具有理論性與實踐性并重的特點，僅依靠傳統教學方式無法滿足現代化人才培養的需要。文章介紹了“AR助學”App，這種基于AR技術的可視化自主學習平臺具有直觀式、沉浸式、交互式的特點，有助于解決學生理論知識理解困難、實踐機會不足的問題，有助于培養學生的創新能力，提高工程實踐能力，有助于提升高校信息化教學水平。AR技術在高校教學中的應用是對傳統教學模式的巨大改進。

關鍵詞：增強現實;可視化;教學平臺

0 引言

隨著科技經濟的快速發展，社會對高等教育提出了更高的要求，應用型本科人才不僅要具有扎實的理論基礎、過硬的專業技能，還要求具有一定的組織協調能力，具備科學實踐創新能力。本科教學質量和教學方式將直接影響高校人才的培養質量。隨著近年來新課程改革的持續推進，互聯網信息技術、人工智能、增強現實及3D打印等現代科技深刻影響和改變著當下的教育和學習方式。此外，智能手機的廣泛使用，使得現代信息技術融入課堂成為現實。其中，增強現實技術作為一種新的信息技術手段，越來越多地被應用于教學。國外學者在情境設計、教學實驗、課外研究活動等教學中，利用AR技術進行模擬教學。克罩斯托弗·德迪教授提出了基于“增強的現實”的新課程模式，他認為在創設教學情境方面，由于注重學生對學習活動的參與，可利用增強現實技術對學習情境進行模擬，達到促進學習的目的^[1]。還有學者認為，使用增強現實技術可將復雜的教學內容簡單、直觀地呈現在學生面前，并可拉近師生間的距離，實現師生間的互動，調動學生積極性。

1 AR技術

增強現實技術（Augmented Reality，AR）是利用計算機技術，將虛擬物體和真實環境實時疊加在一個空間或畫面中。軟、硬件系統的相互協調使虛擬物體和真實環境進行三維的實時交互，使虛擬物體在用戶感官上成為真實環境的一部分。增強現實技術可以增強用戶的感知能力和交互能力，為學生提供直觀的學習情境，增強學習體驗，激發學生的學習興趣，為培養學生的自主學習能力奠定基礎。這種學習形式，可以讓學生在最接近真實交互的形式下搭建自主學習的環境，創造學習環境的體驗感和沉浸感，以此促進學生對知識的構建，這對土木工程專業中較抽象教學內容的教學具有重要的作用^[2]。

2 基于AR技術的可視化自主學習平臺設計

2.1 AR在土木工程課程中應用的思路

AR技術在土木工程專業中的教學應用，應結合應用型人才培養目標和行業崗位的需要，開發出具有一定規模和體系的AR教學課程、教學資源以及虛擬仿真教學平臺。開發教學體系的手機應用程序，配合智能手機，搭建針對專業教學課程體系的可視化自主學習平臺。

根據土木工程專業課程設置，AR技術可以針對以下3個大類進行應用研究：

（1）設計類課程。如“工程制圖”“房屋建筑學”等課程，主要利用AR技術的沉浸性，讓學生切身感受布局和設計的合理性。

（2）理論類課程。如“理論力學”“材料力學”“結構力學”等課程，將構件內部的受力情況進行可視化處理，使理論知識直觀化。

（3）操作類課程。如各類實驗、實訓、實踐課程，基于AR平臺，虛擬出全過程操作，使學生不到現場也能體驗實踐過程，并完成操作。

2.2 基于AR技術的可視化自主學習平臺研究內容

青島理工大學琴島學院土木工程專業分設房屋建筑與道路橋梁兩個專業。本研究中，可視化自主學習平臺是基于土木工程道路橋梁方向，理論分組選修課程“交通工程”建立的。本課程主要介紹道路交通系統中人、車、路、環境的綜合知識，通過對交通流運行機理、交通工程技術的闡述，使學生理解道路等設施的建設過程對道路使用的重要影響，為后期道路橋梁工程建設相關課程奠定基礎^[3]。

本課程具有綜合性、開放性、空間性、動態性等特點，雖然教學內容與學生的日常生活關系密切，但其中多數理論觀點，如跟馳理論、流體力學模擬理論，若僅利用傳統的教學方法，通過文字和圖片詮釋，不利于學生直觀理解。此外，對于交通流參數、車輛等相關技術參數名詞，若只依靠教師單獨講解，會導致課程內容枯燥，不能提高學生的學習積極性，不利于知識的認知，難以達到使土木工程專業學生對本課程建立宏觀認識的教學目的。且學生若一味單純被動接收知識，只注重知識的生成和記憶，忽略了直觀、形象化的學習過程，不利于培養學生的自主學習能力和空間思維能力。

基于此，本文以Android手機為載體，根據教材中的知識點，結合增強現實技術，搭建一款針對本課程教學內容的可視化自主學習平臺。平臺以增強現實的方式，將虛擬的信息擴充在現實空間中，即由計算機程序與手機攝像機的辨識技術相結合，使設定對象置于攝像頭內，屏幕即會出現對應的虛擬對象。

2.3 可視化自主學習平臺的教學效果

2.3.1 提供具有沉浸感、交互性的教學環境

可視化自主學習平臺可通過智能手機掃描課本中的關鍵字或圖片，360°展現相關實景圖像，讓學生置身其中，深層次地理解問題。

2.3.2 激發學生學習興趣，培養自主學習能力

將AR技術應用在教學中能增加學習過程的趣味性，激發學生學習興趣，增強學習體驗，促進學生自主學習，有利于學習能力的培養。

2.3.3 優化學習環境，提高學習效率

將AR技術應用于教學，使傳統以被動接收知識傳遞、間接獲取學習經驗的學習方式，向以學生為主體的主動學習過程轉化，體現了讓學生參與課堂、讓學生主導課堂的教學改革思想。此外，在這種高度模擬的環境中學習知識，會使學生加深對知識的記憶，從而提高學習效率。

3 應用實例

3.1 “AR助學”手機App概述

本文以“AR助學”手機App為例，進一步探究AR技術與課程自主學習的深度融合。“AR助學”應用AR技術，將虛擬模型與現實場景進行疊加，實現現實和虛擬結合的直觀效果。該應用程序由兩大模塊組成：AR識圖和知識介紹。

本應用程序以Android智能手機為載體，利用智能手機攝像頭獲取平面影像或關鍵字，借助AR技術，通過疊加真實的三維立體虛擬影像，在手機屏幕上顯示特殊效果。利用Android系統對智能手機方向傳感器的調用，可呈現360°的AR實景圖像。通過拖動、旋轉等操作，使所成三維影像實現空間上的位置變換，從而可以從空間各個角度對影像進行觀察，使學生身臨其境地操作和感受。“AR助學”也可針對個別知識點進行深入講解，點擊與知識點有關的鏈接，即可出現詳細的文字及語音信息^[4]。

3.2 “AR助學”手機App應用

以車輛技術參數為例，通過“AR助手”，可以直觀了解各尺寸參數所代表的含義，展現學習過程的趣味性。

首先，在智能手機設備中打開“AR助手”，點擊“AR識圖”并利用攝像頭識別教材中的車輛圖片，手機即呈現虛擬三維車輛的空間圖像，學生可轉動、放大或縮小車輛進行觀看，對車輛的技術參數進行學習記憶。教師可以引導學生，通過調用手機方向傳感器，找出各尺寸參數所表征的位置，將理論概念具象化，加深學生的印象。“AR助手”可對尺寸參數進行逐一介紹。以軸距概念為例，應用程序可通過旋轉模型呈現如固定軸距、轉向架軸距、全軸距的具體位置，并深入講解與軸距相關的概念，有播放需要的還可點擊播放按鈕進行3D動畫演示。

4 結語

基于AR的可視化自主平臺是將傳統教學、多媒體教學與現代化信息技術有效結合的一種全新教育模式。利用AR技術，最大限度地保留教學過程中的互動與自主學習環節，調動學生的積極性，使學習過程變得生動有趣，達到最佳的教學效果。還能在降低教學實驗投入成本的同時，保留學生參與實踐的真實感受，是應用型人才培養中一種理想的教學方式。

基金項目：2020年山東省高等教育研究項目;項目名稱：“互聯網+”背景下可視化自主學習平臺在土木工程專業課程中的應用研究;項目編號：20HER018。

作者簡介：華雯婷（1985—?），女，山東青島人，副教授，碩士;研究方向：交通工程專業教學。

[參考文獻]

[1]廖平，向敏，謝兆平.應用型本科土木工程專業課程的教學改革探究[J].創新創業理論研究與實踐，2020（22）：60-62.

[2]方燾，薛凱喜.以創新能力為核心的土木工程實踐教學方法與平臺改革探索[J].高教學刊，2019（21）：41-46.

[3]王濤.增強現實在教學中的應用及范例設計[D].大連：遼寧師范大學，2017.

[4]王鵬，李志強，李彩紅，等.VR技術在土木工程教學中的應用研究[J].黑龍江生態工程職業學院學報，2020（6）：126-137.

（編輯?王雪芬）

Research on the application of visualized autonomous learning platform based on AR

Hua Wenting， Zhang Sai， Wang Chenglin

（Qingdao Technological University Qindao College， Qingdao 266106， China）

Abstract：The specialty of civil engineering cannot meet the needs of modern personnel training only by traditional teaching methods because of its characteristics of emphasizing both theory and practice. This paper introduces the?“AR Learning Aid”?App. This visualized autonomous learning platform based on AR technology has the characteristics of intuitionistic， immersive and interactive. This procedure is helpful to solve the problem that students have difficulty in understanding theoretical knowledge and lack of opportunities in practice. It is helpful to cultivate students?innovative ability and improve their engineering practice ability， and it helps to improve the level of information-based teaching in colleges and universities. The application of AR technology in college teaching is a great improvement for the traditional teaching mode.

Key words：augmented reality; visualized; teaching platform