AR技術在工程訓練教學中的探索與實踐

李曉春，黃海龍，曲曉海

（吉林大學 機械與航空航天工程學院工程訓練中心，長春 吉林 130025）

0 引言

實踐教學在高等工程教育中占有舉足輕重的地位，特別是在教育部積極推進“新工科建設”背景下，通過實踐教學改革進一步提高學生動手能力與綜合素質以適應時代和實踐發展的需要具有重要的現實意義[1，2]。

AR技術（增強現實Augmented Reality，簡稱AR）是將原本在現實世界的一定時間空間范圍內很難體驗到的實體信息（視覺信息、聲音、觸覺等），通過技術性手段實現真實的環境和虛擬的物體實時疊加于同一個畫面或空間，從而在被人類感官感知后帶給人們視覺、聽覺、觸覺上全方位的超越現實的感官體驗。AR技術其使抽象的內容具體化、形象化的特質與工程訓練實踐教學具有極強的貼合性，能夠打破傳統工程教育實踐教學模式的局限性，為工程訓練的發展提供全新的機遇。不過，當前國內AR技術運用還不夠廣泛，投入工程訓練方面也基本屬于全新領域。如何充分發揮AR技術的優勢，改善工程訓練中存在的問題已是所有工程訓練創新的重要方面[3，4]。

1 當前工程訓練存在的主要問題

當前我國高等教育工程訓練實踐教學由于其課程的特殊性和歷史發展的延續性，仍存在一定的問題。這些問題主要集中在以下方面：

（1）傳統教學模式缺乏創新

我國多數高校工程訓練中心都是由原校辦實習工廠轉型而來，相應之下工程訓練指導人員素質參差不齊，教學方法單一，有些指導人員的知識嚴重老化，已跟不上時代的進步。講述的知識和講述方法很多都是上個世紀七八十年代的東西，已無法滿足現在學生的要求。工程訓練中心的歷史淵源造成了當前工程訓練教學模式上一定程度的路徑依賴，即傳統工程訓練“師帶徒”式的“講—做”教學模式單純強調在知識的單向傳遞，忽略學生作為教學另一主體的主體性地位，從而帶來工程訓練全過程學生自主性學習缺位問題。具體來說，個別模塊在教學過程中至今在沿用指導人員從頭到尾演示一遍，包括設備的操作、數據的輸入等，學生再重復這一過程的教學流程，使整個整個工程訓練過程學生不需動腦思考，只能進行單調的重復，造成訓練過程枯燥無味，學生很難真正習得相應技能[6]。

（2）實訓指導人員數量嚴重不足

工程訓練不同于其他專業性課程，指導人員和學生人數必需滿足一定的比例，否則無法保障教學質量甚至無法保證學生的實習安全。因此，《工程訓練教學示范中心建設規劃與驗收標準》中對指導人員與學生人數比例有著嚴格的規定，如車工1∶1～7、銑工1∶6～8等。但隨著高校擴展背景下學生規模的擴大和新技術、新工藝不斷涌現背景下工程訓練模塊不斷增加，有限的實訓指導人員引進現實中很難嚴格滿足相關標準的要求，當前全國許多工程訓練訓練中心都存在指導人員嚴重不足、指導人員與學生人數比例不達標的人力問題。

（3）安全問題較為突出

工程訓練實訓中很多模塊都是有一定的危險性，如車削加工、銑削加工等模塊易發生纏繞事故，熱鍛模塊易發生燙傷事故，激光加工如不按規定操作易對眼睛及身體造成損傷等。傳統式的安全講解如今很難引起一部分學生的真正重視，同時也由于學生對實訓工藝流程知識模糊、工具使用不熟練往往也造成一定的操作風險。加之，當前各高校工程訓練過程中安全事故時有發生，不利于工程訓練事業持續、健康、穩定發展。

（4）難以進行預習和復習

受制于工程訓練課程自身強調操作性的性質要求，學生單純的通過閱讀書籍進行預習、復習的效果十分有限。但工程訓練中心實訓現場資源很難提供給學生進行課前的預習和課后的復習，使得當前工程訓練實訓教學通常只是“一錘子買賣”，很難通過自學實現鞏固和提高。

2 AR技術在解決工程訓練中相應問題的措施

針對工程訓練中存在的主要問題，AR技術能夠從AR可視化工程訓練教材建設、AR技術應用于實訓現場、虛擬仿真與現實操作相結合及線上視頻資源建設四個方面提供一定的解決方案。

（1）AR可視化工程訓練教材的建設

AR可視化教材的建設包括書籍內容的編寫與配套數字化教學資源的制作兩大環節。①在書籍編寫上，完整的教材體系一方面要包含以基本概念為基礎，在傳統實習內容的基礎上進行適當的整合規劃，充實新技術、新工藝相關內容，深入淺出介紹相關模塊涉及理論知識的教材；另一方面根據各模塊其自身特點，對實訓中所需使用的設備的具體操作進行詳盡的敘述，力求讓學生可以對整個實訓操作過程清晰明了的指導書；還要有對實訓內容進行復習、總結、歸納提高，對課程考查知識點進行強化理解的報告書。②為了使學生進一步的理解，還應在教材中配備適量的數字化教學資源，即圍繞知識體系下的難點、抽象知識點、復雜工藝過程等，通過二維平面動畫、三維立體動畫、三維仿真交互建立支撐工程訓練教材的數字化教學資源。教材應按照邏輯結構與可視化教學資源實時一一對應，根據具體內容增加二維碼，通過掃描紙質教材中的二維碼，從而實現與教材對應的立體可視化學習過程。

（2）AR技術在實訓現場的應用

工程訓練實訓現場是同學們進行實訓學習的地點，其設計與布置往往盡可能的真實模擬生產環境。但為配合教學需要，實訓現場仍需懸掛一些教學掛圖。傳統的教學掛圖往往是一些枯燥的機械制圖，不能充分調動同學認真觀察的積極性。AR技術在實訓現場的應用關鍵在于重建實踐教學場地掛圖體系。AR技術能夠將一部分較復雜的二維圖紙更新為三維圖紙，在部分的教學掛圖旁、實踐操作指導上、操作機床上附加數字化教學資源二維碼，可以方便學習者在學習過程中隨時使用對應的教學資源，使學生在遇到疑問不僅僅可以向老師尋求幫助，也可以借助AR技術對一些表述繁瑣、理解難度較大、不易觀察的知識點和操作難點進行掃碼學習。

（3）虛擬仿真與現實操作相結合

虛擬仿真運用于工程訓練實訓中，能夠通過采用計算機虛擬現實技術創建的虛擬交互式實踐操作環境，使操作者可以像如同在真實環境中一樣完成各種預定的實踐項目和實踐訓練。將虛擬仿真與現實操作相結合，既增加了工程訓練實訓的技術吸引力，也大大降低了工程訓練的安全隱患，提升了工程訓練效率與質量。以機械拆裝模塊課程為例，該模塊教學要求學生對實訓設備進行拆裝實訓，要求學生掌握機械拆裝的基本方法和常用工具的使用，同時了解機械傳動的基本原理和配合的基本形式。由于學生對傳動形式、連接方式和固定方式、拆裝工具等了解不夠充分，經常會進行野蠻操作并造成高風險、高成本、低質量的教學悖論。而如果使用虛擬仿真軟件，將虛擬仿真與現實操作相結合，將會大大提升工程訓練實訓的整體品質。

（4）構建完善的線上視頻資源

隨著“互聯網+”“大數據”時代的到來，探索線上學習、線下實踐的工程訓練新模式對于實訓效率和效果的提高已具有越來越突出的作用。AR技術引入之下，通過在線教學平臺的整體建設和在線課程視頻資源的開發，學生可以通過手機在學習通中隨時隨地學習，最大限度地獲取相關的課程知識和技能；也可以對不熟悉或者有疑問的知識點，通過網絡資源可反復觀看學習。線上教學平臺的使用一方面可以培養學生自主學習的能力，另一方面可以使老師通過網絡后臺記錄的學生平時線上學習的狀況，及時掌握學生的學習情況和學習中的難疑點，便于在今后的教學中進行改善。

3 AR在工程訓練教學中的實踐成果

（1）線上教學及線下教學配合相得益彰

此處利用工程訓練成績測評本項目的效果，工程訓練成績測評采用線下+線上混合考核法，總成績包括線上學習成績（占10%），工程訓練線下模塊實訓操作成績（占總成績56%）、實習報告成績（占14%）及工程訓練考試成績（占20%）。研究對象為吉林大學汽車工程學院2018級、2019級及2020級參加工程訓練的學生。2018級學生使用舊版教材、2019級學生使用新版AR可視化教材，2020級學生使用新版AR可視化教材的同時配合線上視頻資源使用。學生成績統計情況如圖1所示。

圖1 工程訓練成績對比圖

2020級學生同2018級學生相比，優秀率由18.5%提高至25.9%，良好率由42.3%提高至57.2%，優秀率和良好率分別提升了7.4%和14.9%。從上述數據可以看出，隨著新版AR可視化工程訓練教材的使用及線上資源的投放。學生的工程訓練成績有了較明顯的提升，而通過對學生線下模塊實際成績的分析，也可以看出學生的動手能力及操作的規范性都得到了進一步的提高。

（2）利用虛擬仿真軟件降低教學耗損，保證學生實訓安全

通過機械拆裝虛擬仿真軟件（圖2）的使用使學生熟練掌握拆裝順序及拆裝工具的使用方法，一方面大大地減少零件的破損及丟失，延長了實訓設備的使用壽命，進而減少了教學損耗，降低了教學成本；另一方面將實訓過程中的危險性進一步降低，使學生的安全得到了保障。

圖2 機械拆裝教學模塊虛擬仿真軟件

同時，在整體課時不變的基礎上，虛擬仿真軟件的使用大大提升了學生的拆裝速度，在一定程度上彌補了課時不足的問題。

此外，虛擬仿真軟件的使用豐富了拆裝訓練模塊的教學內容，使原本繁重、枯燥的實訓內容緊湊、新穎起來，提高了學生的學習興趣和教學效果。

（3）教學資源的充分利用

在AR技術的支撐下，根據實訓模塊的重點及難點，進一步豐富了教學資源。重新構建了工程訓練教學場地掛圖，在需要的位置附加數字化教學資源二維碼。學生可以直接利用手機進行預習、復習或補充學習，實現自我答疑解惑，從而建立起信息化支撐下的實踐教學環境。

為驗證效果，對吉林大學2021年春季學期參加智能制造模塊實訓的72組學生進行調查問卷。發現絕大多數的教學組內有超過80%的同學使用了相關的教學資源，見表1。并在后期的回訪中，同學們普遍反映通過掃碼學習解決了操作上的難點，同時對一些不易觀察的內容也可以清晰明了的進行學習。

4 結語

面對新一輪的世界競爭，只有增強國家工業的競爭力，在世界工業發展中才能搶占先機。工程訓練作為一個重要的實踐教學環節實踐，學生在這里培養工程設計、制造、管理、創新這一系列的整體工程綜合能力。只有打破傳統教育模式的局限性，才能為工程訓練教學提供新的發展機遇與進步途徑，而AR技術在工程訓練中的應用無疑做到的這一點。工程訓練教學改革任重而道遠，需要不懈的努力與探索才能使學生把動腦與動手、實踐與理論、教學與生產、方法訓練與技能培訓緊密地聯系和有機地結合，為祖國提供優秀的工科人才，使中國邁入制造強國行列，成為制造強國。