增强现实技术在《机械设计》课堂教学的应用

刘丽兰 陈恩来 谭晶 邓召义 任彬 傅燕鸣

摘要：《机械设计》课程是机械工程学科的专业核心基础课，存在着内容繁多、理解难度大、课堂教学枯燥等问题。本文提出将增强现实（Augmented Reality，AR）技术应用到课堂教学中，充分利用AR技术的虚实结合、互动操作与沉浸式体验等优势，开发出《机械设计》课程中包括标准零件、传动结构、实例机械等在内的一系列虚拟产品对象，并采用打包为应用的形式，实现虚拟对象与打印图纸的同步三维立体显示和操作。课堂中学生们可以采用Ipad、安卓手机等电子设备安装使用，实现对教学内容进行原理分析、实例展示、内容拓展等，达到课堂教学生动立体、课程内容快速理解和掌握的效果。

关键词：增强现实；教学应用；《机械设计》

中图分类号：G642.0 文献标志码：A 文章编号：1674-9324（2018）08-0177-04

一、背景介绍

《机械设计》是一门论述机械设计理论、方法，培养学生具有机械设计能力的技术基础课，任务是使学生掌握如何设计和选用通用机械零部件，进而具备设计机械传动装置和简单机构的能力。教学内容包括：联接设计（螺纹、键销等）、机械传动设计（如带传动、链传动和齿轮传动等）和轴系零部件设计（如滑动、滚动轴承还有联轴器等）。近年来，随着课程结构的调整，该课程的教学内容在不断更新和增加，而总的课时却在不断减少，如何解决学时数与教学内容之间的冲突，并在有限的学时内提高学生的机械设计和创新能力，已经成为广大一线教师开展教学改革的目标[1]。

在传统机械类课程中，教师一般使用图片、影像和实物模型讲解机械结构和运动功能等，这些方式通常存在以下一些问题：①静态的教具很难讲清楚机械的具体结构和原理，学生不易想象零件形状和空间结构。②实物模型制作成本高，携带不方便，教师演示时学生容易错过关键信息。③传统的板书加PPT的教学不易激发学习兴趣，学生易注意力不集中，上课开小差。

为了改善传统《机械设计》课程教学的弊端，本文提出采用AR技术辅助教学，将理论、静态的内容转化为生动、形象的模型画面，结合到真实环境的图纸中，利用互动操作降低学习难度，提高学生的学习兴趣和学习效果，从而推动创新课程的建设。

二、基于AR的机械设计产品制作流程

1.增强现实（AR）技术。增强现实技术（Augmented Reality，AR）是在虚拟现实的基础上发展起来的新技术，是通过计算机提供的数据信息来增加使用者对现实世界感知的科学技术，并将计算机生成的虚拟物体场景或系统提示信息等内容叠加到真实场景中，从而实现对现实世界的增强。在实现功能的同时，由于与真实世界的联系未被切断，其交互方式更加自然[2]。

AR技术可广泛应用于多种领域。在教育领域，国外学者已经做了比较多的实践研究：①将AR融入课堂教学。Shelton和Hedley使用AR技术演示九大行星的教学实验、Kauf-mann将其用于空间几何教学、Dnser与Horneker在儿童寓言故事中引入AR实现互动与合作学习等[3]。②将AR技术应用于图书阅读。BillingHurst，Poupyrev利用AR将图书内容呈现为动画形式[4]。③将AR技术应用于游戏娱乐中。如新加坡公司的娱教产品wIzQubes；Hye Sun Lee和Jong Weon Lee设计用于幼儿算数的教育游戏；Ori Inbar开发手机AR游戏实现随时随地学习拼音 [5]。

相比于国外，国内AR研究尚处于初级层次，大多数存在于高等科研院校，因此具体应用比较少，将其应用于教育领域则更少，但目前也有一些成果：北京师范大学现代教育研究所蔡苏等人探讨了AR对教学的意义和价值，并对应用前景做出了展望；张宝运、恽如伟分析了AR的教学应用需求和应用优势，在物理教学上进行了尝试；李婷分析了AR的特点，探讨了其在移动学习中的应用；徐媛根据AR所具备的性能和已有成果，探讨其在教学中的应用领域；张洪波探讨了增强现实的技术原理，设计了部分教学模型，开发了应用案例；苏俊钦将增强现实应用于儿童学习注音符号的学习；等等[5]。

AR技术具有三个突出的特点：①真实世界和虚拟的信息集成；②具有实时交互性；③在三维尺度空间中增添定位虚拟物体。将虚拟模型叠加到真实环境中，可以携带更多的辅助信息，十分适合《机械设计》课程中零件外形、机械结构和运动变化的演示，并且形式新颖，使学生能在互动中大大提高教学的趣味性和吸引力，提高教学质量。

2.《机械设计》教学应用制作流程。针对传统《机械设计》课程中存在的问题，本文采用AR技术制作辅助教学应用来提升教学效果。本文以减速箱这一经典设计产品为例，通过制作三维模型的动画以及内部结构展示，将虚拟的三维效果与真实的图纸结合，呈现出更为丰富的教学信息，让学生在互动中掌握学习内容。应用制作中先后使用了SolidWorks、3d Max和Unity 3d三个软件，制作流程如图1所示。

（1）绘制三维模型。能够制作三维模型的软件有很多，本文采用在高校中机械设计方面较流行的SolidWorks软件进行绘制。SolidWorks软件功能强大，组件繁多，各种标准的零件库数量丰富，可供直接调用。其界面简洁，操作方便，深受高校学子的青睐。打开SolidWorks，根据设计要求先绘制非标准零部件，比如减速器箱体吊耳等部分，之后标准件直接调用SolidWorks的零件库，最后组装为完整的装配体保存。

（2）制作相关变化动画。在SolidWorks中完成机械三维模型绘制后，保存成.wrl格式，使之能被3d Max软件打开制作动画。虽然SolidWorks本身也能制作运动仿真等动画，但由于最后要做成一个应用软件，其格式无法使用。此外，由于最后的应用需要一些动画效果，使用专门制作游戏动画的软件3d Max更为适合。3d Max是基于PC系统的三维动画渲染制作软件，广泛应用于广告、影视、工业设计、建筑设计、三维动画、多媒体制作、游戏、辅助教学等领域的动画制作。其本身具有三维建模能力，但并不是專门为机械方面设计，故采用SolidWorks建模和3d Max制作动画，以两个软件相结合的方式各取所长。在3d Max中，将前一步骤中绘制的模型作为素材导入，主要制作两个齿轮的传动配合动画以及减速器的分解动画，如图2。前者用于教学展示减速器内部运转以及齿轮啮合的过程，后者为学生展示整个减速器内部构造，各零部件之间的位置关系还有组装情况，最后将结果保存成.fbx，用于Unity 3d制作应用软件。

（3）组合素材编辑互动操作。Unity 3d是一个让用户轻松创建三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等互动类型的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎，用它制作的软件可发布至Windows、Mac、Iphone和Android等平台。本文将利用之前制作的模型和动画作为素材，采用Unity 3d软件整合制作成一个AR互动软件，最后安装于安卓手机作为教学工具。①导入素材。将之前制作好的三维模型以及相关动画导入软件中，Unity 3d很多操作都可以通过简单的拖拉进行。AR所用的识别图，需要制作特征识别点，目前主要通过Vuforia官网进行处理，其有专门为Unity 3d设计的图片处理服务。在网站中上传需要被识别的图片，简单设置参数后，后台将处理拾取特征点，最后生成插件包供用户下载到本地，作为用户个人包加载入软件就可以使用了，且识别效果良好。处理后的图片特征点如图3。②场景布置。在Unity 3d添加ImageTarget组件，对其设置识别对象，设置为插件包中的识别图。添加ARCamera组件，设置使摄像头识别图片，以其作为触发显示模型。添加识别图对应的三维模型，并调整大小与相对位置。添加操作按钮，如移动、旋转、运动拆解等，调整大小，布置在周围合适位置，结果如图4。③操作添加及打包安装。Unity 3d本身是一款游戏引擎，可通过添加C#脚本对模型组件进行控制。由于是教学使用，本文添加的按钮用于展示的前后左右移动、旋转、放大缩小、运动配合以及爆炸分散这几种。添加脚本并关联按钮和被控模型后就可以打包成软件安装包。本文采用安卓系统，将打包好的APK文件安装进手机，这便完成了教学设备的制作。

三、应用效果分析

1.《机械设计》教学中的演示。将AR技术引入《机械设计》的课程教学中，实行中采购了一批安卓智能手机，结合课程教学安排制作相应章节的AR应用软件，再将软件安装入手机中用来展示模型和一些相关信息。在课堂中，教师给学生分发教学用手机作为AR显示工具，并分发带有本节教学内容的识别图，学生利用手机打开软件识别图片，之后生成的三维图片就会在手机的显示窗口中叠加到真实场景中。结合识别图上的信息以及直观的三维模型，互相辅助加以理解。AR显示的还有机构运动的动画，学生也可以自主观察自己不明白的细节部分，如图5所示。

2.课堂教学应用效果分析。在《机械设计》课程教学中，教师需要讲解机械结构的具体细节、零部件之间的联接方式以及运动传递形式等。这类内容的教学如果单靠图片，则需要教师具有较好的表达能力，需要学生有较好的空间想象能力，因此通常辅助以实物模型的展示，但是实物模型具有体积大、零部件繁多、不易携带的特点，此外还易损坏、不便保管[6]。在课堂中，由于教师携带数量有限，通常由教师在讲台上展示模型，在课间才能供学生传阅，因此学生无法长时间地仔细观摩，只能走马观花地看一下，教学效果一般。利用虚拟产品进行课堂教学，主要取得了如下效果。

（1）数据内容丰富。通过制作模型动画，打包成手机软件。在如今的手机存储能力下，可以存放大量的数据内容，可以加入同类别机构的多种不同形式。在现实中叠加模型的同时，也可以插入文字介绍信息以及实际使用的视频片段，借此拓展教学的信息容量。

（2）互动操作体验。形式新颖，能够吸引学生的注意力。学生可以根据预先设定的按键进行一定的互动操作，通过点击按键使机构运动或播放周边视频。最重要的是可以操作模型的显示大小以及位置姿态，学生可以对自己不理解的区域，自己独立探究，借此能加深理解，提升学习效果。

（3）激发学习兴趣。AR展示其形式本身如同游戏，学生在动手玩的过程中不断加深印象，在方位转换之间享受探索的乐趣。借助电子设备的高存储能力，添加教材以外的信息，拓展模型的展示来增加学生的阅历，提升学生的学习兴趣。

（4）结论与今后的工作。在《机械设计》这类需要展示空间结构的课程中引入AR技术，将立体的三维模型和平面的二维图片叠加后呈现。学生通过AR的实时性可以自由观察模型的各个位置，只需看真实物体移动自己的视角。通过增加互动按钮可以提高互动的操作性能，以此可用来革新教学模式，提高学生的学习兴趣，进而提升教学质量。

今后的工作主要是改善模型建立的精细程度，完善AR互动方面的设置以及显示效果和形式，增加展示的信息量，使之能提高整个互动体验。进一步可尝试使用在线数据库的模式，通过网络连接来获取模型取代目前本地逐一安装软件的情况。

参考文献：

[1]申燚，王明强，袁明新，馮振，陈文.虚拟仿真与装配在机械原理与设计课程群教学中的应用[J].当代教育理论与实践，2013，（12）：79-81.

[2]Cabrilo I，Bijlenga P，Schaller K.Augmented reality in the surgery of cerebral aneurysms：a technical report [J].Neurosurgery，2014，10 Suppl（2）：252-261.

[3]El Sayed，N.A.M.，Zayed，H.H.，Sharawy，M.I.ARSC：Augmented Reality Student Card [J].Computers & Education，2011，56（4）：1045-1061.

[4]Billinghurst，M.，Kato，H.Collaborative Augmented Reality [J].Communications of the ACM，2002，45（7）：64-70.

[5]胡智标.增强教学效果 拓展学习空间——增强现实技术在教育中的应用研究[J].远程教育杂志，2014，（02）：106-112.

[6]李曙生，金家楣.三维动画技术在机械类课程教学中的应用[J].泰州职业技术学院学报，2003，（2）.