剖绘

刘超见 刘美 郝锐 柴宇珂 张皓

摘 要：针对当前高校教材利用率低的问题，文中设计了一款剖绘——立体课堂学习辅助工具，可有效将图片上的二维画面转化为3D立体效果，不仅有助于学生的理解，更能够减轻教师的负担。经调查，该系统具有广阔的应用前景。

关键词：增强现实技术;立体课堂

1 项目背景

1.1 项目来源与意义

据调查，全国800余所普通本科、1 200余所普通高职（专科）院校以及经国家批准设立的200余所独立学校和50余所分校办学点90%以上均开设有机械制图课程。机械制图课程作为一门基础课程，院校内90%以上同学需要修读，但该课程的优秀率（80分以上）却不足60%。究其原因，立体图形想象难，不易理解是主因。

广大教师团体对学生学习过程中遇到的问题表示理解，他们也进行过用三维建模软件为学生课堂演示的尝试，但耗时过多。教师普遍希望能够找到一种方法可以在不抛弃书本教材的前提下利用科学技术帮助同学们更直观地理解、想象立体图形。

增强现实技术（Augmented Reality，AR）是一种实时计算摄影机影像位置及角度并加上相应图像、视频、3D模型的技术，可以在屏幕上把虚拟世界套在现实世界中并进行互动。AR技术的出现可通过旋转屏幕与嵌套在屏幕中的3D建模模型进行互动，就像在现实中旋转3D模型来直观观察3D模型那样。

POU绘——立体课堂可以辅助教师教学与学生的理解，在不影响基本教学的前提下，增强课堂互动性与可操作性，将平面化的图像化为立体，方便学生多角度、全方位的观察，解决了普通书本教材表现力弱，立体图形想象难、理解不易的问题。

为课堂配上POU绘，可以提高教学效率、提升教学质量、扩展教学互动性，从而有效完善课堂体系。POU绘不仅可以用于机械制图课堂的教学，更广泛适用于建筑、医学、珠宝设计以及众多需要立体想象的领域。

1.2 同类产品对比

1.2.1 计算机辅助设计软件

功能：可以用于二维制图和基本三维设计，即使不懂编程也可自动制图，在全球范围内被广泛使用，如土木建筑、装饰装潢、工业制图、工程制图、电子工业、服装加工等领域。

缺点：制作三维图形耗时较多，需要使用PC机安装指定设计软件和阅读软件。课堂教学效率较低，且只能在教师微机上展示，与学生之间的互动性较差;学生无法针对自身问题进行实际操作，可操作性较弱;仅能在有限的课堂时间内进行展示，不便于学生课后回顾与练习;对设备要求苛刻，无法随时使用。

1.2.2 某机械制图神器

功能：为机械制图教材上的某些图形建立了立体模型，通过扫描教材上的二维码即可观看该模型的gif动画展示。

缺点：仅能观看立体模型，不能由用户对其进行相关操作，互动性不足;仅适用于机械制图课程，局限性较大;需要用户购买配套图书（带有二维码版），增加了用户体验费用。

1.2.3AR图书

功能：AR图书，即将AR技术应用在书籍上，其最大的特点是让静态的图文“活”起来。通常情况下，使用手机、平板摄像头扫描AR图书指定页码上的图片，可通过手机屏幕看到书中的二维人物形象变为3D立体模型，点击屏幕还可互动，将视觉体验扩展到视听多方位的体验。

缺点：价格较普通图书高，且需要下载配套APP;现阶段大部分AR图书都以儿童益智科普类为主，受众范围以及应用前景存在很大的局限性;对于儿童而言，在没有后续内容更新补充的情况下，看似新奇的阅读方式只能吸引他们一时的兴趣。受限于AR技术的实现，现阶段这种跃然纸上的阅读的趣味性无可持续性;从家长的角度来看，让孩子长时间盯着手机或者平板电脑不利于孩子的身心健康。产品对比见表1所列。

POU绘——立体课堂将看不懂、理解不透的三维图像展示在眼前，真实、直观，轻点触摸即可全方位观察。

2 项目概述

2.1 产品界面设计

（1）整体背景

背景色选为黑色，寓意黑板，黑色背景上的白色“粉笔字”画满数理化等学科的代表图形和符号，充满欢快的课堂气息。

（2）图标特点

功能按钮主要采用橘黄色，与黑色背景相互衬托，使整体色调变得活泼明亮，有助于改善学习心情。

分类图标选择齿轮的形状，充满工业气息和机械情怀，与软件名“POU绘”相得益彰。3D立体图设置为金属银，同时利用渐变色模拟不同平面的光感，最大程度还原工件原貌。

2.2 产品功能描述

（1）功能概述

“POU绘—立体课堂”（下称“POU绘”）是一款基于Vuforia增强现实平台以及EasyAR图像识别系统的辅助学习类应用。它可以通过手机摄像头将课本、课件上平面的图形变成“3D模型”或“注解视频”来帮助学习者更好地理解立体图和平面图之间的关系。

（2）使用方法

教师或图书出版商可以将制作好的学习辅助资料（三维模型、视频动画等）通过网页平台上传，进行简单设置后，学生可通过手机摄像头拍摄相应位置以获取辅助资料。

（3）作用效果

我们的软件使普通的平面图形变为立体可360°观看的三维模型，不仅可以帮助学生理解课本实例，也减少了教师制作额外演示项目的工作量。上课使用PPT时，教师只需在课下将教学演示的动画、视频上传至平台即可，无需放入PPT中，解决了视频动画与课堂电脑的兼容问题，不会出现“视频无法播放”或者“电脑卡顿”等状况，浪费课堂时间。

2.3 产品优点

本产品具有如下优点：

（1）利用当下热门的AR技术，增添了学习乐趣，帮助学生更加直观地理解课堂内容。通过这种立体的展示让学生更好地理解立体构型，便于同學理解。

（2）解决了教师上课使用PPT时遇到的种种问题，节约了课堂时间，减少了教师的工作量。通过APP将教学演示的动画、视频上传至平台即可顺利播放，有效解决了视频动画与课堂电脑的兼容问题。

（3）APP中识别的数据可以即时通过网络后台更改，不需要完全更新程序。通过网页后端课本、课件设置模块，教师和图书出版商可添加删除教材、课件的AR资料识别集。使用者使用辅助资料上传模块，可以上传3D模型/动画视频作为AR识别后的内容，同时还需要上传识别点的数据。

（4）环保，节约纸张，减少课本等的印刷。对比当下的讲解以及文字叙述，该APP将简化课本，让知识变的生动，大大节约了资源，让学习更加绿色。

（5）具有可分享性。模型展示可以共享，或增加其他互动模块，方便同学之间互相分享，让知识更有趣。

（6）具有较强的创意。开创虚拟课堂、立体课堂，将AR技术与教学相结合，让机械制图课程灵动起来，是基于Vuforia增强现实平台以及EasyAR图像识别系统的一款辅助学习类应用。它通过手机摄像头将课本、课件上的平面图形变成“3D模型”或“注解视频”来帮助学习者更好地理解。

（7）从课堂到课下，贯穿整个学习流程。从课本、课件到习题册，我们的软件会帮助学生全程掌握知识，同时便于教师管理和教学。

3 POU绘 设计总体方案

“POU绘”产品设计使用了MVP （Model View Presenter，MVP）架构，主要由跨平台手机应用终端、Web端后台及云服务器、数据库三大部分组成。整体架构如图1所示。

跨平台手机APP共有五个模块，具有协调同步实现用户交互、服务器通信、AR识别等功能。手机端APP模块见表2所列。

3.1 总体框图

MVP具体架构如图3所示。

3.2 手机端APP

3.2.1 运行环境与开发环境

运行环境：Android 4.1+，iOS 9+。

开发环境：Android Studio，Unity 5.6，Xcode 8+。

3.2.2 APP逻辑流程图

手机APP逻辑流程如图4所示。

3.2.3 功能模块实现

（1）首先使用Unity进行初次开发。将Vuforia增强现实工具包以及EasyAR工具包导入Unity，设置camera方向、光照系统等初始值。

（2）编写Unity摄像头识别代码并创建Prefab预制件，调用EasyAR识别功能，实现AR识别模块。

（3）编写模型受控旋转的C#控制脚本。

（4）将Unity项目导出为Android工程项目，在AndroidStudio中进行手机APP的二次开发，完成UI设计、缓存模块的设计。

（5）引入Socket包，编写与服务器通信的模块，实现登录注册、下载识别数据以及即时下载模型资料等功能。

3.3 Web端及服务器开发

3.3.1 运行环境与开发环境

运行环境：IE 9+，Firefox 3.5+，Chrome 3.0+，Safari 3.0+，Opera 10.5+。

开发环境：NodeJS，HTML 5+CSS 3，Vue.JS。

3.3.2 Web后台逻辑流程

Web端逻辑流程如图5所示。

3.3.3 服务器架构

服务器架构如图6所示。

3.3.4 功能实现

（1）使用NodeJS+MySQL作为后端服务器的核心，前端使用Bootstrap与Vue.js。NodeJS作为Web端的Server可响应用户请求，Vue.js作为前端渲染部分。

（2）除账户信息外数据无需加密，因此开放GET，POST方式与APP通信。

3.4 数据库开发

我们采用MySQL作为主数据库。SQL是一种通用的、功能性极强的关系数据库语言。其优点包括综合统一、高度非过程化、面向集合的操作方式等，并且只要在初期设计好数据库表单，后期也容易拓展。

数据库具体的表单字段如图7所示。

4 产品关键技术与创新

4.1 关键技术

4.1.1 AR

使用AR技术实现旋转屏幕与嵌套在屏幕中的3D建模模型的互动。

4.1.2 Unity+Andriod

Unity 3D是由Unity Technologies开发的让玩家轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等互动内容的多平台综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎。Unity类似于Director，Blender game engine， Virtools 或 Torque Game Builder等利用交互圖型化开发环境的软件。其编辑器运行在Windows 和Mac OS X下，可发布游戏至Windows，Mac，Wii，iPhone，WebGL（需要HTML5），Windows phone 8和Android平台。通过3D MAX建模，导入Unity中，通过Unity整合开发，实现手指旋转查看模型的功能。发布至Andriod平台，使Android手机可以运行POU绘立体课堂。

4.1.3 图像识别

图像识别是指利用计算机对图像进行处理、分析和理解，以识别各种不同模式的目标和对像的技术。采用摄像头采集图片，然后利用软件进行识别处理。

4.1.4 云服务器

实现图像的及时识别与下载教学功能。我们的教学模型并不继承在软件中，而是存储在云服务器中，通过云查找实现。

4.2 创新点

（1）利用当下热门的AR技术增添学习乐趣，帮助学生更加直观的理解课堂内容。

（2）跨平台移动终端应用APP中识别的数据可即时通过网络后台更改，不需要完全更新程序。通过网页后端课本、课件设置模块，教师和图书出版商可添加删除教材、课件的AR资料识别集。辅助资料上传模块，使用者可以上传3D模型/动画视频作为AR识别后的内容，同时需要上传识别点的数据。

（3）具有可分享性。

（4）引入判断对错功能。通过对习题结果的扫描，对学生绘制的作业图案进行识别判断。本功能可以用来进行学生自测、查缺补漏，并辅助教师评判作业，自动形成作业习题完成情况报告，以减轻教师的工作量。

（5）节约课堂时间，减少PPT制作过程的工作量，更加快捷有效。以往教师上课时，通过制作PPT，加入视频等增强学生的理解。而通过该APP，教师只需将教学演示的动画、视频上传至平台即可。

（6）减少了出版商在印刷时的纸张用量，保护环境。

（7）增加二维码功能，提供與其他平台相兼容的接口。使产品拥有更多附加功能和兼容性，大大提升了产品使用量。

5 应用场景

5.1 场景一 机械制图课本

机械制图是工程类，特别是机械专业的重要技术基础课，学习机械制图能有效提高学习者的分析综合能力、空间逻辑思维和形象思维能力，以及创新设计必须的想象能力[4]。

对于机械制图或者相关工程制图课程，同学普遍反映学习起来较为吃力，在非机类同学中反响更为强烈。究其原因，得出的结论是上课时间太短，课下时间自己看书因空间想象力较差理解起来较为困难。

通过该平台，教师或图书出版商可以将制作好的学习辅助资料通过网页后台上传。包括三维模型、视频动画等多媒体教具。进行简单设置后，学生便可以通过手机摄像头拍摄相应位置以获取辅助资料。针对机械制图教学过程中难以直观观察的视图或各种细节的产生过程，利用了3DsMax生成动画，通过动画演示各个角度图形的生成过程。

5.2 场景二 机械制图习题集

机械制图习题集作为学生自主学习过程中的重要环节，存在理解难、无引导、批改难等问题，针对习题部分，本平台在呈现立体图形的基础上实现了自主判题功能。通过对学生作答笔迹的扫描，结合题干，可以很容易地对作答答案进行判断。如作答正确，屏幕上会显示出绿色的正确的三维模型。如果作答错误，屏幕上会出现红色的“×”。该功能既可以对学生进行自测，查缺补漏，又可以辅助教师评判作业，减轻教师的工作压力。学生在进行自主判题之后会生成一条识别记录，作为做题量记录的依据，通过最终评分解决教师与学生需求不对应的问题。

5.3 场景三 机械制图课堂

传统课本加课件的教学方式存在一定的局限性，只能单一展示平面图片或固定视角的形状效果。若相对图形进行深入理解，就需要学生具备很强的空间构象能力。使用AR增强现实技术，结合图像识别与立体呈现技术，通过建模等方式将平面图转化为三维图像，提升了学生在学习过程中的乐趣。在课堂学习过程中，教师可以通过本平台更好地展示教学内容，通过AR实现由二维讲解到三维讲解的转换。学生可以自行在书本上扫描自助学习。“课堂签到”“课堂练习”等小功能也增加了课堂的互动性。

5.4 场景四 建筑学

目前国内建筑院校的本科教育虽然沿用包豪斯的“双轨制教学”模式，提倡教授理论知识与培养实践能力融为一体，但因为教学大纲的任务要求已经逐步转变成为“先课堂教学，后社会实践”的单向线性教学模式，故教学与实践的结合对于建筑专业学生有着不可忽视的作用。“POU绘”平台亦在建筑学教学上有着重要应用。对于由于时间成本以及财力成本等限制的不能现场实践的场景，可以通过AR技术三维重建后具体观测。建筑学类似于机械制图，尤其重视建筑内部的结构。以往的建筑学绘制模型通常采用图纸进行二维绘制，仅仅体现出与地面平行的结构。为了在二维图上体现出三维参数，就不得不对二维图进行一系列的符号化。这对学生立体感要求极高，且一旦看错，会造成严重后果，同时，将模型按比例缩放会浪费财力、人力。

本平台通过手机扫描图纸即可实现从二维平面到三维立体的转变，使建筑学教学更容易。建筑系的学生可以通过本平台更方便地观察建筑结构及各类实例。

5.5 场景五 医学

纵观现在的医学教育，大多数学校都是直接拿出立体的模型进行展示。立体模型固然有它的好处，相对于纯理论教授，它可以使教育变得更方便，且学生也可以更好的理解。然而实体模型带来的问题也显而易见：实体模型在使用过程中的损耗会很大程度增加学校的教学成本。实体模型虽然单个成本不高，但是因使用频率过大导致模型受损率极高;实体模型因成本问题，通常也只会在实验室配备，或者是教师讲解时配备;模型制作需要使用大量的生物资源以及化学资源，会给生态带来一定的影响。

增强现实技术可在医学领域发挥独特作用，可帮助医学学习者建立对人体系统的立体动态概念、观察内部活动、模拟手术实践等[6]。本平台在医学教育领域有着广阔的应用前景：

（1）软件的成本相比于硬件来说要低，有利于大范围采购。经AR增强现实出现的三维模型更加绿色，无需借助实验室条件。

（2）通过手机端，每个学生都有一个属于自己的模型，方便复习。

（3）携带方便。只需通过手机扫描图片，即可得到三维模型。

6 产品测试

手机APP注册界面、登录界面、课程选择分别如图8～10所示，机械制图课堂展示如图11所示，拆分展示如图12所示，机械制图课件如图13所示，建筑学展示如图14所示，医学展示如图15所示，网页后台（前端仍在完善）如图16所示。

7 市场前景

7.1 市场分析

传统的教辅书籍的内容和形式已经跟不上现代社会发展的需要，没有更多的内容服务创新空间。21世纪以来，随着网络技术的快速发展与应用，特别是在课堂教学领域的廣泛应用，已经有效实现了教学辅导的全方位覆盖，克服了传统教学的时空限制瓶颈，革新了传统教学形式和方法，优化了课堂教学资源。但在今天我国基础教育实践中，如何有效利用先进的网络技术实现教材、教学和教辅书籍形式与内容的突破性创新，为大学提供科学而新颖的教材辅助工具、课堂辅助工具、实验辅助工具，已成为一个紧迫而重要的实践课题。

“POU绘——立体课堂”（下称“POU绘”）是一款基于Vuforia增强现实平台以及EasyAR图像识别系统的辅助学习类应用。它可以通过手机摄像头将课本、课件上平面的图形变成“3D模型”或“注解视频”来帮助学习者更好的理解。

市场分析主要从学生、教师、图书出版商三个方面进行。经调查，POU绘很符合现在大学生的需求，提高了课本的利用率，使用简单便捷。

团队成员对北京多所高校展开调查发现，近八成大学生反映教科书使用率低，原因包括教师的讲义比书本更容易理解（68%），书本枯燥无味（42%），书本对于例子和实验的讲解过于平面化（40%），书本更新率慢，不能紧跟时代潮流（29%）……

调查发现，近八成的学生表示教师上课并不使用或很少使用教科书，他们都有自己的一套讲义和课件，按教科书内容进行讲解的教师更是少之又少。

但同学表示虽然课上教师大多使用讲义，但是书本对于同学的学习来说还占很大的比重。在考前一段时间，书本的利用率较高，但平日里由于书本内容枯燥且篇幅大，不比讲义精简，且详细介绍的地方又过于平面化导致书本使用率较低。

调查研究发现，教科书利用情况在文理科生中有差异，但不同专业学生对于课本是课堂辅助学习工具这一观点基本赞同。在大学教材利用率低的当下，文理科的状况又存在较大差异。大部分同学认为文科对教科书的利用率普遍低于理工科。文科知识较为活跃，很多教师上课时不会刻板地按照教科书讲解，而理工科的知识，比如一些原理性的东西，相对比较标准，教师对教科书的利用率会比较高。工科同学希望扫一扫课本可以得到某个实验的过程视频，建筑学的同学希望扫一扫课本能够看到书本上二维图形建模成三维之后的效果图，历史学的同学希望扫一扫书本上的人物就可以出现这个历史人物的相关知识点……

调查中，团队成员认识到教科书应该是基本的知识拓展。教师上课不按教科书上的内容讲，并不代表教科书就没有被使用的必要。教师看的书比学生多而且全面，所以教师能够从中归纳出一套较为系统的授课教案。但教师讲的只是一个线索，教科书应该是学生最基本的知识拓展工具，也是最重要的参考书目。在具有良好学风的一流大学里，学生都会把教科书读透。改善教科书未得到较好利用的方法就是让课本活起来，在辅助工具的帮助下，让学生爱上课本，多一些课下的学习，以提高课本的利用率。

我们的产品可使教材中普通的平面图形变为立体可360°观看的三维模型，不仅可以帮助学生理解课本实例，也减少了教师的工作量。

有需求就有发展，对于POU绘——立体课堂想法的建立就是源自于广大学生的需求，团队先从本校的机械制图课入手，了解到同学们机械制图课程分数差距大，然而机械制图课是一门必修的基础课，制图也是一种必备的能力。因此多方面了解同学们的需求后，设计了一种辅助工具以协助他们学习。此外，设计的弹幕功能是考虑到同学们的提议，待扫描出一道题目后有同学讲解这道题的重点难点，方便其他同学学习。

教师认为通过扫码得到视频讲解以及知识点讲解已成为未来的发展趋势，表示愿意与我们合作，让POU绘——立体课堂与课堂、课本结合起来，让课堂上的效率更高，让课下的课本内容更加丰富。

此外，当今时代，国家对于课改更加重视，对于课本的修改优化也在积极探索中。AR技术的发展以及线上学习产业的发展可以极大地满足中国大学生以及教师的需求，使得POU绘——立体课堂拥有广阔的市场前景。

学生调查问卷总结结果：

（1）八成学生认为教科书利用率低，讲解过于平面化。

（2）大部分工科的学生需要学习机械制图基础课程。制图作为一种必备能力，对于三维感知想象能力要求较高，调查中发现六成同学表示入门比较困难，期待借助三维辅助工具来帮助他们理解。

（3）七成机械类专业的同学表示也需要三维辅助工具来帮助他们更好地理解课本。虽然机械类专业学生不需要此类工具来辅助入门制图课的学习，但他们普遍表示在学习中随着知识点难度的提升，帮助他们构建三维想象模型的工具十分重要。

（4）五成建筑专业和四成医学专业的同学表示课本图示不太立体，他们需要一些立体的讲解助手来帮助他们快速理解知识点。

教师调查问卷总结结果：

（1）大部分教师喜欢用教科书+PPT的方式授课。

（2）二成教师有近期出书的准备，其中有九成教师有合作意向。

（3）八成教师认为书本不比视频等方式能够清楚讲解知识点，认为在书本知识点以及图片旁边加上二维码的想法很好。

调查问卷图示如图17所示。

7.2 目标市场

POU绘——立体课堂目标市场主要是大学修机械制图、建筑类、医学类课程的学生。中国的普通本科院校约820所，普通高职院校约1 228所。而普通本科院校中，有80%都开设了机械、建筑、医学专业，所以目标市场广阔。

AR以及虚拟技术发展迅速，应用广泛，然而教学方面并没有享受到这种技术带来的优势与进步。现行单一的课本教学、课件教学存在较大的局限性。课本为平面展示、不立体; PPT课件制作耗时且容易出现视频不兼容、卡顿等问题。基于此，我们设计运用AR等技术实现课堂革新。

通过为学生提供优质资源来辅助学生更好地运用课本，丰富课堂，补充和完善教师教学中可能存在的不足。课上以及课下的共同努力可快速实现学生学习成绩与能力的双提升。

虽然市场分析指出不论文学类或理工类学生都需要这种课堂、课本辅助工具，但对于例子中的历史系学生来说，POU绘可以被百度代替，轻点开百度也能得到所需要的知识。但是对于要学习机械制图、建筑类课程的学生来说，他把书本上的二维图转化成三维图要使用电脑上的工具，且建模有一定的难度，并且模型建模需要耗费大量精力，因此使用POU绘——立体课堂来验证自己脑海中转化而得的立体图是否正确简单便捷。

考虑到机械制图、建筑类、医学类专业的学生对POU绘——立体课堂的需求更大，所以产品的目标市场是机械类、建筑类、医学类专业学生。但我们相信，未来系统功能更加完善时，会有更多专业的学生需要它。

7.3 市场计划

学生

（1）第一年，在大学机械制图专业学生中推广。

（2）第二年，在建筑和医学类专业学生中推广，慢慢扩大市场。

（3）之后慢慢拓展到其他专业。

教师

（1）第一年，联系北京机械专业的教师，询问是否要出新书，征求合作意向。

（2）第二年，把机械制图课程做成一个成功案例，在教建筑和医学的教师中推广。

（3）慢慢拓展到其他专业。

7.4 未来方向

（1）在APP中添加课堂AR弹幕与课堂实景练习等功能，将课堂变的更加立体、有趣。

（2）增加POU绘——功能，使其成为课改辅助APP的范例。继续完善网页后端功能，使其更加美观、易用。

（3）完善判错系统，提高其精确度。

（4）开放框架可以引入教师教学的MOOC，扩大POU绘——市场及其影响力。平台对接，通过二维码提供与其他平台相兼容的接口。

（5）向大家征集模型，上传可获得积分。

（6）虚拟实验，可线上做实验。实现数字电路、模拟电路、嵌入式系统、计算机组成原理等场景的使用，增强教学

效果。