基于增强现实技术的理论力学新形态教材设计与实践1)

李永强 张英杰 池维超 赵向东 安 莉 李红影

∗(东北大学，沈阳110819)

†(高等教育出版社，北京100029)

“理论力学”课程是高等工科学校的技术基础课，是连接基础理论课与工程专业课的桥梁。课程的任务是使学生掌握质点系和刚体机械运动(包括平衡)的基本规律及其研究方法，为学习有关的后续课程打好必要的基础，初步学会应用理论力学的理论和方法分析解决一些简单的工程实际问题，同时结合课程的特点，培养学生的辩证唯物主义世界观，以及分析问题和解决问题的能力。教材作为课程教学的基础性资源，是教育思想、教学内容、教学方法与手段的载体[1]。许多高校针对理论力学课程在教学内容、教学方法、教学手段和教材建设等方面进行了大量教学改革[2-10]。从学校教育产生以来，传统的纸质教材作为教师传道授业的必备工具，由于携带不便、知识信息更新慢等缺点，已很难满足“互联网＋”背景下学习者对理论力学课程的学习需求，新形态教材的开发为教材改革提供了一个可行方向。

1 我国工科类理论力学教材的现状

我国工科类理论力学教材建设起步于对苏联教材的翻译，尤其是在1980年以后，我国高校教材从国家统编状态进入自由开放状态[9]，国内高校纷纷开始了自编理论力学教材的出版。经过几十年的发展，目前市场上的理论力学教材种类繁多。其中，哈尔滨工业大学理论力学教研室编著的《理论力学I，II》[11]、浙江大学理论力学教研室编著的《理论力学》[12]、中国矿业大学郝桐生教授编著的《理论力学》[13]、北京大学朱照宣教授等编著的《理论力学》[14]、上海交通大学洪嘉振教授等编著的《理论力学》[15]、清华大学李俊峰教授等编著的《理论力学》[16]、清华大学贾书惠教授编著的《理论力学教程》[17]、北京航空航天大学谢传锋、王琪教授编著的《理论力学》[18]、北京理工大学梅凤翔教授等编著的《理论力学I，II》[19]、兰州大学周又和教授编著的《理论力学》[20]等教材几经修订，反复锤炼，已经成为国内理论力学课程教学的经典教材。

随着互联网和多媒体等现代教育技术的发展，理论力学教材的呈现形式早已打破传统的纸质印刷媒介的局限，发展成与电子教案、重点及难点例题、习题解题指导等多种数字资源相结合的立体化教材。立体化的理论力学教材因具有丰富的教学资源，可在一定程度上满足学习者自主性、个性化的学习需求。但由于立体化教材通常采取先建纸质教材，再配套数字教学资源的建设模式，编著者往往注重数字教学资源的完整性，缺乏对纸质教材和数字教学资源的整体设计。与立体化教材相配套的教学资源或存储于相应的资源网站或以单机版光盘的形式附于书后，学习者必须借助计算机读取光盘或登陆资源网站进行学习，便捷性较差。因此，为适应互联网技术的发展与需求，现有的理论力学教材亟待转型升级，通过将教学内容与互联网现代信息技术相融合，打造出全新的理论力学新形态教材。

2 理论力学新形态教材设计思路

在理论力学新形态教材中，纸质教材与数字化教学资源并不是相互独立的，而是有机地融合在一起。纸质教材是教学内容的主要载体，在保证系统性和完整性的前提下，应保持以插图和文字为主的传统内容呈现形式，便于学习者深度阅读和学习。数字化教学资源应针对教师和学习者的需求进行分析与设计，从而成为纸质教材的必要补充，同时可拓宽内容空间，通过其丰富的表现形态，帮助学习者深入理解所学内容[1]。

理论力学新形态教材立足于打造表现形式新颖的教材模式。目前，在国内大多数理论力学教材中，插图均为实际工程结构的抽象化平面线条模型图，图形与工程实际结构差别较大，学习者在学习时容易引起误解，无法较好与工程实际相结合。在东北大学新形态教材的编写中，教材插图绝大多数采用SolidWorks软件绘制的带有渲染效果的高度仿真三维立体模型图[21]，如图1所示。

图1 传统教材与新形态教材插图的对比

“互联网＋”教材是指通过技术手段将纸质教材与移动互联网连起来的教材模式。结合当前互联网技术的发展情况、智能手机等移动终端设备的应用和普及程度，以及学生和教师的接受能力，我们最终选择用增强现实技术(augmented reality，AR)作为理论力学新形态教材的主要技术手段。AR 也称为混合现实，是通过计算机技术，将虚拟的信息应用到真实世界、真实环境上，以及将虚拟的物体实时地叠加到同一个画面或空间，形成交互式的三维图像画面，给用户带来更真实的体验与感受[22]。学习者只需使用移动终端设备扫描纸质教材中的识别图或二维码，就能迅速地以三维动画的形式转动和观看插图中的机械结构(如图2)，或访问互联网上已关联的数字教学资源进行扩展学习(如图3)。这种方式与单调、乏味的单一纸质教材相比，新形态教材能通过数字教学资源随时解决书中的难点，便于学习者充分利用碎片化时间随时随地进行在线学习，更符合“互联网＋”背景下学习者的学习习惯[1]，同时可调动学习者的学习兴趣和热情。

图2 AR 模型的使用过程

图3 纸质教材的版式及其数字课程资源

3 理论力学新形态教材的开发流程

理论力学新形态教材的开发流程主要分为纸质教材的编写、数字课程资源制作和移动终端APP的开发三个部分。

3.1 纸质教材的编写

在编写教材时，要将纸质教材和数字课程资源同步统筹规划，精心设计纸质教材的版式，并选择恰当的信息化技术手段，以实现纸质教材和数字课程资源的一体化。在纸质教材的相关知识点处，采用“图标＋资源标题或识别图”的形式表明相应资源，并在文前页上配有相应的文字使用说明，引导学习者去应用这一数字课程资源。教材的版式一般采用较窄的版心，切口处留白较多，正文插图中可以布置AR模型的扫描标识符，学习者通过移动终端设备扫描带有扫描标识符的模型图，即可观看相应的动画资源，如图2 所示。在正文相关知识点附近的切口处可以放置数字课程资源的相应图标，在本教材中用符号表示该处知识点有相应的视频讲解；符号表示该处知识点有相应的PPT 教案；符号表示该处有随堂测验，如图3所示。

3.2 数字课程资源制作

理论力学数字课程资源依托高等教育出版社的课程云平台，教师可在课程云平台上开展在线课程教学活动，如在线发布和设定课程学习资源、在线布置和批改作业、成绩统计分析等。学生则可自主选择并随时随地学习所选课程，教师与学生、助教与学生以及学生之间可围绕课程教学进行辅导、答疑、交流和讨论。

访问课程网站有两种方式，一种是通过计算机访问教材文前页上标注的网址，具体网址为http://abook.hep.com.cn/1254801，另一种是用移动终端设备扫描教材文前页上的二维码，下载并安装Abook应用，如图4所示。

图4 数字课程资源访问方式

3.3 移动终端APP的开发

移动终端APP 主要包括三维模型的建立、扫描识别标识符的确定、动画资源展现形式的确定等。开发流程如图5所示。

图5 移动终端APP 的开发流程

三维模型采用SolidWorks 软件进行初步建立，然后将其导入3D Max软件中进行材质贴图处理，并生成FBX格式文件，将FBX格式文件导入Unity3D软件中进行包括光泽度、高光发射等效果优化，然后进行生成.apk 文件的代码编写，并在不同平台进行测试，优化程序在移动平台上的运行速度以及体现出最佳的显示体验。对测试好的程序，输出最终.apk文件，并通过网络平台进行发布。

4 应用效果

理论力学新形态教材于2018年3 月在高等教育出版社出版，在使用一年后编者对东北大学使用教材的26 个教学班近800 名学生进行了教材使用满意度调查，调查结果如表1所示。从表1可以看出，学生对应用AR 技术和三维图形的新形态教材的认可和接受程度较高，多元化的新形态内容增强了对问题的理解程度，感官的刺激提高了学习主动性。目前课程的数字资源只包含课程视频、教案、章节测试题，通过对学生和教师的调查反馈，教材还需进一步丰富数字资源，目前编者正在根据建议进行改进，增加工程应用案例、难点习题讲解等内容。此外，由于教材的数字资源需要登陆课程云平台才能使用，部分学生认为资源使用不方便，建议使用二维码形式扫描获取所要观看的知识点，但由于数字资源的内容已在高等教育出版社进行了数字课程的出版，直接扫描使用涉及版权问题，如何解决该问题还需进一步探讨。

表1 教材使用满意度调查

5 结束语

随着信息技术的发展，传统的纸质教材已经不能满足教学需要，与互联网技术相融合的新形态教材已是大势所趋。新形态教材具有形式新颖、资源丰富、应用效果明显等优点，有助于教学方法与教学手段的改革，可进行教学模式的创新，满足学习者的认知需求。