混合现实技术融入工程制图课程教学改革

吴振增 姚晶宏 邓秀春 丁晓红

摘  要：工程制图课程具有抽象、枯燥等特点，传统的教学模式具有很大的局限性，对学生的空间思维想象能力要求很高，学生的学习兴趣低、效率也不高。将MR技术融入课程教学可以激发学生的学习兴趣，提高学生的空间想象能力。MR技术的引入既增强了学生的制图能力，又提高了教育教学质量及效果，是一种实用的好方法。

关键词：混合现实技术;工程制图;教学改革

中图分类号：G642       文献标志码：A          文章编号：2096-000X（2021）29-0127-05

Abstract： The course of "Engineering Cartography" has the character of abstract and kind of boring， and the traditional teaching mode has great limitations. It has high requirements on students' spatial thinking ability， and students' learning interest is low. Their learning efficiency is not high. Integrating Mixed Reality （MR） technology into classroom teaching can stimulate students' interest in learning and improve their spatial imagination ability. The introduction of MR technology not only enhances students' drawing ability， but also improves the teaching quality and effect. It is a good practical method.

Keywords： Mixed Reality Technology; Engineering Cartography; educational reform

一、混合现实技术的含义及在教育领域的应用

混合现实（Mixed Reality，MR;又称为Hybrid Reality）技术，是利用在现实世界中导入仿真场景信息，在现实场景、虚拟场景和使用者这三者之中建立一种相互反馈的数据闭环，来提高使用者体验的逼真感，具有实时交互性和构想性等特征[1-2]。如图1所示，实体世界（Real Environment， RE）和模拟世界（Virtual Environment， VE）是实体-模拟通联体的两个末端，增强实体（Augmented Reality， AR）位于通联体的实体处，将模拟对象集成到实体世界的环境中;增强模拟（Augmented Virtuality， AV）位于通联体的模拟处，把实体目标结合到数字世界的环境中[3]。混合现实是处在通联体内部，把实体和模拟要素按一定程度产生无缝融合的产物。以数字化、信息化、智能化为基础特点的第三代科技革命，把人工智能（Artificial Intelligence， AI）、5G通信、模拟现实（Virtual Reality， VR）等新兴网络信息技术渐渐变成促进国家经济进步的重要方法，并实时改变着大家的衣食住行。这些年，虚拟仿真技术的稳步发展，由VR的面世到AR的出现，再从MR来到大众视野，为使用者提供了优于现实的感官体验[4]。2016年颁布的《“十三五”国家科技创新规划》指出：“要大力发展自然人机交互技术，尤其是在虚拟现实和增强现实方面”[5]。混合现实技术与增强现实技术最大的不同点是，MR能够实现虚拟和现实之间的相互转变，不仅可以在虚拟中保留现实，还可以把现实改变成虚拟[6-7]。信息技术不断进步，科技发展如火如荼，MR因可以带来身临其境的学习体验，使得教育领域对其的关注日渐高涨。一方面，MR技术强大的交互系统能够给学生的学习挖掘巨大机会;另一方面，MR技术给老師与学生上课感受的策划者带来了更多教育机会[8]。在教学人员与科研工作者的一起奋斗下，这些年，MR技术已经在场馆教育、教学变革、实验室创设、师资培养、建筑与航天技能培训等领域得到了不错的使用成效[9]。把MR技术融入课堂讲授过程能够引入传统教学所不能呈现的真实场景，提供更真实的上课体验[10-11]。

二、工程制图课程的特点及存在问题

工程制图这门课的特点有：内容比较抽象性，上课缺乏趣味性等，需要同学们具有较好的三维空间想象能力。以往的工程制图上课形式是以老师和书本为核心，同学只能被动地从老师那获得信息，上课时没有相应的师生协作，同学们的读书主动性较低[12-14]。现在，很多学校工程制图的上课模式仍按照以往的上课形式进行教学，主要存在着下面这些问题。

（一）授课的观念过时

以往工程制图这门课的上课形式为“灌输式”教育，即“老师说，学生听”。首先，工程制图这门课有很多的例题和例图，老师必须使用很多时间去准备、编写授课PPT，在上课时以解说和演示为主，与学生进行交流的时间较少， 降低了学生的学习欲望，上课效率也较差。其次，这门课的首要目的是训练学生的三维空间想象力，学生的思维要不停地在空间三维图形与平面的三视图之间进行变换，此为工程制图这门课授课时的一个难点。粉笔板书和课堂PPT一起的授课形式还是比较单调，上课比较枯燥，学生对于课堂讲授的知识也不容易记住。

（二）上课的材料有限

现在很多学校的工程制图这门课使用的是固定的一本教学材料，学生自主查看网上的教育资源的能力不足，没有适当的引导，这就导致学生可以预习的材料仅限于课本，在课后可以做的题目和作业也只有试题册，有的老师的授课PPT仅仅是把课本上的材料进行简单地复制粘贴，授课内容相对单调，这样毫无疑问会制约学生接收信息的其他途径。