论文部分内容阅读
摘 要：目前远程教育以其空间和时间的便捷性，受到了越来越多的关注和参与。然而在理工类远程教育课程中，由于内容往往比较抽象复杂，立体度高，使用传统的二维素材学习往往导致学习者接受、理解较为困难，造成学习效率低下等问题。利用基于移动设备的增强现实技术，可以将三维实景融入到抽象的二维素材中，使教学内容生动形象地展现在学习者面前，有助于提高学习者的学习效率和兴趣，使学习者能够更充分地掌握学习内容。本文就增强现实技术如何应用于远程教育《机械设计制造》课程进行具体阐述。
关键词：远程教育 机械设计制造 增强现实技术 移动设备
Research on Application of Augmented Reality Technology in Science and Engineering Courses of Distance Education
Luan Tingting Yu Chao Yang Jiaqi
Abstract：At present， distance education has received more and more attention and participation due to its space and time convenience. However， in the science and engineering distance education courses， as the content is often more abstract and complex， and the three-dimensionality is high， the use of traditional two-dimensional materials for learning often leads to difficulties for learners to accept and understand， resulting in low learning efficiency and other problems. With the use of augmented reality technology based on mobile devices， three-dimensional real scenes can be integrated into abstract two-dimensional materials， so that the teaching content can be vividly displayed in front of learners， which helps to improve the learning efficiency and interest of learners， and enables learners to morefully grasp the learning content. This article specifically elaborates how augmented reality technology is applied to the distance education of "Machinery Design and Manufacturing" course.
Key words：distance education， mechanical design and manufacturing， augmented reality technology， mobile devices
1 引言
增强现实（augmented reality，AR）技术是于1990年由Tom Caudell首次提出的，是在虚拟现实（virtual reality，VR）的基础之上产生的。它对真实环境中的信息进行三维注册，将计算机生成的虚拟信息叠加应用到真实世界，利用传感技术和显示设备将虚拟信息和真实世界统一在一个画面或空间内，从而实现对现实世界的增强，达到超越现实的感官体验[1]。1997年Azuma等研究人员认为AR应该包含3个准则：虚实结合、实时交互和三维注册[2]。到目前，随着5G等技术的快速发展，AR技术已经逐步具备了从研究为主转向实际应用的条件，在游戏、旅游、文化、教育、军事、工业等领域都开始逐步崭露头角。由于增强显示技术的三维性、交互性和趣味性，能够解决教育行业中存在的诸多难题，因此该技术在教育方面的应用受到越来越多的关注。
目前国内外关于AR技术在教育方面的研究如下：国内方面，刘鑫对AR技术在机械制图方面的应用进行了研究，于勇等人研究了AR技术在工程图教学方面的应用，并基于Unity 3D制作出齿轮泵的三维模型实现交互。国外方面，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Homeker在儿童寓言故事中引入AR实现互动与合作学习等。Billing Hurst，Poupyrev利用AR将图书内容呈现为动画形式[3]。
2 增强现实技术在远程教育理工类课程中的需求性分析
现代远程教育作为终身学习的重要组成部分，是伴随信息技术不断发展完善进步而出现的一种新的教育教学模式，并在近年来发展迅速。随着互联网的普及和网络媒体技术的不断应用，以互联网为依托的现代远程教育获得了前所未有的发展，为更多想要接受继续教育的人们提供了继续学习的机会和途径[4]。基于互联网的远程教育，打破了传统的时间、空间受限的教学模式，学习者可以在时间充裕时在线学习，灵活性大大加强;而智能移动设备的出现和进化，则进一步在时间和空间上解放了远程教育，为学习者提供了随时随地在线学习的机会。
在远程教育中，理工类课程往往是难度相对较高的课程。不同于一些人文课程，运动、生活相关课程，理工类课程往往距离生活较远，无法机器学习者学习的共鸣;同时，理工类课程对逻辑思维和空间想象能力要求较高，很多内容往往相对抽象，这为一些基础不牢固、专业不对口的学习者带来了诸多学习困难。以《机械设计制造》课程为例，课程中的知识点，如液压传动装置、齿輪传动装置、电机减速器等等，都是相对复杂的三维立体机构，而采用传统的二维素材和平面图片进行远程学习，相对来说非常晦涩难懂。另外，部件间的配合、传动、连接细致入微，一般的课程资源难以细致表述，这就会造成学习者一知半解，不够深入，影响整体的教学效果。若能够将增强现实技术融入到远程教育的教学资源当中，实现虚拟信息的叠加，虚实结合，可以将机构及部件的3D虚拟效果覆盖在图像上，使学习者对机构及部件的整体效果一目了然;同时学习者还可以对模型进行实时交互，360°旋转，随意“拆装”，从而从各个角度观看机械模型中各部件的工作原理、详细构造、配合情况等，一目了然;同时教学效果也更加生动形象，增加课程的趣味性，对整体课程效果和学习者的参与积极性都有很大的帮助。 3 基于增强现实技术的《机械设计制造》课程的开发与实现
整体的开发流程分为以下几个步骤：一是通过调研和咨询，确认当前远程教育《机械设计制造》课程中空间构造相对复杂，学习者不容易理解的知识点，将这些知识点作为通过AR技术交互来改进的对象。二是建模工作，先利用Solidworks以真实的机构或零件尺寸建立其三维模型，然后利用3D Max软件对三维模型制作动画效果，接下来基于Unity 3D开发引擎，将模型导入进行编程开发，并生成移动端的可执行程序。三是将可执行程序移植至移动设备中进行调试，以充分验证其可靠性。最后，使用者通过移动设备登录可执行程序，扫描AR知识点，就会出现三维模型，并能够进行实时交互。
基于增强现实技术的《机械设计制造》课程的开发流程如下：
3.1 《机械设计制造》课程AR技术交互知识点选取
为切实增强远程教育课程的教学效果，提升学习者的学习效果，在《机械设计制造》课程中，选取交互知识点的原则和方法如下：
（1）利用当前教学方式进行教学取得满意效果的，不必进行AR技术交互;
（2）远程教育教师反馈用传统教学模式难以讲解通透的、学习者普遍难以理解的知识点，是计划作为AR技术交互的目标对象;
（3）从目标对象中挑选出适合进行建模，编程，通过AR技术展示能够体现良好效果的知识点，是最终选取作为AR技术交互的知识点。
3.2 AR技术交互知识点的建模
AR技术交互知识点的建模主要包括三维建模和动画制作。
三维建模主要利用的工具是Solidworks。Solidworks是一款功能十分強大，界面友好，零件库十分丰富的绘图软件，广泛应用于机械设计、图纸制作及阅览，绘制三维模型步骤简单，可随意翻转、拆分，交互性强。在本次研究中，利用该软件完成AR交互对象，即一些机构、部件的三维图编辑。
完成三维图编辑之后，将图片文件导入到3D Max中进行动画设计。3D Max软件是目前应用非常广泛的动画制作软件，并且能够识别Solidworks制作好的三维图文件，形成无缝衔接。在本次研究中，利用该软件完成机构、零件间的各种配合、动作、分解等动画的渲染和生成。
3.3 编程并生成可执行程序
三维建模和动画生成完毕之后，接下来需要通过编程开发，生成基于移动设备的可执行程序，这一工作通过Unity 3D来完成。Unity 3D可以轻松地完成游戏制作、可视化等工作，并且生成的程序可以在Windows、Mac、Iphone和Android等环境下运行，能够满足不同远程学习人群的需要。在本次研究中，将动画素材导入Unity 3D，通过场景布置、脚本添加及打印包装等操作，生成基于Android的可执行程序APK文件，并植入到移动设备中。
3.4 可执行程序调试及运行
检验成果满足要求，需要达成以下几个条件：
（1）应用程序在移动设备中兼容性良好，运行稳定。
（2）应用程序中AR模型能够按照预设正常展现，与实景的配合叠加精确。
（3）AR模型的实时交互性良好，无卡顿或识别失败现象。
（4）叠加AR技术的课程资源，能够如预期一样提升课程的教学效果。
通过不断调试-运行-再调试-再运行，不断完善以上几点，最终满足上述条件，使基于AR技术的可执行程序能够有效改善《机械设计制造》课程的效果和效率。
4 结束语
本文旨在针对《机械设计制造》这一远程教育课程在教学过程中的实际问题，提出通过增强现实技术交互的方式，为课程素材增加视觉体验和学习效果。通过AR技术，可以将虚拟的三维机构、零件叠加到平面素材，并为学习者提供实时交互的平台，有助于提高学习效率，增强教学效果。因此，增强现实技术在远程教育的《机械设计制造》课程，乃至于理工类课程具有重要的研究意义。
课题项目：沈阳开放大学2021年校本科研规划课题：《AR技术在远程教育理工类课程中的应用研究——以<机械设计制造>课程为例》，课题编号：SYKDXB2021-5-03。
参考文献：
[1]潘旭东，孙晓磊.基于AR技术的机械制造工艺课程设计教学辅助系统开发[J].实验技术与管理，2017（10）：139-142.
[2]Nincareana D. Mobile Augmented Reality： The Potential for Education[J]. Procedia-Social and Behavioral Science，2013，103：657-664.
[3]刘丽兰，陈恩来.增强现实技术在《机械设计》课堂教学的应用[J].教育教学论坛，2018（8）：177-180.
[4]赵庆.如何提高远程教育的质量[J].文教资料，2018（33）：103-104.
关键词：远程教育 机械设计制造 增强现实技术 移动设备
Research on Application of Augmented Reality Technology in Science and Engineering Courses of Distance Education
Luan Tingting Yu Chao Yang Jiaqi
Abstract：At present， distance education has received more and more attention and participation due to its space and time convenience. However， in the science and engineering distance education courses， as the content is often more abstract and complex， and the three-dimensionality is high， the use of traditional two-dimensional materials for learning often leads to difficulties for learners to accept and understand， resulting in low learning efficiency and other problems. With the use of augmented reality technology based on mobile devices， three-dimensional real scenes can be integrated into abstract two-dimensional materials， so that the teaching content can be vividly displayed in front of learners， which helps to improve the learning efficiency and interest of learners， and enables learners to morefully grasp the learning content. This article specifically elaborates how augmented reality technology is applied to the distance education of "Machinery Design and Manufacturing" course.
Key words：distance education， mechanical design and manufacturing， augmented reality technology， mobile devices
1 引言
增强现实（augmented reality，AR）技术是于1990年由Tom Caudell首次提出的，是在虚拟现实（virtual reality，VR）的基础之上产生的。它对真实环境中的信息进行三维注册，将计算机生成的虚拟信息叠加应用到真实世界，利用传感技术和显示设备将虚拟信息和真实世界统一在一个画面或空间内，从而实现对现实世界的增强，达到超越现实的感官体验[1]。1997年Azuma等研究人员认为AR应该包含3个准则：虚实结合、实时交互和三维注册[2]。到目前，随着5G等技术的快速发展，AR技术已经逐步具备了从研究为主转向实际应用的条件，在游戏、旅游、文化、教育、军事、工业等领域都开始逐步崭露头角。由于增强显示技术的三维性、交互性和趣味性，能够解决教育行业中存在的诸多难题，因此该技术在教育方面的应用受到越来越多的关注。
目前国内外关于AR技术在教育方面的研究如下：国内方面，刘鑫对AR技术在机械制图方面的应用进行了研究，于勇等人研究了AR技术在工程图教学方面的应用，并基于Unity 3D制作出齿轮泵的三维模型实现交互。国外方面，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Homeker在儿童寓言故事中引入AR实现互动与合作学习等。Billing Hurst，Poupyrev利用AR将图书内容呈现为动画形式[3]。
2 增强现实技术在远程教育理工类课程中的需求性分析
现代远程教育作为终身学习的重要组成部分，是伴随信息技术不断发展完善进步而出现的一种新的教育教学模式，并在近年来发展迅速。随着互联网的普及和网络媒体技术的不断应用，以互联网为依托的现代远程教育获得了前所未有的发展，为更多想要接受继续教育的人们提供了继续学习的机会和途径[4]。基于互联网的远程教育，打破了传统的时间、空间受限的教学模式，学习者可以在时间充裕时在线学习，灵活性大大加强;而智能移动设备的出现和进化，则进一步在时间和空间上解放了远程教育，为学习者提供了随时随地在线学习的机会。
在远程教育中，理工类课程往往是难度相对较高的课程。不同于一些人文课程，运动、生活相关课程，理工类课程往往距离生活较远，无法机器学习者学习的共鸣;同时，理工类课程对逻辑思维和空间想象能力要求较高，很多内容往往相对抽象，这为一些基础不牢固、专业不对口的学习者带来了诸多学习困难。以《机械设计制造》课程为例，课程中的知识点，如液压传动装置、齿輪传动装置、电机减速器等等，都是相对复杂的三维立体机构，而采用传统的二维素材和平面图片进行远程学习，相对来说非常晦涩难懂。另外，部件间的配合、传动、连接细致入微，一般的课程资源难以细致表述，这就会造成学习者一知半解，不够深入，影响整体的教学效果。若能够将增强现实技术融入到远程教育的教学资源当中，实现虚拟信息的叠加，虚实结合，可以将机构及部件的3D虚拟效果覆盖在图像上，使学习者对机构及部件的整体效果一目了然;同时学习者还可以对模型进行实时交互，360°旋转，随意“拆装”，从而从各个角度观看机械模型中各部件的工作原理、详细构造、配合情况等，一目了然;同时教学效果也更加生动形象，增加课程的趣味性，对整体课程效果和学习者的参与积极性都有很大的帮助。 3 基于增强现实技术的《机械设计制造》课程的开发与实现
整体的开发流程分为以下几个步骤：一是通过调研和咨询，确认当前远程教育《机械设计制造》课程中空间构造相对复杂，学习者不容易理解的知识点，将这些知识点作为通过AR技术交互来改进的对象。二是建模工作，先利用Solidworks以真实的机构或零件尺寸建立其三维模型，然后利用3D Max软件对三维模型制作动画效果，接下来基于Unity 3D开发引擎，将模型导入进行编程开发，并生成移动端的可执行程序。三是将可执行程序移植至移动设备中进行调试，以充分验证其可靠性。最后，使用者通过移动设备登录可执行程序，扫描AR知识点，就会出现三维模型，并能够进行实时交互。
基于增强现实技术的《机械设计制造》课程的开发流程如下：
3.1 《机械设计制造》课程AR技术交互知识点选取
为切实增强远程教育课程的教学效果，提升学习者的学习效果，在《机械设计制造》课程中，选取交互知识点的原则和方法如下：
（1）利用当前教学方式进行教学取得满意效果的，不必进行AR技术交互;
（2）远程教育教师反馈用传统教学模式难以讲解通透的、学习者普遍难以理解的知识点，是计划作为AR技术交互的目标对象;
（3）从目标对象中挑选出适合进行建模，编程，通过AR技术展示能够体现良好效果的知识点，是最终选取作为AR技术交互的知识点。
3.2 AR技术交互知识点的建模
AR技术交互知识点的建模主要包括三维建模和动画制作。
三维建模主要利用的工具是Solidworks。Solidworks是一款功能十分強大，界面友好，零件库十分丰富的绘图软件，广泛应用于机械设计、图纸制作及阅览，绘制三维模型步骤简单，可随意翻转、拆分，交互性强。在本次研究中，利用该软件完成AR交互对象，即一些机构、部件的三维图编辑。
完成三维图编辑之后，将图片文件导入到3D Max中进行动画设计。3D Max软件是目前应用非常广泛的动画制作软件，并且能够识别Solidworks制作好的三维图文件，形成无缝衔接。在本次研究中，利用该软件完成机构、零件间的各种配合、动作、分解等动画的渲染和生成。
3.3 编程并生成可执行程序
三维建模和动画生成完毕之后，接下来需要通过编程开发，生成基于移动设备的可执行程序，这一工作通过Unity 3D来完成。Unity 3D可以轻松地完成游戏制作、可视化等工作，并且生成的程序可以在Windows、Mac、Iphone和Android等环境下运行，能够满足不同远程学习人群的需要。在本次研究中，将动画素材导入Unity 3D，通过场景布置、脚本添加及打印包装等操作，生成基于Android的可执行程序APK文件，并植入到移动设备中。
3.4 可执行程序调试及运行
检验成果满足要求，需要达成以下几个条件：
（1）应用程序在移动设备中兼容性良好，运行稳定。
（2）应用程序中AR模型能够按照预设正常展现，与实景的配合叠加精确。
（3）AR模型的实时交互性良好，无卡顿或识别失败现象。
（4）叠加AR技术的课程资源，能够如预期一样提升课程的教学效果。
通过不断调试-运行-再调试-再运行，不断完善以上几点，最终满足上述条件，使基于AR技术的可执行程序能够有效改善《机械设计制造》课程的效果和效率。
4 结束语
本文旨在针对《机械设计制造》这一远程教育课程在教学过程中的实际问题，提出通过增强现实技术交互的方式，为课程素材增加视觉体验和学习效果。通过AR技术，可以将虚拟的三维机构、零件叠加到平面素材，并为学习者提供实时交互的平台，有助于提高学习效率，增强教学效果。因此，增强现实技术在远程教育的《机械设计制造》课程，乃至于理工类课程具有重要的研究意义。
课题项目：沈阳开放大学2021年校本科研规划课题：《AR技术在远程教育理工类课程中的应用研究——以<机械设计制造>课程为例》，课题编号：SYKDXB2021-5-03。
参考文献：
[1]潘旭东，孙晓磊.基于AR技术的机械制造工艺课程设计教学辅助系统开发[J].实验技术与管理，2017（10）：139-142.
[2]Nincareana D. Mobile Augmented Reality： The Potential for Education[J]. Procedia-Social and Behavioral Science，2013，103：657-664.
[3]刘丽兰，陈恩来.增强现实技术在《机械设计》课堂教学的应用[J].教育教学论坛，2018（8）：177-180.
[4]赵庆.如何提高远程教育的质量[J].文教资料，2018（33）：103-104.