劉麗蘭 陳恩來(lái) 譚晶 鄧召義 任彬 傅燕鳴

摘要：《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程是機(jī)械工程學(xué)科的專(zhuān)業(yè)核心基礎(chǔ)課，存在著內(nèi)容繁多、理解難度大、課堂教學(xué)枯燥等問(wèn)題。本文提出將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）技術(shù)應(yīng)用到課堂教學(xué)中，充分利用AR技術(shù)的虛實(shí)結(jié)合、互動(dòng)操作與沉浸式體驗(yàn)等優(yōu)勢(shì)，開(kāi)發(fā)出《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程中包括標(biāo)準(zhǔn)零件、傳動(dòng)結(jié)構(gòu)、實(shí)例機(jī)械等在內(nèi)的一系列虛擬產(chǎn)品對(duì)象，并采用打包為應(yīng)用的形式，實(shí)現(xiàn)虛擬對(duì)象與打印圖紙的同步三維立體顯示和操作。課堂中學(xué)生們可以采用Ipad、安卓手機(jī)等電子設(shè)備安裝使用，實(shí)現(xiàn)對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行原理分析、實(shí)例展示、內(nèi)容拓展等，達(dá)到課堂教學(xué)生動(dòng)立體、課程內(nèi)容快速理解和掌握的效果。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；教學(xué)應(yīng)用；《機(jī)械設(shè)計(jì)》

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-9324（2018）08-0177-04

一、背景介紹

《機(jī)械設(shè)計(jì)》是一門(mén)論述機(jī)械設(shè)計(jì)理論、方法，培養(yǎng)學(xué)生具有機(jī)械設(shè)計(jì)能力的技術(shù)基礎(chǔ)課，任務(wù)是使學(xué)生掌握如何設(shè)計(jì)和選用通用機(jī)械零部件，進(jìn)而具備設(shè)計(jì)機(jī)械傳動(dòng)裝置和簡(jiǎn)單機(jī)構(gòu)的能力。教學(xué)內(nèi)容包括：聯(lián)接設(shè)計(jì)（螺紋、鍵銷(xiāo)等）、機(jī)械傳動(dòng)設(shè)計(jì)（如帶傳動(dòng)、鏈傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)等）和軸系零部件設(shè)計(jì)（如滑動(dòng)、滾動(dòng)軸承還有聯(lián)軸器等）。近年來(lái)，隨著課程結(jié)構(gòu)的調(diào)整，該課程的教學(xué)內(nèi)容在不斷更新和增加，而總的課時(shí)卻在不斷減少，如何解決學(xué)時(shí)數(shù)與教學(xué)內(nèi)容之間的沖突，并在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)提高學(xué)生的機(jī)械設(shè)計(jì)和創(chuàng)新能力，已經(jīng)成為廣大一線教師開(kāi)展教學(xué)改革的目標(biāo)[1]。

在傳統(tǒng)機(jī)械類(lèi)課程中，教師一般使用圖片、影像和實(shí)物模型講解機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)功能等，這些方式通常存在以下一些問(wèn)題：①靜態(tài)的教具很難講清楚機(jī)械的具體結(jié)構(gòu)和原理，學(xué)生不易想象零件形狀和空間結(jié)構(gòu)。②實(shí)物模型制作成本高，攜帶不方便，教師演示時(shí)學(xué)生容易錯(cuò)過(guò)關(guān)鍵信息。③傳統(tǒng)的板書(shū)加PPT的教學(xué)不易激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，學(xué)生易注意力不集中，上課開(kāi)小差。

為了改善傳統(tǒng)《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程教學(xué)的弊端，本文提出采用AR技術(shù)輔助教學(xué)，將理論、靜態(tài)的內(nèi)容轉(zhuǎn)化為生動(dòng)、形象的模型畫(huà)面，結(jié)合到真實(shí)環(huán)境的圖紙中，利用互動(dòng)操作降低學(xué)習(xí)難度，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果，從而推動(dòng)創(chuàng)新課程的建設(shè)。

二、基于AR的機(jī)械設(shè)計(jì)產(chǎn)品制作流程

1.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality，AR）是在虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，是通過(guò)計(jì)算機(jī)提供的數(shù)據(jù)信息來(lái)增加使用者對(duì)現(xiàn)實(shí)世界感知的科學(xué)技術(shù)，并將計(jì)算機(jī)生成的虛擬物體場(chǎng)景或系統(tǒng)提示信息等內(nèi)容疊加到真實(shí)場(chǎng)景中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的增強(qiáng)。在實(shí)現(xiàn)功能的同時(shí)，由于與真實(shí)世界的聯(lián)系未被切斷，其交互方式更加自然[2]。

AR技術(shù)可廣泛應(yīng)用于多種領(lǐng)域。在教育領(lǐng)域，國(guó)外學(xué)者已經(jīng)做了比較多的實(shí)踐研究：①將AR融入課堂教學(xué)。Shelton和Hedley使用AR技術(shù)演示九大行星的教學(xué)實(shí)驗(yàn)、Kauf-mann將其用于空間幾何教學(xué)、Dnser與Horneker在兒童寓言故事中引入AR實(shí)現(xiàn)互動(dòng)與合作學(xué)習(xí)等[3]。②將AR技術(shù)應(yīng)用于圖書(shū)閱讀。BillingHurst，Poupyrev利用AR將圖書(shū)內(nèi)容呈現(xiàn)為動(dòng)畫(huà)形式[4]。③將AR技術(shù)應(yīng)用于游戲娛樂(lè)中。如新加坡公司的娛教產(chǎn)品wIzQubes；Hye Sun Lee和Jong Weon Lee設(shè)計(jì)用于幼兒算數(shù)的教育游戲；Ori Inbar開(kāi)發(fā)手機(jī)AR游戲?qū)崿F(xiàn)隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)拼音 [5]。

相比于國(guó)外，國(guó)內(nèi)AR研究尚處于初級(jí)層次，大多數(shù)存在于高等科研院校，因此具體應(yīng)用比較少，將其應(yīng)用于教育領(lǐng)域則更少，但目前也有一些成果：北京師范大學(xué)現(xiàn)代教育研究所蔡蘇等人探討了AR對(duì)教學(xué)的意義和價(jià)值，并對(duì)應(yīng)用前景做出了展望；張寶運(yùn)、惲如偉分析了AR的教學(xué)應(yīng)用需求和應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，在物理教學(xué)上進(jìn)行了嘗試；李婷分析了AR的特點(diǎn)，探討了其在移動(dòng)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用；徐媛根據(jù)AR所具備的性能和已有成果，探討其在教學(xué)中的應(yīng)用領(lǐng)域；張洪波探討了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的技術(shù)原理，設(shè)計(jì)了部分教學(xué)模型，開(kāi)發(fā)了應(yīng)用案例；蘇俊欽將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于兒童學(xué)習(xí)注音符號(hào)的學(xué)習(xí)；等等[5]。

AR技術(shù)具有三個(gè)突出的特點(diǎn)：①真實(shí)世界和虛擬的信息集成；②具有實(shí)時(shí)交互性；③在三維尺度空間中增添定位虛擬物體。將虛擬模型疊加到真實(shí)環(huán)境中，可以攜帶更多的輔助信息，十分適合《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程中零件外形、機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)變化的演示，并且形式新穎，使學(xué)生能在互動(dòng)中大大提高教學(xué)的趣味性和吸引力，提高教學(xué)質(zhì)量。

2.《機(jī)械設(shè)計(jì)》教學(xué)應(yīng)用制作流程。針對(duì)傳統(tǒng)《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程中存在的問(wèn)題，本文采用AR技術(shù)制作輔助教學(xué)應(yīng)用來(lái)提升教學(xué)效果。本文以減速箱這一經(jīng)典設(shè)計(jì)產(chǎn)品為例，通過(guò)制作三維模型的動(dòng)畫(huà)以及內(nèi)部結(jié)構(gòu)展示，將虛擬的三維效果與真實(shí)的圖紙結(jié)合，呈現(xiàn)出更為豐富的教學(xué)信息，讓學(xué)生在互動(dòng)中掌握學(xué)習(xí)內(nèi)容。應(yīng)用制作中先后使用了SolidWorks、3d Max和Unity 3d三個(gè)軟件，制作流程如圖1所示。

（1）繪制三維模型。能夠制作三維模型的軟件有很多，本文采用在高校中機(jī)械設(shè)計(jì)方面較流行的SolidWorks軟件進(jìn)行繪制。SolidWorks軟件功能強(qiáng)大，組件繁多，各種標(biāo)準(zhǔn)的零件庫(kù)數(shù)量豐富，可供直接調(diào)用。其界面簡(jiǎn)潔，操作方便，深受高校學(xué)子的青睞。打開(kāi)SolidWorks，根據(jù)設(shè)計(jì)要求先繪制非標(biāo)準(zhǔn)零部件，比如減速器箱體吊耳等部分，之后標(biāo)準(zhǔn)件直接調(diào)用SolidWorks的零件庫(kù)，最后組裝為完整的裝配體保存。

（2）制作相關(guān)變化動(dòng)畫(huà)。在SolidWorks中完成機(jī)械三維模型繪制后，保存成.wrl格式，使之能被3d Max軟件打開(kāi)制作動(dòng)畫(huà)。雖然SolidWorks本身也能制作運(yùn)動(dòng)仿真等動(dòng)畫(huà)，但由于最后要做成一個(gè)應(yīng)用軟件，其格式無(wú)法使用。此外，由于最后的應(yīng)用需要一些動(dòng)畫(huà)效果，使用專(zhuān)門(mén)制作游戲動(dòng)畫(huà)的軟件3d Max更為適合。3d Max是基于PC系統(tǒng)的三維動(dòng)畫(huà)渲染制作軟件，廣泛應(yīng)用于廣告、影視、工業(yè)設(shè)計(jì)、建筑設(shè)計(jì)、三維動(dòng)畫(huà)、多媒體制作、游戲、輔助教學(xué)等領(lǐng)域的動(dòng)畫(huà)制作。其本身具有三維建模能力，但并不是專(zhuān)門(mén)為機(jī)械方面設(shè)計(jì)，故采用SolidWorks建模和3d Max制作動(dòng)畫(huà)，以?xún)蓚€(gè)軟件相結(jié)合的方式各取所長(zhǎng)。在3d Max中，將前一步驟中繪制的模型作為素材導(dǎo)入，主要制作兩個(gè)齒輪的傳動(dòng)配合動(dòng)畫(huà)以及減速器的分解動(dòng)畫(huà)，如圖2。前者用于教學(xué)展示減速器內(nèi)部運(yùn)轉(zhuǎn)以及齒輪嚙合的過(guò)程，后者為學(xué)生展示整個(gè)減速器內(nèi)部構(gòu)造，各零部件之間的位置關(guān)系還有組裝情況，最后將結(jié)果保存成.fbx，用于Unity 3d制作應(yīng)用軟件。

（3）組合素材編輯互動(dòng)操作。Unity 3d是一個(gè)讓用戶(hù)輕松創(chuàng)建三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫(huà)等互動(dòng)類(lèi)型的多平臺(tái)的綜合型游戲開(kāi)發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專(zhuān)業(yè)游戲引擎，用它制作的軟件可發(fā)布至Windows、Mac、Iphone和Android等平臺(tái)。本文將利用之前制作的模型和動(dòng)畫(huà)作為素材，采用Unity 3d軟件整合制作成一個(gè)AR互動(dòng)軟件，最后安裝于安卓手機(jī)作為教學(xué)工具。①導(dǎo)入素材。將之前制作好的三維模型以及相關(guān)動(dòng)畫(huà)導(dǎo)入軟件中，Unity 3d很多操作都可以通過(guò)簡(jiǎn)單的拖拉進(jìn)行。AR所用的識(shí)別圖，需要制作特征識(shí)別點(diǎn)，目前主要通過(guò)Vuforia官網(wǎng)進(jìn)行處理，其有專(zhuān)門(mén)為Unity 3d設(shè)計(jì)的圖片處理服務(wù)。在網(wǎng)站中上傳需要被識(shí)別的圖片，簡(jiǎn)單設(shè)置參數(shù)后，后臺(tái)將處理拾取特征點(diǎn)，最后生成插件包供用戶(hù)下載到本地，作為用戶(hù)個(gè)人包加載入軟件就可以使用了，且識(shí)別效果良好。處理后的圖片特征點(diǎn)如圖3。②場(chǎng)景布置。在Unity 3d添加ImageTarget組件，對(duì)其設(shè)置識(shí)別對(duì)象，設(shè)置為插件包中的識(shí)別圖。添加ARCamera組件，設(shè)置使攝像頭識(shí)別圖片，以其作為觸發(fā)顯示模型。添加識(shí)別圖對(duì)應(yīng)的三維模型，并調(diào)整大小與相對(duì)位置。添加操作按鈕，如移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、運(yùn)動(dòng)拆解等，調(diào)整大小，布置在周?chē)线m位置，結(jié)果如圖4。③操作添加及打包安裝。Unity 3d本身是一款游戲引擎，可通過(guò)添加C#腳本對(duì)模型組件進(jìn)行控制。由于是教學(xué)使用，本文添加的按鈕用于展示的前后左右移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、放大縮小、運(yùn)動(dòng)配合以及爆炸分散這幾種。添加腳本并關(guān)聯(lián)按鈕和被控模型后就可以打包成軟件安裝包。本文采用安卓系統(tǒng)，將打包好的APK文件安裝進(jìn)手機(jī)，這便完成了教學(xué)設(shè)備的制作。

三、應(yīng)用效果分析

1.《機(jī)械設(shè)計(jì)》教學(xué)中的演示。將AR技術(shù)引入《機(jī)械設(shè)計(jì)》的課程教學(xué)中，實(shí)行中采購(gòu)了一批安卓智能手機(jī)，結(jié)合課程教學(xué)安排制作相應(yīng)章節(jié)的AR應(yīng)用軟件，再將軟件安裝入手機(jī)中用來(lái)展示模型和一些相關(guān)信息。在課堂中，教師給學(xué)生分發(fā)教學(xué)用手機(jī)作為AR顯示工具，并分發(fā)帶有本節(jié)教學(xué)內(nèi)容的識(shí)別圖，學(xué)生利用手機(jī)打開(kāi)軟件識(shí)別圖片，之后生成的三維圖片就會(huì)在手機(jī)的顯示窗口中疊加到真實(shí)場(chǎng)景中。結(jié)合識(shí)別圖上的信息以及直觀的三維模型，互相輔助加以理解。AR顯示的還有機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的動(dòng)畫(huà)，學(xué)生也可以自主觀察自己不明白的細(xì)節(jié)部分，如圖5所示。

2.課堂教學(xué)應(yīng)用效果分析。在《機(jī)械設(shè)計(jì)》課程教學(xué)中，教師需要講解機(jī)械結(jié)構(gòu)的具體細(xì)節(jié)、零部件之間的聯(lián)接方式以及運(yùn)動(dòng)傳遞形式等。這類(lèi)內(nèi)容的教學(xué)如果單靠圖片，則需要教師具有較好的表達(dá)能力，需要學(xué)生有較好的空間想象能力，因此通常輔助以實(shí)物模型的展示，但是實(shí)物模型具有體積大、零部件繁多、不易攜帶的特點(diǎn)，此外還易損壞、不便保管[6]。在課堂中，由于教師攜帶數(shù)量有限，通常由教師在講臺(tái)上展示模型，在課間才能供學(xué)生傳閱，因此學(xué)生無(wú)法長(zhǎng)時(shí)間地仔細(xì)觀摩，只能走馬觀花地看一下，教學(xué)效果一般。利用虛擬產(chǎn)品進(jìn)行課堂教學(xué)，主要取得了如下效果。

（1）數(shù)據(jù)內(nèi)容豐富。通過(guò)制作模型動(dòng)畫(huà)，打包成手機(jī)軟件。在如今的手機(jī)存儲(chǔ)能力下，可以存放大量的數(shù)據(jù)內(nèi)容，可以加入同類(lèi)別機(jī)構(gòu)的多種不同形式。在現(xiàn)實(shí)中疊加模型的同時(shí)，也可以插入文字介紹信息以及實(shí)際使用的視頻片段，借此拓展教學(xué)的信息容量。

（2）互動(dòng)操作體驗(yàn)。形式新穎，能夠吸引學(xué)生的注意力。學(xué)生可以根據(jù)預(yù)先設(shè)定的按鍵進(jìn)行一定的互動(dòng)操作，通過(guò)點(diǎn)擊按鍵使機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)或播放周邊視頻。最重要的是可以操作模型的顯示大小以及位置姿態(tài)，學(xué)生可以對(duì)自己不理解的區(qū)域，自己獨(dú)立探究，借此能加深理解，提升學(xué)習(xí)效果。

（3）激發(fā)學(xué)習(xí)興趣。AR展示其形式本身如同游戲，學(xué)生在動(dòng)手玩的過(guò)程中不斷加深印象，在方位轉(zhuǎn)換之間享受探索的樂(lè)趣。借助電子設(shè)備的高存儲(chǔ)能力，添加教材以外的信息，拓展模型的展示來(lái)增加學(xué)生的閱歷，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（4）結(jié)論與今后的工作。在《機(jī)械設(shè)計(jì)》這類(lèi)需要展示空間結(jié)構(gòu)的課程中引入AR技術(shù)，將立體的三維模型和平面的二維圖片疊加后呈現(xiàn)。學(xué)生通過(guò)AR的實(shí)時(shí)性可以自由觀察模型的各個(gè)位置，只需看真實(shí)物體移動(dòng)自己的視角。通過(guò)增加互動(dòng)按鈕可以提高互動(dòng)的操作性能，以此可用來(lái)革新教學(xué)模式，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而提升教學(xué)質(zhì)量。

今后的工作主要是改善模型建立的精細(xì)程度，完善AR互動(dòng)方面的設(shè)置以及顯示效果和形式，增加展示的信息量，使之能提高整個(gè)互動(dòng)體驗(yàn)。進(jìn)一步可嘗試使用在線數(shù)據(jù)庫(kù)的模式，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)連接來(lái)獲取模型取代目前本地逐一安裝軟件的情況。

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