基于AR技術(shù)的機械制圖課程教學(xué)探索

趙冬 宿州職業(yè)技術(shù)學(xué)院

1.增強現(xiàn)實技術(shù)簡介

AR就是增強現(xiàn)實技術(shù)的簡稱，它是由虛擬現(xiàn)實技術(shù)演變發(fā)展得來的，是一種比較新興的科技技術(shù)。這個技術(shù)是基于現(xiàn)實之外的虛擬世界而創(chuàng)建的，在創(chuàng)建的時候是將虛擬的內(nèi)容疊加到現(xiàn)實的世界中去，把虛擬和現(xiàn)實相結(jié)合，創(chuàng)立了一個虛實結(jié)合的世界。在傳統(tǒng)的機械制圖教學(xué)模式中，都是用木模和圖形相結(jié)合來教學(xué)，但是這樣的制圖教學(xué)模式的教學(xué)效果很差，所以在現(xiàn)代的教學(xué)模式中引入了AR技術(shù)。在AR技術(shù)中，用虛擬和現(xiàn)實相互結(jié)合，讓它們相互補充，把真實的世界與虛擬的世界同時結(jié)合疊加到同一個空間或者畫面當(dāng)中去，從而實現(xiàn)超越真實世界的場景，讓人感受到視覺上的盛宴。

2.增強現(xiàn)實技術(shù)在機械制圖教學(xué)中的應(yīng)用

增強現(xiàn)實技術(shù)在機械制圖教學(xué)過程中，用處是非常大的，比如老師可以用增強現(xiàn)實技術(shù)畫出模型、掛圖、多媒體課件輔助的講解等等，讓學(xué)生從眼前所見到的立體圖像去理解老師所講的課題，同時也讓學(xué)生理解了立體的物體是如何利用投影原理進行轉(zhuǎn)換為平面圖形的。當(dāng)然在學(xué)習(xí)制圖課程之前要進行大量的課外練習(xí)，這樣子才能熟練的掌握繪圖的技能，也才能更好的去理解圖形，而且對于剛學(xué)制圖的同學(xué)或者想象力比較低的同學(xué)來說，沒有課前的大量練習(xí)，那么在學(xué)習(xí)制圖的時候就會覺得很難，無從下手，面對沒有實物對照之下他們很難進行制圖。所以，AR能夠很好的將平面圖展示到大家眼前，而且還會實時將平面圖轉(zhuǎn)化成相應(yīng)的立體圖形，這樣一來不僅能夠很好的幫助學(xué)生進行空間思考練習(xí)，還能提高學(xué)生的制圖能力。AR技術(shù)能夠很好的解決機械制圖教學(xué)中所遇到的難題，通過不斷的嘗試與學(xué)習(xí)，找到了基于手機攝像頭AR技術(shù)與機械制圖教學(xué)的新方式，利用AR技術(shù)開發(fā)了機械制圖輔助教學(xué)APP。在制圖學(xué)習(xí)中有一種叫三視圖的圖形，這種繪制這種圖形需要的基礎(chǔ)非常高，所以面對沒有制圖基礎(chǔ)的學(xué)生來說，沒有直視的模型來做參照的話，那么將會會很難進行制圖學(xué)習(xí)。但是在采用AR技術(shù)之后，這些問題都得到了解決，因為可以通過增強現(xiàn)實技術(shù)將虛擬的3D模型疊加到投影儀上，讓學(xué)生從中深刻了解到此圖的制圖構(gòu)想。在制圖的教學(xué)過程中，老師可以要求學(xué)生在手機上安裝機械制圖輔助教學(xué)APP，當(dāng)他們在學(xué)習(xí)制圖或者在制圖的時候遇到難題之時，可以打開手機上的機械制圖輔助教學(xué)APP，然后用APP里面的攝像頭掃描教材上所遇到的制圖難題的平面圖，然后機械制圖輔助教學(xué)APP將會自動識別平面圖之后匹配出相應(yīng)的3D圖形，然后學(xué)生可以通過手機上的立體圖形進行分析和定位，然后再把立體圖形和現(xiàn)實的實物進行疊加之后在手機上顯示出來，學(xué)生可以通過觸摸手機屏幕、旋轉(zhuǎn)手機的方式對立體圖形進行放大、縮小等操作，然后從不同的視角去觀察圖形，這樣不但能幫助學(xué)生快捷的進行制圖，還能提高學(xué)生對制圖的思路。

3.開發(fā)工具以及APP設(shè)計

本文所講述的AR技術(shù)，其開發(fā)的環(huán)境是vuforia，這個環(huán)境能幫助AR技術(shù)解決各種方案，運用的是計算機視覺技術(shù)，這個技術(shù)能及時的識別和跟蹤平面圖像還有比較簡單的3D圖像。由于這個技術(shù)的存在，教學(xué)模式得到了新的發(fā)展 ，同時也使得開發(fā)者能夠在現(xiàn)實世界和虛擬世界之間構(gòu)建起一座連通的橋梁。其中機械制圖輔助教學(xué)APP程序AR識別流程如下圖所示：

AR識別流程圖

增強現(xiàn)實技術(shù)是在現(xiàn)實中建立的，其本質(zhì)是將計算機技術(shù)中生成的虛擬物體結(jié)合到現(xiàn)實的世界中，然后讓同學(xué)們通過計算機技術(shù)得到一個真實的物體展示，但是實際上這個真實的物體是真實實物和虛擬事物相結(jié)合得到的。根據(jù)這個原理，就可以得出機械制圖輔助教學(xué)APP的AR識別流程：獲取手機攝像頭圖像或者視頻、對獲取到的圖像或者視頻進行信息識別、通過程序分析和定位檢測、對獲取的圖像進行信息識別然后生成相關(guān)的虛擬圖、最后把實物和虛擬物品相結(jié)合，然后在相關(guān)的移動設(shè)備中顯示出來。

在增強現(xiàn)實技術(shù)中，當(dāng)手機中的機械制圖輔助教學(xué)APP這個程序在運行的時候，可以利用手機的的攝像頭去掃描教材上面的平面圖，然后通過vuforia平臺對攝像頭所掃描到圖像進行相關(guān)的信息分析，然后對圖片進行處理，再通過AR技術(shù)，將圖像識別到的信息和本地數(shù)據(jù)庫存在的信息相匹配。找到匹配的圖像之后，平臺會對圖像進行三維處理，制作出一個虛擬的立體圖形，然后再將得到的虛擬的立體圖像和現(xiàn)實的物品相疊合，然后展現(xiàn)給各位操作者。

增強現(xiàn)實技術(shù)被越來越多的社會領(lǐng)域使用，機械制圖輔助教學(xué)APP在各大學(xué)校中得到廣泛使用，主要是使用于機械制圖教學(xué)。經(jīng)過一段時間的教學(xué)使用，實踐應(yīng)用結(jié)果證明AR機械制圖輔助教學(xué)APP不但能方便老師的教學(xué)，還能為學(xué)生的學(xué)習(xí)制圖提供了更加直觀、生動的學(xué)習(xí)方法，從根本上提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，使得學(xué)生課外主動的去學(xué)習(xí)，同時還彌補了實物教具和教學(xué)資源的不足，解決了學(xué)校面臨的教學(xué)難題，還從一定程度上提高了教學(xué)的效率和教學(xué)進度。通過本文的研究，其他工程類的課程輔助教學(xué)應(yīng)該也像機械制圖輔助教學(xué)APP一樣，應(yīng)用AR技術(shù)對課程的教學(xué)產(chǎn)生較大的意義。

總結(jié)：機械制圖課程主要目的是為了培養(yǎng)學(xué)生的空間思維能力，這是一種完全靠想象的能力，很難用語言去表達。這個思維空間能力對于想象力比較差的學(xué)生來說，是很難對其進行掌控的。面對同樣的一個平面圖，想象力比較低的學(xué)生很難將其轉(zhuǎn)化成為立體圖形。在過去的傳統(tǒng)的教學(xué)模式當(dāng)中，老師在制圖的課程中采用的是木模加掛圖的形式進行教學(xué)，但是這樣的教學(xué)方式的效果并不理想。最近這幾年來，隨著科技的不斷發(fā)展，多媒體技術(shù)不斷得到普及，在制圖的課程中加入了三維的計算機模型，用這個方式代替了傳統(tǒng)的教學(xué)模式。但是這個方式也只能是在課堂上應(yīng)用，學(xué)生還需要在課外進行努力的練習(xí)，才能真正的掌握繪圖技能。 在課外的學(xué)習(xí)中，學(xué)生可以借鑒教材的圖形模型，但是這樣的圖形模型很少，比較缺乏，所以學(xué)生的課外學(xué)習(xí)效率低，效果差，即使通過了大量的練習(xí)還是不能好好的掌握制圖技能。所以，為了解決這一些難題，引入了增強現(xiàn)實技術(shù)，輔助學(xué)生學(xué)習(xí)制圖。經(jīng)過一系列的研究以及實踐表明，用AR技術(shù)開發(fā)了機械制圖輔助教學(xué)APP，這個機械制圖輔助教學(xué)APP能在課外的時候幫助學(xué)生學(xué)習(xí)如何建立立體圖形，對學(xué)生的空間思維進行了很好的訓(xùn)練，同時提高了制圖教學(xué)的效率。在教學(xué)課堂中，應(yīng)該引入這種新的教學(xué)模式來幫助學(xué)生去學(xué)習(xí)制圖課程。