AR技術(shù)在液壓與氣壓傳動課程中的應(yīng)用思考

李一紅 李寧 雷琪

增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）是將真實環(huán)境與虛擬信息集成實現(xiàn)對現(xiàn)實增強(qiáng)或補(bǔ)充的技術(shù)?！兑簤号c氣壓傳動》是機(jī)械工程專業(yè)學(xué)生應(yīng)重點掌握的一門專業(yè)必修課，具有概念、名詞及圖形符號多，內(nèi)容抽象，圖例復(fù)雜，實踐性強(qiáng)等特點。因此學(xué)生在這門課的學(xué)習(xí)中普遍存在課程內(nèi)容難以理解等情況。在液壓與氣壓傳動課程中應(yīng)用AR技術(shù)進(jìn)行輔助教學(xué)，能給學(xué)生在學(xué)習(xí)中帶來更加直觀、生動的立體視覺沖擊，為液壓與氣壓傳動課程的信息化建設(shè)提供了有益的嘗試與探索。

一、AR概述

增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)（Augmented Reality，AR）將虛擬世界信息疊加到真實世界信息上，把人們在現(xiàn)實世界中特定環(huán)境下難以獲得的視覺、聲音、觸覺等信息，通過運用多媒體、三維建模、實時跟蹤及注冊智能交耳傳感等多種技術(shù)手段，進(jìn)行模擬仿真，將虛擬信息投射到真實世界，虛擬信息和現(xiàn)實世界互相融合，使人們獲得超越現(xiàn)實的感官體驗。目前，AR技術(shù)已經(jīng)成功應(yīng)用于醫(yī)療、教育、軍事訓(xùn)練、消費購物、娛樂游戲等領(lǐng)域。本文旨在探索AR技術(shù)在液壓與氣壓傳動課程中的應(yīng)用。

二、《液壓與氣壓傳動》教學(xué)現(xiàn)狀

液壓與氣壓傳動是工程機(jī)械、機(jī)電一體化、汽車等專業(yè)學(xué)生的必修課程之一，授課主要采用理論講授與實踐操作相結(jié)合的方式。通過統(tǒng)計分析普通高校人才培養(yǎng)方案可以發(fā)現(xiàn)，課程總學(xué)時普遍在56學(xué)時之內(nèi)，存在理論學(xué)時和實踐學(xué)時分配不均的情況，教學(xué)效果普遍較差，主要有以下幾個方面的原因。

1.課程涵蓋的知識面廣，內(nèi)容復(fù)雜。以姜繼海《液壓與氣壓傳動》第二版為例，課程內(nèi)容主要由“流體力學(xué)”、“液壓傳動”和“氣壓傳動”三部分組成。流體力學(xué)包含的主要內(nèi)容為流體力學(xué)基礎(chǔ)，液壓傳動與氣壓傳動包含的內(nèi)容有動力元件部分、執(zhí)行元件部分、控制元件部分及輔助元件部分。除此之外還有液壓與氣壓傳動回路、典型系統(tǒng)和系統(tǒng)設(shè)計等內(nèi)容。

2.教材編寫復(fù)雜，概念多、圖例多。要介紹的動力元件、控制元件、輔助元件和執(zhí)行元件都和機(jī)械結(jié)構(gòu)相關(guān)，教材中提供了大量的圖片供學(xué)生學(xué)習(xí)，但是液壓元件多要展示元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，所以常常采用剖視圖來表達(dá)，為了節(jié)約成本，教材多采用黑白色，學(xué)生必須具備較強(qiáng)的識圖能力，才能將教材上的圖例結(jié)構(gòu)認(rèn)清，不便于分析各個元件的原理。

3.液壓與氣壓傳動是一門實踐性較強(qiáng)的課程。很多高校由于受到教學(xué)場地和教學(xué)器材的限制，實踐環(huán)節(jié)的實施效果不佳，部分高校雖然有教學(xué)器具和教學(xué)實驗臺，但也存在器材老化、零件損壞、元件“缺胳膊少腿”、更新速度慢等問題。導(dǎo)致學(xué)生認(rèn)識元件不清晰，不能較好達(dá)到教學(xué)目的。因此，打破傳統(tǒng)教學(xué)模式，充分運用信息化手段教學(xué)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)積極性與自主性，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效能是非常必要的。

三、AR技術(shù)在液壓與氣壓傳動課程中的應(yīng)用策略

傳統(tǒng)課堂上，常見的液壓與氣壓傳動課程教學(xué)資源主要包括文字說明、二維圖、三維模型的二維展示圖、動畫、視頻等資源，多媒體技術(shù)的應(yīng)用豐富了課堂教學(xué)資源，但是由于元件結(jié)構(gòu)和系統(tǒng)回路復(fù)雜，學(xué)生只能通過想象和逐步推演才能學(xué)懂弄通。引入AR技術(shù)之后，可以利用現(xiàn)代信息技術(shù)建立更為豐富的課程資源庫，如圖1所示。課程資源庫的各種資源的實現(xiàn)方法為：二維圖采用實物高清圖或者三維模型清晰截圖，三維模型采用三維建模軟件建立數(shù)學(xué)模型，經(jīng)過實體模型面體化、減面處理后，經(jīng)Unity3D軟件轉(zhuǎn)換處理后發(fā)布的可人機(jī)交互查看的立體模型教學(xué)資源，二維動畫資源采用Flash制作，三維動畫資源一般采用3Dmax軟件或者3Dvia制作;視頻資源是利用攝像機(jī)進(jìn)行拍攝。

在傳統(tǒng)教學(xué)資源的基礎(chǔ)上加入三維模型庫及系統(tǒng)運行的動畫推演過程，教師在課堂上能夠利用立體化、逼真的三維模型和二維及三維動畫輔助授課，學(xué)生也能在課下隨時通過掃描AR標(biāo)志，通過三維立體的模型、動畫等豐富的教學(xué)資源，理解元件結(jié)構(gòu)和工作原理，實現(xiàn)更好的教學(xué)效果。目前AR技術(shù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用主要依托以下幾種設(shè)備：①桌面式AR設(shè)備，主要是利用虛擬現(xiàn)實體機(jī)，有兩種使用方式，一種是戴追蹤眼鏡的人操作激光筆，而戴上非追蹤眼鏡的人可以看到三維效果。另一種是在原有設(shè)備上增設(shè)全息攝像頭和投影或者平板電腦，在投影和平板電腦上呈現(xiàn)裸眼3D的效果。②頭戴式AR的設(shè)備主要由頭戴式顯示器、位置跟蹤器和數(shù)據(jù)手套等組成。③手持式AR設(shè)備采用AP2與移動設(shè)備相結(jié)合，利用手機(jī)攝像頭獲取影像，通過增加虛擬影像實現(xiàn)特殊效果這種方式靈活，使用方便，增強(qiáng)知識的樂趣。本門課程主要使用手持式AR設(shè)備，通過用手機(jī)掃描AR標(biāo)識，人機(jī)交互查看的立體模型教學(xué)資源。

四、AR技術(shù)在液壓與氣壓傳動課程中的優(yōu)勢

1.提高學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣。興趣是最好的老師。然而在學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生常常因為遇到學(xué)習(xí)障礙和困難而喪失學(xué)好一門課程的信心，甚至產(chǎn)生放棄的心理?！兑簤号c氣壓傳動》課程中有很多元件結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，導(dǎo)致學(xué)生對元件的結(jié)構(gòu)認(rèn)識不清，從而對元件的工作原理也難以理解，常常學(xué)得一知半解。應(yīng)用AR技術(shù)，學(xué)生不僅可以在課堂上實時根據(jù)老師講的內(nèi)容，觀察立體化的元件模型，形象具體的認(rèn)知元件結(jié)構(gòu)，為教師講解原理打下基礎(chǔ)。學(xué)生學(xué)懂了，弄通了，學(xué)習(xí)興趣自然就建立起來。

2.可以輔助實踐教學(xué)?！兑簤号c氣壓傳動》課程需要有大量的實踐學(xué)時，學(xué)生要對液壓系統(tǒng)中動力元件、控制元件、執(zhí)行元件和輔助元件進(jìn)行拆裝，并能夠根據(jù)原理圖搭建系統(tǒng)回路圖。而很多高校受到場地限制，無法滿足實踐課程的正常完成。或者有的高校有液壓與氣壓傳動元件，但是元件數(shù)量也不可能滿足人手一套。所以，實踐課程效果往往不佳。利用AR技術(shù)輔助教學(xué)，每一位學(xué)生都能依靠輔助app及時了解元件結(jié)構(gòu)，極大的彌補(bǔ)了傳統(tǒng)《液壓與氣壓傳動》課程實踐教學(xué)的不足。

3.可以及時補(bǔ)充和擴(kuò)展豐富的教學(xué)資源。傳統(tǒng)教材受到成本的限制多采用黑白印刷，很多復(fù)雜的圖例很難看懂。并且傳統(tǒng)教材存在更新速度慢等問題。而用AR技術(shù)可以及時補(bǔ)充豐富的數(shù)字化資源，根據(jù)需要拓展學(xué)習(xí)的廣度和深度，學(xué)生只需通過手機(jī)或者平板電腦等學(xué)習(xí)終端掃描，就可以便捷的獲取知識。

《液壓與氣壓傳動》是一門理論和實踐性均較強(qiáng)的綜合性課程，存在基礎(chǔ)概念多、元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點，傳統(tǒng)的授課方式由于理論知識較難，實踐環(huán)節(jié)的開展受限，往往教學(xué)效果不佳。本文提出了將AR技術(shù)應(yīng)用到《液壓與氣壓傳動》的教學(xué)中，學(xué)生可以通過AR終端設(shè)備掃描，獲取直觀、生動的（可旋轉(zhuǎn)）的元件模型，不僅可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，更好地彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)實踐環(huán)節(jié)的不足，還能及時的補(bǔ)充和擴(kuò)展豐富的教學(xué)資源，適應(yīng)學(xué)生對新知識的渴求和需要。

（作者單位：陸軍工程大學(xué)軍械士官學(xué)校）