談增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工程實(shí)踐教學(xué)中的應(yīng)用

周秀梅，楊偉

（三峽大學(xué)大學(xué)生素質(zhì)教育中心，湖北 宜昌）

一 引言

目前絕大部分高校的工程訓(xùn)練課程采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式，對(duì)于一些枯燥的知識(shí)展示效果不佳，不夠形象，學(xué)生較難理解。虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)是實(shí)驗(yàn)教學(xué)建設(shè)的重要內(nèi)容[1]。很多高校專門(mén)成立了虛擬仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)中心，以便提供更具展示性的實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，使學(xué)生更生動(dòng)直觀地學(xué)到相關(guān)實(shí)驗(yàn)知識(shí)，使學(xué)生的實(shí)踐能力得到更大的提高。

現(xiàn)有的虛擬仿真實(shí)驗(yàn)平臺(tái)有很多，有很多專業(yè)的仿真軟件，比如電子仿真protuse、數(shù)學(xué)軟件MATLAB、虛擬儀器軟件LABVIEW等[2]。但這些專業(yè)軟件更多的是功能方面的仿真，生動(dòng)性不高，直觀性也不好。近幾年興起的虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)的生動(dòng)性、真觀性則非常好，可用三維的方式將傳統(tǒng)的教學(xué)過(guò)程展示出來(lái)。因此這三種技術(shù)在教育行業(yè)的應(yīng)用被很多學(xué)者專家及科技開(kāi)發(fā)人員看好，近幾年也出現(xiàn)了這三種技術(shù)在教育行業(yè)的應(yīng)用實(shí)例，但在工程訓(xùn)練課程中的應(yīng)用較少，目前做的比較好的只有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在車削加工的應(yīng)用。為此筆者通過(guò)比較虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)的優(yōu)缺點(diǎn)，提出應(yīng)用于工程訓(xùn)練的三維仿真設(shè)計(jì)，以便提高教學(xué)的效率，提升學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

二 虛擬現(xiàn)實(shí)的概述與應(yīng)用前景

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)又稱為靈鏡技術(shù)，簡(jiǎn)稱AR技術(shù)，其實(shí)就是一種計(jì)算機(jī)高級(jí)人機(jī)界面，它的主要特征就是多感知性、沉浸感、交互性、構(gòu)想性[3]。這種界面以多維的形式呈現(xiàn)，模擬人的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等感官功能，是一種沉浸式、交互式的多維信息體驗(yàn)。它依靠三維圖形生成技術(shù)、多傳感器交互技術(shù)，生成具有超越現(xiàn)實(shí)的三維逼真的虛擬環(huán)境。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用非常廣泛，開(kāi)始的時(shí)候用于軍事和航空航天領(lǐng)域，現(xiàn)在游戲、教育、工業(yè)、設(shè)計(jì)、娛樂(lè)、醫(yī)療、電力等方面都有很多應(yīng)用。虛擬現(xiàn)實(shí)的主要顯示設(shè)備包含VR眼鏡、三維投影儀、VR頭盔等，它的交互外設(shè)包括數(shù)據(jù)手套、語(yǔ)音識(shí)別設(shè)備、三維鼠標(biāo)、運(yùn)動(dòng)跟蹤器等。

虛擬現(xiàn)實(shí)最大的優(yōu)點(diǎn)是給人的畫(huà)面感特別好，給人一個(gè)非常好的沉浸感，但這是依托于它后面有強(qiáng)大的運(yùn)算能力的電腦，因此對(duì)硬件要求也非常高，所以它的設(shè)備一般也比較重，同時(shí)這個(gè)沉浸感雖然一直是我們想要的，也是非常好的優(yōu)點(diǎn)，但沉浸感也分場(chǎng)合，有些場(chǎng)合非常需要沉浸感，比如我們看小說(shuō)、看電影、打游戲等場(chǎng)合，這種場(chǎng)合中我們希望全身心地投入進(jìn)去。但像實(shí)踐教育這種場(chǎng)合，需要和現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行有效交互時(shí)，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的沉浸感就反而成了缺點(diǎn)了，太過(guò)強(qiáng)大的沉浸感，反而相當(dāng)于把現(xiàn)實(shí)世界給隔離了[4]。

三 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的概述與應(yīng)用前景

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)又稱擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)，簡(jiǎn)稱AR，它實(shí)時(shí)地根據(jù)攝像機(jī)的位置及角度顯示相應(yīng)圖像、視頻、3D模型，它將虛擬世界信息與真實(shí)世界信息無(wú)縫集成，在現(xiàn)實(shí)世界中疊加虛擬的信息并進(jìn)行互動(dòng)，現(xiàn)實(shí)世界信息和虛擬世界信息實(shí)時(shí)地在同一畫(huà)面或空間中存在，達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的視聽(tīng)體驗(yàn)。近年來(lái)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)日益成熟，在很多場(chǎng)景中都有使用，比如游戲、建筑、室內(nèi)設(shè)計(jì)、醫(yī)學(xué)、購(gòu)物、企業(yè)培訓(xùn)、教育等[5]。

在教育方面，已經(jīng)出現(xiàn)了很多可應(yīng)用的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件，JigSpace就是一款基于蘋(píng)果 ARKit工具開(kāi)發(fā)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)軟件工具。使用JigSpace可以用移動(dòng)設(shè)備在桌子上體驗(yàn)物體的虛擬3D模型，并可以通過(guò)虛擬3D模型展示物體的內(nèi)部構(gòu)造，通過(guò)交互式輸入設(shè)備，可以把虛擬3D模型和物體一步步拆分，達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感受[6]。

在工程實(shí)踐訓(xùn)練中哈爾濱工業(yè)大學(xué)正在進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合讓工程訓(xùn)練走向智能化的研究，只要通過(guò)手機(jī)掃描，學(xué)生就可以知曉這個(gè)設(shè)備背后的“秘密”，包括使用方法、設(shè)備參數(shù)等。這種基于CPS（信息物理系統(tǒng)）的思想讓設(shè)備活了起來(lái)，也給學(xué)生提供了一個(gè)自主認(rèn)知設(shè)備的機(jī)會(huì)和條件[7]。采用了“實(shí)-虛”結(jié)合的教學(xué)理念，梳理出了虛輔、實(shí)操和創(chuàng)新的學(xué)生實(shí)踐能力培養(yǎng)的主線。但增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工程實(shí)踐教學(xué)的應(yīng)用范圍遠(yuǎn)不止這些。如設(shè)備拆裝就可以用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)虛擬出很多現(xiàn)實(shí)實(shí)訓(xùn)中不方便提供實(shí)物的設(shè)備，住宅布線中可以用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)虛擬出家庭的布線場(chǎng)景，讓學(xué)生有更深的體會(huì)。

四 混合現(xiàn)實(shí)的概述與應(yīng)用前景

混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡(jiǎn)稱MR，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的定義并不明確，有多種定義，其中微軟的定義認(rèn)可度較高，既混合現(xiàn)實(shí)是基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)之上，虛擬的世界還是放在真實(shí)世界內(nèi)，但是虛擬世界要真的能和這些現(xiàn)實(shí)物體交互[8]。

混合現(xiàn)實(shí)對(duì)硬件要求非常高，因此成本非常貴，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)雖然很早就提出了，但發(fā)展比較緩慢，現(xiàn)在可以應(yīng)用的產(chǎn)品并不多，現(xiàn)在做得最好的是微軟的Hololens，已經(jīng)開(kāi)始嘗試商用了，像Magic Leap現(xiàn)在僅僅停留在實(shí)驗(yàn)室階段[9]?；旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用前景主要在推廣營(yíng)銷、設(shè)計(jì)行業(yè)、家裝行業(yè)、教育行業(yè)、直播行業(yè)等。

五 虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)的區(qū)別

其實(shí)人類最終需要裸眼看到疊加在真實(shí)世界中的全新多維虛擬畫(huà)面，這才是將來(lái)的趨勢(shì)，就是所謂的全息投影，現(xiàn)在所有的眼鏡式的3D技術(shù)，全部都是人類在過(guò)渡到全息投影之間的一個(gè)過(guò)渡技術(shù)[10]?，F(xiàn)在全息投影技術(shù)也有很大突破，在一些大型舞臺(tái)中已經(jīng)開(kāi)始使用了，但成本非常高，畫(huà)面也比較單一，場(chǎng)景限制也比較多。因此暫時(shí)還是虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用更多一些。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)其實(shí)是呈現(xiàn)一個(gè)虛擬的世界，畫(huà)面感特別強(qiáng)，可以簡(jiǎn)單進(jìn)行交互，基本上你帶上眼鏡或頭盔的那一刻起，我們就基本和現(xiàn)實(shí)世界切斷了。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是把虛擬的畫(huà)面簡(jiǎn)單疊加在現(xiàn)實(shí)世界之上，畫(huà)面上并沒(méi)有和現(xiàn)實(shí)世界交互，而且畫(huà)面感特別差?；旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)際上是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的疊加，他有虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的超強(qiáng)畫(huà)面感，同時(shí)超強(qiáng)的畫(huà)面又是融合在現(xiàn)實(shí)世界中的，而且與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)不同的是，不是簡(jiǎn)單疊加在現(xiàn)實(shí)世界之上，而是和現(xiàn)實(shí)世界有相互交融[11]。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)設(shè)備要求不高，因此成本不高，生產(chǎn)的產(chǎn)品主要面向C端，也是現(xiàn)階段發(fā)展得比較好的?；旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)則對(duì)設(shè)備要求非常高，因此成本很高，生產(chǎn)的產(chǎn)品主要面向B端，也是現(xiàn)階段發(fā)展得比較慢的，不過(guò)隨著5G技術(shù)的應(yīng)用，混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的部分運(yùn)算將可以轉(zhuǎn)向云端，可以降低混合現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的成本[12]。

由于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)完全獨(dú)立于現(xiàn)實(shí)世界之外，相比較于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)而言，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)顯得更適合在工程實(shí)踐類教育中應(yīng)用，同時(shí)由于現(xiàn)階段混合現(xiàn)實(shí)還基本處于研究階段，尚不具備大面積使用和推廣的條件，因此筆者覺(jué)得現(xiàn)階段增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)最適合用于在工程實(shí)踐類教育中應(yīng)用。

六 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工程實(shí)踐類教育中應(yīng)用展望

根據(jù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的諸多優(yōu)點(diǎn)，筆者對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工程實(shí)踐類教育中的應(yīng)用作了如下展望。

（一） 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在實(shí)驗(yàn)室安全教育中的應(yīng)用

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在火災(zāi)防范及逃生、地震逃生等不便進(jìn)行實(shí)踐訓(xùn)練的安全教育課程中可以廣泛使用，比如火災(zāi)防范及逃生教育中，當(dāng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備掃到什么設(shè)備就可以提示相關(guān)信息，告知你這個(gè)設(shè)備有可能的誤操作會(huì)發(fā)生火災(zāi)，要怎么防范。同時(shí)還能虛擬發(fā)生火災(zāi)，指導(dǎo)怎么處理，如果處理不當(dāng)，還將教你怎么逃生，一步一步地可視化演示。同時(shí)還可以制作些配套的教具。

（二） 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工業(yè)機(jī)器人教學(xué)中的應(yīng)用

現(xiàn)有的工業(yè)機(jī)器人教學(xué)在實(shí)踐教學(xué)中無(wú)法避免存在一些問(wèn)題，比如說(shuō)：工業(yè)機(jī)器人范圍廣泛，價(jià)格昂貴，采購(gòu)許多種類的工業(yè)機(jī)器人顯然不可能[13]；工業(yè)機(jī)器人配備的有些外圍設(shè)備，例如傳送帶、焊機(jī)等，可能會(huì)因?yàn)檎`操作傷害到學(xué)生。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)則很好解決這些問(wèn)題，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以虛擬出很多工業(yè)機(jī)器人，這樣省去了很多成本，同時(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以在學(xué)生實(shí)操一些有危險(xiǎn)的工業(yè)機(jī)器人設(shè)備時(shí)，在現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上疊加顯示危險(xiǎn)提醒，并給出正確操作方法。

（三） 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電力仿真培訓(xùn)中的應(yīng)用

在電力仿真中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以給輸電線路帶電作業(yè)做仿真培訓(xùn)，培養(yǎng)學(xué)員的安全生產(chǎn)意識(shí)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以在高空巡線中模擬巡視業(yè)務(wù)，主要包括高空走線、高空墜落等，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在電力行業(yè)的設(shè)備認(rèn)知培訓(xùn)中，也能起到很好作用，實(shí)現(xiàn)對(duì)設(shè)備外形、結(jié)構(gòu)、功能的學(xué)習(xí)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以提供遠(yuǎn)程專家支持，通過(guò)專家的遠(yuǎn)程協(xié)助解決現(xiàn)場(chǎng)難題[14]。

（四） 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在設(shè)備拆裝中的應(yīng)用

工程實(shí)踐教學(xué)很大的一塊就是要對(duì)各種設(shè)備的認(rèn)知，其實(shí)設(shè)備拆裝就是很好的一個(gè)認(rèn)知過(guò)程，實(shí)際設(shè)備比較貴重，把每一種設(shè)備都拿來(lái)拆裝顯然不現(xiàn)實(shí)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)就可以虛擬出各種設(shè)備，在虛擬環(huán)境中進(jìn)行設(shè)備拆裝。在實(shí)際設(shè)備中進(jìn)行拆裝的時(shí)候，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)還可以在每完成一個(gè)動(dòng)作后，提示下一個(gè)動(dòng)作，防止設(shè)備被不正確的拆裝方法損壞。

（五） 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在銑銷加工的應(yīng)用

銑床加工與車銷加工，基本是每個(gè)工程訓(xùn)練必須的工種，也是整個(gè)工程訓(xùn)練中最花教學(xué)人力成本的工種，因?yàn)檫@兩個(gè)工種的機(jī)器太危險(xiǎn)了，稍有不慎就會(huì)造成事故，但同學(xué)們初生牛犢不怕虎，在學(xué)習(xí)時(shí)總有人不嚴(yán)格遵守安全操作規(guī)則，或者有的同學(xué)，總是忘了安全操作規(guī)則，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)就可以很好解決這個(gè)問(wèn)題，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以在開(kāi)始操作前，演示操作方法，醒目提醒安全操作規(guī)則，展示不按要求操作發(fā)生的事故，同時(shí)在實(shí)際操作時(shí)如果違反了操作規(guī)程，也會(huì)醒目實(shí)時(shí)提醒[15]。

（六） 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在住宅布線訓(xùn)練中的應(yīng)用

住宅布線訓(xùn)練是近年來(lái)新興的一個(gè)工程訓(xùn)練項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目可以讓學(xué)生很好認(rèn)識(shí)到家里的走線是怎么樣的情況，讓同學(xué)可以解決家里一些用電的突發(fā)狀況。但這個(gè)項(xiàng)目其實(shí)非常危險(xiǎn)，因?yàn)樵谟?xùn)練中要驗(yàn)證布線設(shè)計(jì)及連接的對(duì)錯(cuò)，就要上電實(shí)驗(yàn)，要是不小心發(fā)生觸電現(xiàn)象的話，觸電者將會(huì)出現(xiàn)生命危險(xiǎn)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)則能很好解決這個(gè)問(wèn)題，它可以在學(xué)生做每個(gè)動(dòng)作的時(shí)候指導(dǎo)學(xué)生，防止學(xué)生發(fā)生錯(cuò)誤操作。甚至把看不到的電流情況展現(xiàn)在眼鏡中，使同學(xué)不僅學(xué)會(huì)布線，還得很好了解到其內(nèi)部的運(yùn)轉(zhuǎn)情況。

七 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工程實(shí)踐類教育中推廣設(shè)想

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)雖然有很多優(yōu)點(diǎn)，注定著它將在工程教育中有著不平凡的境遇，但任何技術(shù)想要快速發(fā)展，迅速出現(xiàn)在大眾視野中，都需要一定的推廣。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工程實(shí)踐類教育中想要得到更多的師生認(rèn)可，也需要一定的推廣。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工程實(shí)踐教育中的推廣需要老師、同學(xué)們、AR眼鏡開(kāi)發(fā)公司、學(xué)校等各方的集體努力。本文對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工程實(shí)踐教育中的應(yīng)用推廣做了如下幾個(gè)設(shè)想。

1.建立一個(gè)開(kāi)源的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于教育的網(wǎng)絡(luò)社區(qū)，大家可以在這個(gè)網(wǎng)絡(luò)社區(qū)分享自己的作品、素材。也可以在社區(qū)獲取別人的素材，這樣可以避免大家花大量時(shí)間做重復(fù)的素材，大大加快課程開(kāi)發(fā)時(shí)間。同時(shí)可取長(zhǎng)補(bǔ)短，更好更快地提高大家在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)課程設(shè)計(jì)中的水平。

2.對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)需要的相關(guān)技術(shù)的專業(yè)的同學(xué)設(shè)立與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)相關(guān)的課程設(shè)計(jì)類的大實(shí)驗(yàn)，使同學(xué)們能將自己的所學(xué)用來(lái)加快增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)可以在學(xué)校里鼓勵(lì)創(chuàng)立增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)類的社團(tuán)。

3.學(xué)校鼓勵(lì)老師使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)出更多更有互動(dòng)性的課程，鼓勵(lì)老師花更多的時(shí)間，設(shè)計(jì)更多增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，在更多的課程中應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)。鼓勵(lì)老師參加各類增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的課程比賽，將其作為教學(xué)研究的一部分。

4.AR眼鏡開(kāi)發(fā)公司開(kāi)發(fā)更多的開(kāi)源平臺(tái)，讓更多人可以免費(fèi)使用這個(gè)技術(shù)用于非商業(yè)場(chǎng)合，加快這項(xiàng)技術(shù)的普及。

八 結(jié)語(yǔ)

在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)快速發(fā)展的背景下，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)已經(jīng)被越來(lái)越多用于教育行業(yè)，經(jīng)過(guò)老師、同學(xué)們、AR眼鏡開(kāi)發(fā)公司、學(xué)校等各方的集體努力，相信在未來(lái)也會(huì)越來(lái)越多用于工程實(shí)踐教學(xué)。未來(lái)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將結(jié)合人工智能，可以更多發(fā)揮增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)隨著云計(jì)算的發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)會(huì)更快地向混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展，甚至很快地發(fā)展全息投影。