AR 技術(shù)在液壓與氣壓傳動(dòng)課程中的應(yīng)用

汪 超，王澤坤，黎 鵬

（1.湖南文理學(xué)院，湖南 常德 415000；2.湖南應(yīng)用技術(shù)學(xué)院，湖南 常德 415000）

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR 技術(shù)），指將真實(shí)環(huán)境與虛擬信息相互集成滿足現(xiàn)實(shí)增強(qiáng)或補(bǔ)充的技術(shù)手段。液壓與氣壓傳動(dòng)作為機(jī)械工程專業(yè)的重點(diǎn)課程，是需要學(xué)生全面掌握的專業(yè)必修課程。該課程具有圖形符號(hào)、名詞、概念數(shù)量眾多及內(nèi)容抽象等鮮明特點(diǎn)，其圖例相對(duì)復(fù)雜且實(shí)踐性較強(qiáng)，教學(xué)工作量及工作難度較大[1]。將AR 技術(shù)與液壓及氣壓傳動(dòng)課程相結(jié)合，能夠充分發(fā)揮技術(shù)輔助教學(xué)的作用，大大提高教師的日常教學(xué)效率，向?qū)W生傳遞更為直觀生動(dòng)的立體化視覺(jué)沖擊，為建設(shè)液壓與氣壓傳動(dòng)課程信息化教學(xué)平臺(tái)提供有益的嘗試及探索經(jīng)驗(yàn)。

1 AR 技術(shù)的概述

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)主要通過(guò)將虛擬世界信息與真實(shí)世界信息相互疊加，促使社會(huì)大眾把在現(xiàn)實(shí)世界特定環(huán)境中難以獲取的觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)及視覺(jué)等信息，通過(guò)運(yùn)用多媒體技術(shù)手段經(jīng)三維建模、實(shí)時(shí)跟蹤及注冊(cè)智能交耳傳感處理后，滿足模擬仿真的要求，促使虛擬信息投射于真實(shí)世界之內(nèi)，確?，F(xiàn)實(shí)世界與虛擬信息間相互融合，向社會(huì)大眾提供超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)[2]。

2 液壓與氣壓傳動(dòng)課程的教學(xué)現(xiàn)狀分析

2.1 知識(shí)覆蓋廣泛

通常情況下，液壓與氣壓傳動(dòng)課程的內(nèi)容相對(duì)復(fù)雜。以第二版《液壓與氣壓傳動(dòng)》為例，其課程內(nèi)容由氣壓傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)及流體力學(xué)3 個(gè)部分組成，涉及輔助元件部分、控制元件部分、執(zhí)行元件部分、動(dòng)力元件部分及流體力學(xué)基礎(chǔ)等方面內(nèi)容，、理論知識(shí)面覆蓋相對(duì)廣泛，甚至涵蓋典型系統(tǒng)及系統(tǒng)設(shè)計(jì)、液壓與氣壓傳動(dòng)回路等方面內(nèi)容，大大增加課堂教學(xué)工作量及工作難度[3]。

2.2 教材編寫(xiě)復(fù)雜

由于機(jī)械結(jié)構(gòu)與課程所介紹的執(zhí)行元件、輔助元件、控制元件及動(dòng)力元件間存在著密切聯(lián)系，因此教材中提供了大量的圖片及案例供學(xué)生進(jìn)行日常學(xué)習(xí)，并且液壓元件往往需要展示元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)，經(jīng)常使用剖面視圖進(jìn)行表達(dá)。為了節(jié)約總體成本投入，所有教學(xué)材料中的圖片均采用黑白填寫(xiě)圖例顏色，客觀上要求學(xué)生具備較強(qiáng)的識(shí)圖能力，方可有效認(rèn)清楚教材中各種圖例結(jié)構(gòu)。

2.3 實(shí)踐效果不佳

液壓與氣壓傳動(dòng)課程是一門實(shí)踐性較強(qiáng)的專業(yè)課程，而我國(guó)大部分高校深受教學(xué)場(chǎng)地及教學(xué)器材等因素的限制，無(wú)法保證實(shí)踐環(huán)節(jié)的實(shí)施效果。即便部分高校持續(xù)擴(kuò)大資金投入，相繼購(gòu)買相應(yīng)的教學(xué)器具及教學(xué)試驗(yàn)臺(tái)，但是仍存在著較多問(wèn)題。例如：器材老化、零部件受損、元件缺乏及系統(tǒng)更新速度緩慢等。造成學(xué)生元件認(rèn)知不夠清晰明確，無(wú)法實(shí)現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)，對(duì)教學(xué)質(zhì)量產(chǎn)生極其不利的影響[4]。

3 液壓與氣壓傳動(dòng)課程應(yīng)用AR 技術(shù)的必要性分析

3.1 調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)興趣

“興趣是最好的老師”，但在具體的教學(xué)環(huán)節(jié)，部分學(xué)生往往因遭遇各種學(xué)習(xí)障礙及困難喪失課程學(xué)習(xí)的信心及意識(shí)，甚至極易出現(xiàn)放棄學(xué)習(xí)的心理問(wèn)題。同時(shí)，液壓與氣壓傳動(dòng)課程中所包含的元件結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，大大增加了學(xué)生理解及認(rèn)識(shí)元件結(jié)構(gòu)的難度，以至于學(xué)生無(wú)法深入理解元件的工作原理，導(dǎo)致出現(xiàn)學(xué)習(xí)“一知半解”的問(wèn)題。而應(yīng)用AR 技術(shù)手段能幫助學(xué)生在教學(xué)課堂中立足于教師所講授的理論知識(shí)及教學(xué)進(jìn)度，通過(guò)仔細(xì)觀察立體的元件模型，形成具體形象的元件結(jié)構(gòu)認(rèn)知結(jié)果，為教師講解后期原理提供強(qiáng)有力的支持，進(jìn)一步調(diào)動(dòng)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

3.2 輔助實(shí)踐教學(xué)

液壓與氣壓傳動(dòng)課程包含大量的實(shí)踐操作內(nèi)容，往往需要學(xué)生自主拆裝液壓系統(tǒng)的動(dòng)力元件、執(zhí)行元件、控制元件及輔助元件，并且能結(jié)合原理圖紙搭建系統(tǒng)回路。目前我國(guó)大多數(shù)高校深受場(chǎng)地及成本投入限制，無(wú)法滿足課程中實(shí)踐操作的教學(xué)要求。即便部分高校購(gòu)買了液壓與氣壓傳動(dòng)元件，但是元件數(shù)量相對(duì)較少，根本無(wú)法做到人手一套，實(shí)踐操作的教學(xué)質(zhì)量效果不佳。而應(yīng)用AR 技術(shù)進(jìn)行實(shí)踐操作教學(xué)，能充分發(fā)揮AR 技術(shù)的輔助教學(xué)作用，幫助每一位學(xué)生憑借輔助性app 及時(shí)了解元件，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實(shí)踐教學(xué)模式的不足。

3.3 拓展教學(xué)資源

液壓與氣壓傳動(dòng)課程的傳統(tǒng)教學(xué)材料往往采用黑白印刷，大大增加復(fù)雜圖例的理解難度。同時(shí)，傳統(tǒng)教學(xué)材料普遍存在更新速度緩慢的問(wèn)題，而應(yīng)用AR 技術(shù)手段能彌補(bǔ)原有教學(xué)模式的不足，擴(kuò)大教學(xué)資源的范疇，及時(shí)補(bǔ)充數(shù)字化資源的內(nèi)容，拓展數(shù)字化學(xué)習(xí)的深度及廣度。學(xué)生僅僅需要依靠手機(jī)及平板電腦等學(xué)習(xí)終端進(jìn)行掃描學(xué)習(xí)，大大簡(jiǎn)化了知識(shí)獲取的途徑及流程，明顯提高知識(shí)獲取的效率。

4 液壓與氣壓傳動(dòng)課程應(yīng)用AR 技術(shù)的要點(diǎn)分析

4.1 豐富課程資源

從傳統(tǒng)課堂教學(xué)模式角度來(lái)看，常見(jiàn)的液壓與氣壓傳動(dòng)課程的教學(xué)資源可劃分為視頻、動(dòng)畫(huà)、三維模型的二維展示圖、二維圖及文字說(shuō)明。而將課堂教學(xué)與多媒體教學(xué)技術(shù)手段相結(jié)合，可以極大地豐富課堂教學(xué)資源。由于元件結(jié)構(gòu)及系統(tǒng)回路過(guò)于復(fù)雜，學(xué)生需要通過(guò)個(gè)體想象及逐步推演方可明確教材內(nèi)容及知識(shí)要點(diǎn)，而引進(jìn)AR 技術(shù)能充分發(fā)揮現(xiàn)代化信息技術(shù)的作用，形成更為豐富的課程資源庫(kù)。

以課程資源庫(kù)為例，其中各種資源的實(shí)現(xiàn)方法相對(duì)豐富，包括三維模型清晰截圖或二維圖采用實(shí)物高清圖。特別是三維模型，往往利用三維建模軟件搭建數(shù)字化模型。同時(shí)，經(jīng)實(shí)體模型面體化及減面處理后，交由Unity3D 軟件轉(zhuǎn)化處理，可發(fā)布供人機(jī)交互查看的立體化模型教學(xué)資源，并且所有二維動(dòng)畫(huà)資源均采取Flash 軟件進(jìn)行制作，三維動(dòng)畫(huà)資源均采取3Dmax 軟件或3Dvia 軟件進(jìn)行制作，所有視頻資源均需要利用攝像機(jī)完成拍攝。

4.2 提高教學(xué)效果

以傳統(tǒng)教學(xué)資源為基礎(chǔ)添加三維模型庫(kù)及保證系統(tǒng)正常運(yùn)行的動(dòng)畫(huà)推演過(guò)程，說(shuō)明教師具體授課期間能利用立體化及逼真程度高的三維模型及二維、三維動(dòng)畫(huà)進(jìn)行輔助授課教學(xué)，學(xué)生于課后可隨時(shí)隨地經(jīng)掃描AR 標(biāo)志，利用三維立體模型及動(dòng)畫(huà)等豐富教學(xué)資源，幫助學(xué)生深入理解元件結(jié)構(gòu)及工作原理，方可實(shí)現(xiàn)大幅度提升教學(xué)效果的目標(biāo)。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)探究認(rèn)識(shí)到，強(qiáng)化液壓與氣壓傳動(dòng)課程教學(xué)改革進(jìn)程，靈活運(yùn)用AR 技術(shù)手段，是新工科建設(shè)驅(qū)動(dòng)的主流方向，被視為培養(yǎng)學(xué)生工程素養(yǎng)及創(chuàng)新能力的主要途徑及重要方法。因此，相關(guān)院校教師必須秉持具體問(wèn)題具體分析的教學(xué)原則，不斷豐富教學(xué)方法及健全教學(xué)模式，將大量的科研成果視為課程教學(xué)案例，不止能大幅度提升教學(xué)質(zhì)量，更能增強(qiáng)學(xué)生創(chuàng)新能力及調(diào)查研究能力。