5G融合AR技術(shù)視域下的課程教學(xué)改革研究

賈玉坤 沈姝君

摘 要：利用時下流行的5G技術(shù)同時融合AR技術(shù)，實現(xiàn)了一種“身臨其境”的普世教學(xué)方法。學(xué)生們沉浸在虛擬的儀器上“不能自拔”，從而快速掌握相關(guān)基礎(chǔ)知識，以及各個元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。依托5G高速網(wǎng)絡(luò)及AR技術(shù)，學(xué)生設(shè)計師可按照自己的構(gòu)思去設(shè)計真實的空間，且通過改變觀察位置，查看設(shè)計的效果，節(jié)約設(shè)計成本和設(shè)計時間。此方法采用了人機互動的教學(xué)方法，無須材料費用支出，且可無限重復(fù)利用。以《液壓氣壓傳動與控制》為例，由于液壓傳動實訓(xùn)過程中，操作不當(dāng)可導(dǎo)致液壓油亂飛，引入AR增強現(xiàn)實技術(shù)也可以減少學(xué)生“滿手油污”的煩惱。

關(guān)鍵詞：AR技術(shù);5G技術(shù);教學(xué)改革

時下最流行的5G技術(shù)即為第五代移動通信技術(shù)，5G技術(shù)有著超低的延遲，超高的數(shù)據(jù)傳輸速率及超大的數(shù)據(jù)傳輸量等特點。5G技術(shù)自2019年已經(jīng)開始大量應(yīng)用，它的投入運營代表著更加優(yōu)質(zhì)的網(wǎng)絡(luò)通信環(huán)境，同時也為數(shù)字化、信息化課堂打下硬件基礎(chǔ)，提升了數(shù)字媒體對學(xué)生的積極作用，并使之成為常態(tài)化的教學(xué)手段之一，推動了優(yōu)質(zhì)的信息化教學(xué)資源的共享、公用[1-2]。

AR（Augmented Reality）即增強現(xiàn)實，他是利用計算機生成逼真的虛擬環(huán)境，輔之其他先進(jìn)的傳感器加載在AR眼鏡或手機中，讓用戶沉浸到虛擬環(huán)境與真實環(huán)境疊加的交互式環(huán)境中，完成相應(yīng)的任務(wù)。AR技術(shù)強調(diào)的是一種“身臨其境”的用戶體驗，突破了傳統(tǒng)的空間、時間限，AR技術(shù)的應(yīng)用帶來的用戶體驗與互動更加真實，可推動教學(xué)資源的發(fā)展[3，4，5]。

5G融合AR技術(shù)的教學(xué)模式是一種利用高速的數(shù)據(jù)通信網(wǎng)實現(xiàn)實時互動，并置身于虛擬與現(xiàn)實相結(jié)合的環(huán)境中完成教學(xué)任務(wù)的教學(xué)方法。而5G融合AR技術(shù)將傳動的教學(xué)方式進(jìn)行了延伸，可以替代傳統(tǒng)的教學(xué)模式和教學(xué)理念;將這些信息化教學(xué)資源做成優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源庫，可極大地緩解師資力量配比不均的問題，同時可豐富教師的教學(xué)手段。

1 教學(xué)現(xiàn)狀

機電一體化專業(yè)是高職傳統(tǒng)優(yōu)勢專業(yè)，社會需求量大，但往往剛?cè)肼殞W(xué)生“眼高手低”，很多零件內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全不了解或一點不知道。《液壓氣壓傳動與控制》是機電一體化專業(yè)課程體系中的一門重要專業(yè)核心課程，授課對象是大二學(xué)生，每周4節(jié)課，且是“理、實、仿”（理論+實訓(xùn)+仿真）一體化課程。同時他也是一門實踐性很強的專業(yè)核心課，由于課程概念抽象、原理圖復(fù)雜、計算量大、空間想象力要求高。如何能將“想象”變?yōu)椤艾F(xiàn)實”，使略顯枯燥乏味的理論變得“熱熱鬧鬧”，變成現(xiàn)實中亟待解決的問題。

以《液壓氣壓傳動與控制》為例分析其在教學(xué)中存在的主要問題。

（1）從學(xué)生的畢業(yè)實踐指導(dǎo)及畢業(yè)后學(xué)生反饋中發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學(xué)生在面對實際的項目時顯得束手無策，不知所措;不知道從何做起，如何去完成，而且需要非常長的時間去適應(yīng)相關(guān)的工作。

（2）學(xué)生在實訓(xùn)過程中，材料安排不合理，實驗器材隨意放置，甚至丟棄，造成材料的極大浪費，且某些材料污染嚴(yán)重。

（3）以講授為主的教學(xué)方式，教師占主導(dǎo)作用，學(xué)生自主學(xué)習(xí)積極性很低，致使學(xué)生產(chǎn)生一種不知道要問“為什么”的麻木習(xí)慣。

2 改革目標(biāo)及關(guān)鍵問題

通過引入5G+AR技術(shù)，讓學(xué)生在“沉浸式”的虛擬與現(xiàn)實的環(huán)境中完成教師安排的課程，完成對各種虛擬機器進(jìn)行拆解，研究其內(nèi)部構(gòu)造、原理、使用方法等。

（1）教學(xué)中采用的實訓(xùn)項目囊括了所有必修內(nèi)容，且全部來源于目前正在使用的經(jīng)典案例，全部為精挑細(xì)選，以此引導(dǎo)學(xué)生建立完整知識體系。

（2）5G融合AR技術(shù)引入內(nèi)容可更加直觀，AR技術(shù)教學(xué)法將枯燥難懂的理論轉(zhuǎn)化成直觀的范例展示給學(xué)生，并將學(xué)生在實踐回路連接項目主體地位發(fā)揮到最大，充分調(diào)動學(xué)生的創(chuàng)造性。學(xué)生在“身臨其境”的體驗中實現(xiàn)液壓氣壓系統(tǒng)動力元件、執(zhí)行元件、壓力控制元件、流量控制元件、速度控制元件回路的連接，元件的拆裝等。

（3）“學(xué)生為主、教師主導(dǎo)、雙導(dǎo)師制”為指導(dǎo)思想，讓學(xué)生從相對被動的地位轉(zhuǎn)變到相對主導(dǎo)地位。

3 內(nèi)容的構(gòu)建

《液壓氣壓傳動與控制》是一門具有創(chuàng)新性與實踐性相結(jié)合的課程，屬于三大傳動方式中的一種，具有機械傳動和電氣傳動等無可替代的優(yōu)越性。隨著現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展，電子技術(shù)、自動控制技術(shù)、傳感器技術(shù)等快速滲透到液壓與氣壓傳動技術(shù)當(dāng)中，該技術(shù)已廣泛地應(yīng)用到自動化生產(chǎn)線、機電工程設(shè)備等領(lǐng)域中，展示出強大的生產(chǎn)力。實驗及實訓(xùn)教學(xué)是液壓與氣壓傳動課程的重要教學(xué)環(huán)節(jié)。

以機電一體化專業(yè)《液壓氣壓傳動與控制》課程為例，利用時下流行的5G技術(shù)同時融合AR技術(shù)，實現(xiàn)一直普世的教學(xué)方法。依托5G技術(shù)的高速度、泛在網(wǎng)、低功耗、低時延以及AR增強現(xiàn)實技術(shù)的“身臨其境”，讓學(xué)生們沉浸在虛擬的儀器上“不能自拔”，從而快速掌握液氣壓相關(guān)基礎(chǔ)知識，以及液氣壓各個元件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、使用方法。

依據(jù)《液壓氣壓傳動與控制》課程的主要教學(xué)特點，有如下幾點，將5G技術(shù)及AR技術(shù)融入到課程教學(xué)中。

3.1 “拆中學(xué)”

每個新的部件、每個新的模塊均從實物拆解開始，將各個液壓部件依托AR技術(shù)將其“大卸八塊”，這樣可以更深入了解各個液壓部件原理、內(nèi)部構(gòu)造，有個形象的認(rèn)識。接著由淺入深講解部件的原理、回路中的作用、如何使用、主要參數(shù)、圖形符號等，中間穿插視頻、小微課。

3.2 “仿中學(xué)”

液壓及氣壓控制原理回路圖抽象、復(fù)雜且靜態(tài)狀態(tài)不易理解。同時受到空間限制，復(fù)雜項目無法進(jìn)入實訓(xùn)室回路實訓(xùn)，引入AR技術(shù)，讓學(xué)生搭建回路、運行回路、同時檢查回路、修改回路，通過虛擬仿真，虛擬拆裝，虛擬回路鏈接達(dá)到高效學(xué)習(xí)的目的。

3.3 “虛中學(xué)”

液壓氣壓系統(tǒng)回路圖包含大量元件符號，各種符號之間非常接近，不易理解也不容易記憶，即使常安裝，維修的技術(shù)人員有時也會出錯。依托AR技術(shù)可以讓學(xué)生對各種元件進(jìn)行拆裝、剖視、查看工作原理等，利用工作原理掌握各種液壓氣壓符號。

4 改革的實施

《液壓氣壓傳動與控制》在教學(xué)安排上，整個過程分兩個階段，第一階段講解基礎(chǔ)知識部分，共20課時，第二階段要求將AR增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于課堂實踐教學(xué)，共32課時，總52個課時。

為達(dá)到《液壓氣壓傳動與控制》知識與能力培養(yǎng)大綱的要求，教學(xué)內(nèi)容的設(shè)計基于要求學(xué)生掌握機電一體化相關(guān)基本知識的基礎(chǔ)上進(jìn)行回路連接實訓(xùn)、液壓元件拆裝實訓(xùn)、液壓回路仿真實訓(xùn)等。根據(jù)課程內(nèi)容豐富、工程特質(zhì)強的特點，充分運用5G及AR技術(shù)實現(xiàn)回路連接、液壓元件拆裝、液壓回路仿真等。下圖為液壓元件拆裝在手機端運行效果。

教學(xué)內(nèi)容分為兩個階段。第一階段講解基礎(chǔ)知識部分，即液壓氣壓系統(tǒng)基本定律、液壓氣壓系統(tǒng)動力元件、執(zhí)行元件、壓力控制元件、流量控制元件、速度控制元件原理及內(nèi)部構(gòu)造。第二階段將5G融合AR增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于液壓氣壓控制的實訓(xùn)項目中。學(xué)生根據(jù)教師的安排完成各個元件的內(nèi)部構(gòu)造拆裝以及回路連接，實現(xiàn)相應(yīng)的功能。

（1）基礎(chǔ)知識學(xué)習(xí)（20節(jié)課），包括液壓氣壓系統(tǒng)基本原理、液壓氣壓系統(tǒng)動力元件、執(zhí)行元件、壓力控制元件、流量控制元件、速度控制元件，為后續(xù)的拆解、仿真、回路連接做準(zhǔn)備。

（2）液氣壓元件拆解（10節(jié)課），利用AR技術(shù)對液壓系統(tǒng)五大部分（動力、執(zhí)行、流量控制、壓力控制、速度控制）進(jìn)行拆解，熟悉內(nèi)部結(jié)構(gòu)及元件主要功能，深入了解使用相應(yīng)元件的注意事項等。

（3）回路連接（22節(jié)課），依托高速5G網(wǎng)絡(luò)及AR增強現(xiàn)實技術(shù)完成液氣壓系統(tǒng)回路連接并完成相應(yīng)的功能，提供10個回路連接項目。

5 結(jié)語

結(jié)合機電專業(yè)崗位分析，利用時下流行的5G技術(shù)融合AR（Augmented Reality）增強現(xiàn)實技術(shù)，對《液壓氣壓傳動與控制》課程整理結(jié)構(gòu)、單元結(jié)構(gòu)及信息化資源進(jìn)行了重新開發(fā)，并建立了AR增強現(xiàn)實教學(xué)資源庫，利用該信息化教學(xué)資源庫，學(xué)生可“游戲式”地完成相關(guān)理論知識的學(xué)習(xí)、技能的培養(yǎng)。學(xué)生在學(xué)習(xí)過程轉(zhuǎn)換了角色，變成了學(xué)習(xí)的主導(dǎo);教師從原來的“演講者”變成了“導(dǎo)演”。同時，在學(xué)生的實訓(xùn)過程中減少了材料不必要的浪費，并能讓學(xué)生有一種“身臨其境”的沉浸式體驗。

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