AR技術(shù)在工程訓(xùn)練教學(xué)中的探索與實(shí)踐

李曉春，黃海龍，曲曉海

（吉林大學(xué) 機(jī)械與航空航天工程學(xué)院工程訓(xùn)練中心，長(zhǎng)春 吉林 130025）

0 引言

實(shí)踐教學(xué)在高等工程教育中占有舉足輕重的地位，特別是在教育部積極推進(jìn)“新工科建設(shè)”背景下，通過(guò)實(shí)踐教學(xué)改革進(jìn)一步提高學(xué)生動(dòng)手能力與綜合素質(zhì)以適應(yīng)時(shí)代和實(shí)踐發(fā)展的需要具有重要的現(xiàn)實(shí)意義[1，2]。

AR技術(shù)（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)Augmented Reality，簡(jiǎn)稱(chēng)AR）是將原本在現(xiàn)實(shí)世界的一定時(shí)間空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)到的實(shí)體信息（視覺(jué)信息、聲音、觸覺(jué)等），通過(guò)技術(shù)性手段實(shí)現(xiàn)真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體實(shí)時(shí)疊加于同一個(gè)畫(huà)面或空間，從而在被人類(lèi)感官感知后帶給人們視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)上全方位的超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。AR技術(shù)其使抽象的內(nèi)容具體化、形象化的特質(zhì)與工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)具有極強(qiáng)的貼合性，能夠打破傳統(tǒng)工程教育實(shí)踐教學(xué)模式的局限性，為工程訓(xùn)練的發(fā)展提供全新的機(jī)遇。不過(guò)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)AR技術(shù)運(yùn)用還不夠廣泛，投入工程訓(xùn)練方面也基本屬于全新領(lǐng)域。如何充分發(fā)揮AR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，改善工程訓(xùn)練中存在的問(wèn)題已是所有工程訓(xùn)練創(chuàng)新的重要方面[3，4]。

1 當(dāng)前工程訓(xùn)練存在的主要問(wèn)題

當(dāng)前我國(guó)高等教育工程訓(xùn)練實(shí)踐教學(xué)由于其課程的特殊性和歷史發(fā)展的延續(xù)性，仍存在一定的問(wèn)題。這些問(wèn)題主要集中在以下方面：

（1）傳統(tǒng)教學(xué)模式缺乏創(chuàng)新

我國(guó)多數(shù)高校工程訓(xùn)練中心都是由原校辦實(shí)習(xí)工廠(chǎng)轉(zhuǎn)型而來(lái)，相應(yīng)之下工程訓(xùn)練指導(dǎo)人員素質(zhì)參差不齊，教學(xué)方法單一，有些指導(dǎo)人員的知識(shí)嚴(yán)重老化，已跟不上時(shí)代的進(jìn)步。講述的知識(shí)和講述方法很多都是上個(gè)世紀(jì)七八十年代的東西，已無(wú)法滿(mǎn)足現(xiàn)在學(xué)生的要求。工程訓(xùn)練中心的歷史淵源造成了當(dāng)前工程訓(xùn)練教學(xué)模式上一定程度的路徑依賴(lài)，即傳統(tǒng)工程訓(xùn)練“師帶徒”式的“講—做”教學(xué)模式單純強(qiáng)調(diào)在知識(shí)的單向傳遞，忽略學(xué)生作為教學(xué)另一主體的主體性地位，從而帶來(lái)工程訓(xùn)練全過(guò)程學(xué)生自主性學(xué)習(xí)缺位問(wèn)題。具體來(lái)說(shuō)，個(gè)別模塊在教學(xué)過(guò)程中至今在沿用指導(dǎo)人員從頭到尾演示一遍，包括設(shè)備的操作、數(shù)據(jù)的輸入等，學(xué)生再重復(fù)這一過(guò)程的教學(xué)流程，使整個(gè)整個(gè)工程訓(xùn)練過(guò)程學(xué)生不需動(dòng)腦思考，只能進(jìn)行單調(diào)的重復(fù)，造成訓(xùn)練過(guò)程枯燥無(wú)味，學(xué)生很難真正習(xí)得相應(yīng)技能[6]。

（2）實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)人員數(shù)量嚴(yán)重不足

工程訓(xùn)練不同于其他專(zhuān)業(yè)性課程，指導(dǎo)人員和學(xué)生人數(shù)必需滿(mǎn)足一定的比例，否則無(wú)法保障教學(xué)質(zhì)量甚至無(wú)法保證學(xué)生的實(shí)習(xí)安全。因此，《工程訓(xùn)練教學(xué)示范中心建設(shè)規(guī)劃與驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》中對(duì)指導(dǎo)人員與學(xué)生人數(shù)比例有著嚴(yán)格的規(guī)定，如車(chē)工1∶1～7、銑工1∶6～8等。但隨著高校擴(kuò)展背景下學(xué)生規(guī)模的擴(kuò)大和新技術(shù)、新工藝不斷涌現(xiàn)背景下工程訓(xùn)練模塊不斷增加，有限的實(shí)訓(xùn)指導(dǎo)人員引進(jìn)現(xiàn)實(shí)中很難嚴(yán)格滿(mǎn)足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，當(dāng)前全國(guó)許多工程訓(xùn)練訓(xùn)練中心都存在指導(dǎo)人員嚴(yán)重不足、指導(dǎo)人員與學(xué)生人數(shù)比例不達(dá)標(biāo)的人力問(wèn)題。

（3）安全問(wèn)題較為突出

工程訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)中很多模塊都是有一定的危險(xiǎn)性，如車(chē)削加工、銑削加工等模塊易發(fā)生纏繞事故，熱鍛模塊易發(fā)生燙傷事故，激光加工如不按規(guī)定操作易對(duì)眼睛及身體造成損傷等。傳統(tǒng)式的安全講解如今很難引起一部分學(xué)生的真正重視，同時(shí)也由于學(xué)生對(duì)實(shí)訓(xùn)工藝流程知識(shí)模糊、工具使用不熟練往往也造成一定的操作風(fēng)險(xiǎn)。加之，當(dāng)前各高校工程訓(xùn)練過(guò)程中安全事故時(shí)有發(fā)生，不利于工程訓(xùn)練事業(yè)持續(xù)、健康、穩(wěn)定發(fā)展。

（4）難以進(jìn)行預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)

受制于工程訓(xùn)練課程自身強(qiáng)調(diào)操作性的性質(zhì)要求，學(xué)生單純的通過(guò)閱讀書(shū)籍進(jìn)行預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)的效果十分有限。但工程訓(xùn)練中心實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)資源很難提供給學(xué)生進(jìn)行課前的預(yù)習(xí)和課后的復(fù)習(xí)，使得當(dāng)前工程訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)教學(xué)通常只是“一錘子買(mǎi)賣(mài)”，很難通過(guò)自學(xué)實(shí)現(xiàn)鞏固和提高。

2 AR技術(shù)在解決工程訓(xùn)練中相應(yīng)問(wèn)題的措施

針對(duì)工程訓(xùn)練中存在的主要問(wèn)題，AR技術(shù)能夠從AR可視化工程訓(xùn)練教材建設(shè)、AR技術(shù)應(yīng)用于實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)、虛擬仿真與現(xiàn)實(shí)操作相結(jié)合及線(xiàn)上視頻資源建設(shè)四個(gè)方面提供一定的解決方案。

（1）AR可視化工程訓(xùn)練教材的建設(shè)

AR可視化教材的建設(shè)包括書(shū)籍內(nèi)容的編寫(xiě)與配套數(shù)字化教學(xué)資源的制作兩大環(huán)節(jié)。①在書(shū)籍編寫(xiě)上，完整的教材體系一方面要包含以基本概念為基礎(chǔ)，在傳統(tǒng)實(shí)習(xí)內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼弦?guī)劃，充實(shí)新技術(shù)、新工藝相關(guān)內(nèi)容，深入淺出介紹相關(guān)模塊涉及理論知識(shí)的教材；另一方面根據(jù)各模塊其自身特點(diǎn)，對(duì)實(shí)訓(xùn)中所需使用的設(shè)備的具體操作進(jìn)行詳盡的敘述，力求讓學(xué)生可以對(duì)整個(gè)實(shí)訓(xùn)操作過(guò)程清晰明了的指導(dǎo)書(shū)；還要有對(duì)實(shí)訓(xùn)內(nèi)容進(jìn)行復(fù)習(xí)、總結(jié)、歸納提高，對(duì)課程考查知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行強(qiáng)化理解的報(bào)告書(shū)。②為了使學(xué)生進(jìn)一步的理解，還應(yīng)在教材中配備適量的數(shù)字化教學(xué)資源，即圍繞知識(shí)體系下的難點(diǎn)、抽象知識(shí)點(diǎn)、復(fù)雜工藝過(guò)程等，通過(guò)二維平面動(dòng)畫(huà)、三維立體動(dòng)畫(huà)、三維仿真交互建立支撐工程訓(xùn)練教材的數(shù)字化教學(xué)資源。教材應(yīng)按照邏輯結(jié)構(gòu)與可視化教學(xué)資源實(shí)時(shí)一一對(duì)應(yīng)，根據(jù)具體內(nèi)容增加二維碼，通過(guò)掃描紙質(zhì)教材中的二維碼，從而實(shí)現(xiàn)與教材對(duì)應(yīng)的立體可視化學(xué)習(xí)過(guò)程。

（2）AR技術(shù)在實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用

工程訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)是同學(xué)們進(jìn)行實(shí)訓(xùn)學(xué)習(xí)的地點(diǎn)，其設(shè)計(jì)與布置往往盡可能的真實(shí)模擬生產(chǎn)環(huán)境。但為配合教學(xué)需要，實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)仍需懸掛一些教學(xué)掛圖。傳統(tǒng)的教學(xué)掛圖往往是一些枯燥的機(jī)械制圖，不能充分調(diào)動(dòng)同學(xué)認(rèn)真觀(guān)察的積極性。AR技術(shù)在實(shí)訓(xùn)現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用關(guān)鍵在于重建實(shí)踐教學(xué)場(chǎng)地掛圖體系。AR技術(shù)能夠?qū)⒁徊糠州^復(fù)雜的二維圖紙更新為三維圖紙，在部分的教學(xué)掛圖旁、實(shí)踐操作指導(dǎo)上、操作機(jī)床上附加數(shù)字化教學(xué)資源二維碼，可以方便學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過(guò)程中隨時(shí)使用對(duì)應(yīng)的教學(xué)資源，使學(xué)生在遇到疑問(wèn)不僅僅可以向老師尋求幫助，也可以借助AR技術(shù)對(duì)一些表述繁瑣、理解難度較大、不易觀(guān)察的知識(shí)點(diǎn)和操作難點(diǎn)進(jìn)行掃碼學(xué)習(xí)。

（3）虛擬仿真與現(xiàn)實(shí)操作相結(jié)合

虛擬仿真運(yùn)用于工程訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)中，能夠通過(guò)采用計(jì)算機(jī)虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)建的虛擬交互式實(shí)踐操作環(huán)境，使操作者可以像如同在真實(shí)環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實(shí)踐項(xiàng)目和實(shí)踐訓(xùn)練。將虛擬仿真與現(xiàn)實(shí)操作相結(jié)合，既增加了工程訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)的技術(shù)吸引力，也大大降低了工程訓(xùn)練的安全隱患，提升了工程訓(xùn)練效率與質(zhì)量。以機(jī)械拆裝模塊課程為例，該模塊教學(xué)要求學(xué)生對(duì)實(shí)訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行拆裝實(shí)訓(xùn)，要求學(xué)生掌握機(jī)械拆裝的基本方法和常用工具的使用，同時(shí)了解機(jī)械傳動(dòng)的基本原理和配合的基本形式。由于學(xué)生對(duì)傳動(dòng)形式、連接方式和固定方式、拆裝工具等了解不夠充分，經(jīng)常會(huì)進(jìn)行野蠻操作并造成高風(fēng)險(xiǎn)、高成本、低質(zhì)量的教學(xué)悖論。而如果使用虛擬仿真軟件，將虛擬仿真與現(xiàn)實(shí)操作相結(jié)合，將會(huì)大大提升工程訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)的整體品質(zhì)。

（4）構(gòu)建完善的線(xiàn)上視頻資源

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”“大數(shù)據(jù)”時(shí)代的到來(lái)，探索線(xiàn)上學(xué)習(xí)、線(xiàn)下實(shí)踐的工程訓(xùn)練新模式對(duì)于實(shí)訓(xùn)效率和效果的提高已具有越來(lái)越突出的作用。AR技術(shù)引入之下，通過(guò)在線(xiàn)教學(xué)平臺(tái)的整體建設(shè)和在線(xiàn)課程視頻資源的開(kāi)發(fā)，學(xué)生可以通過(guò)手機(jī)在學(xué)習(xí)通中隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)，最大限度地獲取相關(guān)的課程知識(shí)和技能；也可以對(duì)不熟悉或者有疑問(wèn)的知識(shí)點(diǎn)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)資源可反復(fù)觀(guān)看學(xué)習(xí)。線(xiàn)上教學(xué)平臺(tái)的使用一方面可以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，另一方面可以使老師通過(guò)網(wǎng)絡(luò)后臺(tái)記錄的學(xué)生平時(shí)線(xiàn)上學(xué)習(xí)的狀況，及時(shí)掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和學(xué)習(xí)中的難疑點(diǎn)，便于在今后的教學(xué)中進(jìn)行改善。

3 AR在工程訓(xùn)練教學(xué)中的實(shí)踐成果

（1）線(xiàn)上教學(xué)及線(xiàn)下教學(xué)配合相得益彰

此處利用工程訓(xùn)練成績(jī)測(cè)評(píng)本項(xiàng)目的效果，工程訓(xùn)練成績(jī)測(cè)評(píng)采用線(xiàn)下+線(xiàn)上混合考核法，總成績(jī)包括線(xiàn)上學(xué)習(xí)成績(jī)（占10%），工程訓(xùn)練線(xiàn)下模塊實(shí)訓(xùn)操作成績(jī)（占總成績(jī)56%）、實(shí)習(xí)報(bào)告成績(jī)（占14%）及工程訓(xùn)練考試成績(jī)（占20%）。研究對(duì)象為吉林大學(xué)汽車(chē)工程學(xué)院2018級(jí)、2019級(jí)及2020級(jí)參加工程訓(xùn)練的學(xué)生。2018級(jí)學(xué)生使用舊版教材、2019級(jí)學(xué)生使用新版AR可視化教材，2020級(jí)學(xué)生使用新版AR可視化教材的同時(shí)配合線(xiàn)上視頻資源使用。學(xué)生成績(jī)統(tǒng)計(jì)情況如圖1所示。

圖1 工程訓(xùn)練成績(jī)對(duì)比圖

2020級(jí)學(xué)生同2018級(jí)學(xué)生相比，優(yōu)秀率由18.5%提高至25.9%，良好率由42.3%提高至57.2%，優(yōu)秀率和良好率分別提升了7.4%和14.9%。從上述數(shù)據(jù)可以看出，隨著新版AR可視化工程訓(xùn)練教材的使用及線(xiàn)上資源的投放。學(xué)生的工程訓(xùn)練成績(jī)有了較明顯的提升，而通過(guò)對(duì)學(xué)生線(xiàn)下模塊實(shí)際成績(jī)的分析，也可以看出學(xué)生的動(dòng)手能力及操作的規(guī)范性都得到了進(jìn)一步的提高。

（2）利用虛擬仿真軟件降低教學(xué)耗損，保證學(xué)生實(shí)訓(xùn)安全

通過(guò)機(jī)械拆裝虛擬仿真軟件（圖2）的使用使學(xué)生熟練掌握拆裝順序及拆裝工具的使用方法，一方面大大地減少零件的破損及丟失，延長(zhǎng)了實(shí)訓(xùn)設(shè)備的使用壽命，進(jìn)而減少了教學(xué)損耗，降低了教學(xué)成本；另一方面將實(shí)訓(xùn)過(guò)程中的危險(xiǎn)性進(jìn)一步降低，使學(xué)生的安全得到了保障。

圖2 機(jī)械拆裝教學(xué)模塊虛擬仿真軟件

同時(shí)，在整體課時(shí)不變的基礎(chǔ)上，虛擬仿真軟件的使用大大提升了學(xué)生的拆裝速度，在一定程度上彌補(bǔ)了課時(shí)不足的問(wèn)題。

此外，虛擬仿真軟件的使用豐富了拆裝訓(xùn)練模塊的教學(xué)內(nèi)容，使原本繁重、枯燥的實(shí)訓(xùn)內(nèi)容緊湊、新穎起來(lái)，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果。

（3）教學(xué)資源的充分利用

在A(yíng)R技術(shù)的支撐下，根據(jù)實(shí)訓(xùn)模塊的重點(diǎn)及難點(diǎn)，進(jìn)一步豐富了教學(xué)資源。重新構(gòu)建了工程訓(xùn)練教學(xué)場(chǎng)地掛圖，在需要的位置附加數(shù)字化教學(xué)資源二維碼。學(xué)生可以直接利用手機(jī)進(jìn)行預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)或補(bǔ)充學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)自我答疑解惑，從而建立起信息化支撐下的實(shí)踐教學(xué)環(huán)境。

為驗(yàn)證效果，對(duì)吉林大學(xué)2021年春季學(xué)期參加智能制造模塊實(shí)訓(xùn)的72組學(xué)生進(jìn)行調(diào)查問(wèn)卷。發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的教學(xué)組內(nèi)有超過(guò)80%的同學(xué)使用了相關(guān)的教學(xué)資源，見(jiàn)表1。并在后期的回訪(fǎng)中，同學(xué)們普遍反映通過(guò)掃碼學(xué)習(xí)解決了操作上的難點(diǎn)，同時(shí)對(duì)一些不易觀(guān)察的內(nèi)容也可以清晰明了的進(jìn)行學(xué)習(xí)。

4 結(jié)語(yǔ)

面對(duì)新一輪的世界競(jìng)爭(zhēng)，只有增強(qiáng)國(guó)家工業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力，在世界工業(yè)發(fā)展中才能搶占先機(jī)。工程訓(xùn)練作為一個(gè)重要的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)實(shí)踐，學(xué)生在這里培養(yǎng)工程設(shè)計(jì)、制造、管理、創(chuàng)新這一系列的整體工程綜合能力。只有打破傳統(tǒng)教育模式的局限性，才能為工程訓(xùn)練教學(xué)提供新的發(fā)展機(jī)遇與進(jìn)步途徑，而AR技術(shù)在工程訓(xùn)練中的應(yīng)用無(wú)疑做到的這一點(diǎn)。工程訓(xùn)練教學(xué)改革任重而道遠(yuǎn)，需要不懈的努力與探索才能使學(xué)生把動(dòng)腦與動(dòng)手、實(shí)踐與理論、教學(xué)與生產(chǎn)、方法訓(xùn)練與技能培訓(xùn)緊密地聯(lián)系和有機(jī)地結(jié)合，為祖國(guó)提供優(yōu)秀的工科人才，使中國(guó)邁入制造強(qiáng)國(guó)行列，成為制造強(qiáng)國(guó)。