基于增强现实技术的“机械设计基础”课程教学改革探索

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1、基于增强现实技术的“机械设计基础”课程教学改革探索　　摘要：探索利用增强现实技术把“机械设计基础”课程中的机构结构简图制作成基于图片的“魔法书”，并开发出基于智能手机的识别程序，学生利用手机拍摄“魔法书”上的机构图片，则会在手机屏幕上自动呈现出该机构的三维模型，运动简图的绘画思路、画法以及自由度计算等，从而扩充学生的学习环境，激发学生的学习兴趣，提高课程的教学效果。　　关键词：机械设计基础；增强现实技术；机构结构简图　　中图分类号：G642.0文献标志码：A文章编号：1674-9324（2014）46-0131-02　　传统的“机械设计基础”课程中使用图片、动画、视

2、频等多媒体方式来演示像机构运动简图等知识点的方法虽然能够为学生提供比较形象、相对更容易的讲解手段，但无法与学生进行有效的交互，难以完全满足学生的学习需求。　　增强现实技术（Augmented6Reality，AR）是由虚拟现实发展出来的新研究领域，是一种将计算机产生的虚拟信息与真实环境进行融合的技术。增强现实不是把使用者与真实世界隔离，而是将计算机产生的虚拟信息叠加到真实场景中，构造出虚实结合的空间，其中真实物体和虚拟对象是共存的，可以互相增强或互为补充[1]。增强现实技术凭借声音技术、三维影像、用户交互等优势，为学生提供一个三维的虚拟环境，让学生身临其境一般，通过

3、与虚拟场景交互获得知识，从而激发学生的学习兴趣与积极性，提高学生的学习效果。因此，近年来，越来越多相关研究者研究如何把增强现实技术应用到教学中。　　一、增强现实技术在教学中的应用现状　　1.利用增强现实技术创设教学情景。该形式的教学应用的主要特征是利用增强现实技术对有意义的真实世界的问题和情境进行模拟与表征，从而构成一种混合的虚实环境来支持学习者的学习。如哥伦比亚大学曾开发出移动增强现实系统（MARS），通过增强现实技术为校园景观添加的虚拟的多媒体信息，以帮助学生了解学校的历史；北京理工大学王涌天教授的团队，利用增强现实技术创作的大型主题景观《虚拟圆明园》，成为进行

4、爱国主义教育的典范。美国麻省理工大学也创作了各种教学用的“魔法书”，只需要使用一个摄像头对着书籍中的图案或文字就会有一个三维图形展示出来，通过三维图形来展示各种知识点。　　2.利用增强现实技术革新教学模式。信息技术本身就已使得传统的教学模式发生了改变，而增强现实技术依靠其鲜明的特色和技术优势，在推进教学模式变革的过程中更能凸显其地位与价值。在此环境中学习者可以利用各种工具和信息资源（如文字材料、书籍、音像资料、CAI与多媒体课件以及Internet上的信息等）来达到自己的学习目标。在这一过程中学习者不仅能得到教师的帮助与支持，而且学生之间也可以相互协作和支持。马德里

5、卡洛斯三世大学的科研人员利用增强现实技术可以直观地看到上课教学内容和笔记或者评论，并判断学生是否理解讲课内容，达到增进教师与学生的沟通的目的。6　　3.利用增强现实技术游戏开展课外活动。在古希腊语里，“游戏（Paidia）和“教育（Paideia）”只有一个字母之差，二者均与“成长（Pais）”有关，可以说教育与游戏从一开始就结下了不解之缘。游戏是人类的天性，人类的学习很多都是在游戏中获得的。游戏不仅具有娱乐功能，而且还具有良好的教育功能，游戏中的情境、人物、任务设计都体现一定的教育倾向，游戏是孩子们传递信息、培养情感和发展智能的活动形式，也是探索和学习无缝结合的好

6、方法，学生在游戏中表现出的注意力集中、思维活跃和协作能力超越其他方式。游戏还是一种思维工具，可以考量用户的思维能力、反应能力和创造能力。科学合理地开发和利用游戏也不失为学校教育的一种策略。如韩国开发的增强现实游戏ARPushPush运用追踪器检测用户的运动，并通过头盔显示器为用户提供包含了虚拟景观的视野，能很好地训练用户的运动能力和空间思维能力。北京理工大学开发的增强现实海底漫游系统让用户得以使用交互体验设备和虚拟场景中的海洋生物互动、嬉戏；威亚视讯科技开发的增强现实娱乐体验项目“广东梦想探险”，实现了珠江畅游、海底漫游和太空探索三个场景，由轨道电车引领观众在不同的

7、主题场景中进行漫游，体验亦真亦幻般的世界、虚实结合的科技奥秘。　　二、本课题的实现思路及主要研究内容　　本课题利用增强现实技术制作一本介绍机构运动简图画法的、基于图片的“魔法书”。学生利用手机上的摄像头拍摄到“魔法书”6上的机构图片，则会在手机屏幕上自动呈现出该机构的三维模型、运动简图的绘画思路、画法以及自由度计算等[2]。具体实现思路及对应的研究内容如图1所示。　　三、本课题拟解决的关键技术　　目前基于计算机的增强现实系统主要包含场景采集系统、跟踪注册系统、虚拟场景发生器、虚实融合系统、显示系统和人机交互界面等[3]。硬件主要包括计算机、摄像头、头盔显示器和硬