SCI论文（www.lunwensci.com）:
Application of Augmented Reality Technology in Curriculum Teaching
ZHANG Xiang-yan，ZHANG Qin-jian，ZHANG Wu，LI Hai-yang
（School of Mechanical Electrical Engineering，Beijing Information Science & Technology University，Beijing）
Abstract: Mechanical principle is a subject that studies the structure and motion of mechanism in machinery, as well as the structure, force, mass and motion of machine. Traditional teaching methods can only provide a few specific motion
demonstrations of important institutions. The students only imagine motion mode of the most institutions met in the process of learning after class by themselves, so it is difficult to get an intuitive impression. Augmented reality technology and the key technologies in curriculum teaching were introduced. Based on the mechanical structures in the textbook of mechanical principles, three-dimensional models of mechanical structures were established and the models were imported into 3Dmax for 3d animation production. To enhance the human-computer interaction, the corresponding models and teaching resources were imported into Unity3D software and the construction of the App was completed. The introduction of augmented reality technology into the teaching of mechanical principles in the form of App can actually bring great convenience to teachers and students and enhance students' understanding of knowledge and interest in learning. This technology facilitates the process of “teaching” and “learning” , and enables students to interact smoothly in the virtual and real environment.
Key words: augmented reality; mechanical principles; 3Dmax; Unity3D
“机械原理”是一门研究机械中机构的结构和运动，以及机器的结构、受力、质量和运动的学科，是机械类专业学生必须掌握的一门基础性课程 [1]。机构是“机械原理”的重点研究对象，图解法是机构分析中的重要手段之一，机械原理课程要求学生对机构的运动有充分的了解，传统的教学方法往往只能提供少数重要机构的具体运动演示，学生在课后学习的过程中所遇到的大多数机构常常只能靠自己的想象模拟其运动，遇到理解不了的部分即使去询问老师或其他同学也只能得到口述或笔画的方式的解答，很难得到一个直观的印象。
一 增强现实技术概述
增强现实技术本质上是指从虚拟现实出发拓展到一个相对较新的研究领域，利用计算机制造出虚拟的信息，将虚拟的信息融入一个真实的环境之中。增强现实技术是现实与虚拟的有机融合，其应用遍布多个领域 [2-5]。有人会误认为增强现实是对使用者的一种现实隔离，其实不是，它只是利用计算机的虚拟技术，叠加到现实生活的场景之中，这是一个新的空间，是虚实相融的，里面有真实的世界，也有虚拟的对象，是一种身临其境的虚拟体验， 与现实中无法实现的场景进行补充 [6]。在增强现实技术中，有声音、影像和交互的技术，学生在身处其中是一个较为真实的虚拟环境，可以听、看、互动，从而获得知识，提升学生学习的积极性，激发学习兴趣，基于这种教学技术的先进性和高效性， 所以近年来运用到教学中的研究成果也越来越多， 都希望能够做到与现实环境融合，利用虚拟技术打造适合学生学习的新环境 [7]。增强现实技术能够显著提高学生的学习体验、经验，提高学生的学习能力，能帮助学生对知识的理解，其已被发达国家广泛重视，并将其大力推广运用 [8]。
二 增强现实技术在课程教学中存在的问题
目前，“机械原理”课程的教学方式为教师讲课提供了方便，教师只需根据课堂内容正常播放课件即可，但是课件准备工作复杂。一方面，其中所需机构的三维示意图很多需要教师自己或找专人绘制，机构运动的演示动画更加复杂，生成之后无论是机构的相关尺寸参数还是机构运动的速度及观看的视角都被固定，如要改动则需使用相关软件重新制作动画并再次加入课件中，工作量很大。另一方面，学生在课后学习时，如对课本中某个机构运动原理存在疑问，去课件中找寻相关内容，需要将整个课件再翻一遍。若在复习时， 更需要先从之前的课件中找到相关章节的课件后， 在从中找出，相当不方便。因此，运用增强现实技术的“机械原理”教学 App 就可以解决以上问题。目前，智能手机具有很强的交互性，学生通过手机观看教学 App，教师无须再考虑机构运动视频的视角问题，只需将模型导入 App 之中，借助手机的运行即可实时生成所需视角的运动图像； 通过 App 将与机构相关的动画、分析匹配在一起。学生也无须再翻找课件，只要确定自己想要了解的机构，查看 App 和匹配的教学资料即可。因此一款 App 的开发既能进一步便利教师教学，也能便利学生查找相关资料，开发这样的 App 是十分必要的。
计算机技术的先进就在于可实现虚拟与现实的结合。增强现实系统的功能有很多方法，例如， 采集系统、跟踪注册系统、虚拟场景发生器和融合系统等等，这些都为教学提供帮助。其最大的特点就是让虚拟的场景通过摄像头等设备，与现实中的场景融合在一起，让用户的视觉、听觉上获得从未有过的体验。在这样相对真实的虚拟场景中增强现实系统需要的关键技术有两个方面， 首先是虚实融合技术 [9]，虚实融合是最终想要达到的效果，是让虚拟和现实场景进行融合，是对真实场景信息的一种增强，能否呈现出“增强现实” 主要依靠的就是虚实结合技术；其次是跟踪注册技术，指的就是利用摄像头采集我们生活环境中的一些信息，适时地测试出不同场景的状态，根据信息确定三维模型在真实场景中的位置，以达到虚拟与现实的场景融合，让视觉体验更加真实。
近年来智能技术的不断普及，手机和平板电脑也应用到了教学之中，其具备了计算机的一些功能，甚至于比计算机更好更方便，增强现实技术也能随着智能手机运算能力的提升在教学中实现了提升。尽管到目前为止，我们还无法完全将计算机的技术复刻到智能手机中，所以还需要解决如下技术性的问题 [10]：“机械原理”中机构运动简图的“魔法书”，首先设计传统的计算机运行模板中识别算法是利用计算机 CPU 达到的，所以只有 CPU 足够强大，才能够实现，要求 CPU 存储空间和处理能力都比较高。但是本人考虑到手机系统的 CPU 不可能与电脑相比，其运算能力比较弱，是作为通信工具存在的，因此预计会采用小波分解的技术实现图片识别。在这种情况下核心就发生了改变，需要制作具有形变不变性与旋转不变性的模板库，之后再继续工作，实现缩小图与模板库的匹配，减少手机系统的消耗。
三 App 开发和主要功能的实现
（一） 资料准备与 App 搭建
因目前教师课件中所用的机构运动三维动画原文件大多都已丢失，而教材中多为机构简图， 并未给出相应的尺寸信息，故需自行拟定尺寸并根据拟定的尺寸进行三维建模。模型建立后，通常的建模软件虽然可以进行运动仿真却无法将模型动作导出，需再将模型导入到 3dsmax 或类似的三维动画软件，通过几何关系为模型添加相关约束，为模型添加动画。之后将模型和动画保存在一起，作为 App 中的模型资料。另外，我们可以与教师联系取得教材中重要内容的相关教学视频或图片，通过相关软件将其格式统一转化为可在 App 中使用的格式，作为教学资料的扩充。利用 Unity 平台上的增强现实技术软件开发工具包 VuforiaSDK，将教材中的配图作为识别图与相应模型或教学资源导入，完成 App 的搭建。
App 实现的主要思路为手机摄像头获取到图像之后将图像中的识别图识别出来，一方面识别图提供了一个索引，供 App 从云端获取相应的三维模型，另一方面识别图在图像中的扭曲变形提供了手机相对于识别图的空间位置，对提取到的模型进行同样的投影变换并将处理后的三维模型与图像结合呈现在手机屏幕上，便实现了三维模型浮现在识别图上方的演示效果。因此在搭建 App 时， 首先应选取特征明显便于识别的附图作为识别图扫描下来，将扫描后的识别图放入 Unity 中，利用增强现实开发工具包 VuforiaSDK 将识别图与三维模型在 Unity 中调整至合适位置，并将相应素材上传至服务器，以便使用时提取，最终将程序打包成 App 下载至手机。这样在手机中打开App，用摄像头对准相应的识别图，即可实现相应效果。
（二） 模型部分
打开 App 后将镜头对准教材中附图，识别成功后屏幕中教材的附图上方将会出现相应的循环播放的三维模型动画，通过用手指在屏幕上滑动可实现模型的旋转及放大缩小。一些典型机构具体效果如图 1 和图 2 所示。
图 1 冲床识别图及效果图
图 2 平行机构识别图及效果图
（三） 视频部分
在某些情况下视频比起模型有着更清晰的表达效果，因此本文开发的 App 同样配置了视频播放的功能。用 App 识别教材中附图后，App 将会在原位将附图替换为对应教学视频，此时视频为循环播放状态，点击视频可全屏播放，全屏播放可进行视频的暂停，快进等操作。对于某些复杂结构，学生可以自由暂停快进更好地学习，具体效果如图 3 和图 4 所示。
图 3 假肢膝关节识别图及效果图
图 4 炉门识别图及效果图
（1）通过以上分析，我们发现传统的“机械原理”教学方式是有很大改进空间的。借助 App 将增强现实技术引入到“机械原理”教学中能够切实为师生带来极大的便利，且类似 App 的开发并不复杂，完全可以推广到其他课程教学中，更好地为师生服务。
（2）基于 AR 技术自主控制的人机交互方式， 能提供形象的视频来展现学生不能直接观察到的微观事物，从而方便了“教”与“学”的过程， 使学生在虚拟与真实的环境中进行互动学习。AR 技术将会运用到教学的各个领域。
参考文献
[1]余冬玲 , 熊家凯 , 袁明 .ADAMS 在机械原理实践教学中的应用 [J]. 科教文汇 ( 上旬刊 ),2018(10):57-58.
[2]Mar ina Carbone, Rober ta P iazza, Sar a Cond ino. Commercially Available Head-Mounted Displays Are Unsuitable for Augmented Reality Surgical Guidance: A Call for Focused Research for Surgical Applications[J]. Surgical Innovation,2020,27(3):254-255.
[3]孔令爱 , 胡子超 , 刘海刚 . 增强现实技术在防震减灾科普宣
传中的应用 [J]. 微处理机 ,2020,41(3):55-61.
[4]张军 . 基于 AR 技术的警务技能类教材的开发与应用 [J].
公安教育 ,2020(5):27-30.
[5]王珞 , 陈适 , 潘慧 . 增强现实技术在临床医学教育中的应用
[J]. 基础医学与临床 ,2020,40(2):270-273.
[6]雷静 . 增强现实技术在教学中的应用 [J]. 中国教育技术装备 ,2011(35):7-8.
[7]左大利 . 基于增强现实技术的“机械设计基础”课程教学改革探索 [J]. 教育教学论坛 ,2014(46):131-132.
[8]邹荣 , 慕亚芹 . 新工科背景下基于 VR/AR 的信号系统课程教学探索 [J]. 教育现代化 ,2019,6(96):201-203.
[9]杨彤 . 增强现实系统的相关技术研究 [D]. 天津 : 南开大学 ,2010.
[10]程志 , 金义富 . 基于手机的增强现实及其移动学习应用
[J]. 电化教育研究 ,2013,34(2):66-70.
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