AR技术在液压与气压传动课程中的应用思考
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增强现实（Augmented Reality，AR）是将真实环境与虚拟信息集成实现对现实增强或补充的技术。《液压与气压传动》是机械工程专业学生应重点掌握的一门专业必修课，具有概念、名词及图形符号多，内容抽象，图例复杂，实践性强等特点。因此学生在这门课的学习中普遍存在课程内容难以理解等情况。在液压与气压传动课程中应用AR技术进行辅助教学，能给学生在学习中带来更加直观、生动的立体视觉冲击，为液压与气压传动课程的信息化建设提供了有益的尝试与探索。
一、AR概述
增强现实技术（Augmented Reality，AR）将虚拟世界信息叠加到真实世界信息上，把人们在现实世界中特定环境下难以获得的视觉、声音、触觉等信息，通过运用多媒体、三维建模、实时跟踪及注册智能交耳传感等多种技术手段，进行模拟仿真，将虚拟信息投射到真实世界，虚拟信息和现实世界互相融合，使人们获得超越现实的感官体验。目前，AR技术已经成功应用于医疗、教育、军事训练、消费购物、娱乐游戏等领域。本文旨在探索AR技术在液压与气压传动课程中的应用。
二、《液压与气压传动》教学现状
液压与气压传动是工程机械、机电一体化、汽车等专业学生的必修课程之一，授课主要采用理论讲授与实践操作相结合的方式。通过统计分析普通高校人才培养方案可以发现，课程总学时普遍在56学时之内，存在理论学时和实践学时分配不均的情况，教学效果普遍较差，主要有以下几个方面的原因。
1.课程涵盖的知识面广，内容复杂。以姜继海《液压与气压传动》第二版为例，课程内容主要由“流体力学”、“液压传动”和“气压传动”三部分组成。流体力学包含的主要内容为流体力学基础，液压传动与气压传动包含的内容有动力元件部分、执行元件部分、控制元件部分及辅助元件部分。除此之外还有液压与气压传动回路、典型系统和系统设计等内容。
2.教材编写复杂，概念多、图例多。要介绍的动力元件、控制元件、辅助元件和执行元件都和机械结构相关，教材中提供了大量的图片供学生学习，但是液压元件多要展示元件的内部结构，所以常常采用剖视图来表达，为了节约成本，教材多采用黑白色，学生必须具备较强的识图能力，才能将教材上的图例结构认清，不便于分析各个元件的原理。
3.液压与气压传动是一门实践性较强的课程。很多高校由于受到教学场地和教学器材的限制，实践环节的实施效果不佳，部分高校虽然有教学器具和教学实验台，但也存在器材老化、零件损坏、元件“缺胳膊少腿”、更新速度慢等问题。导致学生认识元件不清晰，不能较好达到教学目的。因此，打破传统教学模式，充分运用信息化手段教学，提高学生学习积极性与自主性，提升学生的学习效能是非常必要的。
三、AR技术在液压与气压传动课程中的应用策略
传统课堂上，常见的液压与气压传动课程教学资源主要包括文字说明、二维图、三维模型的二维展示图、动画、视频等资源，多媒体技术的应用丰富了课堂教学资源，但是由于元件结构和系统回路复杂，学生只能通过想象和逐步推演才能學懂弄通。引入AR技术之后，可以利用现代信息技术建立更为丰富的课程资源库，如图1所示。课程资源库的各种资源的实现方法为：二维图采用实物高清图或者三维模型清晰截图，三维模型采用三维建模软件建立数学模型，经过实体模型面体化、减面处理后，经Unity3D软件转换处理后发布的可人机交互查看的立体模型教学资源，二维动画资源采用Flash制作，三维动画资源一般采用3Dmax软件或者3Dvia制作;视频资源是利用摄像机进行拍摄。
在传统教学资源的基础上加入三维模型库及系统运行的动画推演过程，教师在课堂上能够利用立体化、逼真的三维模型和二维及三维动画辅助授课，学生也能在课下随时通过扫描AR标志，通过三维立体的模型、动画等丰富的教学资源，理解元件结构和工作原理，实现更好的教学效果。目前AR技术在高校教学中的应用主要依托以下几种设备：①桌面式AR设备，主要是利用虚拟现实体机，有两种使用方式，一种是戴追踪眼镜的人操作激光笔，而戴上非追踪眼镜的人可以看到三维效果。另一种是在原有设备上增设全息摄像头和投影或者平板电脑，在投影和平板电脑上呈现裸眼3D的效果。②头戴式AR的设备主要由头戴式显示器、位置跟踪器和数据手套等组成。③手持式AR设备采用AP2与移动设备相结合，利用手机摄像头获取影像，通过增加虚拟影像实现特殊效果这种方式灵活，使用方便，增强知识的乐趣。本门课程主要使用手持式AR设备，通过用手机扫描AR标识，人机交互查看的立体模型教学资源。
四、AR技术在液压与气压传动课程中的优势
1.提高学生学习的兴趣。兴趣是最好的老师。然而在学习过程中，学生常常因为遇到学习障碍和困难而丧失学好一门课程的信心，甚至产生放弃的心理。《液压与气压传动》课程中有很多元件结构相对复杂，导致学生对元件的结构认识不清，从而对元件的工作原理也难以理解，常常学得一知半解。应用AR技术，学生不仅可以在课堂上实时根据老师讲的内容，观察立体化的元件模型，形象具体的认知元件结构，为教师讲解原理打下基础。学生学懂了，弄通了，学习兴趣自然就建立起来。
2.可以辅助实践教学。《液压与气压传动》课程需要有大量的实践学时，学生要对液压系统中动力元件、控制元件、执行元件和辅助元件进行拆装，并能够根据原理图搭建系统回路图。而很多高校受到场地限制，无法满足实践课程的正常完成。或者有的高校有液压与气压传动元件，但是元件数量也不可能满足人手一套。所以，实践课程效果往往不佳。利用AR技术辅助教学，每一位学生都能依靠辅助app及时了解元件结构，极大的弥补了传统《液压与气压传动》课程实践教学的不足。
3.可以及时补充和扩展丰富的教学资源。传统教材受到成本的限制多采用黑白印刷，很多复杂的图例很难看懂。并且传统教材存在更新速度慢等问题。而用AR技术可以及时补充丰富的数字化资源，根据需要拓展学习的广度和深度，学生只需通过手机或者平板电脑等学习终端扫描，就可以便捷的获取知识。
《液压与气压传动》是一门理论和实践性均较强的综合性课程，存在基础概念多、元件结构复杂的特点，传统的授课方式由于理论知识较难，实践环节的开展受限，往往教学效果不佳。本文提出了将AR技术应用到《液压与气压传动》的教学中，学生可以通过AR终端设备扫描，获取直观、生动的（可旋转）的元件模型，不仅可以提高学生的学习兴趣，更好地弥补传统教学实践环节的不足，还能及时的补充和扩展丰富的教学资源，适应学生对新知识的渴求和需要。
（作者单位：陆军工程大学军械士官学校）
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