增强现实技术在培养留学生空间想象能力中的应用

杨志凌，刘小海，郑 凯

（华北电力大学 能源动力与机械工程学院，北京 102206）

引言

工程图样是工程师的语言，而空间想象力是工程师理解工程图样的关键，是工程师观察、分析、认知工程对象的抽象思维能力，具体体现为以下三个方面：（1）根据描述工程对象的语言、符号或图形，在大脑中展现相应的形状、结构、位置等空间几何信息的能力；（2）将眼前的或大脑中的工程对象的形状、结构、位置等空间几何信息表述为语言、符号或图形的能力；（3）将大脑中已有的工程对象进行分解、排列、平移、旋转、组合，产生新的工程对象的能力。

在工科专业本科课程体系中，“工程图学（Engineering Graphics）”（下文简称“工图”）是机类和近机类专业留学生的专业基础课，课程的目标之一是培养空间想象能力，提高学生的综合素质。在教学实践中，已有一些有效提高空间想象能力的方法，例如直观教学法［1］、“一题多解”和“图形异位”［2］等。其中很多文献提出，利用计算机三维模型增强学生的空间想象力，例如，将SolidWorks建模融入课程体系［3］，建立虚拟模型库［4］等。但三维模型大多依赖于计算机三维建模软件，只能在笔记本电脑等终端设备上使用，无法在手机等移动设备上打开，在课堂教学中无法达到“即插即用”的效果。

为了提供真正的“沉浸式教学”，部分教师开始尝试将增强现实（Augmented Reality,AR）技术引入课堂教学中，为抽象学习创造了“真实”情境，为课堂提供了数字资源环境，交叉利用教育与信息科技加强学习过程［5-6］。

一、增强现实技术的实现

AR增强现实技术是将虚拟世界信息叠加到真实世界信息之上，使其在同一个画面或空间中同时存在，并且被人类感官感知，帮助用户增强对真实世界的理解。

基于AR镜片的增强现实的主要应用领域是工业和军事，但手机是更适合于教育场合的硬件设备。手机AR 应用开发SDK 有苹果的ARKit、谷歌的ARCore、华为的HUAWEI AR Engine、视+AR的EasyAR等十余种。最常用的开发环境是跨平台2D/3D游戏引擎Unity，通过引擎，开发的AR应用可以在不同的平台（安卓、IOS、Windows）上运行。

本文采用了Unity2019+EasyAR4.1来实现手机端的AR应用。实现步骤如图1所示。

图1 AR应用的实现步骤

（一）准备识别的图片和相应的三维模型

此时应当注意：（1）Unity的标准模型大小是120 cm；（2）三维模型的格式为FBX格式，可以通过step格式，在3DMax中导出；（3）导出的模型可直接拖入Assets，以便接下来的使用。

（二）申请key下载AR包和设置Unity

先在EasyAR的官网中申请账号，登录开发中心申请key密钥。同样在官网中找到在Unity场景中应用的EasyAR包，将EasyAR导入Unity中，修改密钥key；在Assets找到EasyAR_ImageTracker-1和Image Target并拖到上面的Hierarchy里；再在项目的Assets内建立一个名为StreamingAssets的文件夹，用来保存提前准备的图片；接下来点击Image Target并设置图片的路径、名字和规模尺寸；然后把与图片对应的模型拖到Image Target中，调整模型与图片相对应的位置和尺寸比例。

如果需要多张图片识别时，需要在EasyAR_ImageTracker-1里面的Image Tracker设置“同时目标数量”，使之大于或等于图片的数量。

（三）设置三维模型的旋转和放缩

本文采用的是设置相机，优点是不用设置每个模型。首先需要把相机的background设置为黑色，避免手机扫描的时候出现Unity默认的场景。用visual studio编译器编写脚本，并将脚本加在相机下面，设置对应的参数。

（四）发布APK文件

在安装unity时，会同步安装unity Hub。在unity Hub内添加模块，安装Android Build Support；在unity中的preferences栏目下External Tools中设置JDK和SDK的安装位置；接下来在文件的Build settings中 点开player settings，设 置product name，并保证package name与之前申请key时的名字相同，以及最小API水平不小于API level 19；最后点击switch platform发布到手机端，并授权相机使用功能，完成AR应用的制作。

二、增强现实技术的应用

我校给机类和近机类留学生开设的“工图”课程共56+32学时，分别在第一学年上下两个学期进行。其中，“工图1”主要培养空间想象能力，训练形体表达能力，“工图2”主要学习机械图样中的各种规定画法，以及机械零部件的图样表达。留学生来自孟加拉国、巴基斯坦、塔吉克斯坦、刚果、赞比亚等南亚、中亚、非洲国家，虽然留学生的入学水平参差不齐，但是大多数留学生具有很强的好奇心，对于提倡动手动脑的“工图”课程的兴趣很高。

图2 相贯线的AR应用案例

空间想象能力是基于经验的，学生大脑中的形体印象积累得越多，越有利于对新形体的想象。同时，学生还需要对工程中描述零件形状的各种术语及其含义有深刻的理解，才能跟随教师的讲述进行正确的空间想象。基于AR 技术开发的手机应用提供了大量的基本形体素材，可以丰富留学生的空间想象经验，并且通过手机上三维虚拟模型帮助其理解和掌握各种几何概念和词汇。

空间想象能力还需要推理能力，留学生需要在大脑中对形体进行分解、组合、旋转等想象。基于AR技术开发的手机应用可以通过示例帮助学生体验整个过程，验证空间想象的结果是否正确，从而不断地肯定正确的想象，纠正错误的想象。

三、教学案例

相贯线一直是留学生“工图”课程的难点之一，学生对于基本立体及其之间的相贯线的空间形状和位置的认识不足，因此往往容易产生错误的空间想象。

立体已知条件为一个轴线侧垂的圆柱管，如图2（a）所示，在上方加工一个圆柱孔，下方加工一个方孔，其中圆柱孔直径与圆柱管的孔径相同。等径圆孔与圆柱管内外圆柱面的交线、方孔与圆柱管内外圆柱面的交线是待求相贯线。

这是一道综合考查学生空间想象力的题目，考查知识点包括：两个异径圆柱体的相贯、两个等径圆柱体的相贯、四棱柱体与圆柱体的相贯、孔与实体的相贯、孔与孔的相贯。由于以前从来没有见过类似的形体，学生在完成时，很容易混淆各个知识点，从而顾此失彼。

利用AR增强现实开发的应用，可以让学生使用手机扫描题目，在手机上立即生成三维模型，如图2（b）所示，并且可以任意缩放和旋转，方便学生从不同角度观察模型，从而产生直观的认识。学生也可以在得到答案后使用手机扫描，生成三维模型，如图2（c）所示，从而验证自己的空间想象是否正确。

我们在2021级留学生的“工图1”课程中采用了AR增强现实App辅助课堂教学，并为部分课后作业提供了手机端的三维模型。图3为机械LX2021和机械LX2020两个年级的留学生期末考试的截交线和相贯线试题。两次试题的考查内容基本一致，难度相当。

图3 留学生的“工图1”期末考试试题

表1为两次考试的统计结果，从表1可以看出，2021级留学生在截交线和相贯线试题上的平均得分率高于2020级，最高得分率基本与2020级持平，体现出了AR增强现实App取得了较好的教学效果。

表1 留学生“工图1”期末考试结果统计

结语

本文介绍了使用Unity+EasyAR开发AR增强现实App的过程和案例。留学生使用手机识别习题二维图形，在手机上显示对应三维模型。增强现实三维模型资源可及时纠正空间想象中的错误，达到提高空间想象力的效果。