劉超見 劉美 郝銳 柴宇珂 張皓

摘 要：針對(duì)當(dāng)前高校教材利用率低的問題，文中設(shè)計(jì)了一款剖繪——立體課堂學(xué)習(xí)輔助工具，可有效將圖片上的二維畫面轉(zhuǎn)化為3D立體效果，不僅有助于學(xué)生的理解，更能夠減輕教師的負(fù)擔(dān)。經(jīng)調(diào)查，該系統(tǒng)具有廣闊的應(yīng)用前景。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù);立體課堂

1 項(xiàng)目背景

1.1 項(xiàng)目來源與意義

據(jù)調(diào)查，全國800余所普通本科、1 200余所普通高職（?？疲┰盒Ｒ约敖?jīng)國家批準(zhǔn)設(shè)立的200余所獨(dú)立學(xué)校和50余所分校辦學(xué)點(diǎn)90%以上均開設(shè)有機(jī)械制圖課程。機(jī)械制圖課程作為一門基礎(chǔ)課程，院校內(nèi)90%以上同學(xué)需要修讀，但該課程的優(yōu)秀率（80分以上）卻不足60%。究其原因，立體圖形想象難，不易理解是主因。

廣大教師團(tuán)體對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)過程中遇到的問題表示理解，他們也進(jìn)行過用三維建模軟件為學(xué)生課堂演示的嘗試，但耗時(shí)過多。教師普遍希望能夠找到一種方法可以在不拋棄書本教材的前提下利用科學(xué)技術(shù)幫助同學(xué)們更直觀地理解、想象立體圖形。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality，AR）是一種實(shí)時(shí)計(jì)算攝影機(jī)影像位置及角度并加上相應(yīng)圖像、視頻、3D模型的技術(shù)，可以在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界中并進(jìn)行互動(dòng)。AR技術(shù)的出現(xiàn)可通過旋轉(zhuǎn)屏幕與嵌套在屏幕中的3D建模模型進(jìn)行互動(dòng)，就像在現(xiàn)實(shí)中旋轉(zhuǎn)3D模型來直觀觀察3D模型那樣。

POU繪——立體課堂可以輔助教師教學(xué)與學(xué)生的理解，在不影響基本教學(xué)的前提下，增強(qiáng)課堂互動(dòng)性與可操作性，將平面化的圖像化為立體，方便學(xué)生多角度、全方位的觀察，解決了普通書本教材表現(xiàn)力弱，立體圖形想象難、理解不易的問題。

為課堂配上POU繪，可以提高教學(xué)效率、提升教學(xué)質(zhì)量、擴(kuò)展教學(xué)互動(dòng)性，從而有效完善課堂體系。POU繪不僅可以用于機(jī)械制圖課堂的教學(xué)，更廣泛適用于建筑、醫(yī)學(xué)、珠寶設(shè)計(jì)以及眾多需要立體想象的領(lǐng)域。

1.2 同類產(chǎn)品對(duì)比

1.2.1 計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)軟件

功能：可以用于二維制圖和基本三維設(shè)計(jì)，即使不懂編程也可自動(dòng)制圖，在全球范圍內(nèi)被廣泛使用，如土木建筑、裝飾裝潢、工業(yè)制圖、工程制圖、電子工業(yè)、服裝加工等領(lǐng)域。

缺點(diǎn)：制作三維圖形耗時(shí)較多，需要使用PC機(jī)安裝指定設(shè)計(jì)軟件和閱讀軟件。課堂教學(xué)效率較低，且只能在教師微機(jī)上展示，與學(xué)生之間的互動(dòng)性較差;學(xué)生無法針對(duì)自身問題進(jìn)行實(shí)際操作，可操作性較弱;僅能在有限的課堂時(shí)間內(nèi)進(jìn)行展示，不便于學(xué)生課后回顧與練習(xí);對(duì)設(shè)備要求苛刻，無法隨時(shí)使用。

1.2.2 某機(jī)械制圖神器

功能：為機(jī)械制圖教材上的某些圖形建立了立體模型，通過掃描教材上的二維碼即可觀看該模型的gif動(dòng)畫展示。

缺點(diǎn)：僅能觀看立體模型，不能由用戶對(duì)其進(jìn)行相關(guān)操作，互動(dòng)性不足;僅適用于機(jī)械制圖課程，局限性較大;需要用戶購買配套圖書（帶有二維碼版），增加了用戶體驗(yàn)費(fèi)用。

1.2.3AR圖書

功能：AR圖書，即將AR技術(shù)應(yīng)用在書籍上，其最大的特點(diǎn)是讓靜態(tài)的圖文“活”起來。通常情況下，使用手機(jī)、平板攝像頭掃描AR圖書指定頁碼上的圖片，可通過手機(jī)屏幕看到書中的二維人物形象變?yōu)?D立體模型，點(diǎn)擊屏幕還可互動(dòng)，將視覺體驗(yàn)擴(kuò)展到視聽多方位的體驗(yàn)。

缺點(diǎn)：價(jià)格較普通圖書高，且需要下載配套APP;現(xiàn)階段大部分AR圖書都以兒童益智科普類為主，受眾范圍以及應(yīng)用前景存在很大的局限性;對(duì)于兒童而言，在沒有后續(xù)內(nèi)容更新補(bǔ)充的情況下，看似新奇的閱讀方式只能吸引他們一時(shí)的興趣。受限于AR技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，現(xiàn)階段這種躍然紙上的閱讀的趣味性無可持續(xù)性;從家長(zhǎng)的角度來看，讓孩子長(zhǎng)時(shí)間盯著手機(jī)或者平板電腦不利于孩子的身心健康。產(chǎn)品對(duì)比見表1所列。

POU繪——立體課堂將看不懂、理解不透的三維圖像展示在眼前，真實(shí)、直觀，輕點(diǎn)觸摸即可全方位觀察。

2 項(xiàng)目概述

2.1 產(chǎn)品界面設(shè)計(jì)

（1）整體背景

背景色選為黑色，寓意黑板，黑色背景上的白色“粉筆字”畫滿數(shù)理化等學(xué)科的代表圖形和符號(hào)，充滿歡快的課堂氣息。

（2）圖標(biāo)特點(diǎn)

功能按鈕主要采用橘黃色，與黑色背景相互襯托，使整體色調(diào)變得活潑明亮，有助于改善學(xué)習(xí)心情。

分類圖標(biāo)選擇齒輪的形狀，充滿工業(yè)氣息和機(jī)械情懷，與軟件名“POU繪”相得益彰。3D立體圖設(shè)置為金屬銀，同時(shí)利用漸變色模擬不同平面的光感，最大程度還原工件原貌。

2.2 產(chǎn)品功能描述

（1）功能概述

“POU繪—立體課堂”（下稱“POU繪”）是一款基于Vuforia增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平臺(tái)以及EasyAR圖像識(shí)別系統(tǒng)的輔助學(xué)習(xí)類應(yīng)用。它可以通過手機(jī)攝像頭將課本、課件上平面的圖形變成“3D模型”或“注解視頻”來幫助學(xué)習(xí)者更好地理解立體圖和平面圖之間的關(guān)系。

（2）使用方法

教師或圖書出版商可以將制作好的學(xué)習(xí)輔助資料（三維模型、視頻動(dòng)畫等）通過網(wǎng)頁平臺(tái)上傳，進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)置后，學(xué)生可通過手機(jī)攝像頭拍攝相應(yīng)位置以獲取輔助資料。

（3）作用效果

我們的軟件使普通的平面圖形變?yōu)榱Ⅲw可360°觀看的三維模型，不僅可以幫助學(xué)生理解課本實(shí)例，也減少了教師制作額外演示項(xiàng)目的工作量。上課使用PPT時(shí)，教師只需在課下將教學(xué)演示的動(dòng)畫、視頻上傳至平臺(tái)即可，無需放入PPT中，解決了視頻動(dòng)畫與課堂電腦的兼容問題，不會(huì)出現(xiàn)“視頻無法播放”或者“電腦卡頓”等狀況，浪費(fèi)課堂時(shí)間。

2.3 產(chǎn)品優(yōu)點(diǎn)

本產(chǎn)品具有如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）利用當(dāng)下熱門的AR技術(shù)，增添了學(xué)習(xí)樂趣，幫助學(xué)生更加直觀地理解課堂內(nèi)容。通過這種立體的展示讓學(xué)生更好地理解立體構(gòu)型，便于同學(xué)理解。

（2）解決了教師上課使用PPT時(shí)遇到的種種問題，節(jié)約了課堂時(shí)間，減少了教師的工作量。通過APP將教學(xué)演示的動(dòng)畫、視頻上傳至平臺(tái)即可順利播放，有效解決了視頻動(dòng)畫與課堂電腦的兼容問題。

（3）APP中識(shí)別的數(shù)據(jù)可以即時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)后臺(tái)更改，不需要完全更新程序。通過網(wǎng)頁后端課本、課件設(shè)置模塊，教師和圖書出版商可添加刪除教材、課件的AR資料識(shí)別集。使用者使用輔助資料上傳模塊，可以上傳3D模型/動(dòng)畫視頻作為AR識(shí)別后的內(nèi)容，同時(shí)還需要上傳識(shí)別點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

（4）環(huán)保，節(jié)約紙張，減少課本等的印刷。對(duì)比當(dāng)下的講解以及文字?jǐn)⑹?，該APP將簡(jiǎn)化課本，讓知識(shí)變的生動(dòng)，大大節(jié)約了資源，讓學(xué)習(xí)更加綠色。

（5）具有可分享性。模型展示可以共享，或增加其他互動(dòng)模塊，方便同學(xué)之間互相分享，讓知識(shí)更有趣。

（6）具有較強(qiáng)的創(chuàng)意。開創(chuàng)虛擬課堂、立體課堂，將AR技術(shù)與教學(xué)相結(jié)合，讓機(jī)械制圖課程靈動(dòng)起來，是基于Vuforia增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平臺(tái)以及EasyAR圖像識(shí)別系統(tǒng)的一款輔助學(xué)習(xí)類應(yīng)用。它通過手機(jī)攝像頭將課本、課件上的平面圖形變成“3D模型”或“注解視頻”來幫助學(xué)習(xí)者更好地理解。

（7）從課堂到課下，貫穿整個(gè)學(xué)習(xí)流程。從課本、課件到習(xí)題冊(cè)，我們的軟件會(huì)幫助學(xué)生全程掌握知識(shí)，同時(shí)便于教師管理和教學(xué)。

3 POU繪 設(shè)計(jì)總體方案

“POU繪”產(chǎn)品設(shè)計(jì)使用了MVP （Model View Presenter，MVP）架構(gòu)，主要由跨平臺(tái)手機(jī)應(yīng)用終端、Web端后臺(tái)及云服務(wù)器、數(shù)據(jù)庫三大部分組成。整體架構(gòu)如圖1所示。

跨平臺(tái)手機(jī)APP共有五個(gè)模塊，具有協(xié)調(diào)同步實(shí)現(xiàn)用戶交互、服務(wù)器通信、AR識(shí)別等功能。手機(jī)端APP模塊見表2所列。

3.1 總體框圖

MVP具體架構(gòu)如圖3所示。

3.2 手機(jī)端APP

3.2.1 運(yùn)行環(huán)境與開發(fā)環(huán)境

運(yùn)行環(huán)境：Android 4.1+，iOS 9+。

開發(fā)環(huán)境：Android Studio，Unity 5.6，Xcode 8+。

3.2.2 APP邏輯流程圖

手機(jī)APP邏輯流程如圖4所示。

3.2.3 功能模塊實(shí)現(xiàn)

（1）首先使用Unity進(jìn)行初次開發(fā)。將Vuforia增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)工具包以及EasyAR工具包導(dǎo)入U(xiǎn)nity，設(shè)置camera方向、光照系統(tǒng)等初始值。

（2）編寫Unity攝像頭識(shí)別代碼并創(chuàng)建Prefab預(yù)制件，調(diào)用EasyAR識(shí)別功能，實(shí)現(xiàn)AR識(shí)別模塊。

（3）編寫模型受控旋轉(zhuǎn)的C#控制腳本。

（4）將Unity項(xiàng)目導(dǎo)出為Android工程項(xiàng)目，在AndroidStudio中進(jìn)行手機(jī)APP的二次開發(fā)，完成UI設(shè)計(jì)、緩存模塊的設(shè)計(jì)。

（5）引入Socket包，編寫與服務(wù)器通信的模塊，實(shí)現(xiàn)登錄注冊(cè)、下載識(shí)別數(shù)據(jù)以及即時(shí)下載模型資料等功能。

3.3 Web端及服務(wù)器開發(fā)

3.3.1 運(yùn)行環(huán)境與開發(fā)環(huán)境

運(yùn)行環(huán)境：IE 9+，F(xiàn)irefox 3.5+，Chrome 3.0+，Safari 3.0+，Opera 10.5+。

開發(fā)環(huán)境：NodeJS，HTML 5+CSS 3，Vue.JS。

3.3.2 Web后臺(tái)邏輯流程

Web端邏輯流程如圖5所示。

3.3.3 服務(wù)器架構(gòu)

服務(wù)器架構(gòu)如圖6所示。

3.3.4 功能實(shí)現(xiàn)

（1）使用NodeJS+MySQL作為后端服務(wù)器的核心，前端使用Bootstrap與Vue.js。NodeJS作為Web端的Server可響應(yīng)用戶請(qǐng)求，Vue.js作為前端渲染部分。

（2）除賬戶信息外數(shù)據(jù)無需加密，因此開放GET，POST方式與APP通信。

3.4 數(shù)據(jù)庫開發(fā)

我們采用MySQL作為主數(shù)據(jù)庫。SQL是一種通用的、功能性極強(qiáng)的關(guān)系數(shù)據(jù)庫語言。其優(yōu)點(diǎn)包括綜合統(tǒng)一、高度非過程化、面向集合的操作方式等，并且只要在初期設(shè)計(jì)好數(shù)據(jù)庫表單，后期也容易拓展。

數(shù)據(jù)庫具體的表單字段如圖7所示。

4 產(chǎn)品關(guān)鍵技術(shù)與創(chuàng)新

4.1 關(guān)鍵技術(shù)

4.1.1 AR

使用AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)屏幕與嵌套在屏幕中的3D建模模型的互動(dòng)。

4.1.2 Unity+Andriod

Unity 3D是由Unity Technologies開發(fā)的讓玩家輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)綜合型游戲開發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專業(yè)游戲引擎。Unity類似于Director，Blender game engine， Virtools 或 Torque Game Builder等利用交互圖型化開發(fā)環(huán)境的軟件。其編輯器運(yùn)行在Windows 和Mac OS X下，可發(fā)布游戲至Windows，Mac，Wii，iPhone，WebGL（需要HTML5），Windows phone 8和Android平臺(tái)。通過3D MAX建模，導(dǎo)入U(xiǎn)nity中，通過Unity整合開發(fā)，實(shí)現(xiàn)手指旋轉(zhuǎn)查看模型的功能。發(fā)布至Andriod平臺(tái)，使Android手機(jī)可以運(yùn)行POU繪立體課堂。

4.1.3 圖像識(shí)別

圖像識(shí)別是指利用計(jì)算機(jī)對(duì)圖像進(jìn)行處理、分析和理解，以識(shí)別各種不同模式的目標(biāo)和對(duì)像的技術(shù)。采用攝像頭采集圖片，然后利用軟件進(jìn)行識(shí)別處理。

4.1.4 云服務(wù)器

實(shí)現(xiàn)圖像的及時(shí)識(shí)別與下載教學(xué)功能。我們的教學(xué)模型并不繼承在軟件中，而是存儲(chǔ)在云服務(wù)器中，通過云查找實(shí)現(xiàn)。

4.2 創(chuàng)新點(diǎn)

（1）利用當(dāng)下熱門的AR技術(shù)增添學(xué)習(xí)樂趣，幫助學(xué)生更加直觀的理解課堂內(nèi)容。

（2）跨平臺(tái)移動(dòng)終端應(yīng)用APP中識(shí)別的數(shù)據(jù)可即時(shí)通過網(wǎng)絡(luò)后臺(tái)更改，不需要完全更新程序。通過網(wǎng)頁后端課本、課件設(shè)置模塊，教師和圖書出版商可添加刪除教材、課件的AR資料識(shí)別集。輔助資料上傳模塊，使用者可以上傳3D模型/動(dòng)畫視頻作為AR識(shí)別后的內(nèi)容，同時(shí)需要上傳識(shí)別點(diǎn)的數(shù)據(jù)。

（3）具有可分享性。

（4）引入判斷對(duì)錯(cuò)功能。通過對(duì)習(xí)題結(jié)果的掃描，對(duì)學(xué)生繪制的作業(yè)圖案進(jìn)行識(shí)別判斷。本功能可以用來進(jìn)行學(xué)生自測(cè)、查缺補(bǔ)漏，并輔助教師評(píng)判作業(yè)，自動(dòng)形成作業(yè)習(xí)題完成情況報(bào)告，以減輕教師的工作量。

（5）節(jié)約課堂時(shí)間，減少PPT制作過程的工作量，更加快捷有效。以往教師上課時(shí)，通過制作PPT，加入視頻等增強(qiáng)學(xué)生的理解。而通過該APP，教師只需將教學(xué)演示的動(dòng)畫、視頻上傳至平臺(tái)即可。

（6）減少了出版商在印刷時(shí)的紙張用量，保護(hù)環(huán)境。

（7）增加二維碼功能，提供與其他平臺(tái)相兼容的接口。使產(chǎn)品擁有更多附加功能和兼容性，大大提升了產(chǎn)品使用量。

5 應(yīng)用場(chǎng)景

5.1 場(chǎng)景一 機(jī)械制圖課本

機(jī)械制圖是工程類，特別是機(jī)械專業(yè)的重要技術(shù)基礎(chǔ)課，學(xué)習(xí)機(jī)械制圖能有效提高學(xué)習(xí)者的分析綜合能力、空間邏輯思維和形象思維能力，以及創(chuàng)新設(shè)計(jì)必須的想象能力[4]。

對(duì)于機(jī)械制圖或者相關(guān)工程制圖課程，同學(xué)普遍反映學(xué)習(xí)起來較為吃力，在非機(jī)類同學(xué)中反響更為強(qiáng)烈。究其原因，得出的結(jié)論是上課時(shí)間太短，課下時(shí)間自己看書因空間想象力較差理解起來較為困難。

通過該平臺(tái)，教師或圖書出版商可以將制作好的學(xué)習(xí)輔助資料通過網(wǎng)頁后臺(tái)上傳。包括三維模型、視頻動(dòng)畫等多媒體教具。進(jìn)行簡(jiǎn)單設(shè)置后，學(xué)生便可以通過手機(jī)攝像頭拍攝相應(yīng)位置以獲取輔助資料。針對(duì)機(jī)械制圖教學(xué)過程中難以直觀觀察的視圖或各種細(xì)節(jié)的產(chǎn)生過程，利用了3DsMax生成動(dòng)畫，通過動(dòng)畫演示各個(gè)角度圖形的生成過程。

5.2 場(chǎng)景二 機(jī)械制圖習(xí)題集

機(jī)械制圖習(xí)題集作為學(xué)生自主學(xué)習(xí)過程中的重要環(huán)節(jié)，存在理解難、無引導(dǎo)、批改難等問題，針對(duì)習(xí)題部分，本平臺(tái)在呈現(xiàn)立體圖形的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)了自主判題功能。通過對(duì)學(xué)生作答筆跡的掃描，結(jié)合題干，可以很容易地對(duì)作答答案進(jìn)行判斷。如作答正確，屏幕上會(huì)顯示出綠色的正確的三維模型。如果作答錯(cuò)誤，屏幕上會(huì)出現(xiàn)紅色的“×”。該功能既可以對(duì)學(xué)生進(jìn)行自測(cè)，查缺補(bǔ)漏，又可以輔助教師評(píng)判作業(yè)，減輕教師的工作壓力。學(xué)生在進(jìn)行自主判題之后會(huì)生成一條識(shí)別記錄，作為做題量記錄的依據(jù)，通過最終評(píng)分解決教師與學(xué)生需求不對(duì)應(yīng)的問題。

5.3 場(chǎng)景三 機(jī)械制圖課堂

傳統(tǒng)課本加課件的教學(xué)方式存在一定的局限性，只能單一展示平面圖片或固定視角的形狀效果。若相對(duì)圖形進(jìn)行深入理解，就需要學(xué)生具備很強(qiáng)的空間構(gòu)象能力。使用AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，結(jié)合圖像識(shí)別與立體呈現(xiàn)技術(shù)，通過建模等方式將平面圖轉(zhuǎn)化為三維圖像，提升了學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的樂趣。在課堂學(xué)習(xí)過程中，教師可以通過本平臺(tái)更好地展示教學(xué)內(nèi)容，通過AR實(shí)現(xiàn)由二維講解到三維講解的轉(zhuǎn)換。學(xué)生可以自行在書本上掃描自助學(xué)習(xí)?！罢n堂簽到”“課堂練習(xí)”等小功能也增加了課堂的互動(dòng)性。

5.4 場(chǎng)景四 建筑學(xué)

目前國內(nèi)建筑院校的本科教育雖然沿用包豪斯的“雙軌制教學(xué)”模式，提倡教授理論知識(shí)與培養(yǎng)實(shí)踐能力融為一體，但因?yàn)榻虒W(xué)大綱的任務(wù)要求已經(jīng)逐步轉(zhuǎn)變成為“先課堂教學(xué)，后社會(huì)實(shí)踐”的單向線性教學(xué)模式，故教學(xué)與實(shí)踐的結(jié)合對(duì)于建筑專業(yè)學(xué)生有著不可忽視的作用?！癙OU繪”平臺(tái)亦在建筑學(xué)教學(xué)上有著重要應(yīng)用。對(duì)于由于時(shí)間成本以及財(cái)力成本等限制的不能現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐的場(chǎng)景，可以通過AR技術(shù)三維重建后具體觀測(cè)。建筑學(xué)類似于機(jī)械制圖，尤其重視建筑內(nèi)部的結(jié)構(gòu)。以往的建筑學(xué)繪制模型通常采用圖紙進(jìn)行二維繪制，僅僅體現(xiàn)出與地面平行的結(jié)構(gòu)。為了在二維圖上體現(xiàn)出三維參數(shù)，就不得不對(duì)二維圖進(jìn)行一系列的符號(hào)化。這對(duì)學(xué)生立體感要求極高，且一旦看錯(cuò)，會(huì)造成嚴(yán)重后果，同時(shí)，將模型按比例縮放會(huì)浪費(fèi)財(cái)力、人力。

本平臺(tái)通過手機(jī)掃描圖紙即可實(shí)現(xiàn)從二維平面到三維立體的轉(zhuǎn)變，使建筑學(xué)教學(xué)更容易。建筑系的學(xué)生可以通過本平臺(tái)更方便地觀察建筑結(jié)構(gòu)及各類實(shí)例。

5.5 場(chǎng)景五 醫(yī)學(xué)

縱觀現(xiàn)在的醫(yī)學(xué)教育，大多數(shù)學(xué)校都是直接拿出立體的模型進(jìn)行展示。立體模型固然有它的好處，相對(duì)于純理論教授，它可以使教育變得更方便，且學(xué)生也可以更好的理解。然而實(shí)體模型帶來的問題也顯而易見：實(shí)體模型在使用過程中的損耗會(huì)很大程度增加學(xué)校的教學(xué)成本。實(shí)體模型雖然單個(gè)成本不高，但是因使用頻率過大導(dǎo)致模型受損率極高;實(shí)體模型因成本問題，通常也只會(huì)在實(shí)驗(yàn)室配備，或者是教師講解時(shí)配備;模型制作需要使用大量的生物資源以及化學(xué)資源，會(huì)給生態(tài)帶來一定的影響。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮獨(dú)特作用，可幫助醫(yī)學(xué)學(xué)習(xí)者建立對(duì)人體系統(tǒng)的立體動(dòng)態(tài)概念、觀察內(nèi)部活動(dòng)、模擬手術(shù)實(shí)踐等[6]。本平臺(tái)在醫(yī)學(xué)教育領(lǐng)域有著廣闊的應(yīng)用前景：

（1）軟件的成本相比于硬件來說要低，有利于大范圍采購。經(jīng)AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)出現(xiàn)的三維模型更加綠色，無需借助實(shí)驗(yàn)室條件。

（2）通過手機(jī)端，每個(gè)學(xué)生都有一個(gè)屬于自己的模型，方便復(fù)習(xí)。

（3）攜帶方便。只需通過手機(jī)掃描圖片，即可得到三維模型。

6 產(chǎn)品測(cè)試

手機(jī)APP注冊(cè)界面、登錄界面、課程選擇分別如圖8～10所示，機(jī)械制圖課堂展示如圖11所示，拆分展示如圖12所示，機(jī)械制圖課件如圖13所示，建筑學(xué)展示如圖14所示，醫(yī)學(xué)展示如圖15所示，網(wǎng)頁后臺(tái)（前端仍在完善）如圖16所示。

7 市場(chǎng)前景

7.1 市場(chǎng)分析

傳統(tǒng)的教輔書籍的內(nèi)容和形式已經(jīng)跟不上現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的需要，沒有更多的內(nèi)容服務(wù)創(chuàng)新空間。21世紀(jì)以來，隨著網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的快速發(fā)展與應(yīng)用，特別是在課堂教學(xué)領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，已經(jīng)有效實(shí)現(xiàn)了教學(xué)輔導(dǎo)的全方位覆蓋，克服了傳統(tǒng)教學(xué)的時(shí)空限制瓶頸，革新了傳統(tǒng)教學(xué)形式和方法，優(yōu)化了課堂教學(xué)資源。但在今天我國基礎(chǔ)教育實(shí)踐中，如何有效利用先進(jìn)的網(wǎng)絡(luò)技術(shù)實(shí)現(xiàn)教材、教學(xué)和教輔書籍形式與內(nèi)容的突破性創(chuàng)新，為大學(xué)提供科學(xué)而新穎的教材輔助工具、課堂輔助工具、實(shí)驗(yàn)輔助工具，已成為一個(gè)緊迫而重要的實(shí)踐課題。

“POU繪——立體課堂”（下稱“POU繪”）是一款基于Vuforia增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平臺(tái)以及EasyAR圖像識(shí)別系統(tǒng)的輔助學(xué)習(xí)類應(yīng)用。它可以通過手機(jī)攝像頭將課本、課件上平面的圖形變成“3D模型”或“注解視頻”來幫助學(xué)習(xí)者更好的理解。

市場(chǎng)分析主要從學(xué)生、教師、圖書出版商三個(gè)方面進(jìn)行。經(jīng)調(diào)查，POU繪很符合現(xiàn)在大學(xué)生的需求，提高了課本的利用率，使用簡(jiǎn)單便捷。

團(tuán)隊(duì)成員對(duì)北京多所高校展開調(diào)查發(fā)現(xiàn)，近八成大學(xué)生反映教科書使用率低，原因包括教師的講義比書本更容易理解（68%），書本枯燥無味（42%），書本對(duì)于例子和實(shí)驗(yàn)的講解過于平面化（40%），書本更新率慢，不能緊跟時(shí)代潮流（29%）……

調(diào)查發(fā)現(xiàn)，近八成的學(xué)生表示教師上課并不使用或很少使用教科書，他們都有自己的一套講義和課件，按教科書內(nèi)容進(jìn)行講解的教師更是少之又少。

但同學(xué)表示雖然課上教師大多使用講義，但是書本對(duì)于同學(xué)的學(xué)習(xí)來說還占很大的比重。在考前一段時(shí)間，書本的利用率較高，但平日里由于書本內(nèi)容枯燥且篇幅大，不比講義精簡(jiǎn)，且詳細(xì)介紹的地方又過于平面化導(dǎo)致書本使用率較低。

調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，教科書利用情況在文理科生中有差異，但不同專業(yè)學(xué)生對(duì)于課本是課堂輔助學(xué)習(xí)工具這一觀點(diǎn)基本贊同。在大學(xué)教材利用率低的當(dāng)下，文理科的狀況又存在較大差異。大部分同學(xué)認(rèn)為文科對(duì)教科書的利用率普遍低于理工科。文科知識(shí)較為活躍，很多教師上課時(shí)不會(huì)刻板地按照教科書講解，而理工科的知識(shí)，比如一些原理性的東西，相對(duì)比較標(biāo)準(zhǔn)，教師對(duì)教科書的利用率會(huì)比較高。工科同學(xué)希望掃一掃課本可以得到某個(gè)實(shí)驗(yàn)的過程視頻，建筑學(xué)的同學(xué)希望掃一掃課本能夠看到書本上二維圖形建模成三維之后的效果圖，歷史學(xué)的同學(xué)希望掃一掃書本上的人物就可以出現(xiàn)這個(gè)歷史人物的相關(guān)知識(shí)點(diǎn)……

調(diào)查中，團(tuán)隊(duì)成員認(rèn)識(shí)到教科書應(yīng)該是基本的知識(shí)拓展。教師上課不按教科書上的內(nèi)容講，并不代表教科書就沒有被使用的必要。教師看的書比學(xué)生多而且全面，所以教師能夠從中歸納出一套較為系統(tǒng)的授課教案。但教師講的只是一個(gè)線索，教科書應(yīng)該是學(xué)生最基本的知識(shí)拓展工具，也是最重要的參考書目。在具有良好學(xué)風(fēng)的一流大學(xué)里，學(xué)生都會(huì)把教科書讀透。改善教科書未得到較好利用的方法就是讓課本活起來，在輔助工具的幫助下，讓學(xué)生愛上課本，多一些課下的學(xué)習(xí)，以提高課本的利用率。

我們的產(chǎn)品可使教材中普通的平面圖形變?yōu)榱Ⅲw可360°觀看的三維模型，不僅可以幫助學(xué)生理解課本實(shí)例，也減少了教師的工作量。

有需求就有發(fā)展，對(duì)于POU繪——立體課堂想法的建立就是源自于廣大學(xué)生的需求，團(tuán)隊(duì)先從本校的機(jī)械制圖課入手，了解到同學(xué)們機(jī)械制圖課程分?jǐn)?shù)差距大，然而機(jī)械制圖課是一門必修的基礎(chǔ)課，制圖也是一種必備的能力。因此多方面了解同學(xué)們的需求后，設(shè)計(jì)了一種輔助工具以協(xié)助他們學(xué)習(xí)。此外，設(shè)計(jì)的彈幕功能是考慮到同學(xué)們的提議，待掃描出一道題目后有同學(xué)講解這道題的重點(diǎn)難點(diǎn)，方便其他同學(xué)學(xué)習(xí)。

教師認(rèn)為通過掃碼得到視頻講解以及知識(shí)點(diǎn)講解已成為未來的發(fā)展趨勢(shì)，表示愿意與我們合作，讓POU繪——立體課堂與課堂、課本結(jié)合起來，讓課堂上的效率更高，讓課下的課本內(nèi)容更加豐富。

此外，當(dāng)今時(shí)代，國家對(duì)于課改更加重視，對(duì)于課本的修改優(yōu)化也在積極探索中。AR技術(shù)的發(fā)展以及線上學(xué)習(xí)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展可以極大地滿足中國大學(xué)生以及教師的需求，使得POU繪——立體課堂擁有廣闊的市場(chǎng)前景。

學(xué)生調(diào)查問卷總結(jié)結(jié)果：

（1）八成學(xué)生認(rèn)為教科書利用率低，講解過于平面化。

（2）大部分工科的學(xué)生需要學(xué)習(xí)機(jī)械制圖基礎(chǔ)課程。制圖作為一種必備能力，對(duì)于三維感知想象能力要求較高，調(diào)查中發(fā)現(xiàn)六成同學(xué)表示入門比較困難，期待借助三維輔助工具來幫助他們理解。

（3）七成機(jī)械類專業(yè)的同學(xué)表示也需要三維輔助工具來幫助他們更好地理解課本。雖然機(jī)械類專業(yè)學(xué)生不需要此類工具來輔助入門制圖課的學(xué)習(xí)，但他們普遍表示在學(xué)習(xí)中隨著知識(shí)點(diǎn)難度的提升，幫助他們構(gòu)建三維想象模型的工具十分重要。

（4）五成建筑專業(yè)和四成醫(yī)學(xué)專業(yè)的同學(xué)表示課本圖示不太立體，他們需要一些立體的講解助手來幫助他們快速理解知識(shí)點(diǎn)。

教師調(diào)查問卷總結(jié)結(jié)果：

（1）大部分教師喜歡用教科書+PPT的方式授課。

（2）二成教師有近期出書的準(zhǔn)備，其中有九成教師有合作意向。

（3）八成教師認(rèn)為書本不比視頻等方式能夠清楚講解知識(shí)點(diǎn)，認(rèn)為在書本知識(shí)點(diǎn)以及圖片旁邊加上二維碼的想法很好。

調(diào)查問卷圖示如圖17所示。

7.2 目標(biāo)市場(chǎng)

POU繪——立體課堂目標(biāo)市場(chǎng)主要是大學(xué)修機(jī)械制圖、建筑類、醫(yī)學(xué)類課程的學(xué)生。中國的普通本科院校約820所，普通高職院校約1 228所。而普通本科院校中，有80%都開設(shè)了機(jī)械、建筑、醫(yī)學(xué)專業(yè)，所以目標(biāo)市場(chǎng)廣闊。

AR以及虛擬技術(shù)發(fā)展迅速，應(yīng)用廣泛，然而教學(xué)方面并沒有享受到這種技術(shù)帶來的優(yōu)勢(shì)與進(jìn)步。現(xiàn)行單一的課本教學(xué)、課件教學(xué)存在較大的局限性。課本為平面展示、不立體; PPT課件制作耗時(shí)且容易出現(xiàn)視頻不兼容、卡頓等問題?；诖?，我們?cè)O(shè)計(jì)運(yùn)用AR等技術(shù)實(shí)現(xiàn)課堂革新。

通過為學(xué)生提供優(yōu)質(zhì)資源來輔助學(xué)生更好地運(yùn)用課本，豐富課堂，補(bǔ)充和完善教師教學(xué)中可能存在的不足。課上以及課下的共同努力可快速實(shí)現(xiàn)學(xué)生學(xué)習(xí)成績(jī)與能力的雙提升。

雖然市場(chǎng)分析指出不論文學(xué)類或理工類學(xué)生都需要這種課堂、課本輔助工具，但對(duì)于例子中的歷史系學(xué)生來說，POU繪可以被百度代替，輕點(diǎn)開百度也能得到所需要的知識(shí)。但是對(duì)于要學(xué)習(xí)機(jī)械制圖、建筑類課程的學(xué)生來說，他把書本上的二維圖轉(zhuǎn)化成三維圖要使用電腦上的工具，且建模有一定的難度，并且模型建模需要耗費(fèi)大量精力，因此使用POU繪——立體課堂來驗(yàn)證自己腦海中轉(zhuǎn)化而得的立體圖是否正確簡(jiǎn)單便捷。

考慮到機(jī)械制圖、建筑類、醫(yī)學(xué)類專業(yè)的學(xué)生對(duì)POU繪——立體課堂的需求更大，所以產(chǎn)品的目標(biāo)市場(chǎng)是機(jī)械類、建筑類、醫(yī)學(xué)類專業(yè)學(xué)生。但我們相信，未來系統(tǒng)功能更加完善時(shí)，會(huì)有更多專業(yè)的學(xué)生需要它。

7.3 市場(chǎng)計(jì)劃

學(xué)生

（1）第一年，在大學(xué)機(jī)械制圖專業(yè)學(xué)生中推廣。

（2）第二年，在建筑和醫(yī)學(xué)類專業(yè)學(xué)生中推廣，慢慢擴(kuò)大市場(chǎng)。

（3）之后慢慢拓展到其他專業(yè)。

教師

（1）第一年，聯(lián)系北京機(jī)械專業(yè)的教師，詢問是否要出新書，征求合作意向。

（2）第二年，把機(jī)械制圖課程做成一個(gè)成功案例，在教建筑和醫(yī)學(xué)的教師中推廣。

（3）慢慢拓展到其他專業(yè)。

7.4 未來方向

（1）在APP中添加課堂AR彈幕與課堂實(shí)景練習(xí)等功能，將課堂變的更加立體、有趣。

（2）增加POU繪——功能，使其成為課改輔助APP的范例。繼續(xù)完善網(wǎng)頁后端功能，使其更加美觀、易用。

（3）完善判錯(cuò)系統(tǒng)，提高其精確度。

（4）開放框架可以引入教師教學(xué)的MOOC，擴(kuò)大POU繪——市場(chǎng)及其影響力。平臺(tái)對(duì)接，通過二維碼提供與其他平臺(tái)相兼容的接口。

（5）向大家征集模型，上傳可獲得積分。

（6）虛擬實(shí)驗(yàn)，可線上做實(shí)驗(yàn)。實(shí)現(xiàn)數(shù)字電路、模擬電路、嵌入式系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)組成原理等場(chǎng)景的使用，增強(qiáng)教學(xué)

效果。