李曉春，黃海龍，曲曉海

（吉林大學(xué) 機(jī)械與航空航天工程學(xué)院工程訓(xùn)練中心，長春 吉林 130025）

0 引言

實踐教學(xué)在高等工程教育中占有舉足輕重的地位，特別是在教育部積極推進(jìn)“新工科建設(shè)”背景下，通過實踐教學(xué)改革進(jìn)一步提高學(xué)生動手能力與綜合素質(zhì)以適應(yīng)時代和實踐發(fā)展的需要具有重要的現(xiàn)實意義[1，2]。

AR技術(shù)（增強(qiáng)現(xiàn)實Augmented Reality，簡稱AR）是將原本在現(xiàn)實世界的一定時間空間范圍內(nèi)很難體驗到的實體信息（視覺信息、聲音、觸覺等），通過技術(shù)性手段實現(xiàn)真實的環(huán)境和虛擬的物體實時疊加于同一個畫面或空間，從而在被人類感官感知后帶給人們視覺、聽覺、觸覺上全方位的超越現(xiàn)實的感官體驗。AR技術(shù)其使抽象的內(nèi)容具體化、形象化的特質(zhì)與工程訓(xùn)練實踐教學(xué)具有極強(qiáng)的貼合性，能夠打破傳統(tǒng)工程教育實踐教學(xué)模式的局限性，為工程訓(xùn)練的發(fā)展提供全新的機(jī)遇。不過，當(dāng)前國內(nèi)AR技術(shù)運用還不夠廣泛，投入工程訓(xùn)練方面也基本屬于全新領(lǐng)域。如何充分發(fā)揮AR技術(shù)的優(yōu)勢，改善工程訓(xùn)練中存在的問題已是所有工程訓(xùn)練創(chuàng)新的重要方面[3，4]。

1 當(dāng)前工程訓(xùn)練存在的主要問題

當(dāng)前我國高等教育工程訓(xùn)練實踐教學(xué)由于其課程的特殊性和歷史發(fā)展的延續(xù)性，仍存在一定的問題。這些問題主要集中在以下方面：

（1）傳統(tǒng)教學(xué)模式缺乏創(chuàng)新

我國多數(shù)高校工程訓(xùn)練中心都是由原校辦實習(xí)工廠轉(zhuǎn)型而來，相應(yīng)之下工程訓(xùn)練指導(dǎo)人員素質(zhì)參差不齊，教學(xué)方法單一，有些指導(dǎo)人員的知識嚴(yán)重老化，已跟不上時代的進(jìn)步。講述的知識和講述方法很多都是上個世紀(jì)七八十年代的東西，已無法滿足現(xiàn)在學(xué)生的要求。工程訓(xùn)練中心的歷史淵源造成了當(dāng)前工程訓(xùn)練教學(xué)模式上一定程度的路徑依賴，即傳統(tǒng)工程訓(xùn)練“師帶徒”式的“講—做”教學(xué)模式單純強(qiáng)調(diào)在知識的單向傳遞，忽略學(xué)生作為教學(xué)另一主體的主體性地位，從而帶來工程訓(xùn)練全過程學(xué)生自主性學(xué)習(xí)缺位問題。具體來說，個別模塊在教學(xué)過程中至今在沿用指導(dǎo)人員從頭到尾演示一遍，包括設(shè)備的操作、數(shù)據(jù)的輸入等，學(xué)生再重復(fù)這一過程的教學(xué)流程，使整個整個工程訓(xùn)練過程學(xué)生不需動腦思考，只能進(jìn)行單調(diào)的重復(fù)，造成訓(xùn)練過程枯燥無味，學(xué)生很難真正習(xí)得相應(yīng)技能[6]。

（2）實訓(xùn)指導(dǎo)人員數(shù)量嚴(yán)重不足

工程訓(xùn)練不同于其他專業(yè)性課程，指導(dǎo)人員和學(xué)生人數(shù)必需滿足一定的比例，否則無法保障教學(xué)質(zhì)量甚至無法保證學(xué)生的實習(xí)安全。因此，《工程訓(xùn)練教學(xué)示范中心建設(shè)規(guī)劃與驗收標(biāo)準(zhǔn)》中對指導(dǎo)人員與學(xué)生人數(shù)比例有著嚴(yán)格的規(guī)定，如車工1∶1～7、銑工1∶6～8等。但隨著高校擴(kuò)展背景下學(xué)生規(guī)模的擴(kuò)大和新技術(shù)、新工藝不斷涌現(xiàn)背景下工程訓(xùn)練模塊不斷增加，有限的實訓(xùn)指導(dǎo)人員引進(jìn)現(xiàn)實中很難嚴(yán)格滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的要求，當(dāng)前全國許多工程訓(xùn)練訓(xùn)練中心都存在指導(dǎo)人員嚴(yán)重不足、指導(dǎo)人員與學(xué)生人數(shù)比例不達(dá)標(biāo)的人力問題。

（3）安全問題較為突出

工程訓(xùn)練實訓(xùn)中很多模塊都是有一定的危險性，如車削加工、銑削加工等模塊易發(fā)生纏繞事故，熱鍛模塊易發(fā)生燙傷事故，激光加工如不按規(guī)定操作易對眼睛及身體造成損傷等。傳統(tǒng)式的安全講解如今很難引起一部分學(xué)生的真正重視，同時也由于學(xué)生對實訓(xùn)工藝流程知識模糊、工具使用不熟練往往也造成一定的操作風(fēng)險。加之，當(dāng)前各高校工程訓(xùn)練過程中安全事故時有發(fā)生，不利于工程訓(xùn)練事業(yè)持續(xù)、健康、穩(wěn)定發(fā)展。

（4）難以進(jìn)行預(yù)習(xí)和復(fù)習(xí)

受制于工程訓(xùn)練課程自身強(qiáng)調(diào)操作性的性質(zhì)要求，學(xué)生單純的通過閱讀書籍進(jìn)行預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)的效果十分有限。但工程訓(xùn)練中心實訓(xùn)現(xiàn)場資源很難提供給學(xué)生進(jìn)行課前的預(yù)習(xí)和課后的復(fù)習(xí)，使得當(dāng)前工程訓(xùn)練實訓(xùn)教學(xué)通常只是“一錘子買賣”，很難通過自學(xué)實現(xiàn)鞏固和提高。

2 AR技術(shù)在解決工程訓(xùn)練中相應(yīng)問題的措施

針對工程訓(xùn)練中存在的主要問題，AR技術(shù)能夠從AR可視化工程訓(xùn)練教材建設(shè)、AR技術(shù)應(yīng)用于實訓(xùn)現(xiàn)場、虛擬仿真與現(xiàn)實操作相結(jié)合及線上視頻資源建設(shè)四個方面提供一定的解決方案。

（1）AR可視化工程訓(xùn)練教材的建設(shè)

AR可視化教材的建設(shè)包括書籍內(nèi)容的編寫與配套數(shù)字化教學(xué)資源的制作兩大環(huán)節(jié)。①在書籍編寫上，完整的教材體系一方面要包含以基本概念為基礎(chǔ)，在傳統(tǒng)實習(xí)內(nèi)容的基礎(chǔ)上進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼弦?guī)劃，充實新技術(shù)、新工藝相關(guān)內(nèi)容，深入淺出介紹相關(guān)模塊涉及理論知識的教材；另一方面根據(jù)各模塊其自身特點，對實訓(xùn)中所需使用的設(shè)備的具體操作進(jìn)行詳盡的敘述，力求讓學(xué)生可以對整個實訓(xùn)操作過程清晰明了的指導(dǎo)書；還要有對實訓(xùn)內(nèi)容進(jìn)行復(fù)習(xí)、總結(jié)、歸納提高，對課程考查知識點進(jìn)行強(qiáng)化理解的報告書。②為了使學(xué)生進(jìn)一步的理解，還應(yīng)在教材中配備適量的數(shù)字化教學(xué)資源，即圍繞知識體系下的難點、抽象知識點、復(fù)雜工藝過程等，通過二維平面動畫、三維立體動畫、三維仿真交互建立支撐工程訓(xùn)練教材的數(shù)字化教學(xué)資源。教材應(yīng)按照邏輯結(jié)構(gòu)與可視化教學(xué)資源實時一一對應(yīng)，根據(jù)具體內(nèi)容增加二維碼，通過掃描紙質(zhì)教材中的二維碼，從而實現(xiàn)與教材對應(yīng)的立體可視化學(xué)習(xí)過程。

（2）AR技術(shù)在實訓(xùn)現(xiàn)場的應(yīng)用

工程訓(xùn)練實訓(xùn)現(xiàn)場是同學(xué)們進(jìn)行實訓(xùn)學(xué)習(xí)的地點，其設(shè)計與布置往往盡可能的真實模擬生產(chǎn)環(huán)境。但為配合教學(xué)需要，實訓(xùn)現(xiàn)場仍需懸掛一些教學(xué)掛圖。傳統(tǒng)的教學(xué)掛圖往往是一些枯燥的機(jī)械制圖，不能充分調(diào)動同學(xué)認(rèn)真觀察的積極性。AR技術(shù)在實訓(xùn)現(xiàn)場的應(yīng)用關(guān)鍵在于重建實踐教學(xué)場地掛圖體系。AR技術(shù)能夠?qū)⒁徊糠州^復(fù)雜的二維圖紙更新為三維圖紙，在部分的教學(xué)掛圖旁、實踐操作指導(dǎo)上、操作機(jī)床上附加數(shù)字化教學(xué)資源二維碼，可以方便學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中隨時使用對應(yīng)的教學(xué)資源，使學(xué)生在遇到疑問不僅僅可以向老師尋求幫助，也可以借助AR技術(shù)對一些表述繁瑣、理解難度較大、不易觀察的知識點和操作難點進(jìn)行掃碼學(xué)習(xí)。

（3）虛擬仿真與現(xiàn)實操作相結(jié)合

虛擬仿真運用于工程訓(xùn)練實訓(xùn)中，能夠通過采用計算機(jī)虛擬現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)建的虛擬交互式實踐操作環(huán)境，使操作者可以像如同在真實環(huán)境中一樣完成各種預(yù)定的實踐項目和實踐訓(xùn)練。將虛擬仿真與現(xiàn)實操作相結(jié)合，既增加了工程訓(xùn)練實訓(xùn)的技術(shù)吸引力，也大大降低了工程訓(xùn)練的安全隱患，提升了工程訓(xùn)練效率與質(zhì)量。以機(jī)械拆裝模塊課程為例，該模塊教學(xué)要求學(xué)生對實訓(xùn)設(shè)備進(jìn)行拆裝實訓(xùn)，要求學(xué)生掌握機(jī)械拆裝的基本方法和常用工具的使用，同時了解機(jī)械傳動的基本原理和配合的基本形式。由于學(xué)生對傳動形式、連接方式和固定方式、拆裝工具等了解不夠充分，經(jīng)常會進(jìn)行野蠻操作并造成高風(fēng)險、高成本、低質(zhì)量的教學(xué)悖論。而如果使用虛擬仿真軟件，將虛擬仿真與現(xiàn)實操作相結(jié)合，將會大大提升工程訓(xùn)練實訓(xùn)的整體品質(zhì)。

（4）構(gòu)建完善的線上視頻資源

隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”“大數(shù)據(jù)”時代的到來，探索線上學(xué)習(xí)、線下實踐的工程訓(xùn)練新模式對于實訓(xùn)效率和效果的提高已具有越來越突出的作用。AR技術(shù)引入之下，通過在線教學(xué)平臺的整體建設(shè)和在線課程視頻資源的開發(fā)，學(xué)生可以通過手機(jī)在學(xué)習(xí)通中隨時隨地學(xué)習(xí)，最大限度地獲取相關(guān)的課程知識和技能；也可以對不熟悉或者有疑問的知識點，通過網(wǎng)絡(luò)資源可反復(fù)觀看學(xué)習(xí)。線上教學(xué)平臺的使用一方面可以培養(yǎng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的能力，另一方面可以使老師通過網(wǎng)絡(luò)后臺記錄的學(xué)生平時線上學(xué)習(xí)的狀況，及時掌握學(xué)生的學(xué)習(xí)情況和學(xué)習(xí)中的難疑點，便于在今后的教學(xué)中進(jìn)行改善。

3 AR在工程訓(xùn)練教學(xué)中的實踐成果

（1）線上教學(xué)及線下教學(xué)配合相得益彰

此處利用工程訓(xùn)練成績測評本項目的效果，工程訓(xùn)練成績測評采用線下+線上混合考核法，總成績包括線上學(xué)習(xí)成績（占10%），工程訓(xùn)練線下模塊實訓(xùn)操作成績（占總成績56%）、實習(xí)報告成績（占14%）及工程訓(xùn)練考試成績（占20%）。研究對象為吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院2018級、2019級及2020級參加工程訓(xùn)練的學(xué)生。2018級學(xué)生使用舊版教材、2019級學(xué)生使用新版AR可視化教材，2020級學(xué)生使用新版AR可視化教材的同時配合線上視頻資源使用。學(xué)生成績統(tǒng)計情況如圖1所示。

圖1 工程訓(xùn)練成績對比圖

2020級學(xué)生同2018級學(xué)生相比，優(yōu)秀率由18.5%提高至25.9%，良好率由42.3%提高至57.2%，優(yōu)秀率和良好率分別提升了7.4%和14.9%。從上述數(shù)據(jù)可以看出，隨著新版AR可視化工程訓(xùn)練教材的使用及線上資源的投放。學(xué)生的工程訓(xùn)練成績有了較明顯的提升，而通過對學(xué)生線下模塊實際成績的分析，也可以看出學(xué)生的動手能力及操作的規(guī)范性都得到了進(jìn)一步的提高。

（2）利用虛擬仿真軟件降低教學(xué)耗損，保證學(xué)生實訓(xùn)安全

通過機(jī)械拆裝虛擬仿真軟件（圖2）的使用使學(xué)生熟練掌握拆裝順序及拆裝工具的使用方法，一方面大大地減少零件的破損及丟失，延長了實訓(xùn)設(shè)備的使用壽命，進(jìn)而減少了教學(xué)損耗，降低了教學(xué)成本；另一方面將實訓(xùn)過程中的危險性進(jìn)一步降低，使學(xué)生的安全得到了保障。

圖2 機(jī)械拆裝教學(xué)模塊虛擬仿真軟件

同時，在整體課時不變的基礎(chǔ)上，虛擬仿真軟件的使用大大提升了學(xué)生的拆裝速度，在一定程度上彌補(bǔ)了課時不足的問題。

此外，虛擬仿真軟件的使用豐富了拆裝訓(xùn)練模塊的教學(xué)內(nèi)容，使原本繁重、枯燥的實訓(xùn)內(nèi)容緊湊、新穎起來，提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和教學(xué)效果。

（3）教學(xué)資源的充分利用

在AR技術(shù)的支撐下，根據(jù)實訓(xùn)模塊的重點及難點，進(jìn)一步豐富了教學(xué)資源。重新構(gòu)建了工程訓(xùn)練教學(xué)場地掛圖，在需要的位置附加數(shù)字化教學(xué)資源二維碼。學(xué)生可以直接利用手機(jī)進(jìn)行預(yù)習(xí)、復(fù)習(xí)或補(bǔ)充學(xué)習(xí)，實現(xiàn)自我答疑解惑，從而建立起信息化支撐下的實踐教學(xué)環(huán)境。

為驗證效果，對吉林大學(xué)2021年春季學(xué)期參加智能制造模塊實訓(xùn)的72組學(xué)生進(jìn)行調(diào)查問卷。發(fā)現(xiàn)絕大多數(shù)的教學(xué)組內(nèi)有超過80%的同學(xué)使用了相關(guān)的教學(xué)資源，見表1。并在后期的回訪中，同學(xué)們普遍反映通過掃碼學(xué)習(xí)解決了操作上的難點，同時對一些不易觀察的內(nèi)容也可以清晰明了的進(jìn)行學(xué)習(xí)。

4 結(jié)語

面對新一輪的世界競爭，只有增強(qiáng)國家工業(yè)的競爭力，在世界工業(yè)發(fā)展中才能搶占先機(jī)。工程訓(xùn)練作為一個重要的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)實踐，學(xué)生在這里培養(yǎng)工程設(shè)計、制造、管理、創(chuàng)新這一系列的整體工程綜合能力。只有打破傳統(tǒng)教育模式的局限性，才能為工程訓(xùn)練教學(xué)提供新的發(fā)展機(jī)遇與進(jìn)步途徑，而AR技術(shù)在工程訓(xùn)練中的應(yīng)用無疑做到的這一點。工程訓(xùn)練教學(xué)改革任重而道遠(yuǎn)，需要不懈的努力與探索才能使學(xué)生把動腦與動手、實踐與理論、教學(xué)與生產(chǎn)、方法訓(xùn)練與技能培訓(xùn)緊密地聯(lián)系和有機(jī)地結(jié)合，為祖國提供優(yōu)秀的工科人才，使中國邁入制造強(qiáng)國行列，成為制造強(qiáng)國。