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摘 要：土木工程专业因其具有理论性与实践性并重的特点，仅依靠传统教学方式无法满足现代化人才培养的需要。文章介绍了“AR助学”App，这种基于AR技术的可视化自主学习平台具有直观式、沉浸式、交互式的特点，有助于解决学生理论知识理解困难、实践机会不足的问题，有助于培养学生的创新能力，提高工程实践能力，有助于提升高校信息化教学水平。AR技术在高校教学中的应用是对传统教学模式的巨大改进。
关键词：增强现实;可视化;教学平台
0 引言
随着科技经济的快速发展，社会对高等教育提出了更高的要求，应用型本科人才不仅要具有扎实的理论基础、过硬的专业技能，还要求具有一定的组织协调能力，具备科学实践创新能力。本科教学质量和教学方式将直接影响高校人才的培养质量。随着近年来新课程改革的持续推进，互联网信息技术、人工智能、增强现实及3D打印等现代科技深刻影响和改变着当下的教育和学习方式。此外，智能手机的广泛使用，使得现代信息技术融入课堂成为现实。其中，增强现实技术作为一种新的信息技术手段，越来越多地被应用于教学。国外学者在情境设计、教学实验、课外研究活动等教学中，利用AR技术进行模拟教学。克罩斯托弗·德迪教授提出了基于“增强的现实”的新课程模式，他认为在创设教学情境方面，由于注重学生对学习活动的参与，可利用增强现实技术对学习情境进行模拟，达到促进学习的目的[1]。还有学者认为，使用增强现实技术可将复杂的教学内容简单、直观地呈现在学生面前，并可拉近师生间的距离，实现师生间的互动，调动学生积极性。
1 AR技术
增强现实技术（Augmented Reality，AR）是利用计算机技术，将虚拟物体和真实环境实时叠加在一个空间或画面中。软、硬件系统的相互协调使虚拟物体和真实环境进行三维的实时交互，使虚拟物体在用户感官上成为真实环境的一部分。增强现实技术可以增强用户的感知能力和交互能力，为学生提供直观的学习情境，增强学习体验，激发学生的学习兴趣，为培养学生的自主学习能力奠定基础。这种学习形式，可以让学生在最接近真实交互的形式下搭建自主学习的环境，创造学习环境的体验感和沉浸感，以此促进学生对知识的构建，这对土木工程专业中较抽象教学内容的教学具有重要的作用[2]。
2 基于AR技术的可视化自主学习平台设计
2.1 AR在土木工程课程中應用的思路
AR技术在土木工程专业中的教学应用，应结合应用型人才培养目标和行业岗位的需要，开发出具有一定规模和体系的AR教学课程、教学资源以及虚拟仿真教学平台。开发教学体系的手机应用程序，配合智能手机，搭建针对专业教学课程体系的可视化自主学习平台。
根据土木工程专业课程设置，AR技术可以针对以下3个大类进行应用研究：
（1）设计类课程。如“工程制图”“房屋建筑学”等课程，主要利用AR技术的沉浸性，让学生切身感受布局和设计的合理性。
（2）理论类课程。如“理论力学”“材料力学”“结构力学”等课程，将构件内部的受力情况进行可视化处理，使理论知识直观化。
（3）操作类课程。如各类实验、实训、实践课程，基于AR平台，虚拟出全过程操作，使学生不到现场也能体验实践过程，并完成操作。
2.2 基于AR技术的可视化自主学习平台研究内容
青岛理工大学琴岛学院土木工程专业分设房屋建筑与道路桥梁两个专业。本研究中，可视化自主学习平台是基于土木工程道路桥梁方向，理论分组选修课程“交通工程”建立的。本课程主要介绍道路交通系统中人、车、路、环境的综合知识，通过对交通流运行机理、交通工程技术的阐述，使学生理解道路等设施的建设过程对道路使用的重要影响，为后期道路桥梁工程建设相关课程奠定基础[3]。
本课程具有综合性、开放性、空间性、动态性等特点，虽然教学内容与学生的日常生活关系密切，但其中多数理论观点，如跟驰理论、流体力学模拟理论，若仅利用传统的教学方法，通过文字和图片诠释，不利于学生直观理解。此外，对于交通流参数、车辆等相关技术参数名词，若只依靠教师单独讲解，会导致课程内容枯燥，不能提高学生的学习积极性，不利于知识的认知，难以达到使土木工程专业学生对本课程建立宏观认识的教学目的。且学生若一味单纯被动接收知识，只注重知识的生成和记忆，忽略了直观、形象化的学习过程，不利于培养学生的自主学习能力和空间思维能力。
基于此，本文以Android手机为载体，根据教材中的知识点，结合增强现实技术，搭建一款针对本课程教学内容的可视化自主学习平台。平台以增强现实的方式，将虚拟的信息扩充在现实空间中，即由计算机程序与手机摄像机的辨识技术相结合，使设定对象置于摄像头内，屏幕即会出现对应的虚拟对象。
2.3 可视化自主学习平台的教学效果
2.3.1 提供具有沉浸感、交互性的教学环境
可视化自主学习平台可通过智能手机扫描课本中的关键字或图片，360°展现相关实景图像，让学生置身其中，深层次地理解问题。
2.3.2 激发学生学习兴趣，培养自主学习能力
将AR技术应用在教学中能增加学习过程的趣味性，激发学生学习兴趣，增强学习体验，促进学生自主学习，有利于学习能力的培养。
2.3.3 优化学习环境，提高学习效率
将AR技术应用于教学，使传统以被动接收知识传递、间接获取学习经验的学习方式，向以学生为主体的主动学习过程转化，体现了让学生参与课堂、让学生主导课堂的教学改革思想。此外，在这种高度模拟的环境中学习知识，会使学生加深对知识的记忆，从而提高学习效率。
3 应用实例
3.1 “AR助学”手机App概述
本文以“AR助学”手机App为例，进一步探究AR技术与课程自主学习的深度融合。“AR助学”应用AR技术，将虚拟模型与现实场景进行叠加，实现现实和虚拟结合的直观效果。该应用程序由两大模块组成：AR识图和知识介绍。 本应用程序以Android智能手机为载体，利用智能手机摄像头获取平面影像或关键字，借助AR技术，通过叠加真实的三维立体虚拟影像，在手机屏幕上显示特殊效果。利用Android系统对智能手机方向传感器的调用，可呈现360°的AR实景图像。通过拖动、旋转等操作，使所成三维影像实现空间上的位置变换，从而可以从空间各个角度对影像进行观察，使学生身临其境地操作和感受。“AR助学”也可针对个别知识点进行深入讲解，点击与知识点有关的链接，即可出现详细的文字及语音信息[4]。
3.2 “AR助学”手机App应用
以车辆技术参数为例，通过“AR助手”，可以直观了解各尺寸参数所代表的含义，展现学习过程的趣味性。
首先，在智能手机设备中打开“AR助手”，点击“AR识图”并利用摄像头识别教材中的车辆图片，手机即呈现虚拟三维车辆的空间图像，学生可转动、放大或缩小车辆进行观看，对车辆的技术参数进行学习记忆。教师可以引导学生，通过调用手机方向传感器，找出各尺寸参数所表征的位置，将理论概念具象化，加深学生的印象。“AR助手”可对尺寸参数进行逐一介绍。以轴距概念为例，应用程序可通过旋转模型呈现如固定轴距、转向架轴距、全轴距的具体位置，并深入讲解与轴距相关的概念，有播放需要的還可点击播放按钮进行3D动画演示。
4 结语
基于AR的可视化自主平台是将传统教学、多媒体教学与现代化信息技术有效结合的一种全新教育模式。利用AR技术，最大限度地保留教学过程中的互动与自主学习环节，调动学生的积极性，使学习过程变得生动有趣，达到最佳的教学效果。还能在降低教学实验投入成本的同时，保留学生参与实践的真实感受，是应用型人才培养中一种理想的教学方式。
基金项目：2020年山东省高等教育研究项目;项目名称：“互联网+”背景下可视化自主学习平台在土木工程专业课程中的应用研究;项目编号：20HER018。
作者简介：华雯婷（1985— ），女，山东青岛人，副教授，硕士;研究方向：交通工程专业教学。
[参考文献]
[1]廖平，向敏，谢兆平.应用型本科土木工程专业课程的教学改革探究[J].创新创业理论研究与实践，2020（22）：60-62.
[2]方焘，薛凯喜.以创新能力为核心的土木工程实践教学方法与平台改革探索[J].高教学刊，2019（21）：41-46.
[3]王涛.增强现实在教学中的应用及范例设计[D].大连：辽宁师范大学，2017.
[4]王鹏，李志强，李彩红，等.VR技术在土木工程教学中的应用研究[J].黑龙江生态工程职业学院学报，2020（6）：126-137.
（编辑 王雪芬）
Research on the application of visualized autonomous learning platform based on AR
Hua Wenting， Zhang Sai， Wang Chenglin
（Qingdao Technological University Qindao College， Qingdao 266106， China）
Abstract：The specialty of civil engineering cannot meet the needs of modern personnel training only by traditional teaching methods because of its characteristics of emphasizing both theory and practice. This paper introduces the “AR Learning Aid” App. This visualized autonomous learning platform based on AR technology has the characteristics of intuitionistic， immersive and interactive. This procedure is helpful to solve the problem that students have difficulty in understanding theoretical knowledge and lack of opportunities in practice. It is helpful to cultivate students’ innovative ability and improve their engineering practice ability， and it helps to improve the level of information-based teaching in colleges and universities. The application of AR technology in college teaching is a great improvement for the traditional teaching mode.
Key words：augmented reality; visualized; teaching platform
关键词：增强现实;可视化;教学平台
0 引言
随着科技经济的快速发展，社会对高等教育提出了更高的要求，应用型本科人才不仅要具有扎实的理论基础、过硬的专业技能，还要求具有一定的组织协调能力，具备科学实践创新能力。本科教学质量和教学方式将直接影响高校人才的培养质量。随着近年来新课程改革的持续推进，互联网信息技术、人工智能、增强现实及3D打印等现代科技深刻影响和改变着当下的教育和学习方式。此外，智能手机的广泛使用，使得现代信息技术融入课堂成为现实。其中，增强现实技术作为一种新的信息技术手段，越来越多地被应用于教学。国外学者在情境设计、教学实验、课外研究活动等教学中，利用AR技术进行模拟教学。克罩斯托弗·德迪教授提出了基于“增强的现实”的新课程模式，他认为在创设教学情境方面，由于注重学生对学习活动的参与，可利用增强现实技术对学习情境进行模拟，达到促进学习的目的[1]。还有学者认为，使用增强现实技术可将复杂的教学内容简单、直观地呈现在学生面前，并可拉近师生间的距离，实现师生间的互动，调动学生积极性。
1 AR技术
增强现实技术（Augmented Reality，AR）是利用计算机技术，将虚拟物体和真实环境实时叠加在一个空间或画面中。软、硬件系统的相互协调使虚拟物体和真实环境进行三维的实时交互，使虚拟物体在用户感官上成为真实环境的一部分。增强现实技术可以增强用户的感知能力和交互能力，为学生提供直观的学习情境，增强学习体验，激发学生的学习兴趣，为培养学生的自主学习能力奠定基础。这种学习形式，可以让学生在最接近真实交互的形式下搭建自主学习的环境，创造学习环境的体验感和沉浸感，以此促进学生对知识的构建，这对土木工程专业中较抽象教学内容的教学具有重要的作用[2]。
2 基于AR技术的可视化自主学习平台设计
2.1 AR在土木工程课程中應用的思路
AR技术在土木工程专业中的教学应用，应结合应用型人才培养目标和行业岗位的需要，开发出具有一定规模和体系的AR教学课程、教学资源以及虚拟仿真教学平台。开发教学体系的手机应用程序，配合智能手机，搭建针对专业教学课程体系的可视化自主学习平台。
根据土木工程专业课程设置，AR技术可以针对以下3个大类进行应用研究：
（1）设计类课程。如“工程制图”“房屋建筑学”等课程，主要利用AR技术的沉浸性，让学生切身感受布局和设计的合理性。
（2）理论类课程。如“理论力学”“材料力学”“结构力学”等课程，将构件内部的受力情况进行可视化处理，使理论知识直观化。
（3）操作类课程。如各类实验、实训、实践课程，基于AR平台，虚拟出全过程操作，使学生不到现场也能体验实践过程，并完成操作。
2.2 基于AR技术的可视化自主学习平台研究内容
青岛理工大学琴岛学院土木工程专业分设房屋建筑与道路桥梁两个专业。本研究中，可视化自主学习平台是基于土木工程道路桥梁方向，理论分组选修课程“交通工程”建立的。本课程主要介绍道路交通系统中人、车、路、环境的综合知识，通过对交通流运行机理、交通工程技术的阐述，使学生理解道路等设施的建设过程对道路使用的重要影响，为后期道路桥梁工程建设相关课程奠定基础[3]。
本课程具有综合性、开放性、空间性、动态性等特点，虽然教学内容与学生的日常生活关系密切，但其中多数理论观点，如跟驰理论、流体力学模拟理论，若仅利用传统的教学方法，通过文字和图片诠释，不利于学生直观理解。此外，对于交通流参数、车辆等相关技术参数名词，若只依靠教师单独讲解，会导致课程内容枯燥，不能提高学生的学习积极性，不利于知识的认知，难以达到使土木工程专业学生对本课程建立宏观认识的教学目的。且学生若一味单纯被动接收知识，只注重知识的生成和记忆，忽略了直观、形象化的学习过程，不利于培养学生的自主学习能力和空间思维能力。
基于此，本文以Android手机为载体，根据教材中的知识点，结合增强现实技术，搭建一款针对本课程教学内容的可视化自主学习平台。平台以增强现实的方式，将虚拟的信息扩充在现实空间中，即由计算机程序与手机摄像机的辨识技术相结合，使设定对象置于摄像头内，屏幕即会出现对应的虚拟对象。
2.3 可视化自主学习平台的教学效果
2.3.1 提供具有沉浸感、交互性的教学环境
可视化自主学习平台可通过智能手机扫描课本中的关键字或图片，360°展现相关实景图像，让学生置身其中，深层次地理解问题。
2.3.2 激发学生学习兴趣，培养自主学习能力
将AR技术应用在教学中能增加学习过程的趣味性，激发学生学习兴趣，增强学习体验，促进学生自主学习，有利于学习能力的培养。
2.3.3 优化学习环境，提高学习效率
将AR技术应用于教学，使传统以被动接收知识传递、间接获取学习经验的学习方式，向以学生为主体的主动学习过程转化，体现了让学生参与课堂、让学生主导课堂的教学改革思想。此外，在这种高度模拟的环境中学习知识，会使学生加深对知识的记忆，从而提高学习效率。
3 应用实例
3.1 “AR助学”手机App概述
本文以“AR助学”手机App为例，进一步探究AR技术与课程自主学习的深度融合。“AR助学”应用AR技术，将虚拟模型与现实场景进行叠加，实现现实和虚拟结合的直观效果。该应用程序由两大模块组成：AR识图和知识介绍。 本应用程序以Android智能手机为载体，利用智能手机摄像头获取平面影像或关键字，借助AR技术，通过叠加真实的三维立体虚拟影像，在手机屏幕上显示特殊效果。利用Android系统对智能手机方向传感器的调用，可呈现360°的AR实景图像。通过拖动、旋转等操作，使所成三维影像实现空间上的位置变换，从而可以从空间各个角度对影像进行观察，使学生身临其境地操作和感受。“AR助学”也可针对个别知识点进行深入讲解，点击与知识点有关的链接，即可出现详细的文字及语音信息[4]。
3.2 “AR助学”手机App应用
以车辆技术参数为例，通过“AR助手”，可以直观了解各尺寸参数所代表的含义，展现学习过程的趣味性。
首先，在智能手机设备中打开“AR助手”，点击“AR识图”并利用摄像头识别教材中的车辆图片，手机即呈现虚拟三维车辆的空间图像，学生可转动、放大或缩小车辆进行观看，对车辆的技术参数进行学习记忆。教师可以引导学生，通过调用手机方向传感器，找出各尺寸参数所表征的位置，将理论概念具象化，加深学生的印象。“AR助手”可对尺寸参数进行逐一介绍。以轴距概念为例，应用程序可通过旋转模型呈现如固定轴距、转向架轴距、全轴距的具体位置，并深入讲解与轴距相关的概念，有播放需要的還可点击播放按钮进行3D动画演示。
4 结语
基于AR的可视化自主平台是将传统教学、多媒体教学与现代化信息技术有效结合的一种全新教育模式。利用AR技术，最大限度地保留教学过程中的互动与自主学习环节，调动学生的积极性，使学习过程变得生动有趣，达到最佳的教学效果。还能在降低教学实验投入成本的同时，保留学生参与实践的真实感受，是应用型人才培养中一种理想的教学方式。
基金项目：2020年山东省高等教育研究项目;项目名称：“互联网+”背景下可视化自主学习平台在土木工程专业课程中的应用研究;项目编号：20HER018。
作者简介：华雯婷（1985— ），女，山东青岛人，副教授，硕士;研究方向：交通工程专业教学。
[参考文献]
[1]廖平，向敏，谢兆平.应用型本科土木工程专业课程的教学改革探究[J].创新创业理论研究与实践，2020（22）：60-62.
[2]方焘，薛凯喜.以创新能力为核心的土木工程实践教学方法与平台改革探索[J].高教学刊，2019（21）：41-46.
[3]王涛.增强现实在教学中的应用及范例设计[D].大连：辽宁师范大学，2017.
[4]王鹏，李志强，李彩红，等.VR技术在土木工程教学中的应用研究[J].黑龙江生态工程职业学院学报，2020（6）：126-137.
（编辑 王雪芬）
Research on the application of visualized autonomous learning platform based on AR
Hua Wenting， Zhang Sai， Wang Chenglin
（Qingdao Technological University Qindao College， Qingdao 266106， China）
Abstract：The specialty of civil engineering cannot meet the needs of modern personnel training only by traditional teaching methods because of its characteristics of emphasizing both theory and practice. This paper introduces the “AR Learning Aid” App. This visualized autonomous learning platform based on AR technology has the characteristics of intuitionistic， immersive and interactive. This procedure is helpful to solve the problem that students have difficulty in understanding theoretical knowledge and lack of opportunities in practice. It is helpful to cultivate students’ innovative ability and improve their engineering practice ability， and it helps to improve the level of information-based teaching in colleges and universities. The application of AR technology in college teaching is a great improvement for the traditional teaching mode.
Key words：augmented reality; visualized; teaching platform