经验丰富的老电工讲师梳理39张电工电子实验实践基础图解，快来看

「智慧校园」电工电子技术实验 AR 教材研究

　　1. AR技术简介

　　AR（AugmentedReality），即增强现实技术。该技术是将现实世界中的各种事物信息，如声音、触觉、动作等，通过计算机技术巧妙地叠加到现实环境中，使人们在现实情景中展示，或将完全无法感觉和体会到的一些实际或者虚构的信息进行立体化呈现，被人类感官所感知，实现虚拟情境与真实环境的融合，提供了具象性的体验和连续而自然的交互。

　　AR教材是基于显示器来对教材叠加的，通过识别AR图片进行实时查看所呈现的虚拟对象。利用AR技术将教材中的抽象理论知识更加直观地展现出来，降低学习难度。在电工电子技术实验中利用AR技术以虚实结合的方式指导学生实操设备，能够提高实验效果，降低实验的安全风险。

　　2. AR教材国内外现状

　　Billinghurst的MagicBook是AR教材的开端。它将教材内容通过三维动画和模型进行创新型表现，读者既可以阅读文字，又可以通过配套的眼镜来观看跃然纸上的数字化场景，便于读者更好地理解内容所表现的情境。

　　目前，国内许多出版社都在积极进行AR技术在图书出版的研究。但AR技术大都应用在与消费者关系最为紧密的教育类产品中，包括图书、卡片和益智玩具等，内容覆盖自然、地理、历史、机械等多方面。AR技术在高等院校电工电子技术实验教材中的应用还很欠缺。应用AR技术的教材能够很好地翻转课堂，实现与微课等教学模式的衔接，在对我院学生的调查中显示90%的学生对AR技术在教材上的应用感兴趣。

　　3.AR技术在电工电子技术实验教材中的应用优势

　　3.1抽象理论的直观呈现

　　电工电子技术实验教材中，每项实验内容涉及多种仪器设备，由于各实验室建设时间不同，相同种类的仪器设备存在型号、样式的差别。纸质教材由于版面限制不能够做到全面介绍。借助AR技术读者不必通过传统的图片、照片等“脑补”教材中出现的元器件或设备的全貌，通过扫描AR标识就可以直接360°查看其三维模型、模型分解、实物视频等信息。这种直观的呈现方式将晦涩难懂的专业知识，用读者喜闻乐见的形式展现出来，给读者带来极大便利，提高了预习实验内容的效果，激发了学习兴趣，提高了学习效率。

　　3.2激发自主学习兴趣

　　传统的填鸭式教育方式已经落后于时代，教学方法与手段要随着时代的变化而不断改进。网络的飞速发展，信息获取渠道更为广泛，应引导学生主动学习、思考和探索。培养学生自主查找、搜集、处理信息的能力。利用AR技术的实时交互特点，学生与教材实时交互，更有效地激发学生自主学习的积极性。在学习中发现问题，解决问题，提高学生的实践能力。

　　3.3教材内容实时更新与扩展

　　传统图书出版之后，如果要修改或增加新内容只能等教材再版时进行，而且教材的编写、申报、审批编写周期较长，但借助AR技术，编者可以随时将图书的增改内容上传，读者通过扫描图书可以及时获取图书的新增内容，例如实验室仪器设备更新，新理论、新技术的拓展，实验内容增加等。

　　3.4丰富实验室环境

　　目前，国内院校的实验室大都采取图片展板的形式对实验室仪器、开设的实验内容进行简单介绍。虽然起到一定的辅助实验作用，但使用效果甚微。由于不同实验室开设不同的实验项目，并且实验室仪器设备也不同，这时可以利用AR资源制作实验室展板，针对性地介绍实验内容，如演示实验过程等。使学生在实验操作过程中遇到问题可以随时查看，并予以解决，起到辅助教学的作用。

　　4.电工电子技术实验AR教材存在的问题

　　4.1软件设计技术要求较高

　　AR教材涉及三维立体数字内容的制作和程序的编写与实现，还有APP的设计研发，这就需要编写教材的人员，既熟知教学内容又要具备3Dmax、Unity3D等软件的设计能力、图片处理能力、视频剪辑与后期处理能力。这对编者提出了更高的要求，若没有一个良好的技术团队，AR教材的编写就会面临很大的困难。

　　4.2首次教材编写周期较长

　　如图1所示，利用3Dmax对介绍的仪器设备进行3D建模，这一步要耗费大量的制作时间。这项工作如果只有一个人来完成，那么所需的时间就会更长。因此需要由一个技术优良的设计团队，分模块完成再进行组合，以便缩短设计时间。如果与AR企业合作就要有大量的资金投入。同时移动终端的APP开发，也需要良好的服务器运行，以及专门的维护人员实施维护。

　　4.3管理难度加大

　　目前，我国还没有专门用于学校环境的移动智能终端，实际应用中主要是利用智能手机和平板电脑作为移动终端。AR教学软件的良好教学效果要有载体来实现。但如果课堂允许使用手机，随之而来的是学生利用智能手机做与学习无关的事情。如何正确引导和管理对于教师来说是一个新的挑战。

图1AR教材开发基本流程

　　5.电工电子技术实验AR教材的应用

　　电工电子技术实验AR教材编写过程分为：教材编写、数字化资源制作和移动APP软件开发。

　　5.1教材编写

　　依据教学大纲要求编写实验项目内容。主要分为3个层次：基础性实验、综合设计性实验、仿真实验。

　　基础性实验主要培养学生的基本实验方法和基本技能，对基本定律、定理进行验证。例如：基尔霍夫定律验证、戴维南定理验证等。综合设计性实验是学生在具有一定知识和技能的基础上，运用多个知识点和技能方法进行综合训练的综合性实验内容。

　　仿真实验利用仿真软件完成实验项目的分析，可以很好地解决教学与实际动手实验相脱节的难题，方便学生将学到的理论知识用计算机仿真真实地再现出来。克服传统实验室各种条件的限制。

图2移动APP应用界面

　　5.2数字化资源制作

　　数字化资源制作是AR教材的核心部分，根据AR可视化资源将其分为视频资源与三维虚拟仿真。对于教材中理论讲解、流程展示等利用二维平面动画展示即可。对于复杂结构展示、角度、位移等利用三维立体动画展示效果更好。直录视频对示范讲解、操作演示更适合。对于实验现象分析，仿真实验的操作采用三维虚拟仿真更能有效提高实验效果。但三维虚拟仿真的交互式控制，需要互联网的各类交互操作。信息传递与存储对服务器后台设备要求较高。需要不小的一笔开支，这就需要资金的支持。

　　5.3APP开发

　　APP软件开发首先要按照需求梳理规划Ap的功能列表。依据APP功能列表，制作APP的原型图，之后设计APP的页面、内部各要素等。功能的开发包括客户端、服务端等。最后是软件测试，对开发出来的APP进行详细的测试。目前，APP应用的系统主要为安卓和苹果的IOS系统。一款APP的开发要做好兼顾这两个系统。移动终端APP对教材的识别主要分为图片识别和识别码识别。识别码通常采用二维码。每一个实验内容连接一个有效二维码，APP扫描二维码后直接跳转该二维码对应的实验内容。图片识别主要对该图片内容的立体展示。应用APP界面可以个性化设计，按需求布局。图2为移动APP界面初步构想。

　　6.结语

　　教材是知识的载体，实现传统教材的可视化是教材发展的必然趋势。AR技术在电工电子实验教材中的应用将增强学习的交互性，实现超感官的体验，使学习从被动转为主动，增强学生的学习兴趣，提高学习效率。利用AR技术的虚实结合指导学生电工电子技术实验实操设备，提高了实验训练的效果，同时降低了实验的风险与教学成本。但AR技术在教材中的应用还存在着技术上的局限性，这就需要不断地探索研究。

撰稿：张珊珊 武警海警学院

本文刊发于《中国高新科技》杂志2020年第17期

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