增強現實技術基礎上理論力學新形態教材設計與實踐研究

摘要：教材是教育思想、教學內容、教學方法與手段的載體。透過對理論力學教材發展歷史及現狀的分析，指出了編寫與網際網路技術相融合的理論力學新形態教材的必要性，分析了以紙質教材為核心、數字課程資源相配套的新形態教材的特點，提出了理論力學新形態教材的設計思路，並介紹了東北大學編寫理論力學新形態教材的開發流程和應用效果。

關鍵詞： 力學 增強現實技術 數字課程資源 新形態教材 理論力學

“理論力學”課程是高等工科學校的技術基礎課，是連線基礎理論課與工程專業課的橋樑。課程的任務是使學生掌握質點系和剛體機械運動（包括平衡）的基本規律及其研究方法，為學習有關的後續課程打好必要的基礎，初步學會應用理論力學的理論和方法分析解決一些簡單的工程實際問題，同時結合課程的特點，培養學生的辯證唯物主義世界觀，以及分析問題和解決問題的能力。教材作為課程教學的基礎性資源，是教育思想、教學內容、教學方法與手段的載體［1］。許多高校針對理論力學課程在教學內容、教學方法、教學手段和教材建設等方面進行了大量教學改革［2，3，4，5，6，7，8，9，10］。從學校教育產生以來，傳統的紙質教材作為教師傳道授業的必備工具，由於攜帶不便、知識資訊更新慢等缺點，已很難滿足“網際網路+”背景下學習者對理論力學課程的學習需求，新形態教材的開發為教材改革提供了一個可行方向。

1、我國工科類理論力學教材的現狀

我國工科類理論力學教材建設起步於對蘇聯教材的翻譯，尤其是在1980年以後，我國高校教材從國家統編狀態進入自由開放狀態［9］，國內高校紛紛開始了自編理論力學教材的出版。經過幾十年的發展，目前市場上的理論力學教材種類繁多。其中，哈爾濱工業大學理論力學教研室編著的《理論力學I，II》［11］、浙江大學理論力學教研室編著的《理論力學》［12］、中國礦業大學郝桐生教授編著的《理論力學》［13］、北京大學朱照宣教授等編著的《理論力學》［14］、上海交通大學洪嘉振教授等編著的《理論力學》［15］、清華大學李俊峰教授等編著的《理論力學》［16］、清華大學賈書惠教授編著的《理論力學教程》［17］、北京航空航天大學謝傳鋒、王琪教授編著的《理論力學》［18］、北京理工大學梅鳳翔教授等編著的《理論力學I，II》［19］、蘭州大學周又和教授編著的《理論力學》［20］等教材幾經修訂，反覆錘鍊，已經成為國內理論力學課程教學的經典教材。

隨著網際網路和多媒體等現代教育技術的發展，理論力學教材的呈現形式早已打破傳統的紙質印刷媒介的侷限，發展成與電子教案、重點及難點例題、習題解題指導等多種數字資源相結合的立體化教材。立體化的理論力學教材因具有豐富的教學資源，可在一定程度上滿足學習者自主性、個性化的學習需求。但由於立體化教材通常採取先建紙質教材，再配套數字教學資源的建設模式，編著者往往注重數字教學資源的完整性，缺乏對紙質教材和數字教學資源的整體設計。與立體化教材相配套的教學資源或儲存於相應的資源網站或以單機版光碟的形式附於書後，學習者必須藉助計算機讀取光碟或登陸資源網站進行學習，便捷性較差。因此，為適應網際網路技術的發展與需求，現有的理論力學教材亟待轉型升級，透過將教學內容與網際網路現代資訊科技相融合，打造出全新的理論力學新形態教材。

2、理論力學新形態教材設計思路

在理論力學新形態教材中，紙質教材與數字化教學資源並不是相互獨立的，而是有機地融合在一起。紙質教材是教學內容的主要載體，在保證系統性和完整性的前提下，應保持以插圖和文字為主的傳統內容呈現形式，便於學習者深度閱讀和學習。數字化教學資源應針對教師和學習者的需求進行分析與設計，從而成為紙質教材的必要補充，同時可拓寬內容空間，透過其豐富的表現形態，幫助學習者深入理解所學內容［1］。

理論力學新形態教材立足於打造表現形式新穎的教材模式。目前，在國內大多數理論力學教材中，插圖均為實際工程結構的抽象化平面線條模型圖，圖形與工程實際結構差別較大，學習者在學習時容易引起誤解，無法較好與工程實際相結合。在東北大學新形態教材的編寫中，教材插圖絕大多數採用SolidWorks軟體繪製的帶有渲染效果的高度模擬三維立體模型圖［21］，如圖1所示。

圖1傳統教材與新形態教材插圖的對比

“網際網路+”教材是指透過技術手段將紙質教材與移動網際網路連起來的教材模式。結合當前網際網路技術的發展情況、智慧手機等移動終端裝置的應用和普及程度，以及學生和教師的接受能力，我們最終選擇用增強現實技術（augmentedreality，AR）作為理論力學新形態教材的主要技術手段。AR也稱為混合現實，是透過計算機技術，將虛擬的資訊應用到真實世界、真實環境上，以及將虛擬的物體實時地疊加到同一個畫面或空間，形成互動式的三維影象畫面，給使用者帶來更真實的體驗與感受［22］。學習者只需使用移動終端裝置掃描紙質教材中的識別圖或二維碼，就能迅速地以三維動畫的形式轉動和觀看插圖中的機械結構（如圖2），或訪問網際網路上已關聯的數字教學資源進行擴充套件學習（如圖3）。這種方式與單調、乏味的單一紙質教材相比，新形態教材能透過數字教學資源隨時解決書中的難點，便於學習者充分利用碎片化時間隨時隨地進行線上學習，更符合“網際網路+”背景下學習者的學習習慣［1］，同時可調動學習者的學習興趣和熱情。

圖2AR模型的使用過程

圖3紙質教材的版式及其數字課程資源

3、理論力學新形態教材的開發流程

理論力學新形態教材的開發流程主要分為紙質教材的編寫、數字課程資源製作和移動終端APP的開發三個部分。

3。1 紙質教材的編寫

在編寫教材時，要將紙質教材和數字課程資源同步統籌規劃，精心設計紙質教材的版式，並選擇恰當的資訊化技術手段，以實現紙質教材和數字課程資源的一體化。在紙質教材的相關知識點處，採用“圖示+資源標題或識別圖”的形式表明相應資源，並在文前頁上配有相應的文字使用說明，引導學習者去應用這一數字課程資源。教材的版式一般採用較窄的版心，切口處留白較多，正文插圖中可以佈置AR模型的掃描識別符號，學習者透過移動終端裝置掃描帶有掃描識別符號的模型圖，即可觀看相應的動畫資源，如圖2所示。在正文相關知識點附近的切口處可以放置數字課程資源的相應圖示，在本教材中用符號表示該處知識點有相應的影片講解；符號表示該處知識點有相應的PPT教案；符號表示該處有隨堂測驗，如圖3所示。

3。2 數字課程資源製作

理論力學數字課程資源依託高等教育出版社的課程雲平臺，教師可在課程雲平臺上開展線上課程教學活動，如線上釋出和設定課程學習資源、線上佈置和批改作業、成績統計分析等。學生則可自主選擇並隨時隨地學習所選課程，教師與學生、助教與學生以及學生之間可圍繞課程教學進行輔導、答疑、交流和討論。

圖4數字課程資源訪問方式

3。3 移動終端APP的開發

移動終端APP主要包括三維模型的建立、掃描識別識別符號的確定、動畫資源展現形式的確定等。開發流程如圖5所示。

圖5移動終端APP的開發流程

三維模型採用SolidWorks軟體進行初步建立，然後將其匯入3DMax軟體中進行材質貼圖處理，並生成FBX格式檔案，將FBX格式檔案匯入Unity3D軟體中進行包括光澤度、高光發射等效果最佳化，然後進行生成。apk檔案的程式碼編寫，並在不同平臺進行測試，最佳化程式在移動平臺上的執行速度以及體現出最佳的顯示體驗。對測試好的程式，輸出最終。apk檔案，並透過網路平臺進行釋出。

4、應用效果

理論力學新形態教材於2018年3月在高等教育出版社出版，在使用一年後編者對東北大學使用教材的26個教學班近800名學生進行了教材使用滿意度調查，調查結果如表1所示。從表1可以看出，學生對應用AR技術和三維圖形的新形態教材的認可和接受程度較高，多元化的新形態內容增強了對問題的理解程度，感官的刺激提高了學習主動性。目前課程的數字資源只包含課程影片、教案、章節測試題，透過對學生和教師的調查反饋，教材還需進一步豐富數字資源，目前編者正在根據建議進行改進，增加工程應用案例、難點習題講解等內容。此外，由於教材的數字資源需要登陸課程雲平臺才能使用，部分學生認為資源使用不方便，建議使用二維碼形式掃描獲取所要觀看的知識點，但由於數字資源的內容已在高等教育出版社進行了數字課程的出版，直接掃描使用涉及版權問題，如何解決該問題還需進一步探討。

表1教材使用滿意度調查

5、結束語

隨著資訊科技的發展，傳統的紙質教材已經不能滿足教學需要，與網際網路技術相融合的新形態教材已是大勢所趨。新形態教材具有形式新穎、資源豐富、應用效果明顯等優點，有助於教學方法與教學手段的改革，可進行教學模式的創新，滿足學習者的認知需求。