探索增强现实技术在基于增材制造的产品设计中的可用性提升及创造力增强作用

《Computers in Human Behavior Reports》：Exploring the usability and creativity enhancement of augmented reality in additive manufacturing-based product design

本研究通过对比实验，评估了增强现实（AR）技术在增材制造（AM）教育中的应用效果。实验发现，AR组在 usability（Z=-2.99, p<0.05）和 creativity（Z=-7.376, p<0.05）方面显著优于传统卡片组，特别是在interactivity（5.38 vs 4.18）、system quality（5.52 vs 4.28）和product informativeness（5.68 vs 4.29）维度。研究证实AR技术能有效提升学习者对AM原理的理解（Perceptions of AM Z=-0.453）和创意设计产出（novelty Z=-7.376）。

　　### 解读：增强现实技术在增材制造教育中的应用研究

在当今快速发展的科技背景下，增材制造（Additive Manufacturing, AM）作为一种先进的制造技术，正在改变产品设计和生产的传统方式。它允许设计师在数字环境中直接构建物体，通过逐层叠加的方式实现高度复杂的几何形状和定制化设计。然而，尽管AM在工业应用中展现出巨大的潜力，设计师在理解其抽象原理和实际应用方面仍然面临挑战。这些挑战主要源于AM的复杂性，包括几何、层次、材料和功能等多个层面的复杂性，使得学习过程变得困难。

为了克服这一障碍，研究者开始探索增强现实（Augmented Reality, AR）技术在教育和培训中的应用。AR作为一种能够将虚拟信息叠加在现实世界上的技术，为学习者提供了沉浸式、互动式的体验。它不仅能够增强学习的吸引力，还能够提高学习效率和用户参与度。在教育领域，AR已经被证明可以显著提升学生的理解能力、记忆效果和学习兴趣，尤其是在需要高度视觉化和互动性的学科中，如科学、工程和设计等。

### 增材制造的复杂性与挑战

AM技术的复杂性主要体现在以下几个方面：首先，几何复杂性使得设计师能够创建高度精细和独特的结构，这些结构在传统制造方法中难以实现。其次，层次复杂性允许设计师构建多尺度的结构，从微观到宏观，这在航空航天、医疗和建筑等行业中具有重要意义。第三，材料复杂性使得AM能够在单一制造过程中使用多种材料，从而实现更广泛的功能和性能优化。最后，功能复杂性则使得AM能够将多个功能集成到一个结构中，例如嵌入传感器或电子元件，从而实现更智能化的产品设计。

这些复杂性使得AM在实际应用中具有极大的优势，但同时也增加了学习的难度。传统的教育方法，如静态信息卡片，虽然能够提供基本的知识点，但缺乏互动性和沉浸感，使得学习者难以深入理解AM的原理和实际应用。因此，研究者开始寻找新的教学方法，以提高学习效果和设计创造力。

### 增强现实技术的潜力

AR技术在教育和培训中的应用已经显示出其显著的优势。它能够提供实时的、互动的视觉化体验，使学习者能够在真实环境中探索和操作虚拟模型。这种沉浸式的学习方式不仅提高了学习的趣味性，还增强了学习者的理解能力和记忆效果。在产品设计教育中，AR能够帮助学生更好地理解AM的复杂性，从而促进其创新思维和实际应用能力。

此外，AR还能够减少认知负担，提高学习效率。通过将虚拟信息与现实环境结合，AR使得学习者能够在更直观和易于理解的方式中掌握复杂的制造过程。这种技术的应用不仅限于教育领域，在商业和工业中也具有广泛的应用前景。例如，在零售行业，AR可以提供沉浸式的购物体验，使消费者能够虚拟试用产品，从而提高购买意愿和满意度。在工业培训中，AR能够提供实时的反馈和指导，帮助工人更高效地完成装配和维修任务。

### 实验设计与结果分析

为了评估AR在AM教育中的效果，研究者设计了一项对照实验，参与实验的34名产品设计硕士生被随机分配到两个小组：使用AR应用的实验组和使用传统纸质卡片的对照组。实验过程中，两组学生都接触了相同的14个AM立方体模型，但实验组通过AR应用进行交互，而对照组则通过静态卡片学习。实验结束后，研究人员通过结构化问卷和专家评估来测量学生的可用性感知和设计创意。

实验结果显示，使用AR应用的小组在可用性评分和设计创意方面均显著优于使用卡片的小组。具体而言，AR组在互动性、系统质量、产品信息性、现实一致性、沉浸感、立方体喜好和媒体实用性等方面表现出更高的评分。这些结果表明，AR技术能够有效提升学生对AM的理解和应用能力，从而促进设计创意的产生。

### 创造力评估与专家反馈

在创造力评估方面，研究者采用了专家评估的方法，结合多种标准和评分维度，如新颖性、可行性、相关性和具体性。通过这些维度，专家能够全面评估学生的创意成果。结果显示，AR组在所有四个维度上均优于卡片组，特别是在新颖性和相关性方面。这表明，AR不仅能够提升学生对AM的理解，还能够激发其创新思维，帮助他们生成更具创意和实用性的设计方案。

专家评估的可靠性通过内部分歧系数（Intraclass Correlation Coefficient, ICC）进行验证，结果显示所有四个维度的ICC值均达到统计学意义，表明专家之间的评分一致性和可靠性较高。这一结果进一步支持了AR在提升设计创意方面的有效性。

### 实验的局限性与未来研究方向

尽管实验结果积极，但研究仍存在一定的局限性。首先，样本量较小（34名参与者），这可能影响结果的普遍适用性。未来的研究应扩大样本量，并包括更多样化的参与者群体，以验证这些发现的广泛适用性。其次，问卷中的某些问题虽然是基于已有研究进行的调整，但在综合评估中可能缺乏专门的验证，这可能影响测量工具的有效性和可靠性。因此，未来的研究应进行更全面的验证，以确保评估的准确性和科学性。

此外，AR应用在呈现详细文本描述和示例方面存在一定的不足，这可能影响学习者对AM原理的深入理解。未来的研究可以改进AR环境中的文本和图形内容，以提供更全面的信息支持。同时，研究者计划将AR应用与实际的3D模型进行比较，以进一步探索其在教育和设计中的潜力。

### 结论与展望

本研究的结果表明，AR技术在提升产品设计教育中的可用性和设计创造力方面具有显著的优势。通过提供互动和沉浸式的体验，AR能够帮助学习者更好地理解AM的复杂性，从而促进其创新思维和实际应用能力。这一发现不仅为AM教育提供了新的方法，也为工业设计和制造领域带来了新的视角和工具。

未来的研究可以进一步探索AR在不同教育环境和设计阶段的应用效果，特别是在不同年龄层和不同专业背景的学习者中。此外，研究者还计划将AR应用与真实3D模型进行比较，以验证其在实际设计中的效果。通过不断改进和优化AR技术，研究者希望能够为设计教育和制造行业提供更加高效和创新的解决方案。