基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的高中藝術(shù)教育課程設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

郭威+薛耀鋒+楊金朋

摘 要 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互的特征在許多領(lǐng)域都具有很大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展和革新，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的功能性和應(yīng)用性也越來(lái)越強(qiáng)?；仡櫾鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展和技術(shù)特征，結(jié)合實(shí)踐案例，介紹本研究開(kāi)展過(guò)程中將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在高中藝術(shù)教育課程中的教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)；藝術(shù)教育；課程設(shè)計(jì)；Unity 3D

中圖分類號(hào)：G633.95 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2017）16-0070-02

1 引言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的延伸，成功地打破了真實(shí)世界和虛擬世界之間的壁壘，創(chuàng)造出一個(gè)虛實(shí)結(jié)合的混合世界。與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)不同，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將虛擬物體和真實(shí)場(chǎng)景同時(shí)呈現(xiàn)在用戶面前，讓用戶在真實(shí)的世界中獲取疊加的虛擬數(shù)字信息，這極大地拓展了人們對(duì)真實(shí)世界的感知程度[1]。本研究的開(kāi)展關(guān)注增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特征和優(yōu)勢(shì)，通過(guò)教學(xué)系統(tǒng)和工具的開(kāi)發(fā)使用，將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入高中藝術(shù)課程教學(xué)實(shí)踐中來(lái)。研究發(fā)現(xiàn)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在藝術(shù)課程中的應(yīng)用，對(duì)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)教學(xué)效果具有一定的促進(jìn)作用。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展

早在20世紀(jì)60年代，世界上第一臺(tái)虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)“Sensorama”的問(wèn)世，激發(fā)了人們探索連接真實(shí)世界和虛擬世界的新思潮。30年后，波音公司計(jì)算機(jī)服務(wù)部的自適應(yīng)神經(jīng)系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)項(xiàng)目成功研制一款布線輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過(guò)頭戴式顯示設(shè)備，將布線提示信息疊加到機(jī)械師視野里的實(shí)際操作場(chǎng)景中，引導(dǎo)機(jī)械師順利完成布線工作，減少工程失誤[2]。由此，“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”的概念被第一次提出。在隨后的發(fā)展歷程中，越來(lái)越多的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品被廣泛地應(yīng)在工業(yè)、軍事、醫(yī)療、教育等多個(gè)領(lǐng)域，用以拓展人們對(duì)真實(shí)世界的感知范圍，實(shí)現(xiàn)提高生產(chǎn)效率、優(yōu)化學(xué)習(xí)效果、增強(qiáng)娛樂(lè)體驗(yàn)等目的。

伴隨計(jì)算機(jī)技術(shù)、電子技術(shù)、傳感技術(shù)的革新與發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在不斷地進(jìn)行提升和完善，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品的用戶使用體驗(yàn)也越來(lái)越好。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行平臺(tái)，從早期的大型計(jì)算機(jī)設(shè)備、外接式的攝像模塊、輸入模塊，演變?yōu)榧啥容^高的小型移動(dòng)設(shè)備，在降低增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品成本的同時(shí)，也提高了使用的簡(jiǎn)易性。另一方面，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的顯示設(shè)備從頭戴式顯示器逐漸轉(zhuǎn)變成為智能眼鏡的形式，再發(fā)展到可以使用智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)終端進(jìn)行增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的顯示，使得增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的使用越來(lái)越生活化、移動(dòng)化和智能化[3]。

3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的技術(shù)特征

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一項(xiàng)復(fù)雜的計(jì)算機(jī)技術(shù)，涉及多媒體技術(shù)、計(jì)算機(jī)圖形與圖像技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息與通信技術(shù)等多個(gè)領(lǐng)域[4]。在使用過(guò)程中，跟蹤與定位技術(shù)、成像技術(shù)、交互技術(shù)是支撐增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)正常運(yùn)作的關(guān)鍵技術(shù)。

跟蹤與定位技術(shù) 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，怎樣將虛擬的數(shù)字信息準(zhǔn)確地疊加到真實(shí)場(chǎng)景的畫面中，是一個(gè)復(fù)雜但又非常重要的問(wèn)題。一般而言，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的跟蹤與定位系統(tǒng)需要實(shí)時(shí)獲取用戶的定位、觀察場(chǎng)景的角度、移動(dòng)速度和方向等信息，經(jīng)過(guò)處理器計(jì)算之后，準(zhǔn)確地設(shè)定虛擬數(shù)字信息在畫面中渲染的位置、大小、角度和方向，實(shí)現(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景和虛擬物體的完美融合。

在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用中，常使用的跟蹤與定位技術(shù)可分為兩種：一種是依賴于硬件設(shè)備的位置型（Location-based）跟蹤定位技術(shù)，如通過(guò)GPS系統(tǒng)、超聲波測(cè)距系統(tǒng)、陀螺儀、磁場(chǎng)測(cè)距系統(tǒng)等技術(shù)進(jìn)行定位；一種是依賴于計(jì)算機(jī)視覺(jué)系統(tǒng)的圖像型（Image-based）跟蹤定位技術(shù)，該技術(shù)通過(guò)識(shí)別真實(shí)場(chǎng)景中的特征圖像，標(biāo)定虛擬數(shù)字信息的渲染位置[5]，因此無(wú)須借助于其他硬件設(shè)備便可以實(shí)現(xiàn)精確定位，是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中應(yīng)用最多的跟蹤定位技術(shù)。

成像技術(shù) 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)需要根據(jù)跟蹤定位信息進(jìn)行真實(shí)場(chǎng)景和虛擬數(shù)字信息疊加位置的配準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)虛擬數(shù)字信息在真實(shí)場(chǎng)景中的準(zhǔn)確渲染[6]。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，虛擬數(shù)字信息的渲染效果需要與真實(shí)場(chǎng)景中的物體位置、環(huán)境因素保持一致，并且能夠支持與用戶之間的自然交互。

交互技術(shù) 實(shí)時(shí)交互是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的三大特征之一，自然順暢的人機(jī)交互方式依賴于不斷革新的傳感器技術(shù)[7]。用戶既可以通過(guò)傳統(tǒng)的鼠標(biāo)、鍵盤形式，也可以通過(guò)觸摸屏、語(yǔ)音、體感等更為自然的方式，與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)進(jìn)行交互。

4 基于AR的高中藝術(shù)教育課程設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

為了探究增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高中藝術(shù)教育課程中的使用效果，使用Unity 3D開(kāi)發(fā)引擎和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)插件，設(shè)計(jì)制作適用于Android系統(tǒng)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)工具和3D教學(xué)資源，并且在上海市J區(qū)某高中一年級(jí)的藝術(shù)教育課程中進(jìn)行使用。通過(guò)教學(xué)實(shí)踐和教學(xué)效果調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)工具能夠優(yōu)化藝術(shù)作品的展示效果，激發(fā)學(xué)生的觀賞興趣，增強(qiáng)教學(xué)效果。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)工具設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā) 設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)工具應(yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。整體而言，該系統(tǒng)分為客戶層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層和管理層四個(gè)部分。其中，客戶層包括畫面捕捉、虛實(shí)場(chǎng)景呈現(xiàn)、人機(jī)交互三項(xiàng)功能；應(yīng)用層包括人機(jī)交互、三維注冊(cè)、數(shù)據(jù)讀寫三項(xiàng)功能；數(shù)據(jù)層包括本地存儲(chǔ)和云存儲(chǔ)兩個(gè)部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)用數(shù)據(jù)、用戶信息的儲(chǔ)存；管理層實(shí)現(xiàn)對(duì)云端數(shù)據(jù)資源的管理操作。

根據(jù)教學(xué)設(shè)計(jì)的需要，使用Unity 3D開(kāi)發(fā)引擎制作與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)工具配套使用的3D教學(xué)資源，通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的管理層界面，將教學(xué)資源保存在云端，供教師和學(xué)生在教學(xué)實(shí)踐中下載使用。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)工具教學(xué)應(yīng)用 選擇上海市J區(qū)某高中一年級(jí)作為實(shí)驗(yàn)班級(jí)，在藝術(shù)課上開(kāi)展相關(guān)的教學(xué)實(shí)踐活動(dòng)。教師將一套彩色圖案的小卡片分發(fā)給所有的學(xué)生，在課程講解過(guò)程中，根據(jù)需要讓學(xué)生使用安裝增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)的移動(dòng)智能設(shè)備，拍攝特定的小卡片，觀看3D動(dòng)畫和3D模型，用以輔助講解藝術(shù)作品的設(shè)計(jì)，幫助學(xué)生理解和掌握相關(guān)知識(shí)，增強(qiáng)作品展示的觀賞效果。圖2為學(xué)生使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)拍攝蝴蝶圖案的小卡片，即可觀看到蝴蝶飛舞的動(dòng)畫。endprint

教學(xué)應(yīng)用反饋 課程結(jié)束后，對(duì)學(xué)生開(kāi)展問(wèn)卷調(diào)查和訪談，以了解學(xué)生對(duì)這種新穎的學(xué)習(xí)方式和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)的使用體驗(yàn)。結(jié)果表明，絕大部分學(xué)生對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)表現(xiàn)出濃厚的興趣，認(rèn)為這種展示方式比傳統(tǒng)的靜態(tài)圖片或影視更具有觀賞性，并且能夠根據(jù)自己的需求進(jìn)行反復(fù)觀看學(xué)習(xí)，大大提高了學(xué)習(xí)的自由度，對(duì)理解掌握課程所授知識(shí)具有一定的促進(jìn)作用。當(dāng)被問(wèn)到以后是否愿意使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)工具進(jìn)行課程學(xué)習(xí)的時(shí)候，大部分學(xué)生表示非常愿意使用。另一方面，在訪談過(guò)程中也發(fā)現(xiàn)，學(xué)生認(rèn)為目前的系統(tǒng)在交互方面還存在不足。

5 總結(jié)與反思

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用具有巨大潛力，能優(yōu)化教學(xué)材料的呈現(xiàn)效果，激發(fā)和維持學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，促進(jìn)課堂中師生、生生之間的互動(dòng)，增強(qiáng)教學(xué)效果。本研究在對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的技術(shù)特征進(jìn)行分析之后，使用相關(guān)的開(kāi)發(fā)工具設(shè)計(jì)制作一套增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)和3D教學(xué)資源，并且在教學(xué)實(shí)踐中取得不錯(cuò)的效果。但是也意識(shí)到該系統(tǒng)還存在一定的不足，具有較大的提升和完善的空間，在今后的研究工作中將致力于設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)出更好的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)工具和教學(xué)資源，為中小學(xué)教學(xué)工作提供優(yōu)質(zhì)的技術(shù)支持。

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