增強現(xiàn)實技術及其在高校教學中的應用

周龍鋒+匡芳君

摘要：增強現(xiàn)實是一項能讓虛擬增強現(xiàn)實的應用技術，它注重將虛擬物體與真實環(huán)境相結(jié)合的新興技術。增強現(xiàn)實對高校的教學產(chǎn)生了深遠影響，如何通過技術應用對教師的教學方式進行創(chuàng)新，對新型教學模式進行探索以及建設智能化高校成為許多資深教育者研究的新方向。該文簡述增強現(xiàn)實技術概念，分析其關鍵技術原理，重點探索其在高校教學中的應用。

關鍵詞：增強現(xiàn)實；新興技術；高校教學

中圖分類號：TP391 文獻標識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）32-0228-02

1 概述

近年來，隨著科學技術不斷發(fā)展，智能移動設備和網(wǎng)絡技術也在迅速普及，增強現(xiàn)實技術在教育、社交、娛樂等方面的需求日漸增長，并慢慢滲透到人們的日常生活中，這為增強現(xiàn)實技術在高校教學應用中的普及提供了新的途徑。高校教育利用增強現(xiàn)實技術，結(jié)合自身優(yōu)勢，進行創(chuàng)新融合，高校教學內(nèi)容變得多樣化。高校教學的最終目的是為國家和社會培養(yǎng)出創(chuàng)新型和高素質(zhì)人才，在這個背景下，以增強現(xiàn)實技術為基礎設施和創(chuàng)新要素，激發(fā)了教師與學生傳授知識和接收知識的熱情，為創(chuàng)新高校教學應用更進一竿。增強現(xiàn)實技術能夠為高校教學應用帶來教育技術和高校教育體系的創(chuàng)新，以及改變傳統(tǒng)的教學模式，對高校教學應用產(chǎn)生深遠影響。

2 增強現(xiàn)實關鍵技術分析

2.1 增強現(xiàn)實技術

增強現(xiàn)實技術（Augmented Reality，AR）把現(xiàn)實世界的一定時間空間范圍內(nèi)難以體驗到的實體信息，通過計算機系統(tǒng)特殊處理后將生成的虛擬三維模型動畫、視頻、圖片、文字等數(shù)字信息實時疊加顯示到真實場景中，將虛擬的信息應用到真實世界，對真實世界進行填補，在虛實結(jié)合的交互中不斷加強用戶對真實世界圖像或空間的視覺、聽覺、觸覺等感官方面的體驗，從而使人們感受到超越現(xiàn)實的感官體驗。

2.2 增強現(xiàn)實關鍵技術

增強現(xiàn)實技術大部分是通過計算機模擬仿真實體信息后疊加多個虛擬圖像，然后將其放入現(xiàn)實場景或圖像中。其關鍵技術主要有顯示技術、跟蹤和定位技術、界面和可視化技術和標定技術四大類。

顯示技術：顯示虛擬圖像與現(xiàn)實環(huán)境疊加出來的影像，其主要是為了讓用戶在使用時能有良好的立體感體驗。目前，用于AR的顯示器有頭盔式顯示器 （Head-Mounted Displays） ，投影式顯示器 （ Projection Displays） 和手持式顯示器 （Hand-Held Displays）。此技術需要用戶運用相應的頭盔顯示器，把現(xiàn)實場景中的圖像與計算機圖形疊加整合到一塊，就能夠看到真實的場景環(huán)繞于四周。

跟蹤和定位技術：考慮到人在現(xiàn)實世界中保持不動的可能性很小，那就需要增強現(xiàn)實技術實時精準地追蹤用戶行動的方位，同時獲取到用戶的視場方向。此技術主要通過對用戶視點和視場的追蹤來確定交互操作所涉及動作的追蹤定位，以及當前視域中目標物以及用戶視點的位置和朝向。

界面和可視化技術：如果要讓用戶同現(xiàn)實世界里的虛擬圖像十分自然地進行交互是有一定難度的，所以用戶如何同增強現(xiàn)實技術進行交互時更加自然并且如何有效地在頭盔、投影儀和移動設備等工具上傳輸相應的數(shù)字信息是一項關鍵的技術。此技術主要通過計算機圖形學和圖像處理技術，對用戶視覺感知的場景中具有的形體信息進行操作，與計算機直接進行交流，把測量的數(shù)值、圖像等數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為直觀的、隨時間空間變化的物理現(xiàn)象。

標定技術：為了獲取用戶視場和移動軌跡，要求增強現(xiàn)實技術一定要進行足夠的標定。目前，主要通過攝像機完成標定，也有一部分標定需要手動完成。該技術主要通過建立標定物上坐標已知的點及其圖像點之間的對應，運用設定好的算法獲得相機模型的內(nèi)外參數(shù)，達到標定用戶視場及其移動軌跡的目的。

3 增強現(xiàn)實技術在高校教學中的優(yōu)勢

增強現(xiàn)實能為師生提供身臨其境的學習情境。增強現(xiàn)實技術最大的特點就是虛實結(jié)合，通過計算機將處理過的數(shù)字信息與其他數(shù)據(jù)信息整合到用戶可見的現(xiàn)實場景中，憑借虛擬物體來增強用戶的真實感受，使教師和學生在高校課堂教學中有形象逼真的學習情境，學生能夠更好的主觀接受知識。

增強現(xiàn)實有利于提升學習者對于知識的感知，并且改變了教師和學生傳統(tǒng)上課及學習的方式。由于人們總是會對運動中的事物更加興致盎然一些，而學生則在課堂和學習上更愿意接納這樣的事物。從增強現(xiàn)實的概念中不難看出，增強現(xiàn)實就是要通過虛擬物體來增強用戶的真實感受，使用戶有身臨其境的感覺[1]。增強現(xiàn)實的運用就是為了借助虛擬事物，使其呈現(xiàn)出生動活躍的狀態(tài)，讓教師和學生懷著強烈的好奇心和熱情參與到有趣的課堂和學習中。

增強現(xiàn)實可增加師生間的互動。AR技術的3D定位技術對于智能手機、攝像機等讀取設備沒有嚴格的距離和角度要求，這讓學生在課堂上可以及時獲取信息，并且教師還能通過3D定位設備，獲取被追蹤學生的先驗信息，利用視覺信息處理技術獲取的模型信息，與輸入的數(shù)據(jù)進行匹配，確定學生所在空間的狀態(tài)，可以即時追蹤學生的上課時的學習情況。

增強現(xiàn)實有助于培養(yǎng)學生的三維空間想象力。AR技術和真實環(huán)境相結(jié)合所讀出的3D模型可以由目標圖片或物體來控制移動和旋轉(zhuǎn)，這使得教師可以通過更多的方式來與學生進行交流互動，這在原本二維的課本中是做不到的。增強現(xiàn)實的應用則將那些抽象的存在轉(zhuǎn)設成具體的場景，虛擬的事物與真實的事物實時同步，并且以實時交互的方式呈現(xiàn)給學生，學生可以很真實地和教師簡潔形象地互動，真切感受虛擬空間中的虛擬事物，有利于培養(yǎng)學生的三維空間想象力，加強學生對知識的理解深度。

4 增強現(xiàn)實技術在高校教學中的應用

增強現(xiàn)實技術克服了在普及高校學科教學應用方面的約束，其交互性、實時性、真實性和情境性等特點，給予了高校教師新的教學應用資源。增強現(xiàn)實的教學工具更加便攜，使用更加簡單，其不單單能夠作為趣味生動的教學用具對高校學生的自主構(gòu)建知識體系以及認知學習有很好的指導性作用，并且作為新的教學資源可以幫助教師對舊的教學方式進行創(chuàng)新，將書本或是多媒體網(wǎng)絡資源的知識具體化呈現(xiàn)在學生眼前。在高校課程理論教學中，這種立體化的教學用具不僅能夠激發(fā)學生上課和學習興趣，提高學生在課上與課后線下自主學習的效率，還能使高校教師教學方式更加豐富多彩，對減輕學生學習壓力，優(yōu)化課堂教學具有促進作用。如學生使用頭戴式顯示器，直觀接觸文人科學家的筆墨，數(shù)字顯示屏帶來清晰的圖像和文字，使得學生更加深刻理解知識及其內(nèi)涵。在實驗教學中，具象化的教學用具能夠讓二維平面的知識點轉(zhuǎn)化為三維虛擬場景，學生可利用移動設備反復演練課標上的重要實驗，教師也可在課上或遠程指導學生，彌補現(xiàn)實設備的一些不足。不難預測，增強現(xiàn)實在高校的教育教學領域的潛力是巨大的，其機動的適應性和靈巧性為網(wǎng)絡教育和移動學習在高校的教學應用方向上提供了新的方法。目前，增強現(xiàn)實在高校教學中的應用主要有以下幾種方式。endprint

4.1 數(shù)字圖書館與3D互動式立體書籍

數(shù)字圖書館利用射頻識別以及指紋識別實現(xiàn)了室內(nèi)追蹤，利用移動數(shù)據(jù)網(wǎng)絡與電子指示儀實現(xiàn)室外方位信息標定，接著通過增強現(xiàn)實技術進行疊加場景，形成還原場景的效果。其借助二維碼識別系統(tǒng)，識別和定位虛擬場景的物體，學生則能夠借助移動設備掃描二維碼來得到相對應的位置信息。而若用戶需要查找數(shù)字圖書館的具體文獻資源，AR增強現(xiàn)實技術體系也可以根據(jù)用戶的位置信息，及時將具體的路線推送至用戶的移動終端，并將現(xiàn)實服務資源與虛擬館內(nèi)的物體鏈接起來，以幫助他們迅速獲取所需的資料[2]。

相對于傳統(tǒng)書籍，3D互動立體書可使學生持久地集中注意力，進行高效學習，讓學生有如身當其境。3D互動立體書利用文理工科等教學內(nèi)容，運用增強現(xiàn)實技術、三維影像制作以及光學動作捕捉等新興技術，營造出身臨其境的閱讀場景，讓學生能夠在輕松的氛圍中接受專業(yè)知識及課外知識。立體書籍最大的意義就在于，給學生營造逼真的虛擬空間，極大地提升學生學習的趣味性。

4.2 公式與定理模型化

理科和商科是高校學科中相對困難的學科，其知識點之間有較強的邏輯性和關聯(lián)性，大多觸及模型、實驗和公式等。教師在教學過程中一般選取口頭表述定理的推導和依賴多媒體課件來呈現(xiàn)知識點，許多學生發(fā)現(xiàn)不了知識點之間的關聯(lián)，綜合應用能力就難以增強。通過增強現(xiàn)實技術相應的教學資源和設備，將定理的變化和推導流程以三維導圖的方式展示，再通過實時交互來微調(diào)其中數(shù)值的變化，使學生感受到模型導圖和公式的實際運用。如立體幾何教學中，根據(jù)三視圖唯一的原理利用AR技術將2D圖形與3D直觀圖形相結(jié)合，免去傳統(tǒng)教學中手工制作模型的麻煩，這一類的應用展示了AR在幾何學科應用中的巨大優(yōu)勢[3]。

4.3 創(chuàng)設教學情境

通過增強現(xiàn)實技術的虛擬投影可以跨越時間與空間的限制，使人文歷史事物能夠在三維空間再現(xiàn)。文科的很多知識是零散的、不連續(xù)的、非邏輯性的，常常缺乏系統(tǒng)性歸納，對一些應試課程而言，單獨去記憶這些知識比較費時費力，且記憶效果不理想，學生學習的包袱加重。此時教師不妨在課堂上運用增強現(xiàn)實技術的設備和資源，幫助學生提高記憶效率，通過深入理解和歸納知識點，加快對知識點的記憶，便于回憶，讓學生在活潑生趣的課堂氛圍中體會藝術與人文科學教育的文化素養(yǎng)。比如教師對太陽系知識時，師生可以將多種技術結(jié)合，包括使用投影機、網(wǎng)絡攝像機和虛擬三維建模包觀察和旋轉(zhuǎn)一個虛擬的3D星球模型，以了解地球和太陽、白天和黑夜[4]。

4.4 實驗操作流程化

實驗教學可以提升學生分析問題和實驗實踐的能力。在理工科教學中，教師對教材中的實驗和實踐教學環(huán)節(jié)是不可或缺的，通過利用增強現(xiàn)實技術，學生可以利用三維虛擬實驗儀器的交互功能反復進行實驗，沒有空間和時間的限制，在課上和課后都能夠完成實驗的操作。并且對于小部分現(xiàn)實條件不支持的實驗，如化學學科中的同分異構(gòu)體，學生可以借助增強現(xiàn)實技術模擬的元素、分子和原子等模型進行任意組合，觀察乙醇和甲醚在三維視角下的區(qū)別，促進學生對同分異構(gòu)體及其運用的理解。

4.5 移動學習

增強現(xiàn)實將虛擬世界的信息和現(xiàn)實世界物體融合于同一時空，二者相輔相成，學生可以全身心處在這樣一種實時同步無縫融合的場景下學習。通過移動設備的顯示輸出，在教學中借助增強現(xiàn)實技術的場景增強方法，學生可以在課堂上利用數(shù)字化場景體驗眼前的場景。利用智能手機和平板等移動設備可以把課堂課外環(huán)境隨時隨地轉(zhuǎn)變成學習資源，有效促進學生對隱性知識到顯性知識的快速轉(zhuǎn)化，學生不再拘泥于在課堂上接收知識，更能夠拓寬學生的視野，有利于學生自身發(fā)展。借助移動設備上的攝像頭來識別二維碼、圖片等標識物，同時輔以3D圖像以及多媒體技術信息映射到移動設備的屏幕上面，能夠有效實現(xiàn)增強現(xiàn)實物體的目的，在當前主要運用在理解概念和實踐操作方面，具體表現(xiàn)為增強現(xiàn)實課本、在博物館開展學習、外語學習等三個方面[5]。另外借助方位進行增強現(xiàn)實教育，即借助移動設備的無線局域網(wǎng)、攝像頭、電子羅盤和傳感器等技術，判斷學生所在環(huán)境，同時在設備屏幕上顯示一定的學習內(nèi)容，供學生運用在當前的課程學習上，以增強學生學習體驗的目的。

5 結(jié)束語

增強現(xiàn)實技術在高校教學中的應用體現(xiàn)了人們對接受教育的方式和質(zhì)量有了更高的需求。教育領域?qū)υ鰪姮F(xiàn)實的研究不該只是關注增強現(xiàn)實技術自身，更為關鍵的是教育者和學生如何運用設備和資源進行高效的學習，研究其如何將增強現(xiàn)實開發(fā)的教學應用資源有意義地滲透到高校教學應用中，倡導素質(zhì)教育和塑造創(chuàng)新型的人才才是我們在教學中亟待推進和解決的問題，其教育理念對高校創(chuàng)客教育和STEAM教育體系的促進具有重要作用。

參考文獻：

[1] 周俊平，侯守明.增強現(xiàn)實技術及其教學應用的探索[J].信息與電腦，2016（3）：217、219.

[2] 付佳.增強現(xiàn)實技術在數(shù)字圖書館服務創(chuàng)新中的應用[J].圖書館學刊，2014（4）：120-123.

[3] 蔡蘇，王沛文，楊陽，劉恩睿.增強現(xiàn)實（AR）技術的教育應用綜述[J].遠程教育雜志，2016（5）：27-40.

[4] 周森.增強現(xiàn)實技術及其在教育領域的應用現(xiàn)狀與發(fā)展機遇[J].電化教育研究，2017（3）：86-93.

[5] 周俊平，溫守坤.增強現(xiàn)實技術在移動學習中的應用芻議[J].電腦知識與技術，2016（3）：185-186.endprint