基于增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實的智慧校園建設

焦雨蒙 劉猛 王運武

摘 要：隨著時代的進步和發(fā)展，增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實技術成為教育領域熱點議題。據(jù)此，本文首先根據(jù)AR/VR的教育應用特性進一步挖掘了AR/VR在智慧校園建設上的價值，其次通過案例研究分析了基于AR/VR建設智慧校園的融合架構，并探討了AR/VR在融合建設智慧校園上可能存在的主客觀問題，最后通過AR/VR結合其他技術，展望了AR/VR在智慧校園上的應用前景和發(fā)展趨勢。

關鍵詞：增強現(xiàn)實（AR）;虛擬現(xiàn)實（VR）;智慧校園

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：2096-0069（2020）03-0072-05

引言

增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR），是讓虛擬的物象和真實世界融合到一起，進而投射或投影到其他裝置和介質上的交互影像。[1]即AR是通過對現(xiàn)實的補充、疊加或強化，展示真實世界以及融合在真實世界之中的虛擬信息，從而讓觀者獲得超越現(xiàn)實感知的體驗。虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR），也稱靈境技術或人工環(huán)境，是在計算機系統(tǒng)創(chuàng)建和傳感器技術所模擬的基礎上生成的可交互的虛擬世界。[2]即VR是通過一定技術和設備實現(xiàn)一種虛擬的人機交互環(huán)境并模擬人的感官通道，能夠讓用戶進入特定的虛擬世界場景，從而獲得和真實世界相似甚至更強的視覺、聽覺、觸覺等情境體驗。 智慧校園是指一種以面向師生個性化服務為理念，能全面感知物理環(huán)境，識別學習者個體特征和學習情景，提供無縫互通的網(wǎng)絡通信，有效支持教學過程分析、評價和智能決策的開放教育教學環(huán)境和便利舒適的生活環(huán)境。[3]可以看出，黃榮懷等人對智慧校園的概念界定，更是一種對未來校園建設、發(fā)展和變革方向的具體描述，同時國桂環(huán)等人認為“智慧校園是一種融合了現(xiàn)實校園和虛擬校園的新形態(tài)，并以智能環(huán)境、智慧教學和智慧科研等為建設的關鍵因素”[4]。

結合技術在教育領域發(fā)展融合的趨勢，AR/VR技術應用價值巨大，具有硬件定制化、內容可視化、環(huán)境虛擬化、體驗真實化等特性，[5]因此對于“虛實融合”新形態(tài)下的智慧校園建設具有廣闊前景。筆者在此對相關建設應用案例進行分析，探討基于AR/VR的智慧校園建設。

一、基于AR/VR建設智慧校園的應用分析

根據(jù)調查，本研究發(fā)現(xiàn)AR/VR目前主要在智慧校園的校園導覽、課堂教學、科研、圖書館資源等環(huán)境有一定研究和內容建設。

（一）基于AR/VR的智慧校園導覽

吳濤等人曾結合VR技術為揚州大學開發(fā)過一個校園漫游導航系統(tǒng)，[6]該系統(tǒng)可以用于學校教學、招生等工作，用戶通過該系統(tǒng)進入三維虛擬可視化界面進行遠程觀賞無人機航拍得到的揚州大學的校園風景。其中，用戶點擊不同的地點，就可以瀏覽該地點的全景照片，聽語音導航、看視頻講解，與其他用戶通過彈幕進行互動。但該系統(tǒng)的開發(fā)應用處于起步階段，全景地圖的瀏覽使用僅依靠三維球和全景照片來實現(xiàn)，這就造成圖片尚有細節(jié)缺失、定位不準確等缺點。因此要想獲得更強的交互感還需要AR技術作為支持。秦勝偉等人設計了一個校園漫游互動AR系統(tǒng)，[7]該系統(tǒng)運用AR技術制作室內三維模型實現(xiàn)動態(tài)交互，結合GPS技術，實現(xiàn)用戶室外GPS校園漫游以及室內定位。用戶通過該系統(tǒng)可以避免紙質導航產生的個人認知差錯，得到具象的校內導航，從而實時獲取校內環(huán)境、建筑分布信息，以達到暢游校園的效果。

（二）基于AR/VR的智慧校園課堂教學

阿巖松等人借助VR技術幫助學生理解初中物理中的重點知識凸透鏡的成像原理，他們通過對照組實驗的評價反饋發(fā)現(xiàn)加入VR教學的那一組學生對課程更加感興趣，且感覺教學內容更加直觀形象。[8]王小紅等人將VR技術運用于地理教學中，通過模擬自然災害、大陸漂移、天體運動，打破時空限制，使得教學更加形象生動，激發(fā)學生學習動機，寓教于樂，緩解了學生學習壓力。[9]唐彩斌的“讓畫出的圖形轉起來”的動畫將AR技術很好地與數(shù)學知識融合起來，幫助學生認識二維和三維之間的關系，發(fā)展空間觀念和想象能力。[10]徐少春等人借助AR技術建構可視化情境，幫助學生動態(tài)觀察世界，其強烈的視覺沖擊和互動性有效提高了學生對地理學習的興趣。[11]但是，這些單一的VR課堂應用容易使學生產生一種虛擬感，而利用AR技術進行課堂教學則可以讓學生獲得抽象知識的具象體驗，增強學生的學習興趣。

（三）基于AR/VR的智慧校園圖書館

李景文等人提出虛擬智慧閱覽系統(tǒng)，這是數(shù)字圖書館的升級，學習的內容不限于文字、圖片和視頻，每個人的閱讀習慣和思維方式都不同，虛擬學習空間可以借助VR設備和高速的移動網(wǎng)絡自由設置閱讀環(huán)境，隨時隨地閱讀。[12]廖宇峰認為目前AR技術運用于圖書館主要包括五個方面，分別是個性化閱讀指導服務、全新的資源利用模式、個性化借閱手續(xù)、資源的全面開發(fā)融合、智能排架功能。[13]胡國強等人開發(fā)了三維虛擬圖書館，方便用戶查找和閱覽書籍，有利于古籍、珍貴手稿等的保存，同時借助AR技術為用戶提供導航、及時推送、智能咨詢等服務。[14]

由此可見，這些基于AR/VR的智慧校園的子項目建設都各有特性，但細看來又較為零散，而且基于VR的智慧校園建設大多為桌面系統(tǒng)，基于AR的智慧校園建設也只是對現(xiàn)實的一種簡單疊加或補充，無法獲得更強的沉浸式體驗。因此，在建設智慧校園上，利用AR/VR進行融合建設智慧校園具有一定的必要性，所以本研究將探討基于AR/VR的智慧校園建設架構。

二、基于AR/VR融合建設智慧校園建設架構

利用VR技術進行三維建模，制作虛擬模型和搭建虛擬場景，利用AR技術進行場景融合、定位、跟蹤、疊加和顯示影像，結合多傳感信息融合技術和渲染輸出技術，創(chuàng)設沉浸情境、增強信息交互。因此，這種基于AR/VR建設的智慧校園，是現(xiàn)實中的校園與虛擬智慧校園的無縫連接、融合的一種新形態(tài)智慧資源。這種智慧資源涵蓋面廣、可視化強、趣味性大，能夠通過結合在線系統(tǒng)打破時空、地域限制，從而促進教育資源形象化、廣化、優(yōu)化、共享化;而且利用計算機創(chuàng)建的智慧資源可以及時更新，能夠在保持高仿真性的同時也具有較好的重復利用性，從而減少真實器材的損耗，降低資源成本。這種智慧資源的支持，能更有效地保證智能校園環(huán)境和虛擬校園系統(tǒng)的構建。針對實體智慧校園，著重建設智慧圖書館、智慧教室和智慧實驗室，而虛擬智慧校園則主要從智慧體驗、智慧探究和智慧實踐方面構建智能校園環(huán)境。智能校園環(huán)境的深度優(yōu)化和虛擬校園系統(tǒng)的不斷完善，又可以通過反饋形成一種整合的新形態(tài)智慧資源，從而繼續(xù)為智慧校園的虛實融合建設服務，如圖1。

（一）基于AR/VR的實體智慧校園建設

基于AR/VR融合的實體智慧校園建設，智慧圖書館可以通過可視化的立體仿真資源庫和沉浸式情境完成智慧閱讀，通過在虛擬咨詢空間與虛擬館員交流互動完成智慧檢索和圖書館導覽。智慧教室是一種智慧學習環(huán)境，教學者借助這種環(huán)境提供的AR/VR教學設備，通過傳感和顯示設備構建虛實形態(tài)混合的、教學方式多樣化的、融合游戲元素的沉浸式智慧課堂，根據(jù)技術條件、教學情境，教學者可以通過開展任務驅動型活動來實現(xiàn)因材施教的差異化教學，學習者也能夠通過參與其中進行探究性學習和知識建構實現(xiàn)揚長避短的個性化學習。在這種智慧課堂中，教學者可以根據(jù)需要進行手動調節(jié)教學環(huán)境，如老師在講血液循環(huán)、綠色開花植物的有性生殖、心臟的跳動、宇宙天體的運行、物理力學實驗等時都可以調節(jié)到適宜的教學環(huán)境進行高沉浸感的體驗式教學等。智慧實驗室創(chuàng)設的是一種沉浸式的數(shù)字化虛擬實驗環(huán)境，學習者通過一定設備進入一個與真實實驗室一樣的空間場景進行交互操作和體驗，通過多種感知通道來感知虛擬實驗環(huán)境中的信息，能夠進行反復訓練、實踐。

（二）基于AR/VR的虛擬智慧校園建設

本研究基于AR/VR建設虛擬智慧校園系統(tǒng)，通過虛擬藝術館、科技博物館等的場景漫游，為學習者提供智慧體驗。智慧探究和智慧生活則可以進行融合建設，主要是指創(chuàng)設虛擬社會情境并給學習者一個虛擬社會角色進行課題探究，從而開展集體驗、探究、角色于一體的綜合性實踐活動。如本研究通過開發(fā)虛擬藝術館漫游和沉浸式模擬購物系統(tǒng)，使學習者可以化身游覽者觀賞藝術展品，也可以化身購物者在超市購物。通過與場景中的虛擬3D模型進行動態(tài)交互，刺激學生感官，提供三維視覺體驗，結合聽覺、觸覺等感知以更具象化、趣味化的3D呈現(xiàn)，增強學生對于知識的理解和記憶。構建這種沉浸式情境實踐旨在通過引導學生操作、體驗生活，鍛煉培養(yǎng)學生的生活實踐能力，如圖2。

三、基于AR/VR建設智慧校園的問題分析

（一）客觀問題分析

1.技術不成熟、反饋不及時

到目前為止，虛擬現(xiàn)實技術的開發(fā)和推廣尚不成熟，其技術上有一些阻礙其推廣的缺陷。虛擬的世界總是和現(xiàn)實的不一樣，這種在運動中的視覺與感知的不一致會使使用者眩暈。與此同時，由于高端的虛擬現(xiàn)實技術需要的資金過高，在教育領域的推廣過程中，大多采用的是環(huán)幕投影，這樣更會減弱所營造的環(huán)境的層次感以及視覺上的單一，造成了更進一步的眩暈感。[15]此外，虛擬現(xiàn)實其交互性的特點離不開大量數(shù)據(jù)的支持，但在使用過程中數(shù)據(jù)精確度欠佳、數(shù)據(jù)庫成本通用性和設備等問題造成了虛擬現(xiàn)實技術在使用過程中出現(xiàn)了數(shù)據(jù)延緩和反饋不及時的窘境，這也阻礙了技術的推廣。[16]

2.資金耗費大、更新?lián)Q代難

隨著虛擬現(xiàn)實技術的發(fā)展，許多教育研究者做出了將虛擬現(xiàn)實技術與教育相結合的嘗試。但是，因虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展尚不成熟，研發(fā)虛擬教學資源會造成項目前期投入造價過高，繼而導致后期資金匱乏;而隨著科技迅速發(fā)展，資金匱乏則導致設備和器材落后無法進行及時更新?lián)Q代，虛擬教學資源陳舊而得不到及時豐富等一系列連鎖反應。因此，虛擬教學資源的研發(fā)資金耗費大、更新?lián)Q代難。

（二）主觀問題分析

1.教師或學生為虛擬而虛擬

教育領域的實踐者們嘗試將虛擬現(xiàn)實技術運用到教學實踐中，試圖促進教學。但是，教師在使用虛擬現(xiàn)實進行教學時，容易陷入一個誤區(qū)，即過分夸大虛擬現(xiàn)實技術的作用，忽視虛擬現(xiàn)實技術的本質和特征，即并不是所有的教學內容都是必須運用虛擬現(xiàn)實技術來實現(xiàn)的。目前大多數(shù)的VR實訓系統(tǒng)都是桌面虛擬系統(tǒng)，即學生通過鼠標和鍵盤來完成虛擬實驗操作訓練，導致學生不重視，使得實訓的成果最終會浮于表面，面對真實場景時又會無所適從，并沒有形成真實實驗的效果。

2.教師不敢、不愿虛擬

新興技術自推出到大眾眼前到現(xiàn)在發(fā)展初具規(guī)模時間并不長，基礎教育中的教師也大多是善于運用黑板、投影儀、嵌入式電腦來進行教學的傳統(tǒng)教師。這些教師感覺虛擬現(xiàn)實等新興技術很新奇很厲害，但是并不敢嘗試將這些技術應用在自己的教學中，不愿意改變教學方式，從而使得虛擬智慧教學被束之高閣。

3.虛擬課堂紀律易混亂

在課堂上運用AR/VR技術使得虛擬現(xiàn)實本身比所教授的知識更加具有吸引力，這對于基礎教育中的中小學生們更是充滿誘惑。教師如果課堂管理能力不足，加入AR/VR技術可能會適得其反，教師很難像普通傳統(tǒng)教學那樣做到真正地監(jiān)控學生的課堂狀態(tài)、維持課堂紀律。這樣的課堂雖然注重了以學生為中心，激發(fā)了學生學習的主動性、積極性，培養(yǎng)了學生的創(chuàng)新能力，但容易弱化教師主導的作用，造成課堂紀律混亂，導致教學偏離原本的教學目標，無法完成教學任務。

四、結語

因此，利用AR/VR技術能夠融合建設具有沉浸性體驗智慧校園，而要想實現(xiàn)智慧校園的智慧化已經(jīng)不僅僅可以依靠AR/VR，還可以結合其他技術為智慧校園建設服務。如（1）結合3D打印技術，創(chuàng)建虛擬模型;（2）結合大數(shù)據(jù)與云計算技術，完成虛擬教學評測;（3）結合人工智能與物聯(lián)網(wǎng)技術，提供虛擬教學的智能引導;（4）利用MEC邊緣云承載渲染，實現(xiàn)智慧校園的無縫連接和信息交互等。

2019年5G技術在我國興起，廣東實驗中學借助5G技術提升的網(wǎng)絡方案和技術保障，首次展示了5G+互動教學系統(tǒng)和5G+AR/VR教學應用，各方人士對通過5G+AR/VR整合教育資源生態(tài)圈，打破時空、地域限制和共享優(yōu)質教育資源等較為關注。 [17]隨著技術的發(fā)展，相信基于AR/VR的智慧校園，能夠通過5G+虛擬現(xiàn)實教育等提供虛擬現(xiàn)實教學一體機、虛擬現(xiàn)實教學體驗角、虛擬現(xiàn)實教學VR眼鏡以及便攜式虛擬現(xiàn)實教育終端，打造輕量化終端，實現(xiàn)AR/VR資源平臺化、管理高效化、終端輕量化、連接無線化等優(yōu)質體驗，有效解決智慧校園所需的低功耗、廣覆蓋、低成本、高容量的建設需求，實現(xiàn)智慧校園資源的快速獲取，推進AR/VR智慧校園建設。

參考文獻

[1]AZUMA R T.A Survey of Augmented Reality[J].Presence：Teleoperators and Virtual Environments（S1054-7460），1997，6 （4） ：355-385.

[2]黃奕宇.虛擬現(xiàn)實（VR）教育應用研究綜述[J].中國教育信息化，2018（1）：11-16.

[3]黃榮懷，張進寶，胡永斌，等.智慧校園：數(shù)字校園發(fā)展的必然趨勢[J].開放教育研究，2012，18（4）：12-17.

[4]國桂環(huán)，曾睿，萬力勇，等.增強現(xiàn)實技術在智慧校園建設中的應用[J].現(xiàn)代教育技術，2017，27（9）：19-25.

[5]張枝實.虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實的教育應用及融合現(xiàn)實展望[J].現(xiàn)代教育技術，2017，27（1）：21-27.

[6]吳濤，楊甲樂，陶欣.基于VR全景技術的揚州大學校園漫游導航系統(tǒng)的應用研究[J].華中建筑，2019，37（12）：28-31.

[7]秦勝偉，李重，李金鋒，等.校園漫游互動AR系統(tǒng)設計與實現(xiàn)[J].系統(tǒng)仿真學報，2019，31（7）：1367-1376.

[8]阿巖松，高志軍.VR在初中物理實驗中的設計與應用研究：以初中物理凸透鏡的成像原理為例[J].信息技術與信息化，2018（8）：126-129.

[9]王小紅，周申立，胡麗慧.VR技術在地理教學中的應用[J].科技信息，2008（26）：358-359.

[10]唐彩斌.讓AR技術融入數(shù)學課堂：“讓畫出的圖形轉起來”教學案例[J].小學數(shù)學教師，2019（9）：38-42.

[11]徐少春，邱新艷.借助AR技術開闊學生看世界的“視角”[J].中學地理教學參考，2019（17）：47-49.

[12]李景文，唐一飛，姜建武，等.虛擬現(xiàn)實技術在智慧校園的應用研究[J].建材與裝飾，2017（31）：287-288.

[13]廖宇峰.增強現(xiàn)實（AR）技術在圖書館中的應用研究[J].情報資料工作，2017（1）：62-66.

[14]胡國強，馬來宏.虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實在智慧圖書館的應用[J].圖書館工作與研究，2017（9）：50-54.

[15]李書杰，鄭利平，謝文軍，等.虛擬現(xiàn)實（VR）教育的問題與思考[J].計算機教育，2019（2）：41-44.

[16]許愛軍，張文金.虛擬現(xiàn)實技術在職業(yè)教育中應用的現(xiàn)狀、問題及對策[J].中國職業(yè)技術教育，2011（8）：44-47.

[17]呂萌.賦能未來教育? 廣東聯(lián)通與廣東實驗中學聯(lián)手打造智慧校園[J].通信世界，2019（29）：32-33.

（責任編輯 王策）