繪圖機器人和全息投影結合助推課堂教學

李婷 張婧琳

摘要語文是一門思想性較強的學科，它的知識通常是抽象的，這就造成了傳統(tǒng)教學下語文課堂存在內容抽象、填鴨式教學、教學手段匱乏等幾大問題。本文通過將繪圖機器人和全息投影相結合，增強課堂的交互性，使教學內容具體可感，提高學生的課堂參與度。

關鍵詞 機器人 全息投影 語文

中圖分類號：G424文獻標識碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.17.040

Drawing Robot and Holographic Projection Combined to Promote Classroom Teaching

LI Ting， ZHANG Jinglin

（School of Wisdom Education， Jiangsu Normal University， Xuzhou， Jiangsu 221116）

AbstractThe study combines the drawing robot and holographic projection to enhance the interaction between students and teaching material， which not only makes the teaching content concrete and perceptible， but also increases participation of students in the class.

Keywordsrobot； holographic projection； Chinese subject

1教學需求

眾所周知，語文是一門思想性較強的學科，它的知識尤其是涉及文章內容理解和寫作時總是抽象的，這就造成了傳統(tǒng)教學下語文課堂存在以下幾大問題：

教學內容抽象化，脫離學生實際。受語文教學內容限制，傳統(tǒng)教育下的語文課堂大多對文章主旨、感情等內容的教學是總結一些空洞的理論，不能化抽象為具體，里面豐富的情感脫離學生生活，不能引起他們的共情。

授課教師填鴨式教學，缺乏和同學的互動。很多語文課堂都是語文老師一個人的演講課，教師在臺上口干舌燥地講解，但由于內容抽象，脫離實際，學生很難理解老師，導致教師只填鴨式講解知識點，讓同學們強行記下來，課堂死板，缺乏互動。

教學設備簡陋，教學手段匱乏。目前的多媒體設備不能從根本上改變語文課堂內容學生不理解，氣氛沉悶等問題，教師在使用它們的過程中并不能明顯感受到先進設備帶來的優(yōu)勢，導致他們不愿意使用新式設備，仍采用傳統(tǒng)教學方式教學。

針對以上情況，我們設計了“繪圖機器人和全息投影結合助推語文課堂教學”方案，結合人工智能和全息技術呈現(xiàn)課文內容，針對傳統(tǒng)課堂的上述三大缺點進行改進。

2實現(xiàn)方案

2.1技術路線

我設計的技術路線可分為三個大步驟，第一步——繪圖機器人創(chuàng)設場景，第二步——全息投影所創(chuàng)設的場景，第三步——交互，如圖1。

2.2主要裝備

2.2.1信息采集技術與裝備

圖像反射系統(tǒng)：全息投影所需圖像反射系統(tǒng)。

傳感器：傳感器是一種能把物理量或化學量轉變成便于利用的電信號的器件，是測量系統(tǒng)中的一種前置部件，能將輸入變量轉換成可供測量的信號。[1]在本方案中被用于采集學生身高體重等數(shù)據以進行全息投影。

攝像機：把光學圖像信號轉變?yōu)殡娦盘?，在本方案中用于捕捉課堂中交互同學的動作。

2.2.2信息處理技術與設備

大數(shù)據分析技術：通過對大數(shù)據的預處理、分析和挖掘建的模型，根據模型得出結論。

2.2.3信息顯示技術與設備

全息投影顯示：通過記錄被攝物體反射（或透射）光波中全部信息（振幅、相位）實現(xiàn)3D視覺效果。[2]

2.2.4人機交互技術與設備

語音：通過說話就可以得到反饋結果，用于和投影中的人物進行交流。

Kinect體感：利用體感識別與手勢識別技術與大屏進行互動，讓參與者參與其中獲得優(yōu)秀的互動體驗。用于和投影中的人物進行動作交互。[3]

觸覺反饋設備：通過位姿追蹤技術記錄操作者位置和運動信息，利用傳感器準確實時傳輸給計算機，并將生成的觸感和力感反饋給操作者。[4]如圖2是觸覺反饋的兩大分類。

3應用示范

隨著當前我國的科學技術水平的提升，一些先進的科學技術在教育領域當中得到了廣泛的應用，大大促進了教育事業(yè)的發(fā)展。[5]隨著全息技術和人工智能的不斷發(fā)展，將他們運用到教學中是必然的事情。本文結合《背影》一課，淺談如何將繪圖機器人和全息投影技術結合起來推動語文課堂的教學。

3.1全息技術和繪圖機器人結合在語文課堂教學中運用的優(yōu)勢

要想了解他們的優(yōu)勢，首先要分別了解全息技術和繪圖機器人技術。

3.1.1繪圖機器人

該機器人是微軟近日推出的一項新的模仿類似藝術家的人工智能技術，它能夠根據文字描述創(chuàng)建一個與之相對應的圖像，并且能自動豐富圖像細節(jié)。[6]該機器人已經在配對圖像和標題的數(shù)據集上進行了培訓，從而使其理解如何將相應的單詞與圖像進行匹配。

3.1.2全息技術

全息術（holography）又稱全息照相術、全息攝影術，在照相膠片或干板上通過記錄光波的振幅和位相分布并再現(xiàn)物體三維圖像，產生立體視覺。[7]

而這兩者的結合理想中能達到的效果是繪圖機器人根據課文內容的文字描述進行圖像的創(chuàng)設，而創(chuàng)設的圖像經過計算機的編程后被全息投影到空氣中，讓同學們對課文描述的內容有更加直觀的感受。在該設想中，繪圖機器人負責場景課文劇情的創(chuàng)設，而全息技術負責投影真實可感的場景，力求讓學生能實現(xiàn)和虛擬課文場景的交互，讓他們在切實體驗學習內容之后對課文表達有深入且難忘的認識。

細致了解這兩項技術及其結合效果之后下面將展示這種上課方式的優(yōu)勢。

強化語文課堂的直觀性。語文課堂使用全息投影和繪圖機器人結合后可以通過對文章文字的呈現(xiàn)讓學生直觀感受到作家所要表達的內容，這種呈現(xiàn)是直觀且形象的，把抽象的文字具體化了，對學生理解掌握文章內容和把握寫作手法有極大優(yōu)勢。

增加語文課堂的交互性。借助傳統(tǒng)的多媒體課件教學時，教學過程容易呈現(xiàn)預設化、呆板化的特點。而全息和繪圖機器人結合的課堂中，學生和視頻中人物交互，提高課堂的生動趣味性，使學生的注意力能長久地保持在課堂上。同時，學生在上課時也能進行自我的探索，根據所體驗的內容結合自身實際，每個人都有自己不同的感觸。

提高語文課堂的體驗性。學生先是以旁觀者的角度體驗文中人物的經歷，清晰真實地感受文章所描述的內容，接著代替文中的人物以第一視角去體驗文中人物的一舉一動，兩次體驗結合能幫助同學很好地了解所學課文表達的主旨和作者筆力的獨到之處，讓每個人有不同的體驗感受。

3.2繪圖機器人和全息技術結合在語文課堂教學中的應用

繪圖機器人和全息技術結合輔助語文教學的流程主要分為課前、課中、課后三個部分。

3.2.1課前

教師首先需要對所學內容課文勾畫學生可能預習會遇到的生詞，并為他們注音，讓同學們能夠在課前閱讀課文，對文章內容有大致的認識。然后教師需要根據課文內容進行教學設計，結合自己的教學設計提出幾個簡單的問題，讓同學們結合這些問題閱讀課文。以《背影》為例，設置的問題如下：本篇文章主要敘述了什么故事？本篇文章的線索是什么？你認為本文的主題是想要表達什么？

最后教師將文章掃描進入繪圖機器人，通過繪圖機器人進行文章內容劇情的創(chuàng)設。以《背影》為例，繪圖機器人是通過圖像和標題數(shù)據集的配對訓練來鍛煉其依據文本生成圖像的能力，進而能夠將相應的文字描述與圖像進行匹配。[8]訓練完成之后教師將《背影》的文章導入繪圖機器人中，由繪圖機器人根據文字創(chuàng)設圖像并通過電腦程序將他們連接成為背影的故事。預想中能夠實現(xiàn)要求的繪圖機器人的工作流程如下：

（1）將大量人物，情節(jié)，背景等圖片輸入繪圖機器人的數(shù)據庫中，作為后期匹配訓練的基礎；（2）訓練繪圖機器人由文本描述生成圖像的能力，并添加使用文本描述來判斷生成圖像真實性的代碼。（3）編寫程序將繪圖機器人生成的圖像連接成完整的故事，并且添加適當?shù)霓D場，使視頻更加流暢。

教師將所成故事導入全息信息庫中，用以作投影的素材。學生此時則是根據教師提供的生詞和問題通讀課文，即《背影》，去尋找問題的答案，對背影寫的送別故事進行了解。

3.2.2課中

作者、背景介紹及課文熟讀。這一階段是課文的導入，首先是對朱自清的介紹。朱自清（1898-1948），字佩弦，江蘇省揚州市人，是著名的散文家、詩人、學者和民主戰(zhàn)士。[9]第二步是對文章寫作背景的介紹，介紹朱自清此次與父親的道別是在回家奔喪之后進行的，且此時其父親被解職，家庭狀況窘迫。第三步是老師帶領學生對《背影》課文進行熟讀，讀后挑選同學回答課前問題，檢測學生讀文章初步理解。學生在這個階段跟著老師對《背影》進行再次熟悉，在熟讀的情況下和小組同學探索課前問題的答案。

課文內容投影。這一階段是對背影表達情感的體會。教師將事先存入庫中的完整故事視頻通過全息投影至空氣中。利用相干光干涉，記錄光波的振幅信息和相位信息，因此可以得到虛擬人物包含形狀、大小等的全部信息。[10]

人物交換以切身體會。教師首先分發(fā)可穿戴設備，讓同學們能夠和文中人物進行交互。接著就買橘子的一段，挑選幾位同學作為視頻中朱自清的形象，做和他一樣的動作，去親身感受文中的父親動作的艱難，切身體會朱自清當時的感動。最后挑選另外的同學作為視頻中父親的形象，體會父親爬月臺的動作，從動作中窺得父親對兒子深切的愛與不舍。具體的交互流程如下：

首先教師讓學生穿戴觸覺反饋設備，通過這些設備和全息投影建立連接；接著將投影中的朱自清和他父親的幀數(shù)分別篩選出來刪除；最后重新播放投影，讓學生通過傳感器做相同的動作和投影進行交互。

文章寫作技巧總結及作業(yè)布置。在感受完文章表達的豐富感情之后教師對文章的寫作技巧，結構，語言進行分析總結。同學們在親身體會過文章的語言魅力之后，會對文章的某些部分有所感悟。教師帶領大家去尋找自己感悟從何而來，并在語言和寫作技巧，結構中找到依據。

在課堂的最后，教師布置作業(yè)，幫助學生更加深刻地認識文章內容。

3.2.3課后

教師批改學生的課后作業(yè)，對教學結果有所判斷。根據結果對課堂效果進行總結反思，對繪畫機器人及全息投影技術的運用有所改善。

學生根據錄制的上課視頻對課堂內容進行復習總結，再次感悟。之后完成課后作業(yè)，對課堂不懂的內容進行補充。

3.3對繪圖機器人和全息技術結合在語文課堂教學中應用可能存在的問題

繪圖機器人技術未能研究完全，對機器的訓練存在較大隱患；圖片連接成故事存在技術障礙，可能會卡頓，邏輯存在問題；創(chuàng)造出來的形象可能較為呆板，缺少課文中形象的立體感，對學生的感受產生影響。

全息技術可能會引發(fā)急性視覺疲勞，使用后可能會眩暈，視線模糊；投影的效果可能不是百分百真實，會讓學生產生虛假感；全息技術研發(fā)不夠成熟，還未能直接投影在空氣中，需要借助空氣膜等介質；技術成本較高，難以引入教育也難以在全國范圍內普及。

參考文獻

[1]張鵬濤.傳感器原理及其在測試中的應用[J].通信電源技術，2019.

[2]“科普中國”基本原理.baike.baidu.com.Retrieved 2018.5.27.

[3]http：//www.smone.cn/news/535.html.smone. Kinect體感互動系統(tǒng)介紹_NUIWIN體感互動系統(tǒng)開發(fā)[EB/OL].

[4]薛飛躍.基于觸覺反饋的沉浸式虛擬仿真資源設計與研究[D].華中師范大學，2018

[5]嚴輝，蔡志龍.CPC分類號減少檢索對關鍵詞依賴[J].科學技術創(chuàng)新，2019（33）：86-87.

[6]Sarah Perez. Microsoft’s new drawing bot is an AI artist.[EB/OL]. TechCrunch.2018.01.18

[7]360百科.https：//baike.so.com/doc/5339743-5575186.html

[8]Sarah Perez. Microsoft’s new drawing bot is an AI artist.[EB/OL]. TechCrunch.2018.01.18

[9]張禹可.3D全息投影技術原理及應用[J].通訊世界，2018.08.

[10]杜珂瑀.全息技術的原理及其應用現(xiàn)狀[J].通訊世界，2019.02.