增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在互動(dòng)教學(xué)中的應(yīng)用探究

宋燕燕 彭長(zhǎng)好 趙瑩 秦軍 董麗花

摘 要：隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的飛速發(fā)展，移動(dòng)設(shè)備與書本的交互過(guò)程變得更加容易，只需將移動(dòng)設(shè)備的攝像頭對(duì)準(zhǔn)書本中的某個(gè)圖片，移動(dòng)設(shè)備就會(huì)將對(duì)應(yīng)的虛擬畫面疊加到當(dāng)前屏幕顯示的書本內(nèi)容之上，虛擬信息和實(shí)際環(huán)境的結(jié)合帶來(lái)了另一種交互方式。文章重點(diǎn)探究增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在互動(dòng)教學(xué)中的應(yīng)用案例，通過(guò)構(gòu)建三維場(chǎng)景幫助學(xué)生記憶和理解知識(shí)點(diǎn)，利用Unity3D引擎實(shí)現(xiàn)互動(dòng)，提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù);互動(dòng)教學(xué);Unity3D

0? ? 引言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)通常是指將計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息增加到現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的由來(lái)是在20世紀(jì)90年代初期，波音公司的Thomas Caudell使用了一種頭戴式顯示器，給用戶的視覺中疊加虛擬物體來(lái)幫助完成工作。將移動(dòng)設(shè)備增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與書本的交互應(yīng)用可以使書本上的內(nèi)容呈現(xiàn)更加豐富[1]。在發(fā)展信息時(shí)代教育的過(guò)程中，現(xiàn)代教育技術(shù)以其先進(jìn)的觀念、手段和方法發(fā)揮著重要的作用。從木制黑板到電動(dòng)黑板、投影儀、平板電腦、網(wǎng)課教學(xué)等，教育水平和技術(shù)在不斷改善和進(jìn)步。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)這項(xiàng)新興技術(shù)與教育相結(jié)合，可以更加促進(jìn)教育水平的提升，在教育的進(jìn)程上實(shí)現(xiàn)一個(gè)飛躍。

1? ? 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)，但兩者有所區(qū)別。虛擬現(xiàn)實(shí)是指完全由計(jì)算機(jī)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行模擬，形成虛擬空間，用戶通過(guò)自然交互設(shè)備獲得具有沉浸感的體驗(yàn);而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)則是強(qiáng)調(diào)計(jì)算機(jī)生成的信息與實(shí)景相融合，計(jì)算機(jī)生成的信息可以極大地?cái)U(kuò)充真實(shí)場(chǎng) 景的信息量，從而給人們的生產(chǎn)生活帶來(lái)便利[2]。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是一種實(shí)時(shí)地計(jì)算攝影機(jī)影像的位置及角度并包含了多媒體、三維建模、實(shí)時(shí)視頻顯示及控制、多傳感器融合、實(shí)時(shí)跟蹤及注冊(cè)、場(chǎng)景融合等新技術(shù)與新手段，常提供人類感知與其他的信息。將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)中，學(xué)習(xí)者可以自然地與3D信息、對(duì)象和事件進(jìn)行交互[3]，實(shí)現(xiàn)實(shí)景教學(xué)、教育互動(dòng)等，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。將文字、圖形、圖像、聲音、動(dòng)畫和實(shí)際環(huán)境有機(jī)結(jié)合，全方位、多視角地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，這種圖文并茂的教學(xué)法不斷地刺激學(xué)生的感官，使學(xué)生思維充分活躍，豐富了學(xué)生的想象力，拓展了思維空間，促進(jìn)學(xué)生認(rèn)識(shí)事物本質(zhì)，使發(fā)散性思維得到訓(xùn)練。

2? ? 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該項(xiàng)目開發(fā)基于 Windows平臺(tái)，選擇Android平臺(tái)移動(dòng)終端為系統(tǒng)發(fā)布平臺(tái)，通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的圖像識(shí)別技術(shù)在移動(dòng)終端同時(shí)顯示攝像頭拍攝的真實(shí)影像和通過(guò)計(jì)算機(jī)生成的虛擬三維場(chǎng)景。

系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)流程及模塊如圖1所示。首先啟動(dòng)程序，與此同時(shí)準(zhǔn)備好待識(shí)別的教學(xué)內(nèi)容圖片，準(zhǔn)備完成后，開始進(jìn)行增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)識(shí)別，識(shí)別到目標(biāo)圖片以后，即可出現(xiàn)已設(shè)計(jì)制作好的場(chǎng)景。本系統(tǒng)以《泊秦淮》圖片為例進(jìn)行演示，此時(shí)即可正式進(jìn)入課程，可以通過(guò)不同的模塊，例如通過(guò)視頻模塊、音頻模塊、譯文模塊、賞析模塊、題目解釋模塊和作者背景模塊等，在現(xiàn)實(shí)畫面基礎(chǔ)上疊加虛擬場(chǎng)景和畫面進(jìn)行詳細(xì)的展示，每個(gè)模塊有其對(duì)應(yīng)的功能。視頻模塊具有視頻的功能，通過(guò)播放準(zhǔn)備好的視頻素材，生動(dòng)形象地介紹識(shí)別圖片中的內(nèi)容;音頻模塊可以播放朗誦音頻，用聲音將學(xué)生帶入場(chǎng)景;譯文模塊可以顯示翻譯內(nèi)容;賞析模塊即可顯示各個(gè)部分的賞析文字;題目模塊即可出現(xiàn)題目解釋文字;詩(shī)人簡(jiǎn)介模塊即可出現(xiàn)詩(shī)人相應(yīng)簡(jiǎn)介等等完成與學(xué)生的互動(dòng)。

3? ? 場(chǎng)景搭建

通過(guò)3Ds Max三維工具進(jìn)行場(chǎng)景搭建。以《泊秦淮》為例，場(chǎng)景原型為南京古秦淮河，依據(jù)唐代建筑的特色搭建房屋群，中國(guó)封建社會(huì)時(shí)期，唐朝便已是經(jīng)濟(jì)和文化發(fā)展的全盛期，此時(shí)建筑風(fēng)格具有雄偉、嚴(yán)謹(jǐn)、開放的特點(diǎn)。建筑規(guī)模大，規(guī)劃嚴(yán)密，這一時(shí)期中國(guó)建筑群的整體規(guī)劃日益成熟，長(zhǎng)安（今西安）和洛陽(yáng)建設(shè)了巨大的宮殿、園林和官邸，建筑系統(tǒng)更加標(biāo)準(zhǔn)化、合理化。其次因?yàn)橛星鼗春?，在?chǎng)景中搭建一座小橋模型。此場(chǎng)景由樹木、草坪、河流、小橋和商鋪等模型共同構(gòu)成，基本的場(chǎng)景搭建完成后，為模型添加貼圖，搜集符合時(shí)代及場(chǎng)景的素材圖片進(jìn)行實(shí)現(xiàn)。場(chǎng)景制作完成后導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D引擎，實(shí)現(xiàn)燈光制作、場(chǎng)景烘焙、界面設(shè)計(jì)及按鈕的交互功能。

4? ? 互動(dòng)教學(xué)功能

借助高通增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開發(fā)包，在Unity3D中設(shè)置Vuforia，使用計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)計(jì)算攝像機(jī)和標(biāo)識(shí)物之間的相對(duì)位置，從而實(shí)現(xiàn)將三維虛擬對(duì)象疊加到識(shí)別物上。一共提供4種識(shí)別 物類型以進(jìn)行選擇，包括Single image，Cuboid，Cylinder，3DObject。本案例中采用Single image作為識(shí)別物通過(guò)攝像頭捕捉圖片，能夠顯示出相應(yīng)的界面及場(chǎng)景，最后虛實(shí)相結(jié)合出現(xiàn)文字及場(chǎng)景的效果。沖擊學(xué)生視覺，2D文本與3D場(chǎng)景的轉(zhuǎn)變，不再局限于書本上枯燥的文字，顯示出文字所表達(dá)的場(chǎng)景，抽象轉(zhuǎn)為實(shí)例，給學(xué)生帶來(lái)更大的代入感，站在作者角度有所想、有所感。

在虛擬場(chǎng)景中除了呈現(xiàn)建好的模型以外，還要通過(guò)UI界面和按鈕功能設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)交互，分別設(shè)計(jì)有“視”“音”“賞”“題”“譯”“簡(jiǎn)”等按鈕，對(duì)應(yīng)視頻解析、音頻朗誦、全文賞析、解釋題目、譯文、作者簡(jiǎn)介等6個(gè)功能模塊，點(diǎn)擊相應(yīng)按鈕切換到對(duì)應(yīng)的模塊中。點(diǎn)擊“視”按鈕即可出現(xiàn)視頻講解，與卡通畫面結(jié)合，寓教于樂，無(wú)論是低年級(jí)或是高年級(jí)學(xué)生，都可以對(duì)此產(chǎn)生興趣，從而產(chǎn)生想要對(duì)知識(shí)產(chǎn)生想要探究?jī)?nèi)涵的想法，沉浸課堂，融入其中，產(chǎn)生和諧的教育課堂氛圍。點(diǎn)擊“音”按鈕即可播放音頻，通過(guò)渾厚的聲音，抑揚(yáng)頓挫地朗讀，表達(dá)出詩(shī)人杜牧想要通過(guò)寫詩(shī)而書發(fā)的情感，作為模板指導(dǎo)學(xué)生進(jìn)行跟隨朗讀與背誦，加強(qiáng)記憶。部分交互的腳本如下所示，實(shí)現(xiàn)效果如圖2所示。

5? ? 結(jié)語(yǔ)

本文從現(xiàn)代教育技術(shù)的角度進(jìn)行討論，將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和現(xiàn)代教育相結(jié)合，探究在互動(dòng)教學(xué)中的應(yīng)用案例。為教師提供新的教育工具，使學(xué)生對(duì)新的知識(shí)感興趣，創(chuàng)造自主學(xué)習(xí)的環(huán)境，從傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)模式改善到新的學(xué)習(xí)模式。通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠提供和展示各種趨于現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)情境，把抽象的學(xué)習(xí)與現(xiàn)實(shí)融合起來(lái)，激發(fā)學(xué)生的聯(lián)想能力。但是對(duì)于許多老師和學(xué)生來(lái)說(shuō)，自主創(chuàng)建虛擬場(chǎng)景并進(jìn)行互動(dòng)有一定難度，因?yàn)槠湫枰罅康募夹g(shù)知識(shí)。目前，許多公司正在開發(fā)易于使用的工具，開發(fā)困難的問題應(yīng)該會(huì)逐漸解決。

[參考文獻(xiàn)]

[1]鄒優(yōu)嘉.移動(dòng)設(shè)備增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與書本交互的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2013（8）：227-229，233.

[2]宋燕燕，曹效業(yè)，周靈.移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在互動(dòng)展示中的應(yīng)用研究[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2016（9）：83-86.

[3]姚甜.AR技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用[J].無(wú)線互聯(lián)科技，2020（4）：158-159.

（編輯 何 琳）