基于AR技術(shù)團建的高校思政教育實訓云系統(tǒng)

張 盈，王昌云，張仁貢

(1．浙江同濟科技職業(yè)學院，浙江 杭州 311231；2.浙江禹貢信息科技有限公司，浙江 杭州 310018)

進入新時代，我國國力與國際地位日益提升，面臨的國內(nèi)國際形勢也日益錯綜復(fù)雜，客觀上對公民特別是青年大學生的政治素養(yǎng)與政治認同提出了更高要求?！八枷胝谓逃鳛檎紊鐣暮诵臋C制,承擔著把政治體系的價值和信仰系統(tǒng)傳輸和分配給社會成員的任務(wù),從而在很大程度上決定著社會成員對政治體系的支持和認同”[1]。在2019年召開的全國思想政治理論課教師座談會上，習近平總書記強調(diào)，高校思政課要用新時代的中國特色社會主義思想鑄魂育人，要貫徹黨的教育方針，要落實立德樹人的根本任務(wù)。

目前，我國各高校開展思政教育的形式主要有兩種。一是課堂教學。在思政理論課中全面貫徹黨的教育方針，闡釋馬克思主義理論和新時代中國特色社會主義理論。在通識課程和專業(yè)課程中，倡導(dǎo)“課程思政”，此外，挖掘各類課程中蘊含的思政教育資源。二是通過第二、第三課堂，開展各種社會實踐活動，拓展思政教育途徑，力求打通“知”與“行”環(huán)節(jié)。然而，由于種種主客觀原因，高校思政教育教學雖然取得了不俗成績，但“進教材、進課堂、進頭腦”的工作仍有待進一步提高，在高校師生中深植社會主義核心價值觀的工作仍任重道遠。

項目組總結(jié)多年高校思政教育教學的經(jīng)驗，在調(diào)查研究和借鑒高?，F(xiàn)有思政教育教學技術(shù)手段的基礎(chǔ)上，與不同專業(yè)背景的學者相互間進行了多次溝通交流，決定“結(jié)合目前的NFC技術(shù)、VR技術(shù)、APP技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、無線通信技術(shù)、移動通信技術(shù)、云技術(shù)、云數(shù)據(jù)庫技術(shù)等，開展思政教育系統(tǒng)的研究開發(fā)工作，以使高校思政教育教學更具有趣味性、互動性、競賽性、先進性等”[2]，并最終借助相關(guān)企業(yè)，設(shè)計研發(fā)了高校思政教育教學團建型實訓系統(tǒng)(簡稱為SZTJ-ST V2018)。該系統(tǒng)由硬件系統(tǒng)和后臺軟件系統(tǒng)兩部分組成，硬件系統(tǒng)屬于自主發(fā)明的“一種基于AR-NFC型思政教育遠程團建裝置”，結(jié)合自主研發(fā)的后臺資源庫系統(tǒng)，即“思政類課程教育教學資源庫信息發(fā)布系統(tǒng)V1.0”可完成高校思政教育教學團建型教學的整個閉環(huán)。此系統(tǒng)不僅順應(yīng)了教育部“推進信息技術(shù)與教育教學融合”的要求，而且大大降低了高校組織開展社會實踐的成本。經(jīng)過檢測應(yīng)用，成效良好。

1 功能分析

本系統(tǒng)基于面向?qū)ο蟮腢ML功能和需求來進行分析，面向?qū)ο笫且怨δ軄韯澐謫栴}，建立基于流程圖的功能描述，建立基于用例圖的關(guān)系描述，建立基于活動圖的映射描述等，將對象之間的問題、關(guān)系和相互作用描述清楚，以便后續(xù)的開發(fā)與實現(xiàn)。限于篇幅，下面僅對系統(tǒng)主要的功能進行描述。

1)后臺管理功能。該功能需使用電腦設(shè)備，通過云端服務(wù)器實現(xiàn)。電腦端有客戶端程序，通過界面可以設(shè)置云數(shù)據(jù)庫用戶、密碼及用戶權(quán)限；AR感應(yīng)碼用以增加、修改或刪除AR感應(yīng)卡的數(shù)目；NFC感應(yīng)碼用以增加、修改或刪除NFC感應(yīng)卡的數(shù)目。后臺管理功能還包括試題庫管理、AR點位配置及AR場景內(nèi)容管理、AR路徑管理、學生名單管理、每次活動的成績管理、自動排名及打印等。

2)NFC記錄功能。手持終端必須具有NFC感應(yīng)功能。團隊成員到達某一個場景時，必須在該處通過手持終端NFC感應(yīng)，在彈出的對話框中完成填表、拍照(語音或小視頻)、上傳等操作。完成后系統(tǒng)會自動生產(chǎn)路徑節(jié)點，并將剛才完成的任務(wù)上傳到云數(shù)據(jù)庫保存。該功能可有效防止團建團隊跳躍或遺漏某一個場景關(guān)口，記錄的到達節(jié)點時間可用于后續(xù)成績的統(tǒng)計、計算和自動排名。

3)現(xiàn)場AR功能。手持終端安裝AR場景APP程序，團建團隊隊長可以打開APP程序，按照設(shè)定的路徑提示，開展活動。一個AR場景通過APP提示來掃描，團隊成員通過掃描關(guān)口進入后，在APP中自動獲取后臺云數(shù)據(jù)庫中的試題庫，按某種特定的方式出現(xiàn)在界面中，團隊成員必須完成項目后，才能進入下一個場景。

4)現(xiàn)場團隊實訓功能。當團隊隊長NFC掃描記錄后，通過APP程序完成通關(guān)，在關(guān)口通關(guān)，現(xiàn)場團隊成員就可以通過現(xiàn)地控制單元(LCU)的觸摸屏[3]，用自己分配到的用戶名和密碼登錄現(xiàn)地平臺，現(xiàn)地平臺與單片機鏈接，平臺中將出現(xiàn)該場景的實訓內(nèi)容，團隊成員必須充分觀察和了解現(xiàn)場的知識后，才能準確無誤地完成平臺界面出現(xiàn)的提問。完成提問后，每個人可以提交自己的答案。每個團隊成員登錄后，出現(xiàn)在平臺上的試題將不相同，需要獨立完成，或在團隊其他成員的協(xié)助下完成。團隊成員所完成的所有試題及答案將通過無線網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)庫，直至后臺。

2 總體構(gòu)架

本系統(tǒng)采用了基于NFC感應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)技術(shù)、基于AR場景的虛擬現(xiàn)實開發(fā)技術(shù)、基于云服務(wù)的數(shù)據(jù)庫開發(fā)技術(shù)、基于物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點裝置開發(fā)技術(shù)[4]、基于Android的APP開發(fā)技術(shù)、基于SaaS互聯(lián)網(wǎng)的J2EE開發(fā)技術(shù)等。系統(tǒng)總體構(gòu)架原理圖如圖1所示。

圖1 總體框架原理圖

從圖1可知，上部分為自主研發(fā)的一種基于AR-NFC型思政教育遠程團建裝置，該裝置有很多個。下部分為外部配合系統(tǒng)[5]，可以鏈接多個遠程團建裝置。

AR-NFC型思政教育遠程團建裝置由VR感應(yīng)碼、NFC感應(yīng)芯片扣、單片機、無線數(shù)據(jù)發(fā)送裝置、觸摸屏裝置、微型變壓器、電源接口、塑膠盒、橡皮吸附盤、手持終端等組成，可以很方便地安裝在某一場景內(nèi)，通電即可使用。

外部配合系統(tǒng)由臺式電腦管理機、激光打印機和云服務(wù)器組成。臺式電腦管理機和激光打印機采用并行接口數(shù)據(jù)線連接，臺式電腦管理機與云服務(wù)器采用無線通信連接。激光打印機可以打印VR感應(yīng)碼。

3 核心技術(shù)

作為一個綜合了諸多高端技術(shù)為一體的實用教學型系統(tǒng)，即基于AR技術(shù)的高校思政教育團建型教學系統(tǒng)，涉及的技術(shù)很多，一些通用技術(shù)如基于云服務(wù)的數(shù)據(jù)庫開發(fā)技術(shù)、基于現(xiàn)地LCU的流程化開發(fā)技術(shù)、基于Android的APP開發(fā)技術(shù)等本文不做詳細介紹。本文著重介紹基于近場通信(NFC)感應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)技術(shù)、基于AR場景的虛擬現(xiàn)實開發(fā)技術(shù)及基于物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點裝置開發(fā)技術(shù)。

3.1 基于NFC感應(yīng)的物聯(lián)網(wǎng)開發(fā)技術(shù)

NFC是一種非接觸式射頻識別(RFID)及互聯(lián)互通技術(shù)整合演變而來的新興技術(shù)，使用NFC技術(shù)設(shè)備(如手機)靠近感應(yīng)式卡片或感應(yīng)式讀卡器進行數(shù)據(jù)交換，具有點對點的通信功能。它結(jié)合了基于Android的APP開發(fā)技術(shù)，采用了基于SaaS互聯(lián)網(wǎng)+架構(gòu)的新型軟件架構(gòu)模式，在移動終端開發(fā)APP，實現(xiàn)了靠近NFC卡感應(yīng)即觸發(fā)，通過讀取現(xiàn)場NFC的感應(yīng)代碼，觸發(fā)3個觸發(fā)器，流程如圖2所示。

圖2 NFC感應(yīng)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)

從圖2可知，觸發(fā)器1觸發(fā)登錄界面模塊， APP應(yīng)用程序啟動，完成任務(wù)數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)庫；觸發(fā)器2觸發(fā)GPS定位模塊，記錄定位，自動繪制運動軌跡，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)庫；觸發(fā)器3觸發(fā)時鐘模塊，記錄時間信息，并傳輸?shù)皆茢?shù)據(jù)庫中。所有的數(shù)據(jù)將傳輸?shù)胶笈_電腦進行程序處理。

3.2 基于AR場景的虛擬現(xiàn)實開發(fā)技術(shù)

增強現(xiàn)實(AR)技術(shù)是一種實時計算攝影機影像的位置及角度并加上相應(yīng)圖像的技術(shù)，這種技術(shù)的目標是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實世界中并進行互動。本系統(tǒng)采用AR技術(shù)，結(jié)合場景現(xiàn)實照片及其他特色素材，預(yù)先利用后臺程序，將其導(dǎo)入云數(shù)據(jù)庫中，數(shù)據(jù)流圖如圖3所示。

圖3 AR技術(shù)數(shù)據(jù)流圖

從圖3可知，后臺程序生產(chǎn)AR感應(yīng)碼，AR感應(yīng)碼與數(shù)據(jù)庫素材一對多關(guān)聯(lián)，由打印機打印AR感應(yīng)后將其貼在裝置外殼特定的位置。每個AR感應(yīng)碼對應(yīng)一個場景，一個場景對應(yīng)多個素材，每個素材對應(yīng)一個或多個云數(shù)據(jù)庫中的問題，可同時實現(xiàn)隨機抽取功能。場景信息保存在云數(shù)據(jù)庫的云場景庫中，素材存儲在云數(shù)據(jù)庫的云素材庫中，問題庫則存在云問題庫中，所有的云數(shù)據(jù)庫皆由計算機后臺程序統(tǒng)一調(diào)度[7]。

3.3 基于物聯(lián)網(wǎng)的節(jié)點裝置開發(fā)技術(shù)

AR-NFC型思政教育遠程團建裝置可以通過觸摸屏操作輸入信號，同時也有攝像頭接口，可以攝像記錄現(xiàn)場情況。觸摸屏與物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點裝置鏈接，本物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點裝置的結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點裝置結(jié)構(gòu)圖

從圖4可知，觸摸屏通過并行接口接入并行輸入模塊，各類狀態(tài)參數(shù)通過A/D轉(zhuǎn)換器接入以太網(wǎng)輸入模塊輸入。該物聯(lián)網(wǎng)節(jié)點裝置提供無線4G接口，與云數(shù)據(jù)庫鏈接。也可以通過并行線或控制器，導(dǎo)出數(shù)據(jù)。

該裝置支持以太網(wǎng)通信協(xié)議即TCP/IP協(xié)議，可以用在各種各樣的信道和底層協(xié)議(如T1、X.25及RS-232串行接口)之上，包括TCP協(xié)議、網(wǎng)際協(xié)議IP、UDP協(xié)議、ICMP協(xié)議和其他一些協(xié)議的協(xié)議組。該模塊的TCP/IP協(xié)議將采用4層結(jié)構(gòu)，每層都呼叫它的下一層提供網(wǎng)絡(luò)來完成自己的需求。應(yīng)用層即應(yīng)用程序間溝通的層，如簡單電子郵件傳輸協(xié)議(SMTP)、文件傳輸協(xié)議(FTP)、網(wǎng)絡(luò)遠程訪問協(xié)議(Telnet)等。傳輸層提供節(jié)點間的數(shù)據(jù)傳送服務(wù)，如傳輸控制協(xié)議(TCP)、用戶數(shù)據(jù)包協(xié)議(UDP)等，TCP和UDP給數(shù)據(jù)包加入傳輸數(shù)據(jù)并把它傳輸?shù)较乱粚又校@一層負責傳送數(shù)據(jù)，并且確定數(shù)據(jù)已送達并被接收。 網(wǎng)絡(luò)層負責提供基本的數(shù)據(jù)包傳送功能，讓每塊數(shù)據(jù)包都能夠到達目的主機(但不檢查是否被正確接收)，如網(wǎng)際協(xié)議(IP)。接口層對實際的網(wǎng)絡(luò)媒體的管理，定義如何使用實際網(wǎng)絡(luò)(如Ethernet、Serial Line等)來傳送數(shù)據(jù)[8]。其中網(wǎng)際協(xié)議IP是TCP/IP的心臟，也是網(wǎng)絡(luò)層中最重要的協(xié)議。如果IP數(shù)據(jù)包中已經(jīng)存在封好的TCP數(shù)據(jù)包，那么IP將把它們向“上”傳送到TCP層。UDP與TCP位于同一層，它不解決數(shù)據(jù)包的順序錯誤或重發(fā)問題。因此，UDP主要用于那些查詢/應(yīng)答的服務(wù)。 ICMP與IP位于同一層，它被用來傳送IP的控制信息。ICMP的Redirect信息通知主機通向其他系統(tǒng)的更準確的路徑，而Unreachable信息則指出路徑有無問題[9]。

4 教學實踐應(yīng)用研究

本應(yīng)用案例中，40個學生為1班，由1位老師負責。每8名學生為1組。每個小組分得1臺安裝有APP的NFC手持機。老師備課時，將該裝置提前帶到室外場景。本次實踐選擇了本市某水庫電站里的6個場景。在水庫電站中安裝好6個AR-NFC型思政教育遠程團建裝置。便攜式裝置安裝非常容易，將裝置吸附在場景中離電源近的地方，插上插頭通電即可。

開啟安裝有后臺思政教育管理程序軟件的辦公室臺式電腦管理機，選取“水” “電” “站”這些字或者電站內(nèi)部與外圍不同角度的照片，上傳到臺式電腦，作為AR感應(yīng)碼的一部分，AR感應(yīng)碼被保存在云數(shù)據(jù)庫中。云服務(wù)器中安裝有思政教育云數(shù)據(jù)庫。該數(shù)據(jù)庫由發(fā)明人設(shè)計，可以通過臺式電腦的后臺思政教育管理程序進行修改或刪除。通過云數(shù)據(jù)庫中的思政教育數(shù)據(jù)庫，可設(shè)置不同場景所要完成的任務(wù)，這些任務(wù)將被遠程派發(fā)到現(xiàn)場電腦觸摸屏裝置。

學生可按照手持機APP中預(yù)設(shè)的團隊任務(wù)采取行動。到達一個場景時，先要到裝置上感應(yīng)NFC芯片，記錄到達的時間、GPS路徑等信息，再掃一掃AR感應(yīng)碼，認證通過后，進入APP登錄界面，如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)APP界面

在APP中根據(jù)提示完成任務(wù)。這些任務(wù)都是這堂課所要掌握的知識點，完成后提交，回答正確后才可以通關(guān)。通過手機GPS定位可記錄完成任務(wù)的路徑，通過觸摸屏完成相對應(yīng)的任務(wù)。觸摸屏鏈接的單片機中安裝有思政教育的任務(wù)程序，便于參加團建的各位學生完成思政教育任務(wù)，并可以將完成的任務(wù)提交到云服務(wù)器。這樣一來，各個團隊從該水利工程入口到達出口的時間將會不一樣。同時，云數(shù)據(jù)庫統(tǒng)計可團隊的任務(wù)完成錯誤次數(shù)、錯誤率等，形成綜合評分，最終得出團隊的名次。

因此，將AR 引入教學，能夠提升學生能夠的專注度、愉悅度，能夠解決任務(wù)導(dǎo)向中學生和教師存在的不足。二者之間的優(yōu)化組合能夠?qū)⒏呗毥逃M一步推進[10]。

5 實踐教學評估

該云系統(tǒng)開發(fā)后，為檢測教學成效，在高職院校中進行了實踐檢驗。教學由思政教師與專業(yè)教師聯(lián)合授課(也可由思政教師單獨授課)，內(nèi)容涉及“美麗中國”“生態(tài)環(huán)境”“中國夢”“社會主義核心價值觀”等。

從學生學習層面看。學生通過手持機，可以切身體驗水電站在改善水生態(tài)環(huán)境、水資源保障、緩解旱澇壓力等方面所發(fā)揮的作用，感受水電站的工作性質(zhì)及流程，從而培養(yǎng)其作為水利人的職業(yè)素養(yǎng)、職業(yè)自豪感，并在此基礎(chǔ)上進一步樹立對社會主義制度優(yōu)越性的認可?？偟膩碚f，這些有助于大學生政治認同感的培養(yǎng)。此外，各種虛擬現(xiàn)實的教育游戲如團隊闖關(guān)、模擬，既消除了“老師講得筋疲力盡，學生聽得昏昏欲睡”的傳統(tǒng)教學模式中的弊端，也讓學生在共同闖關(guān)中不斷思考、不斷創(chuàng)新，從而培養(yǎng)了學生團隊協(xié)作精神。從教師的講授層面看，理論與現(xiàn)實的緊密結(jié)合，使得思政教學內(nèi)容“言之有物”，提升了學生對黨的領(lǐng)導(dǎo)及國家大政方針的認同，教師授課成效提高。

不僅如此，這一系統(tǒng)的開發(fā)，還為“課程思政”教學、協(xié)同育人提供了一個極好的平臺，客觀上促進了“課程思政”的建設(shè)取得成效。更重要的是，通過該系統(tǒng)，學生不必到水電站現(xiàn)場，而是通過手持機即可實現(xiàn)體驗，這不但消除了學生集體外出帶來的安全隱患，而且克服了學生社會實踐所受時間、地點、經(jīng)費、師資等種種客觀條件的制約。

6 結(jié)語

在高校思政教學中運用該AR-NFC型高校思政教育團建型教學系統(tǒng)，實踐探索了“課內(nèi)與課外互通，線上與線下互聯(lián)，現(xiàn)實與虛擬互補”的特色教學模式，讓虛擬的VR技術(shù)與思政課結(jié)合，讓理工學科與人文學科融合，讓企業(yè)與高職院校深度合作，讓思政教育不再“虛擬”，于“無聲處”達到了思政課的思想性、政治性目的。

不過，目前該系統(tǒng)還沒有對接視頻、對講、現(xiàn)場溫度參數(shù)采集等功能，這些將成為下一步升級和研發(fā)的任務(wù)。隨著“以學生為中心，以技能為核心，以 AR 技術(shù)為依托”的教學理念[11]的提出及逐漸被認可，本系統(tǒng)的運用將有更廣闊前景。