增強現(xiàn)實技術(shù)在高職教學(xué)中的應(yīng)用研究

胡振華

（武漢軟件工程職業(yè)學(xué)院，湖北武漢 430000）

一、增強現(xiàn)實技術(shù)概述

增強現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱 AR），是指通過電腦技術(shù)，將虛擬的信息、圖像與真實場景進行貼合的技術(shù)。這種技術(shù)的目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實世界并進行互動。增強現(xiàn)實系統(tǒng)可以將計算機生成的信息 (包括文字、圖像、三維物體等 )以視覺融合的方式疊加至真實場景中。在用戶眼前呈現(xiàn)出“增強”了的世界。在理想情況下，用戶無法辨別哪個是虛擬物體，哪個是真實物體，看到的將是完整的融合顯示場景。因此。增強現(xiàn)實從字面上來說就是對現(xiàn)實的增強，而不是對真實環(huán)境的取代[1]。這種技術(shù)1990年被提出，具有虛實結(jié)合、實時交互、三維注冊的新特點。自20世紀70年代早期，美國雅達利公司的《PONG》（一款模擬兩個人打乒乓球的游戲）進入了電子游戲廳以來，視頻游戲走進人們的生活已達30多年了，但是一直局限在屏幕中的2D世界中，而增強現(xiàn)實這一新技術(shù)到來后，通過增強我們的見、聲、聞、觸和聽，進一步模糊真實世界與計算機所生成的虛擬世界之間的界線。

增強現(xiàn)實技術(shù)包含了多媒體、三維建模、實時視頻顯示及控制、多傳感器融合、實時跟蹤及注冊、場景融合等新技術(shù)與新手段。通過AR技術(shù)與視頻圖像算法、視頻壓縮及傳輸、云計算、大數(shù)據(jù)等科學(xué)技術(shù)的深度融合，視頻監(jiān)控系統(tǒng)作為關(guān)鍵性內(nèi)容的輸入端和圖像、數(shù)據(jù)的處理端，立足VR/AR用戶體驗，可以有效針對虛擬現(xiàn)實場景，強化其內(nèi)容拼接、色差消除、景深調(diào)整、數(shù)據(jù)處理、結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)提取和分析等技術(shù)處理效果，為用戶提供浸入式的視頻感知體驗，因此得到了廣泛的應(yīng)用。

二、增強現(xiàn)實技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用需求

隨著信息技術(shù)的不斷進步，多媒體技術(shù)被廣泛應(yīng)用于教學(xué)，目前已在各個學(xué)科的學(xué)習(xí)中普遍應(yīng)用。目前使用的這種多媒體技術(shù)在應(yīng)用之初，以其新穎性吸引了學(xué)生的注意力，并且能夠快速高效地傳遞知識，但也存在難以表達知識的完整性，僅能使學(xué)習(xí)在視覺、聽覺上進行，缺乏選擇性、互動性和情境沉浸性等缺點。另外，書本上的很多內(nèi)容都需要學(xué)生自己展開立體化的想象，但由于書本這種載體的局限性，這些內(nèi)容在書本上只能以平面方式呈現(xiàn)出來。增強現(xiàn)實技術(shù)的引進可以說是補足了教科書在這方面的缺陷，讓書本中的內(nèi)容得以用立體的形式呈現(xiàn)。

這種技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)環(huán)境之下，將會給每個學(xué)生營造一個更為獨立的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)生可以在虛擬和真實的兩種環(huán)境中方便地進行互動，實現(xiàn)教學(xué)過程中不同環(huán)境的無縫切換，也可以根據(jù)自己的需求和薄弱環(huán)節(jié)展開學(xué)習(xí)。這種相對獨立的學(xué)習(xí)環(huán)境與以往的多媒體教學(xué)有類似之處，但卻更易于移動和攜帶，它利用移動終端，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，更能與傳統(tǒng)意義上的教學(xué)環(huán)境相融合，為教育教學(xué)活動帶來新的契機。所以，Kikuo Hideaki指出，增強現(xiàn)實技術(shù)一種新型的學(xué)習(xí)工具，而且具有很大的發(fā)展空間[2]。

隨著5G技術(shù)的發(fā)展，AR眼鏡將成為與普通眼鏡無異的智能設(shè)備。5G的速率實現(xiàn)跨級提升，AR終端將不再需要強大的本地計算性能，云端即可完成大部分的計算?！坝嬎闵显啤辈粌H讓AR眼鏡的算力有了更大的想象空間，同時也節(jié)省了本地存儲和計算的硬件要求，極大地減少了設(shè)備的體積和重量，產(chǎn)品形態(tài)得到改善，AR眼鏡成為可以長時間佩戴的隨身產(chǎn)品，為教學(xué)提供了便利的條件。

三、增強現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

如何將增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)之中呢？目前主要有兩種途徑：

(一)自己開發(fā)增強現(xiàn)實電子教材與App，讓教材“動”起來

基于AR技術(shù)的電子書，也被稱為互動3D圖書，是指在傳統(tǒng)紙質(zhì)圖書的基礎(chǔ)上，通過增強現(xiàn)實的圖像識別，融入“真實的場景”，從而能夠顯示虛擬三維景象的電子圖書。增強現(xiàn)實電子書保留了傳統(tǒng)書籍的形式，通過在書中插入虛擬對象，豐富了內(nèi)容的表現(xiàn)形式，讀者可以與書中的“真實場景”進行交互，使閱讀變得更加有趣[3]。

教師在教學(xué)過程中，通過不斷積累、開發(fā)立體資源,然后利用AR（增強現(xiàn)實）技術(shù)，將虛擬的信息、圖像與真實場景進行貼合，使學(xué)生下載專用App，用手機“掃一掃”就能馬上看到自己想要學(xué)習(xí)的知識，如圖1和圖2。這種新技術(shù)實時地呈現(xiàn)出多樣性的學(xué)習(xí)內(nèi)容，使原本枯燥的紙質(zhì)教材能夠隨著手機“掃一掃”“動”起來，不但帶給學(xué)生極大的樂趣，而且通過AR中虛實結(jié)合的交互，進一步激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動機，使手機從課堂管理的“老大難”變?yōu)榱藢W(xué)習(xí)的利器。

圖1 立體教材App樣例

圖2 立體教材App內(nèi)部

但是，AR教材的開發(fā)過程繁重、耗時長、經(jīng)費高，需要一整個團隊的力量才能開發(fā)完成。有沒有一種方法是教師一個人就可以完成，并且還能將AR技術(shù)應(yīng)用于任意學(xué)科呢?

（二）利用在線增強現(xiàn)實App，讓老師和學(xué)生“動”起來

手機上有現(xiàn)成的免費增強現(xiàn)實App，如Aurasma（如圖3），它是一個在線AR應(yīng)用，此軟件可以通過手機攝像頭識別圖片（如圖4），然后與服務(wù)器端數(shù)據(jù)庫做出精確比對，提供與圖像相符合的影片播放給大家。它可以使任何東西都變成增強現(xiàn)實多媒體。學(xué)生可以用它掃描圖像，然后跳轉(zhuǎn)到帶鏈接的視頻、圖片或網(wǎng)站。

圖3 Aurasma App

圖4 用Aurasma掃描圖片

具體的操作步驟如圖5所示：

圖5 Aurasma操作流程圖

教師在課前給每一個知識點創(chuàng)建簡短的視頻，時長在1至2分鐘。為了讓視頻更具完整性及吸引力，還可以使用視頻編輯軟件給視頻制作片頭、增加字幕及背景音樂。視頻制作完成后，將視頻上傳至Aurasma ，并用一張圖片來創(chuàng)建一個“觸發(fā)器”。觸發(fā)器的工作原理就像二維碼：當(dāng)學(xué)生用手機或平板電腦掃描圖片時，就會在自己的手機上展現(xiàn)出教師創(chuàng)建的視頻。與普通的二維碼不同，教師可以創(chuàng)建任何喜歡的觸發(fā)器形式。例如，講解發(fā)光二極管時，可以利用教材上的發(fā)光二極管圖片作為“觸發(fā)器”，也可以將發(fā)光二極管的照片放在學(xué)案上作為“觸發(fā)器”。

觸發(fā)器可以讓學(xué)生在手機上看到相應(yīng)的視頻。視頻中有足夠的信息來引導(dǎo)學(xué)生往正確的方向走，從而完成本次課的教學(xué)任務(wù)。學(xué)生在完成任務(wù)后，也可用同樣的方法將自己的學(xué)習(xí)成果制作成視頻上傳至Aurasma，而教師則通過掃描學(xué)生的觸發(fā)器圖片就能即時看到學(xué)生的學(xué)習(xí)成果，從而輕松實現(xiàn)生生互評和師生互評，極大地提高課后評價效率和效果。

掃描圖像就能立即出現(xiàn)視頻，這讓學(xué)習(xí)更具互動性，老師和學(xué)生都愿意“動”起來，都能體會到教學(xué)過程中的樂趣。最重要的是，這樣的AR操作簡單、靈活，教師自己一個人就可以完成，并且可以隨時插入任意學(xué)科的教材或是案例里，適用范圍非常廣泛。

四、增強現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的技術(shù)優(yōu)勢

(一)激發(fā)興趣，深度互動

增強現(xiàn)實技術(shù)作為一種高效的互動工具，可以讓教師呈現(xiàn)豐富的媒體信息來刺激學(xué)生的感官，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動機；學(xué)生則可以自由地徜徉在知識的海洋中，通過學(xué)習(xí)過程中的情境學(xué)習(xí)和深度互動在“做中學(xué)”，完成知識、經(jīng)驗的獲取與建構(gòu)。老師與學(xué)生間、學(xué)生與學(xué)生間通過及時反饋、合作交流等環(huán)節(jié)形成良好的互動。

（二）多向傳遞，多元交互

在增強現(xiàn)實教學(xué)系統(tǒng)環(huán)境下，知識的傳遞是多向的、交互是多元的，學(xué)生在非線性的學(xué)習(xí)過程中，掌握學(xué)習(xí)的主動權(quán)，自行決定學(xué)習(xí)路線、學(xué)習(xí)節(jié)奏，真正做到自己是學(xué)習(xí)的主人。和碎片式的學(xué)習(xí)內(nèi)容交互的過程充滿了不確定性，這是一種發(fā)散性思維的學(xué)習(xí)環(huán)境。在這種環(huán)境下，學(xué)生根據(jù)自身情況自定步調(diào)，完成個體知識的意義建構(gòu)。當(dāng)遇到疑惑或不確定性時，可以方便地與同學(xué)交流或得到教師的幫助。

（三）分層教學(xué)，全面發(fā)展

教師通過增強現(xiàn)實技術(shù)可以輕松地實現(xiàn)分層教學(xué)，布置多重由簡到難的學(xué)習(xí)任務(wù)，通過“掃一掃”引導(dǎo)學(xué)生的學(xué)習(xí)逐步走向深化。對于學(xué)有余力的學(xué)生，要求他們完成學(xué)習(xí)任務(wù)制作的視頻精良、完整。學(xué)生能夠利用各種手機App軟件美化、剪輯、編輯視頻，并熟練地發(fā)布到在線AR應(yīng)用上，如Aurasma。使學(xué)生各方面技能得到全面發(fā)展。

（四）積累資源，遠程支持

通過一段時間的實踐和累積，教師就能夠建立一個視頻庫，無論是自己開發(fā)AR教材還是發(fā)布到Aurasma上，都將是一筆寶貴的數(shù)字資源，而且在今后的教學(xué)中還可以一次次重復(fù)使用。

AR技術(shù)還可以讓不同地區(qū)的老師、學(xué)生聚集在一個虛擬課堂中上課，并且達到真實、實時的互動。

（五）對特殊專業(yè)具有較高的實用價值

AR技術(shù)對于在實踐操作具有危險性的專業(yè)而言，具有很強的實用價值。如教師難以教授、學(xué)生又難以理解的問題，因為教師難以將抽象的理論知識呈現(xiàn)給學(xué)生，只能用語言為學(xué)生講解，學(xué)生在單調(diào)乏味的環(huán)境難以吸收同化枯燥的理論，加之具有很大的危險性，學(xué)生無法到真實場景中去實踐感知，增AR技術(shù)的出現(xiàn)將極大地彌補這樣的不足,AR技術(shù)可以為師生提供逼真形象的學(xué)習(xí)情境，即使不去到真正的現(xiàn)場，也能夠讓學(xué)生在幾近真實的情境中有效學(xué)習(xí)。

五、結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，在現(xiàn)今這個信息化時代，增強現(xiàn)實技術(shù)更是發(fā)展得如火如荼，但是所有的變革都需要時間的沉積，增強現(xiàn)實技術(shù)也是一樣。未來，基于增強現(xiàn)實技術(shù)自身的特點，其在教育教學(xué)中的應(yīng)用，將較多地體現(xiàn)在教育游戲和自主學(xué)習(xí)中，增強現(xiàn)實技術(shù)將能夠為教育游戲提供3D虛擬世界和3D虛擬環(huán)境，可以讓學(xué)習(xí)者在增強現(xiàn)實的學(xué)習(xí)空間中進行更高效的學(xué)習(xí)?？v觀增強現(xiàn)實技術(shù)在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，站在教育的視角下冷靜思考增強現(xiàn)實技術(shù)與教育教學(xué)的結(jié)合，筆者發(fā)現(xiàn)今后要解決的是積極開發(fā)增強現(xiàn)實教育軟件或課程資源，提高教學(xué)效率,革新教學(xué)方式,把增強現(xiàn)實技術(shù)轉(zhuǎn)化為可以真正讓各科老師和學(xué)生上手的教育教學(xué)工具。給學(xué)習(xí)者提供輕松的學(xué)習(xí)環(huán)境和自由的學(xué)習(xí)時間，培養(yǎng)學(xué)生們正確的學(xué)習(xí)觀、掌握知識與技能并能遷移于生活實踐的能力。