手機AR 技術在遠程教育中的應用研究

欒婷婷

（沈陽開放大學，遼寧 沈陽 110003）

0 引言

近年來， 虛擬現實教學得到政府的高度重視，教育部在 《2019 年教育信息化和網絡安全工作要點》中提出要“推動大數據、虛擬現實、人工智能等新技術在教育教學中的深入應用”。 其中，虛擬現實技術為教育發(fā)展帶來全新機遇。 但由于虛擬現實提供場景為純虛擬的，模型及程序構建費時費力，且需借助虛擬設備呈現，難以普及。增強現實（AR）技術是由Tom Caudell首次于1990 年首次提出的， 是在虛擬現實的基礎之上產生的。 它能夠將計算機生成的虛擬信息疊加應用到真實世界，并將虛擬信息和真實信息進行融合后在顯示設備上完美呈現，從而實現對現實世界中真實信息的增強，實現更佳的視覺體驗。 近年來，隨著5G 通信技術的快速發(fā)展，AR 技術已逐步滲透到工業(yè)、游戲、軍事等領域，并且取得了一定的成效。 同時，增強現實技術的三維性、交互性和趣味性等技術特點與其在教育方面的應用需求十分契合[1]，能夠對當前面對的一些痼疾提供新穎和有效的解決方案， 因此AR 技術在教育方面的應用受到越來越多的關注。

目前國內外關于AR 技術的研究主要集中在高校和科研單位，北京理工大學光電技術與信息系統實驗室將圓明園未被破壞前的場景疊加到真實的圓明園廢墟上，重現其繁華場景。 上海大學與浙江大學合作開發(fā)AR 場景光源的實時檢測和真實感繪制框架。 諾丁漢大學開發(fā)的兩款產品Illumimory 和Invisibilia 具有 AR 閱讀提醒的功能[2]。 Shelton 和 Hedley 用 AR 進行九大行星的教學實驗。 Augmented Chemistry 利用AR 打造一套化學分子式輔助教學系統，等等。

1 手機AR 技術在遠程教育中的需求性分析

現代遠程教育是以電子信息技術為背景、以網絡通信為主要傳播途徑的網絡教育模式，具有師生時空分離而又交互共享教學資源的基本特征。 遠程教育經歷了函授、電信會議、計算機基礎三個階段，至今已成為教育模式中的重要組成部分，突破了傳統教學在時間和空間上的限制，向著綜合性、開發(fā)性和交互性的方向發(fā)展。 其在發(fā)展過程中經歷了板書形式、多媒體形式，隨著增強現實技術的逐漸普及，有望向“AR 模式”這種新的教學形式進發(fā)。對AR 技術在遠程教育中的應用進行研究，相對于傳統教學有顯著的進步與價值。 它將傳統沉悶和低效的課堂，變得更加活躍，從而創(chuàng)建智能教學方法。 遠程教育的受眾人群是多層次多類型的，他們面對的主要障礙是“工學矛盾”，時間有限且零散，尤其是在疫情背景下，更需借助方便的遠程教育方式解決學習者的學習問題。 智能手機作為便捷的移動設備， 能夠最大限度地滿足學習者隨時、隨地進行課程學習與實時交互。

在遠程教育教學過程中， 有一些課程內容抽象、結構復雜，以建筑設計課程為例，傳統的建筑設計課程依賴于建筑理論與效果圖、三維模型等，無法演示建筑從無到有的實際創(chuàng)建過程，學習者僅通過觀看平面圖片或二維視頻學習，難免有抽象晦澀之感；而遠程課堂一般不像面對面授課一樣， 可以隨時發(fā)問，隨時解答，這勢必給學習者盡快理解課堂知識難點造成障礙，對課堂效果和學習效率產生影響。而若將AR 技術融入課程資源中，以智能手機為載體，學習者可觀看3D 虛擬場景覆蓋在建筑圖像上， 模擬相應的建筑結構與建筑環(huán)境， 觀看建筑各個部分的實景建造，并可與建筑模型360°實時交互， 將復雜的知識點清晰化，具體化，給人一目了然之感；同時增加課堂的活躍度，顯著提升學習者的積極性與效率，也為學習者打造良好的基礎。

2 基于手機AR 技術的建筑設計課程的開發(fā)與實現

2.1 AR 技術交互知識點選取

為了深入闡述基于手機AR 技術的遠程教育的應用研究，本文特以建筑設計課程為例,將AR 技術融入課程資源中。 首先，利用當前教學模式就能夠起到良好教學效果的知識點是無須增加AR 技術融入的，為了使AR 技術充分發(fā)揮效果， 必須對遠程教育的建筑設計課程中的知識點進行篩選，找出學習者在學習過程中普遍感受到的空間感要求高、難度比較大、當前課程描述較為晦澀難懂的， 并通過AR 技術的融入能夠提高教學效果的知識點。 經過調查和分析，最終選取了“薩伏伊別墅的設計”這一知識點作為 AR 技術交互的對象。 薩伏伊別墅層與層之間過渡復雜，空間布局多，立面設計豐富，在這一知識點的講解過程中，學習者往往對其知識點的描述理解不夠到位，無法多角度、更直觀地體會別墅的設計特點，難以產生準確的空間想象感；而通過AR 技術的融入，可以將這一設計通過建筑生長的效果表現出來，通過模擬建筑的設計和建造過程，使學習者多角度、直觀地了解到建筑由外而內的各個環(huán)節(jié)，了解設計思路、施工步驟和建筑結構，使建筑的展示清晰明了。

2.2 AR 知識點的設計和研發(fā)

2.2.1 AR 知識點的設計

AR 知識點的設計利用三維建模軟件——草圖大師SketchUp 來完成。該軟件是目前市面上比較常用的繪圖軟件，它可以方便、快速地創(chuàng)建、觀察和修改三維創(chuàng)意，采用該軟件可以制作三維渲染動畫，在建筑設計、工業(yè)設計等方面應用非常廣泛。 在本設計中，采用SketchUp 軟件制作薩伏伊別墅模型， 從平面圖開始，由淺到深、由下至上構建薩伏伊別墅模型，從建筑最基礎框架到貼完材質的效果圖，每一個階段都生成對應的模型圖，構建模型庫，并進行渲染。

2.2.2 AR 知識點的研發(fā)

AR 知識點的研發(fā)主要依靠Vuforia 插件和Unity3D 軟件。 其中Vuforia 插件是AR 開發(fā)工具中的一種，可作為Unity3D 軟件的插件導入，操作簡單，使用方便。 Unity 3D 作為三維視頻及建筑可視化3D 開發(fā)平臺，是一個跨多平臺的綜合型開發(fā)工具，可以在Windows 和Mac OS 等多個平臺運行。Unity3D 可將程序發(fā)布到 Windows、Mac、HTML5、iPhone 及安卓平臺等，極大的滿足學生和不同類型客戶端的需求。

首先，利用Vuforia 官網創(chuàng)建數據庫，將薩伏伊別墅平面圖與三維立體圖一一對應，例如，掃描別墅平面結構圖時能夠自動生成別墅的三維結構模型、掃描別墅平面效果圖時自動生成別墅三維效果圖，并生成AR 程序。 其次， 將AR 程序以插件的形式導入Unity 3D 軟件中，并進行編程與調試，在程序腳本中添加對模型的360°旋轉、放大、縮小等功能，完成交互部分的程序設計。

2.2.3 基于手機的可執(zhí)行程序生成與調試

基于手機端可執(zhí)行程序的開發(fā)， 也主要利用Unity 3D 軟件。通過Unity 3D，可以生成手機可讀取并使用的文件，以安卓手機為例，生成*.apk 文件。將AR模型和其他教學素材資源存放于程序內， 將*.apk 文件導入手機中，在手機文件中找到該安裝文件，完成安裝。 通過反復調試，確保程序在手機端使用的穩(wěn)定性。 學習者在學習“薩伏伊別墅的設計”這一課程時，就可以通過掃描平面圖的形式， 使3D 虛擬場景覆蓋在建筑圖像上，讓學習者在360°模擬真實場景下進行學習，并可以用手指輕觸屏幕，對建筑模型進行放大、縮小等操作，提升交互體驗，豐富學習者的視覺感受，增強學習效果。

3 結語

手機AR 技術在遠程教育中的應用可以為學習者帶來良好和便捷的教學體驗, 伴隨著AR 及相關技術的不斷成熟， 手機AR 技術在教育教學方面的突出優(yōu)勢勢必會得到進一步的體現，同時在教育領域為更多學習者提供更加優(yōu)質的教學服務。