周龍鋒+匡芳君

摘要：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是一項(xiàng)能讓虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用技術(shù)，它注重將虛擬物體與真實(shí)環(huán)境相結(jié)合的新興技術(shù)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)對(duì)高校的教學(xué)產(chǎn)生了深遠(yuǎn)影響，如何通過技術(shù)應(yīng)用對(duì)教師的教學(xué)方式進(jìn)行創(chuàng)新，對(duì)新型教學(xué)模式進(jìn)行探索以及建設(shè)智能化高校成為許多資深教育者研究的新方向。該文簡(jiǎn)述增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)概念，分析其關(guān)鍵技術(shù)原理，重點(diǎn)探索其在高校教學(xué)中的應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；新興技術(shù)；高校教學(xué)

中圖分類號(hào)：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）32-0228-02

1 概述

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，智能移動(dòng)設(shè)備和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也在迅速普及，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育、社交、娛樂等方面的需求日漸增長(zhǎng)，并慢慢滲透到人們的日常生活中，這為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高校教學(xué)應(yīng)用中的普及提供了新的途徑。高校教育利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，結(jié)合自身優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行創(chuàng)新融合，高校教學(xué)內(nèi)容變得多樣化。高校教學(xué)的最終目的是為國(guó)家和社會(huì)培養(yǎng)出創(chuàng)新型和高素質(zhì)人才，在這個(gè)背景下，以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為基礎(chǔ)設(shè)施和創(chuàng)新要素，激發(fā)了教師與學(xué)生傳授知識(shí)和接收知識(shí)的熱情，為創(chuàng)新高校教學(xué)應(yīng)用更進(jìn)一竿。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?yàn)楦咝＝虒W(xué)應(yīng)用帶來教育技術(shù)和高校教育體系的創(chuàng)新，以及改變傳統(tǒng)的教學(xué)模式，對(duì)高校教學(xué)應(yīng)用產(chǎn)生深遠(yuǎn)影響。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality，AR）把現(xiàn)實(shí)世界的一定時(shí)間空間范圍內(nèi)難以體驗(yàn)到的實(shí)體信息，通過計(jì)算機(jī)系統(tǒng)特殊處理后將生成的虛擬三維模型動(dòng)畫、視頻、圖片、文字等數(shù)字信息實(shí)時(shí)疊加顯示到真實(shí)場(chǎng)景中，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行填補(bǔ)，在虛實(shí)結(jié)合的交互中不斷加強(qiáng)用戶對(duì)真實(shí)世界圖像或空間的視覺、聽覺、觸覺等感官方面的體驗(yàn)，從而使人們感受到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)。

2.2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)關(guān)鍵技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)大部分是通過計(jì)算機(jī)模擬仿真實(shí)體信息后疊加多個(gè)虛擬圖像，然后將其放入現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景或圖像中。其關(guān)鍵技術(shù)主要有顯示技術(shù)、跟蹤和定位技術(shù)、界面和可視化技術(shù)和標(biāo)定技術(shù)四大類。

顯示技術(shù)：顯示虛擬圖像與現(xiàn)實(shí)環(huán)境疊加出來的影像，其主要是為了讓用戶在使用時(shí)能有良好的立體感體驗(yàn)。目前，用于AR的顯示器有頭盔式顯示器 （Head-Mounted Displays） ，投影式顯示器 （ Projection Displays） 和手持式顯示器 （Hand-Held Displays）。此技術(shù)需要用戶運(yùn)用相應(yīng)的頭盔顯示器，把現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中的圖像與計(jì)算機(jī)圖形疊加整合到一塊，就能夠看到真實(shí)的場(chǎng)景環(huán)繞于四周。

跟蹤和定位技術(shù)：考慮到人在現(xiàn)實(shí)世界中保持不動(dòng)的可能性很小，那就需要增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)時(shí)精準(zhǔn)地追蹤用戶行動(dòng)的方位，同時(shí)獲取到用戶的視場(chǎng)方向。此技術(shù)主要通過對(duì)用戶視點(diǎn)和視場(chǎng)的追蹤來確定交互操作所涉及動(dòng)作的追蹤定位，以及當(dāng)前視域中目標(biāo)物以及用戶視點(diǎn)的位置和朝向。

界面和可視化技術(shù)：如果要讓用戶同現(xiàn)實(shí)世界里的虛擬圖像十分自然地進(jìn)行交互是有一定難度的，所以用戶如何同增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行交互時(shí)更加自然并且如何有效地在頭盔、投影儀和移動(dòng)設(shè)備等工具上傳輸相應(yīng)的數(shù)字信息是一項(xiàng)關(guān)鍵的技術(shù)。此技術(shù)主要通過計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和圖像處理技術(shù)，對(duì)用戶視覺感知的場(chǎng)景中具有的形體信息進(jìn)行操作，與計(jì)算機(jī)直接進(jìn)行交流，把測(cè)量的數(shù)值、圖像等數(shù)字信息轉(zhuǎn)化為直觀的、隨時(shí)間空間變化的物理現(xiàn)象。

標(biāo)定技術(shù)：為了獲取用戶視場(chǎng)和移動(dòng)軌跡，要求增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)一定要進(jìn)行足夠的標(biāo)定。目前，主要通過攝像機(jī)完成標(biāo)定，也有一部分標(biāo)定需要手動(dòng)完成。該技術(shù)主要通過建立標(biāo)定物上坐標(biāo)已知的點(diǎn)及其圖像點(diǎn)之間的對(duì)應(yīng)，運(yùn)用設(shè)定好的算法獲得相機(jī)模型的內(nèi)外參數(shù)，達(dá)到標(biāo)定用戶視場(chǎng)及其移動(dòng)軌跡的目的。

3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高校教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)能為師生提供身臨其境的學(xué)習(xí)情境。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)最大的特點(diǎn)就是虛實(shí)結(jié)合，通過計(jì)算機(jī)將處理過的數(shù)字信息與其他數(shù)據(jù)信息整合到用戶可見的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，憑借虛擬物體來增強(qiáng)用戶的真實(shí)感受，使教師和學(xué)生在高校課堂教學(xué)中有形象逼真的學(xué)習(xí)情境，學(xué)生能夠更好的主觀接受知識(shí)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)有利于提升學(xué)習(xí)者對(duì)于知識(shí)的感知，并且改變了教師和學(xué)生傳統(tǒng)上課及學(xué)習(xí)的方式。由于人們總是會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)中的事物更加興致盎然一些，而學(xué)生則在課堂和學(xué)習(xí)上更愿意接納這樣的事物。從增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的概念中不難看出，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)就是要通過虛擬物體來增強(qiáng)用戶的真實(shí)感受，使用戶有身臨其境的感覺[1]。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的運(yùn)用就是為了借助虛擬事物，使其呈現(xiàn)出生動(dòng)活躍的狀態(tài)，讓教師和學(xué)生懷著強(qiáng)烈的好奇心和熱情參與到有趣的課堂和學(xué)習(xí)中。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可增加師生間的互動(dòng)。AR技術(shù)的3D定位技術(shù)對(duì)于智能手機(jī)、攝像機(jī)等讀取設(shè)備沒有嚴(yán)格的距離和角度要求，這讓學(xué)生在課堂上可以及時(shí)獲取信息，并且教師還能通過3D定位設(shè)備，獲取被追蹤學(xué)生的先驗(yàn)信息，利用視覺信息處理技術(shù)獲取的模型信息，與輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配，確定學(xué)生所在空間的狀態(tài)，可以即時(shí)追蹤學(xué)生的上課時(shí)的學(xué)習(xí)情況。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)有助于培養(yǎng)學(xué)生的三維空間想象力。AR技術(shù)和真實(shí)環(huán)境相結(jié)合所讀出的3D模型可以由目標(biāo)圖片或物體來控制移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，這使得教師可以通過更多的方式來與學(xué)生進(jìn)行交流互動(dòng)，這在原本二維的課本中是做不到的。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用則將那些抽象的存在轉(zhuǎn)設(shè)成具體的場(chǎng)景，虛擬的事物與真實(shí)的事物實(shí)時(shí)同步，并且以實(shí)時(shí)交互的方式呈現(xiàn)給學(xué)生，學(xué)生可以很真實(shí)地和教師簡(jiǎn)潔形象地互動(dòng)，真切感受虛擬空間中的虛擬事物，有利于培養(yǎng)學(xué)生的三維空間想象力，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)知識(shí)的理解深度。

4 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)克服了在普及高校學(xué)科教學(xué)應(yīng)用方面的約束，其交互性、實(shí)時(shí)性、真實(shí)性和情境性等特點(diǎn)，給予了高校教師新的教學(xué)應(yīng)用資源。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的教學(xué)工具更加便攜，使用更加簡(jiǎn)單，其不單單能夠作為趣味生動(dòng)的教學(xué)用具對(duì)高校學(xué)生的自主構(gòu)建知識(shí)體系以及認(rèn)知學(xué)習(xí)有很好的指導(dǎo)性作用，并且作為新的教學(xué)資源可以幫助教師對(duì)舊的教學(xué)方式進(jìn)行創(chuàng)新，將書本或是多媒體網(wǎng)絡(luò)資源的知識(shí)具體化呈現(xiàn)在學(xué)生眼前。在高校課程理論教學(xué)中，這種立體化的教學(xué)用具不僅能夠激發(fā)學(xué)生上課和學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)生在課上與課后線下自主學(xué)習(xí)的效率，還能使高校教師教學(xué)方式更加豐富多彩，對(duì)減輕學(xué)生學(xué)習(xí)壓力，優(yōu)化課堂教學(xué)具有促進(jìn)作用。如學(xué)生使用頭戴式顯示器，直觀接觸文人科學(xué)家的筆墨，數(shù)字顯示屏帶來清晰的圖像和文字，使得學(xué)生更加深刻理解知識(shí)及其內(nèi)涵。在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，具象化的教學(xué)用具能夠讓二維平面的知識(shí)點(diǎn)轉(zhuǎn)化為三維虛擬場(chǎng)景，學(xué)生可利用移動(dòng)設(shè)備反復(fù)演練課標(biāo)上的重要實(shí)驗(yàn)，教師也可在課上或遠(yuǎn)程指導(dǎo)學(xué)生，彌補(bǔ)現(xiàn)實(shí)設(shè)備的一些不足。不難預(yù)測(cè)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在高校的教育教學(xué)領(lǐng)域的潛力是巨大的，其機(jī)動(dòng)的適應(yīng)性和靈巧性為網(wǎng)絡(luò)教育和移動(dòng)學(xué)習(xí)在高校的教學(xué)應(yīng)用方向上提供了新的方法。目前，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在高校教學(xué)中的應(yīng)用主要有以下幾種方式。endprint

4.1 數(shù)字圖書館與3D互動(dòng)式立體書籍

數(shù)字圖書館利用射頻識(shí)別以及指紋識(shí)別實(shí)現(xiàn)了室內(nèi)追蹤，利用移動(dòng)數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)與電子指示儀實(shí)現(xiàn)室外方位信息標(biāo)定，接著通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行疊加場(chǎng)景，形成還原場(chǎng)景的效果。其借助二維碼識(shí)別系統(tǒng)，識(shí)別和定位虛擬場(chǎng)景的物體，學(xué)生則能夠借助移動(dòng)設(shè)備掃描二維碼來得到相對(duì)應(yīng)的位置信息。而若用戶需要查找數(shù)字圖書館的具體文獻(xiàn)資源，AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)體系也可以根據(jù)用戶的位置信息，及時(shí)將具體的路線推送至用戶的移動(dòng)終端，并將現(xiàn)實(shí)服務(wù)資源與虛擬館內(nèi)的物體鏈接起來，以幫助他們迅速獲取所需的資料[2]。

相對(duì)于傳統(tǒng)書籍，3D互動(dòng)立體書可使學(xué)生持久地集中注意力，進(jìn)行高效學(xué)習(xí)，讓學(xué)生有如身當(dāng)其境。3D互動(dòng)立體書利用文理工科等教學(xué)內(nèi)容，運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、三維影像制作以及光學(xué)動(dòng)作捕捉等新興技術(shù)，營(yíng)造出身臨其境的閱讀場(chǎng)景，讓學(xué)生能夠在輕松的氛圍中接受專業(yè)知識(shí)及課外知識(shí)。立體書籍最大的意義就在于，給學(xué)生營(yíng)造逼真的虛擬空間，極大地提升學(xué)生學(xué)習(xí)的趣味性。

4.2 公式與定理模型化

理科和商科是高校學(xué)科中相對(duì)困難的學(xué)科，其知識(shí)點(diǎn)之間有較強(qiáng)的邏輯性和關(guān)聯(lián)性，大多觸及模型、實(shí)驗(yàn)和公式等。教師在教學(xué)過程中一般選取口頭表述定理的推導(dǎo)和依賴多媒體課件來呈現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)，許多學(xué)生發(fā)現(xiàn)不了知識(shí)點(diǎn)之間的關(guān)聯(lián)，綜合應(yīng)用能力就難以增強(qiáng)。通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)相應(yīng)的教學(xué)資源和設(shè)備，將定理的變化和推導(dǎo)流程以三維導(dǎo)圖的方式展示，再通過實(shí)時(shí)交互來微調(diào)其中數(shù)值的變化，使學(xué)生感受到模型導(dǎo)圖和公式的實(shí)際運(yùn)用。如立體幾何教學(xué)中，根據(jù)三視圖唯一的原理利用AR技術(shù)將2D圖形與3D直觀圖形相結(jié)合，免去傳統(tǒng)教學(xué)中手工制作模型的麻煩，這一類的應(yīng)用展示了AR在幾何學(xué)科應(yīng)用中的巨大優(yōu)勢(shì)[3]。

4.3 創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境

通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬投影可以跨越時(shí)間與空間的限制，使人文歷史事物能夠在三維空間再現(xiàn)。文科的很多知識(shí)是零散的、不連續(xù)的、非邏輯性的，常常缺乏系統(tǒng)性歸納，對(duì)一些應(yīng)試課程而言，單獨(dú)去記憶這些知識(shí)比較費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且記憶效果不理想，學(xué)生學(xué)習(xí)的包袱加重。此時(shí)教師不妨在課堂上運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的設(shè)備和資源，幫助學(xué)生提高記憶效率，通過深入理解和歸納知識(shí)點(diǎn)，加快對(duì)知識(shí)點(diǎn)的記憶，便于回憶，讓學(xué)生在活潑生趣的課堂氛圍中體會(huì)藝術(shù)與人文科學(xué)教育的文化素養(yǎng)。比如教師對(duì)太陽系知識(shí)時(shí)，師生可以將多種技術(shù)結(jié)合，包括使用投影機(jī)、網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)和虛擬三維建模包觀察和旋轉(zhuǎn)一個(gè)虛擬的3D星球模型，以了解地球和太陽、白天和黑夜[4]。

4.4 實(shí)驗(yàn)操作流程化

實(shí)驗(yàn)教學(xué)可以提升學(xué)生分析問題和實(shí)驗(yàn)實(shí)踐的能力。在理工科教學(xué)中，教師對(duì)教材中的實(shí)驗(yàn)和實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)是不可或缺的，通過利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，學(xué)生可以利用三維虛擬實(shí)驗(yàn)儀器的交互功能反復(fù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，沒有空間和時(shí)間的限制，在課上和課后都能夠完成實(shí)驗(yàn)的操作。并且對(duì)于小部分現(xiàn)實(shí)條件不支持的實(shí)驗(yàn)，如化學(xué)學(xué)科中的同分異構(gòu)體，學(xué)生可以借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬的元素、分子和原子等模型進(jìn)行任意組合，觀察乙醇和甲醚在三維視角下的區(qū)別，促進(jìn)學(xué)生對(duì)同分異構(gòu)體及其運(yùn)用的理解。

4.5 移動(dòng)學(xué)習(xí)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)將虛擬世界的信息和現(xiàn)實(shí)世界物體融合于同一時(shí)空，二者相輔相成，學(xué)生可以全身心處在這樣一種實(shí)時(shí)同步無縫融合的場(chǎng)景下學(xué)習(xí)。通過移動(dòng)設(shè)備的顯示輸出，在教學(xué)中借助增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的場(chǎng)景增強(qiáng)方法，學(xué)生可以在課堂上利用數(shù)字化場(chǎng)景體驗(yàn)眼前的場(chǎng)景。利用智能手機(jī)和平板等移動(dòng)設(shè)備可以把課堂課外環(huán)境隨時(shí)隨地轉(zhuǎn)變成學(xué)習(xí)資源，有效促進(jìn)學(xué)生對(duì)隱性知識(shí)到顯性知識(shí)的快速轉(zhuǎn)化，學(xué)生不再拘泥于在課堂上接收知識(shí)，更能夠拓寬學(xué)生的視野，有利于學(xué)生自身發(fā)展。借助移動(dòng)設(shè)備上的攝像頭來識(shí)別二維碼、圖片等標(biāo)識(shí)物，同時(shí)輔以3D圖像以及多媒體技術(shù)信息映射到移動(dòng)設(shè)備的屏幕上面，能夠有效實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)物體的目的，在當(dāng)前主要運(yùn)用在理解概念和實(shí)踐操作方面，具體表現(xiàn)為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)課本、在博物館開展學(xué)習(xí)、外語學(xué)習(xí)等三個(gè)方面[5]。另外借助方位進(jìn)行增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教育，即借助移動(dòng)設(shè)備的無線局域網(wǎng)、攝像頭、電子羅盤和傳感器等技術(shù)，判斷學(xué)生所在環(huán)境，同時(shí)在設(shè)備屏幕上顯示一定的學(xué)習(xí)內(nèi)容，供學(xué)生運(yùn)用在當(dāng)前的課程學(xué)習(xí)上，以增強(qiáng)學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)的目的。

5 結(jié)束語

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在高校教學(xué)中的應(yīng)用體現(xiàn)了人們對(duì)接受教育的方式和質(zhì)量有了更高的需求。教育領(lǐng)域?qū)υ鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)的研究不該只是關(guān)注增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)自身，更為關(guān)鍵的是教育者和學(xué)生如何運(yùn)用設(shè)備和資源進(jìn)行高效的學(xué)習(xí)，研究其如何將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開發(fā)的教學(xué)應(yīng)用資源有意義地滲透到高校教學(xué)應(yīng)用中，倡導(dǎo)素質(zhì)教育和塑造創(chuàng)新型的人才才是我們?cè)诮虒W(xué)中亟待推進(jìn)和解決的問題，其教育理念對(duì)高校創(chuàng)客教育和STEAM教育體系的促進(jìn)具有重要作用。

參考文獻(xiàn)：

[1] 周俊平，侯守明.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其教學(xué)應(yīng)用的探索[J].信息與電腦，2016（3）：217、219.

[2] 付佳.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在數(shù)字圖書館服務(wù)創(chuàng)新中的應(yīng)用[J].圖書館學(xué)刊，2014（4）：120-123.

[3] 蔡蘇，王沛文，楊陽，劉恩睿.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)的教育應(yīng)用綜述[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2016（5）：27-40.

[4] 周森.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展機(jī)遇[J].電化教育研究，2017（3）：86-93.

[5] 周俊平，溫守坤.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在移動(dòng)學(xué)習(xí)中的應(yīng)用芻議[J].電腦知識(shí)與技術(shù)，2016（3）：185-186.endprint