焦雨蒙 劉猛 王運武

摘 要：隨著時代的進步和發(fā)展，增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實技術(shù)成為教育領(lǐng)域熱點議題。據(jù)此，本文首先根據(jù)AR/VR的教育應(yīng)用特性進一步挖掘了AR/VR在智慧校園建設(shè)上的價值，其次通過案例研究分析了基于AR/VR建設(shè)智慧校園的融合架構(gòu)，并探討了AR/VR在融合建設(shè)智慧校園上可能存在的主客觀問題，最后通過AR/VR結(jié)合其他技術(shù)，展望了AR/VR在智慧校園上的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：增強現(xiàn)實（AR）;虛擬現(xiàn)實（VR）;智慧校園

中圖分類號：G434 文獻標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-0069（2020）03-0072-05

引言

增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR），是讓虛擬的物象和真實世界融合到一起，進而投射或投影到其他裝置和介質(zhì)上的交互影像。[1]即AR是通過對現(xiàn)實的補充、疊加或強化，展示真實世界以及融合在真實世界之中的虛擬信息，從而讓觀者獲得超越現(xiàn)實感知的體驗。虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR），也稱靈境技術(shù)或人工環(huán)境，是在計算機系統(tǒng)創(chuàng)建和傳感器技術(shù)所模擬的基礎(chǔ)上生成的可交互的虛擬世界。[2]即VR是通過一定技術(shù)和設(shè)備實現(xiàn)一種虛擬的人機交互環(huán)境并模擬人的感官通道，能夠讓用戶進入特定的虛擬世界場景，從而獲得和真實世界相似甚至更強的視覺、聽覺、觸覺等情境體驗。 智慧校園是指一種以面向師生個性化服務(wù)為理念，能全面感知物理環(huán)境，識別學(xué)習(xí)者個體特征和學(xué)習(xí)情景，提供無縫互通的網(wǎng)絡(luò)通信，有效支持教學(xué)過程分析、評價和智能決策的開放教育教學(xué)環(huán)境和便利舒適的生活環(huán)境。[3]可以看出，黃榮懷等人對智慧校園的概念界定，更是一種對未來校園建設(shè)、發(fā)展和變革方向的具體描述，同時國桂環(huán)等人認為“智慧校園是一種融合了現(xiàn)實校園和虛擬校園的新形態(tài)，并以智能環(huán)境、智慧教學(xué)和智慧科研等為建設(shè)的關(guān)鍵因素”[4]。

結(jié)合技術(shù)在教育領(lǐng)域發(fā)展融合的趨勢，AR/VR技術(shù)應(yīng)用價值巨大，具有硬件定制化、內(nèi)容可視化、環(huán)境虛擬化、體驗真實化等特性，[5]因此對于“虛實融合”新形態(tài)下的智慧校園建設(shè)具有廣闊前景。筆者在此對相關(guān)建設(shè)應(yīng)用案例進行分析，探討基于AR/VR的智慧校園建設(shè)。

一、基于AR/VR建設(shè)智慧校園的應(yīng)用分析

根據(jù)調(diào)查，本研究發(fā)現(xiàn)AR/VR目前主要在智慧校園的校園導(dǎo)覽、課堂教學(xué)、科研、圖書館資源等環(huán)境有一定研究和內(nèi)容建設(shè)。

（一）基于AR/VR的智慧校園導(dǎo)覽

吳濤等人曾結(jié)合VR技術(shù)為揚州大學(xué)開發(fā)過一個校園漫游導(dǎo)航系統(tǒng)，[6]該系統(tǒng)可以用于學(xué)校教學(xué)、招生等工作，用戶通過該系統(tǒng)進入三維虛擬可視化界面進行遠程觀賞無人機航拍得到的揚州大學(xué)的校園風(fēng)景。其中，用戶點擊不同的地點，就可以瀏覽該地點的全景照片，聽語音導(dǎo)航、看視頻講解，與其他用戶通過彈幕進行互動。但該系統(tǒng)的開發(fā)應(yīng)用處于起步階段，全景地圖的瀏覽使用僅依靠三維球和全景照片來實現(xiàn)，這就造成圖片尚有細節(jié)缺失、定位不準(zhǔn)確等缺點。因此要想獲得更強的交互感還需要AR技術(shù)作為支持。秦勝偉等人設(shè)計了一個校園漫游互動AR系統(tǒng)，[7]該系統(tǒng)運用AR技術(shù)制作室內(nèi)三維模型實現(xiàn)動態(tài)交互，結(jié)合GPS技術(shù)，實現(xiàn)用戶室外GPS校園漫游以及室內(nèi)定位。用戶通過該系統(tǒng)可以避免紙質(zhì)導(dǎo)航產(chǎn)生的個人認知差錯，得到具象的校內(nèi)導(dǎo)航，從而實時獲取校內(nèi)環(huán)境、建筑分布信息，以達到暢游校園的效果。

（二）基于AR/VR的智慧校園課堂教學(xué)

阿巖松等人借助VR技術(shù)幫助學(xué)生理解初中物理中的重點知識凸透鏡的成像原理，他們通過對照組實驗的評價反饋發(fā)現(xiàn)加入VR教學(xué)的那一組學(xué)生對課程更加感興趣，且感覺教學(xué)內(nèi)容更加直觀形象。[8]王小紅等人將VR技術(shù)運用于地理教學(xué)中，通過模擬自然災(zāi)害、大陸漂移、天體運動，打破時空限制，使得教學(xué)更加形象生動，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動機，寓教于樂，緩解了學(xué)生學(xué)習(xí)壓力。[9]唐彩斌的“讓畫出的圖形轉(zhuǎn)起來”的動畫將AR技術(shù)很好地與數(shù)學(xué)知識融合起來，幫助學(xué)生認識二維和三維之間的關(guān)系，發(fā)展空間觀念和想象能力。[10]徐少春等人借助AR技術(shù)建構(gòu)可視化情境，幫助學(xué)生動態(tài)觀察世界，其強烈的視覺沖擊和互動性有效提高了學(xué)生對地理學(xué)習(xí)的興趣。[11]但是，這些單一的VR課堂應(yīng)用容易使學(xué)生產(chǎn)生一種虛擬感，而利用AR技術(shù)進行課堂教學(xué)則可以讓學(xué)生獲得抽象知識的具象體驗，增強學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。

（三）基于AR/VR的智慧校園圖書館

李景文等人提出虛擬智慧閱覽系統(tǒng)，這是數(shù)字圖書館的升級，學(xué)習(xí)的內(nèi)容不限于文字、圖片和視頻，每個人的閱讀習(xí)慣和思維方式都不同，虛擬學(xué)習(xí)空間可以借助VR設(shè)備和高速的移動網(wǎng)絡(luò)自由設(shè)置閱讀環(huán)境，隨時隨地閱讀。[12]廖宇峰認為目前AR技術(shù)運用于圖書館主要包括五個方面，分別是個性化閱讀指導(dǎo)服務(wù)、全新的資源利用模式、個性化借閱手續(xù)、資源的全面開發(fā)融合、智能排架功能。[13]胡國強等人開發(fā)了三維虛擬圖書館，方便用戶查找和閱覽書籍，有利于古籍、珍貴手稿等的保存，同時借助AR技術(shù)為用戶提供導(dǎo)航、及時推送、智能咨詢等服務(wù)。[14]

由此可見，這些基于AR/VR的智慧校園的子項目建設(shè)都各有特性，但細看來又較為零散，而且基于VR的智慧校園建設(shè)大多為桌面系統(tǒng)，基于AR的智慧校園建設(shè)也只是對現(xiàn)實的一種簡單疊加或補充，無法獲得更強的沉浸式體驗。因此，在建設(shè)智慧校園上，利用AR/VR進行融合建設(shè)智慧校園具有一定的必要性，所以本研究將探討基于AR/VR的智慧校園建設(shè)架構(gòu)。

二、基于AR/VR融合建設(shè)智慧校園建設(shè)架構(gòu)

利用VR技術(shù)進行三維建模，制作虛擬模型和搭建虛擬場景，利用AR技術(shù)進行場景融合、定位、跟蹤、疊加和顯示影像，結(jié)合多傳感信息融合技術(shù)和渲染輸出技術(shù)，創(chuàng)設(shè)沉浸情境、增強信息交互。因此，這種基于AR/VR建設(shè)的智慧校園，是現(xiàn)實中的校園與虛擬智慧校園的無縫連接、融合的一種新形態(tài)智慧資源。這種智慧資源涵蓋面廣、可視化強、趣味性大，能夠通過結(jié)合在線系統(tǒng)打破時空、地域限制，從而促進教育資源形象化、廣化、優(yōu)化、共享化;而且利用計算機創(chuàng)建的智慧資源可以及時更新，能夠在保持高仿真性的同時也具有較好的重復(fù)利用性，從而減少真實器材的損耗，降低資源成本。這種智慧資源的支持，能更有效地保證智能校園環(huán)境和虛擬校園系統(tǒng)的構(gòu)建。針對實體智慧校園，著重建設(shè)智慧圖書館、智慧教室和智慧實驗室，而虛擬智慧校園則主要從智慧體驗、智慧探究和智慧實踐方面構(gòu)建智能校園環(huán)境。智能校園環(huán)境的深度優(yōu)化和虛擬校園系統(tǒng)的不斷完善，又可以通過反饋形成一種整合的新形態(tài)智慧資源，從而繼續(xù)為智慧校園的虛實融合建設(shè)服務(wù)，如圖1。

（一）基于AR/VR的實體智慧校園建設(shè)

基于AR/VR融合的實體智慧校園建設(shè)，智慧圖書館可以通過可視化的立體仿真資源庫和沉浸式情境完成智慧閱讀，通過在虛擬咨詢空間與虛擬館員交流互動完成智慧檢索和圖書館導(dǎo)覽。智慧教室是一種智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，教學(xué)者借助這種環(huán)境提供的AR/VR教學(xué)設(shè)備，通過傳感和顯示設(shè)備構(gòu)建虛實形態(tài)混合的、教學(xué)方式多樣化的、融合游戲元素的沉浸式智慧課堂，根據(jù)技術(shù)條件、教學(xué)情境，教學(xué)者可以通過開展任務(wù)驅(qū)動型活動來實現(xiàn)因材施教的差異化教學(xué)，學(xué)習(xí)者也能夠通過參與其中進行探究性學(xué)習(xí)和知識建構(gòu)實現(xiàn)揚長避短的個性化學(xué)習(xí)。在這種智慧課堂中，教學(xué)者可以根據(jù)需要進行手動調(diào)節(jié)教學(xué)環(huán)境，如老師在講血液循環(huán)、綠色開花植物的有性生殖、心臟的跳動、宇宙天體的運行、物理力學(xué)實驗等時都可以調(diào)節(jié)到適宜的教學(xué)環(huán)境進行高沉浸感的體驗式教學(xué)等。智慧實驗室創(chuàng)設(shè)的是一種沉浸式的數(shù)字化虛擬實驗環(huán)境，學(xué)習(xí)者通過一定設(shè)備進入一個與真實實驗室一樣的空間場景進行交互操作和體驗，通過多種感知通道來感知虛擬實驗環(huán)境中的信息，能夠進行反復(fù)訓(xùn)練、實踐。

（二）基于AR/VR的虛擬智慧校園建設(shè)

本研究基于AR/VR建設(shè)虛擬智慧校園系統(tǒng)，通過虛擬藝術(shù)館、科技博物館等的場景漫游，為學(xué)習(xí)者提供智慧體驗。智慧探究和智慧生活則可以進行融合建設(shè)，主要是指創(chuàng)設(shè)虛擬社會情境并給學(xué)習(xí)者一個虛擬社會角色進行課題探究，從而開展集體驗、探究、角色于一體的綜合性實踐活動。如本研究通過開發(fā)虛擬藝術(shù)館漫游和沉浸式模擬購物系統(tǒng)，使學(xué)習(xí)者可以化身游覽者觀賞藝術(shù)展品，也可以化身購物者在超市購物。通過與場景中的虛擬3D模型進行動態(tài)交互，刺激學(xué)生感官，提供三維視覺體驗，結(jié)合聽覺、觸覺等感知以更具象化、趣味化的3D呈現(xiàn)，增強學(xué)生對于知識的理解和記憶。構(gòu)建這種沉浸式情境實踐旨在通過引導(dǎo)學(xué)生操作、體驗生活，鍛煉培養(yǎng)學(xué)生的生活實踐能力，如圖2。

三、基于AR/VR建設(shè)智慧校園的問題分析

（一）客觀問題分析

1.技術(shù)不成熟、反饋不及時

到目前為止，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的開發(fā)和推廣尚不成熟，其技術(shù)上有一些阻礙其推廣的缺陷。虛擬的世界總是和現(xiàn)實的不一樣，這種在運動中的視覺與感知的不一致會使使用者眩暈。與此同時，由于高端的虛擬現(xiàn)實技術(shù)需要的資金過高，在教育領(lǐng)域的推廣過程中，大多采用的是環(huán)幕投影，這樣更會減弱所營造的環(huán)境的層次感以及視覺上的單一，造成了更進一步的眩暈感。[15]此外，虛擬現(xiàn)實其交互性的特點離不開大量數(shù)據(jù)的支持，但在使用過程中數(shù)據(jù)精確度欠佳、數(shù)據(jù)庫成本通用性和設(shè)備等問題造成了虛擬現(xiàn)實技術(shù)在使用過程中出現(xiàn)了數(shù)據(jù)延緩和反饋不及時的窘境，這也阻礙了技術(shù)的推廣。[16]

2.資金耗費大、更新?lián)Q代難

隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，許多教育研究者做出了將虛擬現(xiàn)實技術(shù)與教育相結(jié)合的嘗試。但是，因虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展尚不成熟，研發(fā)虛擬教學(xué)資源會造成項目前期投入造價過高，繼而導(dǎo)致后期資金匱乏;而隨著科技迅速發(fā)展，資金匱乏則導(dǎo)致設(shè)備和器材落后無法進行及時更新?lián)Q代，虛擬教學(xué)資源陳舊而得不到及時豐富等一系列連鎖反應(yīng)。因此，虛擬教學(xué)資源的研發(fā)資金耗費大、更新?lián)Q代難。

（二）主觀問題分析

1.教師或?qū)W生為虛擬而虛擬

教育領(lǐng)域的實踐者們嘗試將虛擬現(xiàn)實技術(shù)運用到教學(xué)實踐中，試圖促進教學(xué)。但是，教師在使用虛擬現(xiàn)實進行教學(xué)時，容易陷入一個誤區(qū)，即過分夸大虛擬現(xiàn)實技術(shù)的作用，忽視虛擬現(xiàn)實技術(shù)的本質(zhì)和特征，即并不是所有的教學(xué)內(nèi)容都是必須運用虛擬現(xiàn)實技術(shù)來實現(xiàn)的。目前大多數(shù)的VR實訓(xùn)系統(tǒng)都是桌面虛擬系統(tǒng)，即學(xué)生通過鼠標(biāo)和鍵盤來完成虛擬實驗操作訓(xùn)練，導(dǎo)致學(xué)生不重視，使得實訓(xùn)的成果最終會浮于表面，面對真實場景時又會無所適從，并沒有形成真實實驗的效果。

2.教師不敢、不愿虛擬

新興技術(shù)自推出到大眾眼前到現(xiàn)在發(fā)展初具規(guī)模時間并不長，基礎(chǔ)教育中的教師也大多是善于運用黑板、投影儀、嵌入式電腦來進行教學(xué)的傳統(tǒng)教師。這些教師感覺虛擬現(xiàn)實等新興技術(shù)很新奇很厲害，但是并不敢嘗試將這些技術(shù)應(yīng)用在自己的教學(xué)中，不愿意改變教學(xué)方式，從而使得虛擬智慧教學(xué)被束之高閣。

3.虛擬課堂紀律易混亂

在課堂上運用AR/VR技術(shù)使得虛擬現(xiàn)實本身比所教授的知識更加具有吸引力，這對于基礎(chǔ)教育中的中小學(xué)生們更是充滿誘惑。教師如果課堂管理能力不足，加入AR/VR技術(shù)可能會適得其反，教師很難像普通傳統(tǒng)教學(xué)那樣做到真正地監(jiān)控學(xué)生的課堂狀態(tài)、維持課堂紀律。這樣的課堂雖然注重了以學(xué)生為中心，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動性、積極性，培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新能力，但容易弱化教師主導(dǎo)的作用，造成課堂紀律混亂，導(dǎo)致教學(xué)偏離原本的教學(xué)目標(biāo)，無法完成教學(xué)任務(wù)。

四、結(jié)語

因此，利用AR/VR技術(shù)能夠融合建設(shè)具有沉浸性體驗智慧校園，而要想實現(xiàn)智慧校園的智慧化已經(jīng)不僅僅可以依靠AR/VR，還可以結(jié)合其他技術(shù)為智慧校園建設(shè)服務(wù)。如（1）結(jié)合3D打印技術(shù)，創(chuàng)建虛擬模型;（2）結(jié)合大數(shù)據(jù)與云計算技術(shù)，完成虛擬教學(xué)評測;（3）結(jié)合人工智能與物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，提供虛擬教學(xué)的智能引導(dǎo);（4）利用MEC邊緣云承載渲染，實現(xiàn)智慧校園的無縫連接和信息交互等。

2019年5G技術(shù)在我國興起，廣東實驗中學(xué)借助5G技術(shù)提升的網(wǎng)絡(luò)方案和技術(shù)保障，首次展示了5G+互動教學(xué)系統(tǒng)和5G+AR/VR教學(xué)應(yīng)用，各方人士對通過5G+AR/VR整合教育資源生態(tài)圈，打破時空、地域限制和共享優(yōu)質(zhì)教育資源等較為關(guān)注。 [17]隨著技術(shù)的發(fā)展，相信基于AR/VR的智慧校園，能夠通過5G+虛擬現(xiàn)實教育等提供虛擬現(xiàn)實教學(xué)一體機、虛擬現(xiàn)實教學(xué)體驗角、虛擬現(xiàn)實教學(xué)VR眼鏡以及便攜式虛擬現(xiàn)實教育終端，打造輕量化終端，實現(xiàn)AR/VR資源平臺化、管理高效化、終端輕量化、連接無線化等優(yōu)質(zhì)體驗，有效解決智慧校園所需的低功耗、廣覆蓋、低成本、高容量的建設(shè)需求，實現(xiàn)智慧校園資源的快速獲取，推進AR/VR智慧校園建設(shè)。

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（責(zé)任編輯 王策）