凌財(cái)進(jìn)++曾婷

DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2016.07.024

摘 要： 介紹了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)的基本原理及其在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。AR是將虛擬物體渲染到真實(shí)的場景中，是對現(xiàn)實(shí)環(huán)境更加逼真的補(bǔ)充。以混合式學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)依據(jù)，探討增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在混合課堂的教學(xué)應(yīng)用，以高中化學(xué)教學(xué)中一個(gè)實(shí)例的開發(fā)和操作演示過程作為案例，展現(xiàn)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在混合式教學(xué)課堂中的應(yīng)用優(yōu)勢，為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)進(jìn)入教學(xué)領(lǐng)域提供了借鑒。

關(guān)鍵詞： 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）； 混合式學(xué)習(xí)； 混合教學(xué)； AR應(yīng)用

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）07-81-04

The application of augmented reality in the blended teaching

Ling Caijin， Zeng Ting

（Heyuan Polytechnic， Heyuan， Guangdong 517000， China）

Abstract： This article introduces the basic principle of AR （augmented reality） technology and the application in various fields. AR renders the virtual objects into the real scenario， which is a complement to realistic environment. Guided by the blended learning theory， the application of augmented reality in the classroom of blended teaching is discussed. Taking the development and demonstration of the operation process of an instance in the high school chemistry teaching as an experimental example， the advantages of AR in teaching are demonstrated， which provides a reference for the application of AR in the field of teaching.

Key words： augmented reality； blended learning； blended teaching； application of AR

0 引言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（augmented reality，AR），也被稱為混合現(xiàn)實(shí)，是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（virtual reality，VR）基礎(chǔ)發(fā)展而來的一項(xiàng)技術(shù)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是把真實(shí)環(huán)境和虛擬現(xiàn)實(shí)的景象疊加起來，在同一個(gè)畫面或空間同時(shí)存在，并強(qiáng)調(diào)虛擬對象與真實(shí)世界物體的交互。虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)則注重運(yùn)用計(jì)算機(jī)創(chuàng)造一個(gè)人機(jī)交互的3D虛擬空間，為使用者提供關(guān)于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，用戶完全沉浸在一個(gè)虛擬的合成環(huán)境中，無法看到真實(shí)環(huán)境。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)能夠把計(jì)算機(jī)虛擬信息（物體、圖片、視頻、聲音等）融合在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，用戶觀察的真實(shí)場景與虛擬物體共存一個(gè)視覺感知空間，把現(xiàn)實(shí)世界豐富起來，對現(xiàn)實(shí)環(huán)境進(jìn)行了更逼真的補(bǔ)充，增強(qiáng)了用戶對真實(shí)環(huán)境的理解。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的使用可比喻成在用戶的現(xiàn)實(shí)世界里開了個(gè)窗口，或者將來視角足夠大的時(shí)候，把呈現(xiàn)在我們面前的現(xiàn)實(shí)世界做一個(gè)疊加的、真實(shí)的注解。VR與AR兩者由于技術(shù)原理不同，各自的應(yīng)用領(lǐng)域不盡相同，兩者都致力于塑造具有真實(shí)感的感官輸入、交互的環(huán)境。

1 混合教學(xué)模式

傳統(tǒng)教學(xué)模式以系統(tǒng)知識傳授為主的路線進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，課堂教學(xué)多采用粉筆+黑板等講授法、演示法、討論法等。傳統(tǒng)教學(xué)模式能發(fā)揮教師在課堂的主導(dǎo)作用，幫助學(xué)生高效掌握系統(tǒng)的知識技能，同時(shí)也有利于師生情感的交流，充分發(fā)揮情感因素在教學(xué)中的作用[1]。這種教學(xué)模式有它的局限性，如不利于實(shí)踐課程的教學(xué)，對抽象事物表達(dá)不夠具體，缺乏師生、學(xué)生之間的課堂互動，不利于激發(fā)學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣，課堂過分依賴教師的“教”的過程，忽視了學(xué)生“自主學(xué)習(xí)”過程。

傳統(tǒng)課堂的不足及“混合學(xué)習(xí)”（Blending learning）概念的興起，引起了教育研究界的注意，“混合學(xué)習(xí)”即兩種以上學(xué)習(xí)方式（或教學(xué)方式）的結(jié)合，在認(rèn)知主義、建構(gòu)主義等學(xué)習(xí)理論的指導(dǎo)下，一種新型的“混合式教學(xué)模式”把傳統(tǒng)課堂的優(yōu)勢和技術(shù)的優(yōu)勢結(jié)合起來，在課堂的組織形式上采用“教師主導(dǎo)地位、學(xué)生自主學(xué)習(xí)”的觀念，既能發(fā)揮教師在課堂的啟發(fā)、引導(dǎo)、監(jiān)控作用，又能有效地激發(fā)學(xué)生“自主學(xué)習(xí)”的興趣。

目前，在混合課堂中最常用的是“講授—演示”法，教師演示事先準(zhǔn)備相關(guān)的視頻、課件、教學(xué)軟件等，同時(shí)講授相關(guān)的知識點(diǎn)，學(xué)生還是被動地接受所有內(nèi)容，課堂缺乏實(shí)時(shí)交互，在抽象、邏輯性強(qiáng)的教學(xué)內(nèi)容的表達(dá)上，這種教學(xué)方法、手段不能直觀表達(dá)知識的全面性，學(xué)生不能從抽象的事物理解其實(shí)質(zhì)。本文嘗試在課堂教學(xué)設(shè)計(jì)中結(jié)合AR應(yīng)用的“沉浸性”、“交互性”解決目前教學(xué)中遇到的問題。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的原理及應(yīng)用分析

2.1 AR技術(shù)原理應(yīng)用分析

AR技術(shù)結(jié)合計(jì)算機(jī)圖形圖像、移動設(shè)備、可穿戴設(shè)備等把用戶帶入到“真實(shí)世界”中，通過聽覺、視覺、觸覺等虛擬信息來增強(qiáng)對現(xiàn)實(shí)世界的感知，實(shí)現(xiàn)了從“人去適應(yīng)機(jī)器”到“以人為本”的轉(zhuǎn)變。AR APP應(yīng)用的原理是：在計(jì)算機(jī)編程中被寫入在特殊的3D程序中，這種程序允許開發(fā)者連結(jié)動畫或者情景數(shù)字信息，其目的是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)標(biāo)記的一個(gè)真實(shí)世界。當(dāng)一個(gè)計(jì)算設(shè)備的AR應(yīng)用程序或?yàn)g覽器插件從已知標(biāo)志接收數(shù)字信息時(shí)，它開始執(zhí)行標(biāo)記的代碼和圖層正確的圖像。圖1通過使用移動設(shè)備端的APP端完成虛擬模型與現(xiàn)實(shí)場景中的疊加，合成虛擬模型標(biāo)志物，使用移動設(shè)備終端APP掃描標(biāo)志物，通過運(yùn)行增強(qiáng)應(yīng)用系統(tǒng)服務(wù)器端識別捕捉標(biāo)志物位置，學(xué)習(xí)者通過屏幕終端觀察虛擬合成物，具體步驟如圖1所示的AR技術(shù)原理應(yīng)用模型圖。

2.2 AR技術(shù)市場應(yīng)用前景

最早進(jìn)行AR技術(shù)的研發(fā)應(yīng)屬索尼公司，1994年就在二維碼的基礎(chǔ)上連續(xù)發(fā)布兩款關(guān)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的游戲.蘋果公司最近也獲得多項(xiàng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)專利，IBM Smarter Commerce也推出了一款零售店的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，用戶用移動設(shè)備的攝像頭對準(zhǔn)零售店里貨架上的商品，識別實(shí)時(shí)視頻物體并將信息疊加顯示在圖像上[2]，屏幕上會出現(xiàn)虛擬的商品信息。創(chuàng)業(yè)公司Daqri打著做增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)界Photoshop的旗號進(jìn)行了第一輪融資。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)軟硬件應(yīng)用范圍從工業(yè)領(lǐng)域逐漸延伸到了醫(yī)療、教育、游戲、娛樂等，圖2所示為AR目前在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用。目前開發(fā)者可選的AR開發(fā)工具還是很多的，比較主流的有Qualcomm推出的Vuforia SDK，它既支持iOS和Android平臺，又為Unity3D引擎的用戶提供Vuforia擴(kuò)展插件。Anatomy4D是一款免費(fèi)的、很好用的APP，主要幫助了解人的身體構(gòu)造，并提供一個(gè)互動4D人體解剖學(xué)的經(jīng)驗(yàn)，具有極強(qiáng)的視覺沖擊力和完全互動效果。Chemistry101是一款應(yīng)用于教育的APP，想象一下在化學(xué)課堂中，對準(zhǔn)寫有化學(xué)元素名或化學(xué)式卡片，用手機(jī)或平板就可以顯示出三維效果的分子結(jié)構(gòu)式。

3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在混合式教學(xué)課堂的應(yīng)用

教學(xué)的目的就是以最有效的方式向?qū)W習(xí)者傳授和遷移知識，新行為主義和認(rèn)知主義的學(xué)習(xí)理論都強(qiáng)調(diào)知識的傳授和遷移，這就是課堂中的“教”，建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)把教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)在真實(shí)的情境中，強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心，通過問題情境促進(jìn)知識獲得的協(xié)作交流和建構(gòu)，這就是課堂的“學(xué)”[3]。移動通信設(shè)備、可穿戴設(shè)備及AR應(yīng)用為混合教學(xué)課堂提供了數(shù)字化支持，AR技術(shù)改變了學(xué)生與“世界窗口”的交互，AR把真實(shí)環(huán)境和虛擬物體結(jié)合在一起，設(shè)想教師的課堂教學(xué)會不會因?yàn)锳R技術(shù)的應(yīng)用變得越來越生動呢？學(xué)生們是不是會更加積極響應(yīng)問題并且自主地去學(xué)習(xí)呢？

3.1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的教學(xué)需求

隨著多媒體教學(xué)及各種教學(xué)軟件平臺在教學(xué)課堂上的廣泛使用，各學(xué)科的數(shù)學(xué)化學(xué)習(xí)，已經(jīng)營造了一種數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境。目前各類信息技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)課堂中，其中有些多媒體類及軟件類教學(xué)資源只能快速地、簡單地復(fù)制教材某些知識點(diǎn)，對于部分復(fù)雜抽象的知識內(nèi)容缺乏完整的構(gòu)建過程，學(xué)生之間、教師與學(xué)生之間并沒有進(jìn)行充分的交互，最終造成學(xué)生對于知識目標(biāo)的構(gòu)建有可能只是片面的，或者對于抽象內(nèi)容只能記憶或者接收來自教學(xué)視頻或廣播的內(nèi)容，不能完成教學(xué)內(nèi)容的構(gòu)建。

為了嘗試解決這些問題，部分研究者已經(jīng)將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入課堂教學(xué)中，Kikuo Hideaki指出，AR可以為學(xué)習(xí)者提供一種新型的學(xué)習(xí)工具，AR的真實(shí)環(huán)境與虛擬物體的“二合一”，為學(xué)習(xí)者提供了真實(shí)的“沉浸式”環(huán)境，對于真正實(shí)施建構(gòu)主義的“混合式課堂”學(xué)習(xí)活動，建構(gòu)主義理論下特別強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)環(huán)境的設(shè)計(jì)[4]，AR技術(shù)工具應(yīng)用到課堂教學(xué)設(shè)計(jì)中，正是支持學(xué)習(xí)者進(jìn)行建構(gòu)性學(xué)習(xí)的各種數(shù)字學(xué)習(xí)資源的應(yīng)用。

3.2 基于移動設(shè)備APP的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)案例

高中化學(xué)有機(jī)物化合物分子的結(jié)構(gòu)式是教學(xué)的難點(diǎn)，用傳統(tǒng)講授法很難把有機(jī)化合物分子結(jié)構(gòu)式和物理性質(zhì)的關(guān)系直觀表現(xiàn)出來，對于抽象思維還需繼續(xù)完善的高中生來說，很難掌握、理解分子結(jié)構(gòu)式與物理性質(zhì)（溶解度、沸點(diǎn)、熔點(diǎn)等）之間的結(jié)構(gòu)關(guān)系。因此，教師可在課堂創(chuàng)建虛擬真實(shí)的“學(xué)習(xí)情境”去解決這些傳統(tǒng)教學(xué)課堂存在的問題。Augment 3D是一款移動設(shè)備App，最初是使用在超市選購商品的3D模型。經(jīng)過開發(fā)商不斷改進(jìn)和用戶長時(shí)間的應(yīng)用，Augment3D成為一款應(yīng)用于銷售、娛樂、游戲、醫(yī)學(xué)教育等完美的應(yīng)用軟件。此款軟件擁有一個(gè)強(qiáng)大3D模型庫，所有的用戶可以調(diào)用其模型圖。它提供了3D模型的接口，用戶可以任意為模型庫添加3D模型圖，模型庫已具有各種類型的3D模型圖（包括3D動畫模型）。有機(jī)物化合物分子的結(jié)構(gòu)式?jīng)Q定了其化學(xué)物的物理屬性，因此，學(xué)生能夠在最佳的技術(shù)工具和學(xué)習(xí)環(huán)境支持下，自主構(gòu)建化學(xué)物分子結(jié)構(gòu)圖，這對掌握其物理性質(zhì)、發(fā)生化學(xué)變化的原理具有重大的意義。在混合式教學(xué)課堂中，教學(xué)設(shè)計(jì)更加注重支持問題探究的虛擬情境工具。在移動設(shè)備（手機(jī)、平板等設(shè)備）安裝Augment3D APP，把C60的分子結(jié)構(gòu)式3D模型導(dǎo)入到軟件中，然后拍攝課本中C60的分子二維平面結(jié)構(gòu)圖，再把平面圖導(dǎo)入到數(shù)據(jù)庫中，建立3D模型和二維平面結(jié)構(gòu)圖的對應(yīng)關(guān)系，至此，一個(gè)形象逼真的C60分子結(jié)構(gòu)式的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境已經(jīng)構(gòu)造完成。

圖3所示為C60的分子結(jié)構(gòu)式虛實(shí)結(jié)合界面操作效果圖。用手機(jī)啟動Augment3D應(yīng)用，用攝像頭掃描已經(jīng)和3D模型建立關(guān)系的課本C60二維平面結(jié)構(gòu)圖，在C60平面結(jié)構(gòu)圖將會呈現(xiàn)出一個(gè)“真實(shí)”的3D模型，用戶還可以與手機(jī)進(jìn)行交互，軟件提供對3D模型旋轉(zhuǎn)、拖曳、縮放等功能，在應(yīng)用AR技術(shù)工具的課堂教學(xué)環(huán)境下，學(xué)習(xí)過程中體現(xiàn)空間感，教學(xué)交互性強(qiáng)，用戶可以直觀地觀察抽象的物體，并且能夠吸引學(xué)習(xí)者的注意力。使用平板掃描用Augment3D APP打印的乙烷的C2H5的分子結(jié)構(gòu)式的效果圖片，用平板的攝像頭進(jìn)行掃描，圖4是乙烷C2H5的分子結(jié)構(gòu)式虛實(shí)結(jié)合界面操作效果圖。

3.3 課堂效果評價(jià)

我們對AR技術(shù)的教學(xué)案例運(yùn)用到混合式教學(xué)課堂中，開展問卷調(diào)查，在250名學(xué)生中，對使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)為開發(fā)工具的混合教學(xué)課堂非常滿意的有187人，占74.8%；基本滿意的有40人，占16%；不滿意的僅為9.2%。其中不滿意的學(xué)生中，大部分是由于APP暫時(shí)不能同步顯示出化學(xué)反應(yīng)的過程。調(diào)查數(shù)據(jù)表明，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的混合式課堂能夠體現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)學(xué)習(xí)資源設(shè)計(jì)理念，有助于構(gòu)建基于情境的、資源的、問題的以及協(xié)作學(xué)習(xí)的模式[5]，能使信息技術(shù)優(yōu)質(zhì)教育資源得到最有效的利用，讓課堂教學(xué)的潛能更好地發(fā)揮，在學(xué)生中認(rèn)可度較高，在教學(xué)中占據(jù)著不可取代的地位。

4 結(jié)束語

本文探討了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)用于混合式課堂教學(xué)，構(gòu)建以學(xué)生為中心、開放式的人性化的教學(xué)。實(shí)踐證明，混合模式的課堂教學(xué)提高了學(xué)生的自主學(xué)習(xí)興趣，為抽象學(xué)習(xí)創(chuàng)造了“真實(shí)”情境，為課堂提供了數(shù)字資源環(huán)境。雖然目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)還未普及和規(guī)模化應(yīng)用，但其未來發(fā)展空間極大。作為一種全新的人機(jī)交互技術(shù)，完善硬件設(shè)備。AR現(xiàn)實(shí)場景和虛擬場景結(jié)合，將這種增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中，將會創(chuàng)新課堂教學(xué)模式，為教學(xué)提供了學(xué)習(xí)情境，有很高的應(yīng)用價(jià)值。

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