宋燕燕 彭長好 趙瑩 秦軍 董麗花

摘 要：隨著增強現(xiàn)實技術(shù)的飛速發(fā)展，移動設(shè)備與書本的交互過程變得更加容易，只需將移動設(shè)備的攝像頭對準書本中的某個圖片，移動設(shè)備就會將對應(yīng)的虛擬畫面疊加到當(dāng)前屏幕顯示的書本內(nèi)容之上，虛擬信息和實際環(huán)境的結(jié)合帶來了另一種交互方式。文章重點探究增強現(xiàn)實技術(shù)在互動教學(xué)中的應(yīng)用案例，通過構(gòu)建三維場景幫助學(xué)生記憶和理解知識點，利用Unity3D引擎實現(xiàn)互動，提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：增強現(xiàn)實技術(shù);互動教學(xué);Unity3D

0? ? 引言

增強現(xiàn)實技術(shù)通常是指將計算機生成的虛擬信息增加到現(xiàn)實場景中。增強現(xiàn)實的由來是在20世紀90年代初期，波音公司的Thomas Caudell使用了一種頭戴式顯示器，給用戶的視覺中疊加虛擬物體來幫助完成工作。將移動設(shè)備增強現(xiàn)實技術(shù)與書本的交互應(yīng)用可以使書本上的內(nèi)容呈現(xiàn)更加豐富[1]。在發(fā)展信息時代教育的過程中，現(xiàn)代教育技術(shù)以其先進的觀念、手段和方法發(fā)揮著重要的作用。從木制黑板到電動黑板、投影儀、平板電腦、網(wǎng)課教學(xué)等，教育水平和技術(shù)在不斷改善和進步。增強現(xiàn)實這項新興技術(shù)與教育相結(jié)合，可以更加促進教育水平的提升，在教育的進程上實現(xiàn)一個飛躍。

1? ? 增強現(xiàn)實技術(shù)

增強現(xiàn)實技術(shù)以虛擬現(xiàn)實技術(shù)為基礎(chǔ)，但兩者有所區(qū)別。虛擬現(xiàn)實是指完全由計算機對現(xiàn)實世界進行模擬，形成虛擬空間，用戶通過自然交互設(shè)備獲得具有沉浸感的體驗;而增強現(xiàn)實則是強調(diào)計算機生成的信息與實景相融合，計算機生成的信息可以極大地擴充真實場 景的信息量，從而給人們的生產(chǎn)生活帶來便利[2]。增強現(xiàn)實技術(shù)是一種實時地計算攝影機影像的位置及角度并包含了多媒體、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，常提供人類感知與其他的信息。將增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)中，學(xué)習(xí)者可以自然地與3D信息、對象和事件進行交互[3]，實現(xiàn)實景教學(xué)、教育互動等，提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。將文字、圖形、圖像、聲音、動畫和實際環(huán)境有機結(jié)合，全方位、多視角地呈現(xiàn)在學(xué)生面前，這種圖文并茂的教學(xué)法不斷地刺激學(xué)生的感官，使學(xué)生思維充分活躍，豐富了學(xué)生的想象力，拓展了思維空間，促進學(xué)生認識事物本質(zhì)，使發(fā)散性思維得到訓(xùn)練。

2? ? 系統(tǒng)設(shè)計

該項目開發(fā)基于 Windows平臺，選擇Android平臺移動終端為系統(tǒng)發(fā)布平臺，通過增強現(xiàn)實的圖像識別技術(shù)在移動終端同時顯示攝像頭拍攝的真實影像和通過計算機生成的虛擬三維場景。

系統(tǒng)實現(xiàn)流程及模塊如圖1所示。首先啟動程序，與此同時準備好待識別的教學(xué)內(nèi)容圖片，準備完成后，開始進行增強現(xiàn)實識別，識別到目標(biāo)圖片以后，即可出現(xiàn)已設(shè)計制作好的場景。本系統(tǒng)以《泊秦淮》圖片為例進行演示，此時即可正式進入課程，可以通過不同的模塊，例如通過視頻模塊、音頻模塊、譯文模塊、賞析模塊、題目解釋模塊和作者背景模塊等，在現(xiàn)實畫面基礎(chǔ)上疊加虛擬場景和畫面進行詳細的展示，每個模塊有其對應(yīng)的功能。視頻模塊具有視頻的功能，通過播放準備好的視頻素材，生動形象地介紹識別圖片中的內(nèi)容;音頻模塊可以播放朗誦音頻，用聲音將學(xué)生帶入場景;譯文模塊可以顯示翻譯內(nèi)容;賞析模塊即可顯示各個部分的賞析文字;題目模塊即可出現(xiàn)題目解釋文字;詩人簡介模塊即可出現(xiàn)詩人相應(yīng)簡介等等完成與學(xué)生的互動。

3? ? 場景搭建

通過3Ds Max三維工具進行場景搭建。以《泊秦淮》為例，場景原型為南京古秦淮河，依據(jù)唐代建筑的特色搭建房屋群，中國封建社會時期，唐朝便已是經(jīng)濟和文化發(fā)展的全盛期，此時建筑風(fēng)格具有雄偉、嚴謹、開放的特點。建筑規(guī)模大，規(guī)劃嚴密，這一時期中國建筑群的整體規(guī)劃日益成熟，長安（今西安）和洛陽建設(shè)了巨大的宮殿、園林和官邸，建筑系統(tǒng)更加標(biāo)準化、合理化。其次因為有秦淮河，在場景中搭建一座小橋模型。此場景由樹木、草坪、河流、小橋和商鋪等模型共同構(gòu)成，基本的場景搭建完成后，為模型添加貼圖，搜集符合時代及場景的素材圖片進行實現(xiàn)。場景制作完成后導(dǎo)入Unity3D引擎，實現(xiàn)燈光制作、場景烘焙、界面設(shè)計及按鈕的交互功能。

4? ? 互動教學(xué)功能

借助高通增強現(xiàn)實開發(fā)包，在Unity3D中設(shè)置Vuforia，使用計算機圖像技術(shù)計算攝像機和標(biāo)識物之間的相對位置，從而實現(xiàn)將三維虛擬對象疊加到識別物上。一共提供4種識別 物類型以進行選擇，包括Single image，Cuboid，Cylinder，3DObject。本案例中采用Single image作為識別物通過攝像頭捕捉圖片，能夠顯示出相應(yīng)的界面及場景，最后虛實相結(jié)合出現(xiàn)文字及場景的效果。沖擊學(xué)生視覺，2D文本與3D場景的轉(zhuǎn)變，不再局限于書本上枯燥的文字，顯示出文字所表達的場景，抽象轉(zhuǎn)為實例，給學(xué)生帶來更大的代入感，站在作者角度有所想、有所感。

在虛擬場景中除了呈現(xiàn)建好的模型以外，還要通過UI界面和按鈕功能設(shè)計實現(xiàn)交互，分別設(shè)計有“視”“音”“賞”“題”“譯”“簡”等按鈕，對應(yīng)視頻解析、音頻朗誦、全文賞析、解釋題目、譯文、作者簡介等6個功能模塊，點擊相應(yīng)按鈕切換到對應(yīng)的模塊中。點擊“視”按鈕即可出現(xiàn)視頻講解，與卡通畫面結(jié)合，寓教于樂，無論是低年級或是高年級學(xué)生，都可以對此產(chǎn)生興趣，從而產(chǎn)生想要對知識產(chǎn)生想要探究內(nèi)涵的想法，沉浸課堂，融入其中，產(chǎn)生和諧的教育課堂氛圍。點擊“音”按鈕即可播放音頻，通過渾厚的聲音，抑揚頓挫地朗讀，表達出詩人杜牧想要通過寫詩而書發(fā)的情感，作為模板指導(dǎo)學(xué)生進行跟隨朗讀與背誦，加強記憶。部分交互的腳本如下所示，實現(xiàn)效果如圖2所示。

5? ? 結(jié)語

本文從現(xiàn)代教育技術(shù)的角度進行討論，將增強現(xiàn)實技術(shù)和現(xiàn)代教育相結(jié)合，探究在互動教學(xué)中的應(yīng)用案例。為教師提供新的教育工具，使學(xué)生對新的知識感興趣，創(chuàng)造自主學(xué)習(xí)的環(huán)境，從傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)模式改善到新的學(xué)習(xí)模式。通過增強現(xiàn)實技術(shù)能夠提供和展示各種趨于現(xiàn)實的學(xué)習(xí)情境，把抽象的學(xué)習(xí)與現(xiàn)實融合起來，激發(fā)學(xué)生的聯(lián)想能力。但是對于許多老師和學(xué)生來說，自主創(chuàng)建虛擬場景并進行互動有一定難度，因為其需要大量的技術(shù)知識。目前，許多公司正在開發(fā)易于使用的工具，開發(fā)困難的問題應(yīng)該會逐漸解決。

[參考文獻]

[1]鄒優(yōu)嘉.移動設(shè)備增強現(xiàn)實技術(shù)與書本交互的應(yīng)用[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2013（8）：227-229，233.

[2]宋燕燕，曹效業(yè)，周靈.移動增強現(xiàn)實技術(shù)在互動展示中的應(yīng)用研究[J].計算機技術(shù)與發(fā)展，2016（9）：83-86.

[3]姚甜.AR技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用[J].無線互聯(lián)科技，2020（4）：158-159.

（編輯 何 琳）