欒婷婷

（沈陽(yáng)開(kāi)放大學(xué)，遼寧 沈陽(yáng) 110003）

0 引言

近年來(lái)， 虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)得到政府的高度重視，教育部在 《2019 年教育信息化和網(wǎng)絡(luò)安全工作要點(diǎn)》中提出要“推動(dòng)大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實(shí)、人工智能等新技術(shù)在教育教學(xué)中的深入應(yīng)用”。 其中，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為教育發(fā)展帶來(lái)全新機(jī)遇。 但由于虛擬現(xiàn)實(shí)提供場(chǎng)景為純虛擬的，模型及程序構(gòu)建費(fèi)時(shí)費(fèi)力，且需借助虛擬設(shè)備呈現(xiàn)，難以普及。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)是由Tom Caudell首次于1990 年首次提出的， 是在虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)之上產(chǎn)生的。 它能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)生成的虛擬信息疊加應(yīng)用到真實(shí)世界，并將虛擬信息和真實(shí)信息進(jìn)行融合后在顯示設(shè)備上完美呈現(xiàn)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界中真實(shí)信息的增強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)更佳的視覺(jué)體驗(yàn)。 近年來(lái)，隨著5G 通信技術(shù)的快速發(fā)展，AR 技術(shù)已逐步滲透到工業(yè)、游戲、軍事等領(lǐng)域，并且取得了一定的成效。 同時(shí)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的三維性、交互性和趣味性等技術(shù)特點(diǎn)與其在教育方面的應(yīng)用需求十分契合[1]，能夠?qū)Ξ?dāng)前面對(duì)的一些痼疾提供新穎和有效的解決方案， 因此AR 技術(shù)在教育方面的應(yīng)用受到越來(lái)越多的關(guān)注。

目前國(guó)內(nèi)外關(guān)于AR 技術(shù)的研究主要集中在高校和科研單位，北京理工大學(xué)光電技術(shù)與信息系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室將圓明園未被破壞前的場(chǎng)景疊加到真實(shí)的圓明園廢墟上，重現(xiàn)其繁華場(chǎng)景。 上海大學(xué)與浙江大學(xué)合作開(kāi)發(fā)AR 場(chǎng)景光源的實(shí)時(shí)檢測(cè)和真實(shí)感繪制框架。 諾丁漢大學(xué)開(kāi)發(fā)的兩款產(chǎn)品Illumimory 和Invisibilia 具有 AR 閱讀提醒的功能[2]。 Shelton 和 Hedley 用 AR 進(jìn)行九大行星的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。 Augmented Chemistry 利用AR 打造一套化學(xué)分子式輔助教學(xué)系統(tǒng)，等等。

1 手機(jī)AR 技術(shù)在遠(yuǎn)程教育中的需求性分析

現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育是以電子信息技術(shù)為背景、以網(wǎng)絡(luò)通信為主要傳播途徑的網(wǎng)絡(luò)教育模式，具有師生時(shí)空分離而又交互共享教學(xué)資源的基本特征。 遠(yuǎn)程教育經(jīng)歷了函授、電信會(huì)議、計(jì)算機(jī)基礎(chǔ)三個(gè)階段，至今已成為教育模式中的重要組成部分，突破了傳統(tǒng)教學(xué)在時(shí)間和空間上的限制，向著綜合性、開(kāi)發(fā)性和交互性的方向發(fā)展。 其在發(fā)展過(guò)程中經(jīng)歷了板書(shū)形式、多媒體形式，隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的逐漸普及，有望向“AR 模式”這種新的教學(xué)形式進(jìn)發(fā)。對(duì)AR 技術(shù)在遠(yuǎn)程教育中的應(yīng)用進(jìn)行研究，相對(duì)于傳統(tǒng)教學(xué)有顯著的進(jìn)步與價(jià)值。 它將傳統(tǒng)沉悶和低效的課堂，變得更加活躍，從而創(chuàng)建智能教學(xué)方法。 遠(yuǎn)程教育的受眾人群是多層次多類型的，他們面對(duì)的主要障礙是“工學(xué)矛盾”，時(shí)間有限且零散，尤其是在疫情背景下，更需借助方便的遠(yuǎn)程教育方式解決學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)問(wèn)題。 智能手機(jī)作為便捷的移動(dòng)設(shè)備， 能夠最大限度地滿足學(xué)習(xí)者隨時(shí)、隨地進(jìn)行課程學(xué)習(xí)與實(shí)時(shí)交互。

在遠(yuǎn)程教育教學(xué)過(guò)程中， 有一些課程內(nèi)容抽象、結(jié)構(gòu)復(fù)雜，以建筑設(shè)計(jì)課程為例，傳統(tǒng)的建筑設(shè)計(jì)課程依賴于建筑理論與效果圖、三維模型等，無(wú)法演示建筑從無(wú)到有的實(shí)際創(chuàng)建過(guò)程，學(xué)習(xí)者僅通過(guò)觀看平面圖片或二維視頻學(xué)習(xí)，難免有抽象晦澀之感；而遠(yuǎn)程課堂一般不像面對(duì)面授課一樣， 可以隨時(shí)發(fā)問(wèn)，隨時(shí)解答，這勢(shì)必給學(xué)習(xí)者盡快理解課堂知識(shí)難點(diǎn)造成障礙，對(duì)課堂效果和學(xué)習(xí)效率產(chǎn)生影響。而若將AR 技術(shù)融入課程資源中，以智能手機(jī)為載體，學(xué)習(xí)者可觀看3D 虛擬場(chǎng)景覆蓋在建筑圖像上， 模擬相應(yīng)的建筑結(jié)構(gòu)與建筑環(huán)境， 觀看建筑各個(gè)部分的實(shí)景建造，并可與建筑模型360°實(shí)時(shí)交互， 將復(fù)雜的知識(shí)點(diǎn)清晰化，具體化，給人一目了然之感；同時(shí)增加課堂的活躍度，顯著提升學(xué)習(xí)者的積極性與效率，也為學(xué)習(xí)者打造良好的基礎(chǔ)。

2 基于手機(jī)AR 技術(shù)的建筑設(shè)計(jì)課程的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

2.1 AR 技術(shù)交互知識(shí)點(diǎn)選取

為了深入闡述基于手機(jī)AR 技術(shù)的遠(yuǎn)程教育的應(yīng)用研究，本文特以建筑設(shè)計(jì)課程為例,將AR 技術(shù)融入課程資源中。 首先，利用當(dāng)前教學(xué)模式就能夠起到良好教學(xué)效果的知識(shí)點(diǎn)是無(wú)須增加AR 技術(shù)融入的，為了使AR 技術(shù)充分發(fā)揮效果， 必須對(duì)遠(yuǎn)程教育的建筑設(shè)計(jì)課程中的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行篩選，找出學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過(guò)程中普遍感受到的空間感要求高、難度比較大、當(dāng)前課程描述較為晦澀難懂的， 并通過(guò)AR 技術(shù)的融入能夠提高教學(xué)效果的知識(shí)點(diǎn)。 經(jīng)過(guò)調(diào)查和分析，最終選取了“薩伏伊別墅的設(shè)計(jì)”這一知識(shí)點(diǎn)作為 AR 技術(shù)交互的對(duì)象。 薩伏伊別墅層與層之間過(guò)渡復(fù)雜，空間布局多，立面設(shè)計(jì)豐富，在這一知識(shí)點(diǎn)的講解過(guò)程中，學(xué)習(xí)者往往對(duì)其知識(shí)點(diǎn)的描述理解不夠到位，無(wú)法多角度、更直觀地體會(huì)別墅的設(shè)計(jì)特點(diǎn)，難以產(chǎn)生準(zhǔn)確的空間想象感；而通過(guò)AR 技術(shù)的融入，可以將這一設(shè)計(jì)通過(guò)建筑生長(zhǎng)的效果表現(xiàn)出來(lái)，通過(guò)模擬建筑的設(shè)計(jì)和建造過(guò)程，使學(xué)習(xí)者多角度、直觀地了解到建筑由外而內(nèi)的各個(gè)環(huán)節(jié)，了解設(shè)計(jì)思路、施工步驟和建筑結(jié)構(gòu)，使建筑的展示清晰明了。

2.2 AR 知識(shí)點(diǎn)的設(shè)計(jì)和研發(fā)

2.2.1 AR 知識(shí)點(diǎn)的設(shè)計(jì)

AR 知識(shí)點(diǎn)的設(shè)計(jì)利用三維建模軟件——草圖大師SketchUp 來(lái)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(dòng)畫(huà)，在建筑設(shè)計(jì)、工業(yè)設(shè)計(jì)等方面應(yīng)用非常廣泛。 在本設(shè)計(jì)中，采用SketchUp 軟件制作薩伏伊別墅模型， 從平面圖開(kāi)始，由淺到深、由下至上構(gòu)建薩伏伊別墅模型，從建筑最基礎(chǔ)框架到貼完材質(zhì)的效果圖，每一個(gè)階段都生成對(duì)應(yīng)的模型圖，構(gòu)建模型庫(kù)，并進(jìn)行渲染。

2.2.2 AR 知識(shí)點(diǎn)的研發(fā)

AR 知識(shí)點(diǎn)的研發(fā)主要依靠Vuforia 插件和Unity3D 軟件。 其中Vuforia 插件是AR 開(kāi)發(fā)工具中的一種，可作為Unity3D 軟件的插件導(dǎo)入，操作簡(jiǎn)單，使用方便。 Unity 3D 作為三維視頻及建筑可視化3D 開(kāi)發(fā)平臺(tái)，是一個(gè)跨多平臺(tái)的綜合型開(kāi)發(fā)工具，可以在Windows 和Mac OS 等多個(gè)平臺(tái)運(yùn)行。Unity3D 可將程序發(fā)布到 Windows、Mac、HTML5、iPhone 及安卓平臺(tái)等，極大的滿足學(xué)生和不同類型客戶端的需求。

首先，利用Vuforia 官網(wǎng)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù)，將薩伏伊別墅平面圖與三維立體圖一一對(duì)應(yīng)，例如，掃描別墅平面結(jié)構(gòu)圖時(shí)能夠自動(dòng)生成別墅的三維結(jié)構(gòu)模型、掃描別墅平面效果圖時(shí)自動(dòng)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(dǎo)入U(xiǎn)nity 3D 軟件中，并進(jìn)行編程與調(diào)試，在程序腳本中添加對(duì)模型的360°旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等功能，完成交互部分的程序設(shè)計(jì)。

2.2.3 基于手機(jī)的可執(zhí)行程序生成與調(diào)試

基于手機(jī)端可執(zhí)行程序的開(kāi)發(fā)， 也主要利用Unity 3D 軟件。通過(guò)Unity 3D，可以生成手機(jī)可讀取并使用的文件，以安卓手機(jī)為例，生成*.apk 文件。將AR模型和其他教學(xué)素材資源存放于程序內(nèi)， 將*.apk 文件導(dǎo)入手機(jī)中，在手機(jī)文件中找到該安裝文件，完成安裝。 通過(guò)反復(fù)調(diào)試，確保程序在手機(jī)端使用的穩(wěn)定性。 學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)“薩伏伊別墅的設(shè)計(jì)”這一課程時(shí)，就可以通過(guò)掃描平面圖的形式， 使3D 虛擬場(chǎng)景覆蓋在建筑圖像上，讓學(xué)習(xí)者在360°模擬真實(shí)場(chǎng)景下進(jìn)行學(xué)習(xí)，并可以用手指輕觸屏幕，對(duì)建筑模型進(jìn)行放大、縮小等操作，提升交互體驗(yàn)，豐富學(xué)習(xí)者的視覺(jué)感受，增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果。

3 結(jié)語(yǔ)

手機(jī)AR 技術(shù)在遠(yuǎn)程教育中的應(yīng)用可以為學(xué)習(xí)者帶來(lái)良好和便捷的教學(xué)體驗(yàn), 伴隨著AR 及相關(guān)技術(shù)的不斷成熟， 手機(jī)AR 技術(shù)在教育教學(xué)方面的突出優(yōu)勢(shì)勢(shì)必會(huì)得到進(jìn)一步的體現(xiàn)，同時(shí)在教育領(lǐng)域?yàn)楦鄬W(xué)習(xí)者提供更加優(yōu)質(zhì)的教學(xué)服務(wù)。