神奇的混和現實技術與未來的中小學教科書

　　打開一本小學《自然》教科書，里面有一章介紹的是世界上早已滅絕的史前動物恐龍，只見一只恐龍從書中跳了出來，在你的桌面上游走，用手指輕輕觸碰，它馬上回過頭來，兇狠地猛“咬”你一口，栩栩如生、活靈活現。不僅如此，從中國古代四大發明到長城、黃河，從人體器官、化學分子結構、DNA分子結構式到太陽系、火山爆發、光合作用等等，這些以前只能以文字或圖片形式展現給孩子們的教學內容，全部會以三維的形式真實地呈現在孩子們的課本中。
　　這就是新加坡國立大學電子與計算機工程系助理教授、博士生導師、互動多媒體實驗室主任周志穎（中國籍）博士帶領他的團隊目前正在研發的混合現實技術。該項技術所提供的三維交互教學軟件和全新的教學課本，將徹底改變兩千年來的傳統學習模式。
　　
　　一、什么是混合現實技術
　　
　　混合現實（Ｍｉｘｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ）又稱擴展現實或增強現實，顧名思義，就是通過計算機把真情實景與虛擬現實無縫融合在一起，形成物理物體與虛擬物體同時出現并形成互動的如真似幻的情景。我們所熟知的好萊塢電影畫面中星球大戰的火爆場面、虛擬的外星生物、太空情景等，都是虛擬現實的杰作。在此之前，虛擬現實與現實世界是完全分割的，虛擬現實的進一步發展就形成了混合現實。可以說混合現實技術是一種將真實的環境和虛擬的物體疊加到了同一個畫面或空間，使虛實同時存在并直接相互交互的一種技術。
　　因此，可以這樣界定混合現實技術：這是一種在虛擬現實技術的基礎上發展起來的新興研究領域，綜合了計算機圖形、光電成像、融合顯示、多傳感器、圖像處理、計算機視覺等多門學科，是一種利用計算機產生的附加信息對真實世界的景象增強或擴張的技術。系統的使用者可以在看到周圍真實環境的同時看到計算機產生的增強信息，這種增強信息可以是在真實環境中與真實物體共存的虛擬物體，也可以是關于存在的真實物體的非幾何信息，比如，直接在建筑物實體上疊加的關于建筑物內部結構的附加信息。
　　
　　二、混合現實技術的特點
　　
　　混合現實技術的研究始于美國軍方20世紀七八十年代，早期應用始于1990年，至2004年后日漸成熟，由于其具有許多無可比擬的優點，因此，國外在軍事、航空航海、醫學研究、裝配與維修、教育、商業娛樂、建筑等許多領域廣泛應用。
　　其主要特點如下。
　　1．真實性
　　混合現實技術通過對人的視覺系統進行景象增強與擴張，將虛擬世界中的事物與使用者的所見所聞所感結合起來，實現了虛擬信息與真實世界的無縫連接，因此，人們透過視覺所看到的場景是極其逼真的，信息汲取上是全方位、更完備的。
　　2．互動性
　　混合現實的最大意義在于虛擬世界與真實世界實時同步。人們可以與虛擬物體在真實的環境中實時同步，可以親身感受來自虛擬空間的所能想象的一切幻象事物，并與之互動。這樣，使用者可以更容易進入角色，趣味性和實用性大大增強，使這項技術應用到更加廣泛的領域中去。
　　3．廉價
　　使用者只需在電腦上加裝一個普通的攝像頭（幾十元人民幣）用于視頻捕捉即可。通過近10年的技術優化，周志穎博士的研究已經可以做到，使用一般的廉價設備而使之靈敏度達到高級設備的水準。
　　
　　三、混合現實技術在教育中的應用前景
　　
　　1．立體書籍——提高學生的學習興趣
　　看書學習對于中小學生來說有時是很單調枯燥的，即使現在五顏六色、圖文并茂的課本也還是平面呆板的，如果孩子們在看書的同時能夠看到、聽到相關知識的動態畫面及聲音，將會大大提高他們的興趣和注意力。周志穎教授研制的新型教科書就實現了這一愿望，這種書看上去和普通書籍沒有不同，同樣有圖片和文字。當學生在電腦上安裝了一個普通的攝像頭后，使用時屏幕上即可看到書桌、學生手中所拿的課本以及一個小小的黑白標識紙板，將課本翻到所需要的頁面，視頻就會將所捕捉到的圖像送到電腦處理器，分析識別已得知的標記和課本所在的位置，最終在屏幕上就會看到立體活動的物體。學生們可以移動課本和手中的標識，從各個角度觀察書中的主人公，如一輛小汽車，也可以用手指觸摸它一下，它居然能改變顏色，打開前后車蓋，甚至還會冒出煙來。孩子們將會沉浸在書中所描繪的三維虛擬世界中，并從中主動地汲取相關的知識。
　　立體書籍這一新型課本可以將使用者的注意力吸引到書中，既提高學習效率，又增強理解和記憶力，使看書學習不再單調，不再抽象。
　　2．職業技術教育——理想的操作技能培訓方式
　　混合現實技術雖然不可以完全替代現存的教學方式，但可以做到增強和補充，是給學生直接接觸和體驗的最佳方式。這項技術還可以應用到職業技術教育中的學科實驗教學與練習中，協助建立一種支架式教學模式，幫助學生在指導下逐漸掌握、構建知識技能。不久前，江蘇省常州市看中了這一新型技術，與周志穎博士簽署了關于在常州科教城（內有１０所高職學院）建立一個“職業教育混合現實交互多媒體研究院”的協議，力爭盡快將這項技術應用到職業教育教學中去。一方面大大削減實體培訓的成本，另一方面允許學生反復地學習、復習、模擬操作，以迅速提高職業技能。
　　3．新型的教學游戲軟件——寓教于樂
　　教學游戲是一種非常受歡迎的學習方式，學生可以在游戲過程中邊玩邊學。這種學習方式為學生創造了一個寬松和諧的學習氛圍，在啟發孩子們的思維和培養能力方面發揮著重要的作用。例如周志穎教授和他的團隊運用混合現實技術，研發了一種三維互動講故事的娛教產品——魔法方塊，這是一款經過精心設計的教學游戲，在游戲過程中兒童可以通過學習認識物體、顏色、詞匯、故事背景、審美等，培養正確的人生觀和道德觀，還可以進行提問和回答的互動。它能夠增強兒童閱讀時的注意力，加快學習進程，有助于兒童的心理發展，培養其運動技能、反應能力、語言能力、創新思維和互動能力，改變了傳統的閱讀方式。只有寓教于樂，才能真正把孩子們大量花在商業游戲上的時間贏回來。
　　
　　四、展望
　　
　　混合現實技術作為一種最新的電腦技術，已經在各個領域得到應用。從1970年被應用于美國模擬飛行系統，到1997年開源混合現實開發包發布，迄今已經13年過去了，盡管目前有許多可演示的研究系統，但達到實用標準的還比較少，世界上只有屈指可數的幾家公司真正將此項技術研發穩定到民用的水準，周志穎博士和他的研究室就是其中之一。有了周博士和他的團隊的設計，再加上配音和翻譯工作，中小學教科書就可以以一種全新的面孔出現在孩子們的面前。
　　在終身教育成為時代發展的必然趨勢且競爭日益激烈的信息時代，有中國大量優秀人才和中國動漫產業相對低廉的勞動力成本，假以時日，相信混合現實技術在不久的未來必將在教育領域大顯身手，必將在全球教科書市場搶占先機。
　　作者單位 中國駐新加坡使館教育處
　　（欄目責編 王永麗）