基于增強現(xiàn)實技術(shù)的高中藝術(shù)教育課程設(shè)計與開發(fā)

郭威+薛耀鋒+楊金朋

摘 要 增強現(xiàn)實技術(shù)虛實結(jié)合、實時交互的特征在許多領(lǐng)域都具有很大的應(yīng)用優(yōu)勢。隨著計算機技術(shù)的不斷發(fā)展和革新，增強現(xiàn)實技術(shù)的功能性和應(yīng)用性也越來越強。回顧增強現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展和技術(shù)特征，結(jié)合實踐案例，介紹本研究開展過程中將增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用在高中藝術(shù)教育課程中的教學效果。

關(guān)鍵詞 增強現(xiàn)實技術(shù)；藝術(shù)教育；課程設(shè)計；Unity 3D

中圖分類號：G633.95 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2017）16-0070-02

1 引言

增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實技術(shù)的延伸，成功地打破了真實世界和虛擬世界之間的壁壘，創(chuàng)造出一個虛實結(jié)合的混合世界。與虛擬現(xiàn)實技術(shù)不同，增強現(xiàn)實技術(shù)可以將虛擬物體和真實場景同時呈現(xiàn)在用戶面前，讓用戶在真實的世界中獲取疊加的虛擬數(shù)字信息，這極大地拓展了人們對真實世界的感知程度[1]。本研究的開展關(guān)注增強現(xiàn)實技術(shù)的特征和優(yōu)勢，通過教學系統(tǒng)和工具的開發(fā)使用，將增強現(xiàn)實技術(shù)引入高中藝術(shù)課程教學實踐中來。研究發(fā)現(xiàn)，增強現(xiàn)實技術(shù)在藝術(shù)課程中的應(yīng)用，對激發(fā)學生學習興趣、增強教學效果具有一定的促進作用。

2 增強現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展

早在20世紀60年代，世界上第一臺虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)“Sensorama”的問世，激發(fā)了人們探索連接真實世界和虛擬世界的新思潮。30年后，波音公司計算機服務(wù)部的自適應(yīng)神經(jīng)系統(tǒng)研究與開發(fā)項目成功研制一款布線輔助系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠通過頭戴式顯示設(shè)備，將布線提示信息疊加到機械師視野里的實際操作場景中，引導(dǎo)機械師順利完成布線工作，減少工程失誤[2]。由此，“增強現(xiàn)實”的概念被第一次提出。在隨后的發(fā)展歷程中，越來越多的增強現(xiàn)實產(chǎn)品被廣泛地應(yīng)在工業(yè)、軍事、醫(yī)療、教育等多個領(lǐng)域，用以拓展人們對真實世界的感知范圍，實現(xiàn)提高生產(chǎn)效率、優(yōu)化學習效果、增強娛樂體驗等目的。

伴隨計算機技術(shù)、電子技術(shù)、傳感技術(shù)的革新與發(fā)展，增強現(xiàn)實技術(shù)在不斷地進行提升和完善，增強現(xiàn)實產(chǎn)品的用戶使用體驗也越來越好。增強現(xiàn)實系統(tǒng)的運行平臺，從早期的大型計算機設(shè)備、外接式的攝像模塊、輸入模塊，演變?yōu)榧啥容^高的小型移動設(shè)備，在降低增強現(xiàn)實產(chǎn)品成本的同時，也提高了使用的簡易性。另一方面，增強現(xiàn)實系統(tǒng)的顯示設(shè)備從頭戴式顯示器逐漸轉(zhuǎn)變成為智能眼鏡的形式，再發(fā)展到可以使用智能手機、平板電腦等移動終端進行增強現(xiàn)實場景的顯示，使得增強現(xiàn)實系統(tǒng)的使用越來越生活化、移動化和智能化[3]。

3 增強現(xiàn)實技術(shù)的技術(shù)特征

增強現(xiàn)實技術(shù)是一項復(fù)雜的計算機技術(shù)，涉及多媒體技術(shù)、計算機圖形與圖像技術(shù)、人機交互技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、信息與通信技術(shù)等多個領(lǐng)域[4]。在使用過程中，跟蹤與定位技術(shù)、成像技術(shù)、交互技術(shù)是支撐增強現(xiàn)實系統(tǒng)正常運作的關(guān)鍵技術(shù)。

跟蹤與定位技術(shù) 增強現(xiàn)實系統(tǒng)中，怎樣將虛擬的數(shù)字信息準確地疊加到真實場景的畫面中，是一個復(fù)雜但又非常重要的問題。一般而言，增強現(xiàn)實的跟蹤與定位系統(tǒng)需要實時獲取用戶的定位、觀察場景的角度、移動速度和方向等信息，經(jīng)過處理器計算之后，準確地設(shè)定虛擬數(shù)字信息在畫面中渲染的位置、大小、角度和方向，實現(xiàn)真實場景和虛擬物體的完美融合。

在增強現(xiàn)實的應(yīng)用中，常使用的跟蹤與定位技術(shù)可分為兩種：一種是依賴于硬件設(shè)備的位置型（Location-based）跟蹤定位技術(shù)，如通過GPS系統(tǒng)、超聲波測距系統(tǒng)、陀螺儀、磁場測距系統(tǒng)等技術(shù)進行定位；一種是依賴于計算機視覺系統(tǒng)的圖像型（Image-based）跟蹤定位技術(shù)，該技術(shù)通過識別真實場景中的特征圖像，標定虛擬數(shù)字信息的渲染位置[5]，因此無須借助于其他硬件設(shè)備便可以實現(xiàn)精確定位，是增強現(xiàn)實系統(tǒng)中應(yīng)用最多的跟蹤定位技術(shù)。

成像技術(shù) 增強現(xiàn)實系統(tǒng)需要根據(jù)跟蹤定位信息進行真實場景和虛擬數(shù)字信息疊加位置的配準，實現(xiàn)虛擬數(shù)字信息在真實場景中的準確渲染[6]。在增強現(xiàn)實應(yīng)用中，虛擬數(shù)字信息的渲染效果需要與真實場景中的物體位置、環(huán)境因素保持一致，并且能夠支持與用戶之間的自然交互。

交互技術(shù) 實時交互是增強現(xiàn)實系統(tǒng)的三大特征之一，自然順暢的人機交互方式依賴于不斷革新的傳感器技術(shù)[7]。用戶既可以通過傳統(tǒng)的鼠標、鍵盤形式，也可以通過觸摸屏、語音、體感等更為自然的方式，與增強現(xiàn)實系統(tǒng)進行交互。

4 基于AR的高中藝術(shù)教育課程設(shè)計與開發(fā)

為了探究增強現(xiàn)實技術(shù)在高中藝術(shù)教育課程中的使用效果，使用Unity 3D開發(fā)引擎和增強現(xiàn)實開發(fā)插件，設(shè)計制作適用于Android系統(tǒng)的增強現(xiàn)實教學工具和3D教學資源，并且在上海市J區(qū)某高中一年級的藝術(shù)教育課程中進行使用。通過教學實踐和教學效果調(diào)查，發(fā)現(xiàn)該增強現(xiàn)實教學工具能夠優(yōu)化藝術(shù)作品的展示效果，激發(fā)學生的觀賞興趣，增強教學效果。

增強現(xiàn)實教學工具設(shè)計與開發(fā) 設(shè)計和開發(fā)基于增強現(xiàn)實技術(shù)的教學工具應(yīng)用系統(tǒng)，系統(tǒng)框架結(jié)構(gòu)如圖1所示。整體而言，該系統(tǒng)分為客戶層、應(yīng)用層、數(shù)據(jù)層和管理層四個部分。其中，客戶層包括畫面捕捉、虛實場景呈現(xiàn)、人機交互三項功能；應(yīng)用層包括人機交互、三維注冊、數(shù)據(jù)讀寫三項功能；數(shù)據(jù)層包括本地存儲和云存儲兩個部分，實現(xiàn)對應(yīng)用數(shù)據(jù)、用戶信息的儲存；管理層實現(xiàn)對云端數(shù)據(jù)資源的管理操作。

根據(jù)教學設(shè)計的需要，使用Unity 3D開發(fā)引擎制作與增強現(xiàn)實教學工具配套使用的3D教學資源，通過增強現(xiàn)實系統(tǒng)的管理層界面，將教學資源保存在云端，供教師和學生在教學實踐中下載使用。

增強現(xiàn)實教學工具教學應(yīng)用 選擇上海市J區(qū)某高中一年級作為實驗班級，在藝術(shù)課上開展相關(guān)的教學實踐活動。教師將一套彩色圖案的小卡片分發(fā)給所有的學生，在課程講解過程中，根據(jù)需要讓學生使用安裝增強現(xiàn)實教學系統(tǒng)的移動智能設(shè)備，拍攝特定的小卡片，觀看3D動畫和3D模型，用以輔助講解藝術(shù)作品的設(shè)計，幫助學生理解和掌握相關(guān)知識，增強作品展示的觀賞效果。圖2為學生使用增強現(xiàn)實教學系統(tǒng)拍攝蝴蝶圖案的小卡片，即可觀看到蝴蝶飛舞的動畫。endprint

教學應(yīng)用反饋 課程結(jié)束后，對學生開展問卷調(diào)查和訪談，以了解學生對這種新穎的學習方式和增強現(xiàn)實教學系統(tǒng)的使用體驗。結(jié)果表明，絕大部分學生對增強現(xiàn)實技術(shù)表現(xiàn)出濃厚的興趣，認為這種展示方式比傳統(tǒng)的靜態(tài)圖片或影視更具有觀賞性，并且能夠根據(jù)自己的需求進行反復(fù)觀看學習，大大提高了學習的自由度，對理解掌握課程所授知識具有一定的促進作用。當被問到以后是否愿意使用增強現(xiàn)實教學工具進行課程學習的時候，大部分學生表示非常愿意使用。另一方面，在訪談過程中也發(fā)現(xiàn)，學生認為目前的系統(tǒng)在交互方面還存在不足。

5 總結(jié)與反思

增強現(xiàn)實技術(shù)在教學中的應(yīng)用具有巨大潛力，能優(yōu)化教學材料的呈現(xiàn)效果，激發(fā)和維持學生的學習興趣，促進課堂中師生、生生之間的互動，增強教學效果。本研究在對增強現(xiàn)實技術(shù)的技術(shù)特征進行分析之后，使用相關(guān)的開發(fā)工具設(shè)計制作一套增強現(xiàn)實教學系統(tǒng)和3D教學資源，并且在教學實踐中取得不錯的效果。但是也意識到該系統(tǒng)還存在一定的不足，具有較大的提升和完善的空間，在今后的研究工作中將致力于設(shè)計開發(fā)出更好的增強現(xiàn)實教學工具和教學資源，為中小學教學工作提供優(yōu)質(zhì)的技術(shù)支持。

參考文獻

[1]陳一民，李啟明，等.增強虛擬現(xiàn)實技術(shù)研究及其應(yīng)用[J].上海大學學報：自然科學版，2011，17（4）：412-428.

[2]朱淼良，姚遠，蔣云良.增強現(xiàn)實綜述[J].中國圖象圖形學報，2004，9（7）：767-774.

[3]汪存友，程彤.增強現(xiàn)實教育應(yīng)用產(chǎn)品研究概述[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2016，26（5）：95-101.

[4]齊立森，皮宗輝，徐苗，等.增強現(xiàn)實的技術(shù)類型與教育應(yīng)用[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2014，24（11）：18-22.

[5]Wojciechowski R， Cellary W. Evaluation of learners attitude toward learning in ARIES augmented reality environments[J].Computers &Education，2013，68：570-585.

[6]范苑竹.增強現(xiàn)實的應(yīng)用技術(shù)研究[D].杭州：浙江大學，2008.

[7]Azuma R T. A survey of augmented reality[J].Presence Teleoperators & Virtual Environments，1997，6（4）：355-385.endprint