繪圖機(jī)器人和全息投影結(jié)合助推課堂教學(xué)

李婷 張婧琳

摘要語文是一門思想性較強(qiáng)的學(xué)科，它的知識(shí)通常是抽象的，這就造成了傳統(tǒng)教學(xué)下語文課堂存在內(nèi)容抽象、填鴨式教學(xué)、教學(xué)手段匱乏等幾大問題。本文通過將繪圖機(jī)器人和全息投影相結(jié)合，增強(qiáng)課堂的交互性，使教學(xué)內(nèi)容具體可感，提高學(xué)生的課堂參與度。

關(guān)鍵詞 機(jī)器人 全息投影 語文

中圖分類號(hào)：G424文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：ADOI：10.16400/j.cnki.kjdk.2021.17.040

Drawing Robot and Holographic Projection Combined to Promote Classroom Teaching

LI Ting， ZHANG Jinglin

（School of Wisdom Education， Jiangsu Normal University， Xuzhou， Jiangsu 221116）

AbstractThe study combines the drawing robot and holographic projection to enhance the interaction between students and teaching material， which not only makes the teaching content concrete and perceptible， but also increases participation of students in the class.

Keywordsrobot； holographic projection； Chinese subject

1教學(xué)需求

眾所周知，語文是一門思想性較強(qiáng)的學(xué)科，它的知識(shí)尤其是涉及文章內(nèi)容理解和寫作時(shí)總是抽象的，這就造成了傳統(tǒng)教學(xué)下語文課堂存在以下幾大問題：

教學(xué)內(nèi)容抽象化，脫離學(xué)生實(shí)際。受語文教學(xué)內(nèi)容限制，傳統(tǒng)教育下的語文課堂大多對(duì)文章主旨、感情等內(nèi)容的教學(xué)是總結(jié)一些空洞的理論，不能化抽象為具體，里面豐富的情感脫離學(xué)生生活，不能引起他們的共情。

授課教師填鴨式教學(xué)，缺乏和同學(xué)的互動(dòng)。很多語文課堂都是語文老師一個(gè)人的演講課，教師在臺(tái)上口干舌燥地講解，但由于內(nèi)容抽象，脫離實(shí)際，學(xué)生很難理解老師，導(dǎo)致教師只填鴨式講解知識(shí)點(diǎn)，讓同學(xué)們強(qiáng)行記下來，課堂死板，缺乏互動(dòng)。

教學(xué)設(shè)備簡(jiǎn)陋，教學(xué)手段匱乏。目前的多媒體設(shè)備不能從根本上改變語文課堂內(nèi)容學(xué)生不理解，氣氛沉悶等問題，教師在使用它們的過程中并不能明顯感受到先進(jìn)設(shè)備帶來的優(yōu)勢(shì)，導(dǎo)致他們不愿意使用新式設(shè)備，仍采用傳統(tǒng)教學(xué)方式教學(xué)。

針對(duì)以上情況，我們?cè)O(shè)計(jì)了“繪圖機(jī)器人和全息投影結(jié)合助推語文課堂教學(xué)”方案，結(jié)合人工智能和全息技術(shù)呈現(xiàn)課文內(nèi)容，針對(duì)傳統(tǒng)課堂的上述三大缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)。

2實(shí)現(xiàn)方案

2.1技術(shù)路線

我設(shè)計(jì)的技術(shù)路線可分為三個(gè)大步驟，第一步——繪圖機(jī)器人創(chuàng)設(shè)場(chǎng)景，第二步——全息投影所創(chuàng)設(shè)的場(chǎng)景，第三步——交互，如圖1。

2.2主要裝備

2.2.1信息采集技術(shù)與裝備

圖像反射系統(tǒng)：全息投影所需圖像反射系統(tǒng)。

傳感器：傳感器是一種能把物理量或化學(xué)量轉(zhuǎn)變成便于利用的電信號(hào)的器件，是測(cè)量系統(tǒng)中的一種前置部件，能將輸入變量轉(zhuǎn)換成可供測(cè)量的信號(hào)。[1]在本方案中被用于采集學(xué)生身高體重等數(shù)據(jù)以進(jìn)行全息投影。

攝像機(jī)：把光學(xué)圖像信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，在本方案中用于捕捉課堂中交互同學(xué)的動(dòng)作。

2.2.2信息處理技術(shù)與設(shè)備

大數(shù)據(jù)分析技術(shù)：通過對(duì)大數(shù)據(jù)的預(yù)處理、分析和挖掘建的模型，根據(jù)模型得出結(jié)論。

2.2.3信息顯示技術(shù)與設(shè)備

全息投影顯示：通過記錄被攝物體反射（或透射）光波中全部信息（振幅、相位）實(shí)現(xiàn)3D視覺效果。[2]

2.2.4人機(jī)交互技術(shù)與設(shè)備

語音：通過說話就可以得到反饋結(jié)果，用于和投影中的人物進(jìn)行交流。

Kinect體感：利用體感識(shí)別與手勢(shì)識(shí)別技術(shù)與大屏進(jìn)行互動(dòng)，讓參與者參與其中獲得優(yōu)秀的互動(dòng)體驗(yàn)。用于和投影中的人物進(jìn)行動(dòng)作交互。[3]

觸覺反饋設(shè)備：通過位姿追蹤技術(shù)記錄操作者位置和運(yùn)動(dòng)信息，利用傳感器準(zhǔn)確實(shí)時(shí)傳輸給計(jì)算機(jī)，并將生成的觸感和力感反饋給操作者。[4]如圖2是觸覺反饋的兩大分類。

3應(yīng)用示范

隨著當(dāng)前我國的科學(xué)技術(shù)水平的提升，一些先進(jìn)的科學(xué)技術(shù)在教育領(lǐng)域當(dāng)中得到了廣泛的應(yīng)用，大大促進(jìn)了教育事業(yè)的發(fā)展。[5]隨著全息技術(shù)和人工智能的不斷發(fā)展，將他們運(yùn)用到教學(xué)中是必然的事情。本文結(jié)合《背影》一課，淺談如何將繪圖機(jī)器人和全息投影技術(shù)結(jié)合起來推動(dòng)語文課堂的教學(xué)。

3.1全息技術(shù)和繪圖機(jī)器人結(jié)合在語文課堂教學(xué)中運(yùn)用的優(yōu)勢(shì)

要想了解他們的優(yōu)勢(shì)，首先要分別了解全息技術(shù)和繪圖機(jī)器人技術(shù)。

3.1.1繪圖機(jī)器人

該機(jī)器人是微軟近日推出的一項(xiàng)新的模仿類似藝術(shù)家的人工智能技術(shù)，它能夠根據(jù)文字描述創(chuàng)建一個(gè)與之相對(duì)應(yīng)的圖像，并且能自動(dòng)豐富圖像細(xì)節(jié)。[6]該機(jī)器人已經(jīng)在配對(duì)圖像和標(biāo)題的數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了培訓(xùn)，從而使其理解如何將相應(yīng)的單詞與圖像進(jìn)行匹配。

3.1.2全息技術(shù)

全息術(shù)（holography）又稱全息照相術(shù)、全息攝影術(shù)，在照相膠片或干板上通過記錄光波的振幅和位相分布并再現(xiàn)物體三維圖像，產(chǎn)生立體視覺。[7]

而這兩者的結(jié)合理想中能達(dá)到的效果是繪圖機(jī)器人根據(jù)課文內(nèi)容的文字描述進(jìn)行圖像的創(chuàng)設(shè)，而創(chuàng)設(shè)的圖像經(jīng)過計(jì)算機(jī)的編程后被全息投影到空氣中，讓同學(xué)們對(duì)課文描述的內(nèi)容有更加直觀的感受。在該設(shè)想中，繪圖機(jī)器人負(fù)責(zé)場(chǎng)景課文劇情的創(chuàng)設(shè)，而全息技術(shù)負(fù)責(zé)投影真實(shí)可感的場(chǎng)景，力求讓學(xué)生能實(shí)現(xiàn)和虛擬課文場(chǎng)景的交互，讓他們?cè)谇袑?shí)體驗(yàn)學(xué)習(xí)內(nèi)容之后對(duì)課文表達(dá)有深入且難忘的認(rèn)識(shí)。

細(xì)致了解這兩項(xiàng)技術(shù)及其結(jié)合效果之后下面將展示這種上課方式的優(yōu)勢(shì)。

強(qiáng)化語文課堂的直觀性。語文課堂使用全息投影和繪圖機(jī)器人結(jié)合后可以通過對(duì)文章文字的呈現(xiàn)讓學(xué)生直觀感受到作家所要表達(dá)的內(nèi)容，這種呈現(xiàn)是直觀且形象的，把抽象的文字具體化了，對(duì)學(xué)生理解掌握文章內(nèi)容和把握寫作手法有極大優(yōu)勢(shì)。

增加語文課堂的交互性。借助傳統(tǒng)的多媒體課件教學(xué)時(shí)，教學(xué)過程容易呈現(xiàn)預(yù)設(shè)化、呆板化的特點(diǎn)。而全息和繪圖機(jī)器人結(jié)合的課堂中，學(xué)生和視頻中人物交互，提高課堂的生動(dòng)趣味性，使學(xué)生的注意力能長(zhǎng)久地保持在課堂上。同時(shí)，學(xué)生在上課時(shí)也能進(jìn)行自我的探索，根據(jù)所體驗(yàn)的內(nèi)容結(jié)合自身實(shí)際，每個(gè)人都有自己不同的感觸。

提高語文課堂的體驗(yàn)性。學(xué)生先是以旁觀者的角度體驗(yàn)文中人物的經(jīng)歷，清晰真實(shí)地感受文章所描述的內(nèi)容，接著代替文中的人物以第一視角去體驗(yàn)文中人物的一舉一動(dòng)，兩次體驗(yàn)結(jié)合能幫助同學(xué)很好地了解所學(xué)課文表達(dá)的主旨和作者筆力的獨(dú)到之處，讓每個(gè)人有不同的體驗(yàn)感受。

3.2繪圖機(jī)器人和全息技術(shù)結(jié)合在語文課堂教學(xué)中的應(yīng)用

繪圖機(jī)器人和全息技術(shù)結(jié)合輔助語文教學(xué)的流程主要分為課前、課中、課后三個(gè)部分。

3.2.1課前

教師首先需要對(duì)所學(xué)內(nèi)容課文勾畫學(xué)生可能預(yù)習(xí)會(huì)遇到的生詞，并為他們注音，讓同學(xué)們能夠在課前閱讀課文，對(duì)文章內(nèi)容有大致的認(rèn)識(shí)。然后教師需要根據(jù)課文內(nèi)容進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)，結(jié)合自己的教學(xué)設(shè)計(jì)提出幾個(gè)簡(jiǎn)單的問題，讓同學(xué)們結(jié)合這些問題閱讀課文。以《背影》為例，設(shè)置的問題如下：本篇文章主要敘述了什么故事？本篇文章的線索是什么？你認(rèn)為本文的主題是想要表達(dá)什么？

最后教師將文章掃描進(jìn)入繪圖機(jī)器人，通過繪圖機(jī)器人進(jìn)行文章內(nèi)容劇情的創(chuàng)設(shè)。以《背影》為例，繪圖機(jī)器人是通過圖像和標(biāo)題數(shù)據(jù)集的配對(duì)訓(xùn)練來鍛煉其依據(jù)文本生成圖像的能力，進(jìn)而能夠?qū)⑾鄳?yīng)的文字描述與圖像進(jìn)行匹配。[8]訓(xùn)練完成之后教師將《背影》的文章導(dǎo)入繪圖機(jī)器人中，由繪圖機(jī)器人根據(jù)文字創(chuàng)設(shè)圖像并通過電腦程序?qū)⑺麄冞B接成為背影的故事。預(yù)想中能夠?qū)崿F(xiàn)要求的繪圖機(jī)器人的工作流程如下：

（1）將大量人物，情節(jié)，背景等圖片輸入繪圖機(jī)器人的數(shù)據(jù)庫中，作為后期匹配訓(xùn)練的基礎(chǔ)；（2）訓(xùn)練繪圖機(jī)器人由文本描述生成圖像的能力，并添加使用文本描述來判斷生成圖像真實(shí)性的代碼。（3）編寫程序?qū)⒗L圖機(jī)器人生成的圖像連接成完整的故事，并且添加適當(dāng)?shù)霓D(zhuǎn)場(chǎng)，使視頻更加流暢。

教師將所成故事導(dǎo)入全息信息庫中，用以作投影的素材。學(xué)生此時(shí)則是根據(jù)教師提供的生詞和問題通讀課文，即《背影》，去尋找問題的答案，對(duì)背影寫的送別故事進(jìn)行了解。

3.2.2課中

作者、背景介紹及課文熟讀。這一階段是課文的導(dǎo)入，首先是對(duì)朱自清的介紹。朱自清（1898-1948），字佩弦，江蘇省揚(yáng)州市人，是著名的散文家、詩人、學(xué)者和民主戰(zhàn)士。[9]第二步是對(duì)文章寫作背景的介紹，介紹朱自清此次與父親的道別是在回家奔喪之后進(jìn)行的，且此時(shí)其父親被解職，家庭狀況窘迫。第三步是老師帶領(lǐng)學(xué)生對(duì)《背影》課文進(jìn)行熟讀，讀后挑選同學(xué)回答課前問題，檢測(cè)學(xué)生讀文章初步理解。學(xué)生在這個(gè)階段跟著老師對(duì)《背影》進(jìn)行再次熟悉，在熟讀的情況下和小組同學(xué)探索課前問題的答案。

課文內(nèi)容投影。這一階段是對(duì)背影表達(dá)情感的體會(huì)。教師將事先存入庫中的完整故事視頻通過全息投影至空氣中。利用相干光干涉，記錄光波的振幅信息和相位信息，因此可以得到虛擬人物包含形狀、大小等的全部信息。[10]

人物交換以切身體會(huì)。教師首先分發(fā)可穿戴設(shè)備，讓同學(xué)們能夠和文中人物進(jìn)行交互。接著就買橘子的一段，挑選幾位同學(xué)作為視頻中朱自清的形象，做和他一樣的動(dòng)作，去親身感受文中的父親動(dòng)作的艱難，切身體會(huì)朱自清當(dāng)時(shí)的感動(dòng)。最后挑選另外的同學(xué)作為視頻中父親的形象，體會(huì)父親爬月臺(tái)的動(dòng)作，從動(dòng)作中窺得父親對(duì)兒子深切的愛與不舍。具體的交互流程如下：

首先教師讓學(xué)生穿戴觸覺反饋設(shè)備，通過這些設(shè)備和全息投影建立連接；接著將投影中的朱自清和他父親的幀數(shù)分別篩選出來刪除；最后重新播放投影，讓學(xué)生通過傳感器做相同的動(dòng)作和投影進(jìn)行交互。

文章寫作技巧總結(jié)及作業(yè)布置。在感受完文章表達(dá)的豐富感情之后教師對(duì)文章的寫作技巧，結(jié)構(gòu)，語言進(jìn)行分析總結(jié)。同學(xué)們?cè)谟H身體會(huì)過文章的語言魅力之后，會(huì)對(duì)文章的某些部分有所感悟。教師帶領(lǐng)大家去尋找自己感悟從何而來，并在語言和寫作技巧，結(jié)構(gòu)中找到依據(jù)。

在課堂的最后，教師布置作業(yè)，幫助學(xué)生更加深刻地認(rèn)識(shí)文章內(nèi)容。

3.2.3課后

教師批改學(xué)生的課后作業(yè)，對(duì)教學(xué)結(jié)果有所判斷。根據(jù)結(jié)果對(duì)課堂效果進(jìn)行總結(jié)反思，對(duì)繪畫機(jī)器人及全息投影技術(shù)的運(yùn)用有所改善。

學(xué)生根據(jù)錄制的上課視頻對(duì)課堂內(nèi)容進(jìn)行復(fù)習(xí)總結(jié)，再次感悟。之后完成課后作業(yè)，對(duì)課堂不懂的內(nèi)容進(jìn)行補(bǔ)充。

3.3對(duì)繪圖機(jī)器人和全息技術(shù)結(jié)合在語文課堂教學(xué)中應(yīng)用可能存在的問題

繪圖機(jī)器人技術(shù)未能研究完全，對(duì)機(jī)器的訓(xùn)練存在較大隱患；圖片連接成故事存在技術(shù)障礙，可能會(huì)卡頓，邏輯存在問題；創(chuàng)造出來的形象可能較為呆板，缺少課文中形象的立體感，對(duì)學(xué)生的感受產(chǎn)生影響。

全息技術(shù)可能會(huì)引發(fā)急性視覺疲勞，使用后可能會(huì)眩暈，視線模糊；投影的效果可能不是百分百真實(shí)，會(huì)讓學(xué)生產(chǎn)生虛假感；全息技術(shù)研發(fā)不夠成熟，還未能直接投影在空氣中，需要借助空氣膜等介質(zhì)；技術(shù)成本較高，難以引入教育也難以在全國范圍內(nèi)普及。

參考文獻(xiàn)

[1]張鵬濤.傳感器原理及其在測(cè)試中的應(yīng)用[J].通信電源技術(shù)，2019.

[2]“科普中國”基本原理.baike.baidu.com.Retrieved 2018.5.27.

[3]http：//www.smone.cn/news/535.html.smone. Kinect體感互動(dòng)系統(tǒng)介紹_NUIWIN體感互動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)[EB/OL].

[4]薛飛躍.基于觸覺反饋的沉浸式虛擬仿真資源設(shè)計(jì)與研究[D].華中師范大學(xué)，2018

[5]嚴(yán)輝，蔡志龍.CPC分類號(hào)減少檢索對(duì)關(guān)鍵詞依賴[J].科學(xué)技術(shù)創(chuàng)新，2019（33）：86-87.

[6]Sarah Perez. Microsoft’s new drawing bot is an AI artist.[EB/OL]. TechCrunch.2018.01.18

[7]360百科.https：//baike.so.com/doc/5339743-5575186.html

[8]Sarah Perez. Microsoft’s new drawing bot is an AI artist.[EB/OL]. TechCrunch.2018.01.18

[9]張禹可.3D全息投影技術(shù)原理及應(yīng)用[J].通訊世界，2018.08.

[10]杜珂瑀.全息技術(shù)的原理及其應(yīng)用現(xiàn)狀[J].通訊世界，2019.02.