增强现实技术及其在高校教学中的应用

周龙锋+匡芳君

摘要：增强现实是一项能让虚拟增强现实的应用技术，它注重将虚拟物体与真实环境相结合的新兴技术。增强现实对高校的教学产生了深远影响，如何通过技术应用对教师的教学方式进行创新，对新型教学模式进行探索以及建设智能化高校成为许多资深教育者研究的新方向。该文简述增强现实技术概念，分析其关键技术原理，重点探索其在高校教学中的应用。

关键词：增强现实；新兴技术；高校教学

中图分类号：TP391 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）32-0228-02

1 概述

近年来，随着科学技术不断发展，智能移动设备和网络技术也在迅速普及，增强现实技术在教育、社交、娱乐等方面的需求日渐增长，并慢慢渗透到人们的日常生活中，这为增强现实技术在高校教学应用中的普及提供了新的途径。高校教育利用增强现实技术，结合自身优势，进行创新融合，高校教学内容变得多样化。高校教学的最终目的是为国家和社会培养出创新型和高素质人才，在这个背景下，以增强现实技术为基础设施和创新要素，激发了教师与学生传授知识和接收知识的热情，为创新高校教学应用更进一竿。增强现实技术能够为高校教学应用带来教育技术和高校教育体系的创新，以及改变传统的教学模式，对高校教学应用产生深远影响。

2 增强现实关键技术分析

2.1 增强现实技术

增强现实技术（Augmented Reality，AR）把现实世界的一定时间空间范围内难以体验到的实体信息，通过计算机系统特殊处理后将生成的虚拟三维模型动画、视频、图片、文字等数字信息实时叠加显示到真实场景中，将虚拟的信息应用到真实世界，对真实世界进行填补，在虚实结合的交互中不断加强用户对真实世界图像或空间的视觉、听觉、触觉等感官方面的体验，从而使人们感受到超越现实的感官体验。

2.2 增强现实关键技术

增强现实技术大部分是通过计算机模拟仿真实体信息后叠加多个虚拟图像，然后将其放入现实场景或图像中。其关键技术主要有显示技术、跟踪和定位技术、界面和可视化技术和标定技术四大类。

显示技术：显示虚拟图像与现实环境叠加出来的影像，其主要是为了让用户在使用时能有良好的立体感体验。目前，用于AR的显示器有头盔式显示器 （Head-Mounted Displays） ，投影式显示器 （ Projection Displays） 和手持式显示器 （Hand-Held Displays）。此技术需要用户运用相应的头盔显示器，把现实场景中的图像与计算机图形叠加整合到一块，就能够看到真实的场景环绕于四周。

跟踪和定位技术：考虑到人在现实世界中保持不动的可能性很小，那就需要增强现实技术实时精准地追踪用户行动的方位，同时获取到用户的视场方向。此技术主要通过对用户视点和视场的追踪来确定交互操作所涉及动作的追踪定位，以及当前视域中目標物以及用户视点的位置和朝向。

界面和可视化技术：如果要让用户同现实世界里的虚拟图像十分自然地进行交互是有一定难度的，所以用户如何同增强现实技术进行交互时更加自然并且如何有效地在头盔、投影仪和移动设备等工具上传输相应的数字信息是一项关键的技术。此技术主要通过计算机图形学和图像处理技术，对用户视觉感知的场景中具有的形体信息进行操作，与计算机直接进行交流，把测量的数值、图像等数字信息转化为直观的、随时间空间变化的物理现象。

标定技术：为了获取用户视场和移动轨迹，要求增强现实技术一定要进行足够的标定。目前，主要通过摄像机完成标定，也有一部分标定需要手动完成。该技术主要通过建立标定物上坐标已知的点及其图像点之间的对应，运用设定好的算法获得相机模型的内外参数，达到标定用户视场及其移动轨迹的目的。

3 增强现实技术在高校教学中的优势

增强现实能为师生提供身临其境的学习情境。增强现实技术最大的特点就是虚实结合，通过计算机将处理过的数字信息与其他数据信息整合到用户可见的现实场景中，凭借虚拟物体来增强用户的真实感受，使教师和学生在高校课堂教学中有形象逼真的学习情境，学生能够更好的主观接受知识。

增强现实有利于提升学习者对于知识的感知，并且改变了教师和学生传统上课及学习的方式。由于人们总是会对运动中的事物更加兴致盎然一些，而学生则在课堂和学习上更愿意接纳这样的事物。从增强现实的概念中不难看出，增强现实就是要通过虚拟物体来增强用户的真实感受，使用户有身临其境的感觉[1]。增强现实的运用就是为了借助虚拟事物，使其呈现出生动活跃的状态，让教师和学生怀着强烈的好奇心和热情参与到有趣的课堂和学习中。

增强现实可增加师生间的互动。AR技术的3D定位技术对于智能手机、摄像机等读取设备没有严格的距离和角度要求，这让学生在课堂上可以及时获取信息，并且教师还能通过3D定位设备，获取被追踪学生的先验信息，利用视觉信息处理技术获取的模型信息，与输入的数据进行匹配，确定学生所在空间的状态，可以即时追踪学生的上课时的学习情况。

增强现实有助于培养学生的三维空间想象力。AR技术和真实环境相结合所读出的3D模型可以由目标图片或物体来控制移动和旋转，这使得教师可以通过更多的方式来与学生进行交流互动，这在原本二维的课本中是做不到的。增强现实的应用则将那些抽象的存在转设成具体的场景，虚拟的事物与真实的事物实时同步，并且以实时交互的方式呈现给学生，学生可以很真实地和教师简洁形象地互动，真切感受虚拟空间中的虚拟事物，有利于培养学生的三维空间想象力，加强学生对知识的理解深度。

4 增强现实技术在高校教学中的应用

增强现实技术克服了在普及高校学科教学应用方面的约束，其交互性、实时性、真实性和情境性等特点，给予了高校教师新的教学应用资源。增强现实的教学工具更加便携，使用更加简单，其不单单能够作为趣味生动的教学用具对高校学生的自主构建知识体系以及认知学习有很好的指导性作用，并且作为新的教学资源可以帮助教师对旧的教学方式进行创新，将书本或是多媒体网络资源的知识具体化呈现在学生眼前。在高校课程理论教学中，这种立体化的教学用具不仅能够激发学生上课和学习兴趣，提高学生在课上与课后线下自主学习的效率，还能使高校教师教学方式更加丰富多彩，对减轻学生学习压力，优化课堂教学具有促进作用。如学生使用头戴式显示器，直观接触文人科学家的笔墨，数字显示屏带来清晰的图像和文字，使得学生更加深刻理解知识及其内涵。在实验教学中，具象化的教学用具能够让二维平面的知识点转化为三维虚拟场景，学生可利用移动设备反复演练课标上的重要实验，教师也可在课上或远程指导学生，弥补现实设备的一些不足。不难预测，增强现实在高校的教育教学领域的潜力是巨大的，其机动的适应性和灵巧性为网络教育和移动学习在高校的教学应用方向上提供了新的方法。目前，增强现实在高校教学中的应用主要有以下几种方式。endprint

4.1 数字图书馆与3D互动式立体书籍

数字图书馆利用射频识别以及指纹识别实现了室内追踪，利用移动数据网络与电子指示仪实现室外方位信息标定，接着通过增强现实技术进行叠加场景，形成还原场景的效果。其借助二维码识别系统，识别和定位虚拟场景的物体，学生则能够借助移动设备扫描二维码来得到相对应的位置信息。而若用户需要查找数字图书馆的具体文献资源，AR增强现实技术体系也可以根据用户的位置信息，及时将具体的路线推送至用户的移动终端，并将现实服务资源与虚拟馆内的物体链接起来，以帮助他们迅速获取所需的资料[2]。

相对于传统书籍，3D互动立体书可使学生持久地集中注意力，进行高效学习，让学生有如身当其境。3D互动立体书利用文理工科等教学内容，运用增强现实技术、三维影像制作以及光学动作捕捉等新兴技术，营造出身临其境的阅读场景，让学生能够在轻松的氛围中接受专业知识及课外知识。立体书籍最大的意义就在于，给学生营造逼真的虚拟空间，极大地提升学生学习的趣味性。

4.2 公式与定理模型化

理科和商科是高校学科中相对困难的学科，其知识点之间有较强的逻辑性和关联性，大多触及模型、实验和公式等。教师在教学过程中一般选取口头表述定理的推导和依赖多媒体课件来呈现知识点，许多学生发现不了知识点之间的关联，综合应用能力就难以增强。通过增强现实技术相应的教学资源和设备，将定理的变化和推导流程以三维导图的方式展示，再通过实时交互来微调其中数值的变化，使学生感受到模型导图和公式的实际运用。如立体几何教学中，根据三视图唯一的原理利用AR技术将2D图形与3D直观图形相结合，免去传统教学中手工制作模型的麻烦，这一类的应用展示了AR在几何学科应用中的巨大优势[3]。

4.3 创设教学情境

通过增强现实技术的虚拟投影可以跨越时间与空间的限制，使人文历史事物能够在三维空间再现。文科的很多知识是零散的、不连续的、非逻辑性的，常常缺乏系统性归纳，对一些应试课程而言，单独去记忆这些知识比较费时费力，且记忆效果不理想，学生学习的包袱加重。此时教师不妨在课堂上运用增强现实技术的设备和资源，帮助学生提高记忆效率，通过深入理解和归纳知识点，加快对知识点的记忆，便于回忆，让学生在活泼生趣的课堂氛围中体会艺术与人文科学教育的文化素养。比如教师对太阳系知识时，师生可以将多种技术结合，包括使用投影机、网络摄像机和虚拟三维建模包观察和旋转一个虚拟的3D星球模型，以了解地球和太阳、白天和黑夜[4]。

4.4 实验操作流程化

实验教学可以提升学生分析问题和实验实践的能力。在理工科教学中，教师对教材中的实验和实践教学环节是不可或缺的，通过利用增强现实技术，学生可以利用三维虚拟实验仪器的交互功能反复进行实验，没有空间和时间的限制，在课上和课后都能够完成实验的操作。并且对于小部分现实条件不支持的实验，如化学学科中的同分异构体，学生可以借助增强现实技术模拟的元素、分子和原子等模型进行任意组合，观察乙醇和甲醚在三维视角下的区别，促进学生对同分异构体及其运用的理解。

4.5 移动学习

增强现实将虚拟世界的信息和现实世界物体融合于同一时空，二者相辅相成，学生可以全身心处在这样一种实时同步无缝融合的场景下学习。通过移动设备的显示输出，在教学中借助增强现实技术的场景增强方法，学生可以在课堂上利用数字化場景体验眼前的场景。利用智能手机和平板等移动设备可以把课堂课外环境随时随地转变成学习资源，有效促进学生对隐性知识到显性知识的快速转化，学生不再拘泥于在课堂上接收知识，更能够拓宽学生的视野，有利于学生自身发展。借助移动设备上的摄像头来识别二维码、图片等标识物，同时辅以3D图像以及多媒体技术信息映射到移动设备的屏幕上面，能够有效实现增强现实物体的目的，在当前主要运用在理解概念和实践操作方面，具体表现为增强现实课本、在博物馆开展学习、外语学习等三个方面[5]。另外借助方位进行增强现实教育，即借助移动设备的无线局域网、摄像头、电子罗盘和传感器等技术，判断学生所在环境，同时在设备屏幕上显示一定的学习内容，供学生运用在当前的课程学习上，以增强学生学习体验的目的。

5 结束语

增强现实技术在高校教学中的应用体现了人们对接受教育的方式和质量有了更高的需求。教育领域对增强现实的研究不该只是关注增强现实技术自身，更为关键的是教育者和学生如何运用设备和资源进行高效的学习，研究其如何将增强现实开发的教学应用资源有意义地渗透到高校教学应用中，倡导素质教育和塑造创新型的人才才是我们在教学中亟待推进和解决的问题，其教育理念对高校创客教育和STEAM教育体系的促进具有重要作用。

参考文献：

[1] 周俊平，侯守明.增强现实技术及其教学应用的探索[J].信息与电脑，2016（3）：217、219.

[2] 付佳.增强现实技术在数字图书馆服务创新中的应用[J].图书馆学刊，2014（4）：120-123.

[3] 蔡苏，王沛文，杨阳，刘恩睿.增强现实（AR）技术的教育应用综述[J].远程教育杂志，2016（5）：27-40.

[4] 周森.增强现实技术及其在教育领域的应用现状与发展机遇[J].电化教育研究，2017（3）：86-93.

[5] 周俊平，温守坤.增强现实技术在移动学习中的应用刍议[J].电脑知识与技术，2016（3）：185-186.endprint