基于混合现实技术的精准高效教学模式研究

刘丽娟 郑轶 张程

【摘 要】混合现实（MR）技术有效推动了数字媒体艺术创作形式的创新发展，实现了创新水平与效率的提高。传统的课堂教学模式已经无法满足目前教学需求，因此本次研究将运用MR技术，为改善现有的课堂教学模式提供一种新的解决方案。基于混合现实技术、数字媒体艺术相关概念，进行理论与实践分析，对促进混合现实技术的应用水平，推动数字媒体艺术创新具有重要现实意义。

【关键词】混合现实;精准高效;教学模式

【中图分类号】G642       【文献标识码】A

【文章编号】2095-3089（2019）06-0014-01

随着时代进步，互联网、物联网、虚拟现实、云计算、大数据、人工智能等信息技术不断涌现，正在深刻地改变着我们的生活、工作和学习方式。信息技术在教育领域可以得到更为广泛地应用、深度地融合。混合现实（Mixed Reality，简称MR）技术在数字媒体艺术专业中的应用，则充分认证了这一观点，信息化技术、网络虚拟化技术的使用进一步丰富了数字媒体艺术形式，为数据媒体产业的创新与可持续发展指明了方向。基于混合现实技术的教学已经成为加强实践教学、提高教学质量的重要手段，成为传统实验教学、实践教学的一种有效的补充，能够实现教学的高效精准。[1]

一、混合现实（MR）技术

混合现实（Mixed reality）包括增强现实（Augmented reality）和虚拟现实（Virtual reality），是合并现实和虚拟世界而产生的新的可视化环境。在新的可视化环境里物理和数字对象共存，并实时互动。混合现实是在VR和AR兴起的基础上提出的一项概念，可视为VR和AR的增强版。[2]

美国率先将VR技术运用到教师教育领域，其典型是中佛罗里达大学的混合现实教学实训系统（TeachlivE）。该系统通过VR技术创设一种虚拟和现实相结合的混合虚拟环境，让师范生沉浸于一种完全“真实”的课堂环境中，训练其教学技能、管理技能和反思技能等教育教学核心素养，以强化现实环境中教师教育实践和反思的薄弱环节，促进教师培养质量的大幅度提高。[3]

《中华人民共和国国民经济和社会发展第十三个五年规划纲要》中指出：“大力推进先进半导体、机器人、增材制造、智能系统、新一代航空装备、空间技术综合服务系统、智能交通、精准医疗、高效储能与分布式能源系统、智能材料、高效节能环保、虚拟现实与互动影视等新兴前沿领域创新和产业化，形成一批新增长点。”基于混合现实技术的教学依托混合现实、虚拟现实、多媒体、人机交互、数据库和网络通讯等技术，构建高度仿真的虚拟实验环境和对象，学生在高度仿真的虚拟环境中开展实验、实践，达到教学大纲所要求的教学目的。

二、MR技术在高效精准教学模式中应用的优势

基于MR技术的精准高效教学模式对于传统的教育模式有着巨大的冲击，对于现行的教育信息技术也产生了一定的影响。面对现代教育过程中所存在的诸多现实问题，构建合理科学完整的基于MR技术的精准高效教学模式，在神经外科专业教学中具有以下优势：

1.高效精准解决学生主体的学习诉求。

神经外科专业学科门类繁杂，教学内容庞大，尤其对解剖结构的立体构型和手术操作的精准把握要求较高。传统的教学模式更多的以文字描述为主，结合图片案例进行讲述，对缺少实践经验的学生来讲，不仅会感觉枯燥乏味，同时也不能有感同身受的共鸣，增加了学生知识掌握的难度。在实践训练中，往往很多病例，无法让学生在患者身上操作，仅能在一些模拟人体的生物材料上练习，同实际操作相差较大，很难让学生有手术的压力感和紧迫感，更无法形成牢固记忆。基于MR技术，可以将静态的文字、图片读物立体化，增加阅读的互动性、趣味性和真实感，创设现实情境，通过3D模型使抽象的学习内容变得形象化、微观的学习内容变得可视化、复杂的学习内容变得简单化，帮助学生理解和识记抽象的概念。

2.职业情境的模拟还原。

神经外科手术要求操作精细、准确、手术创伤小，需要系统的术前设计讨论、准确术中分析定位及完善的术后评价。而学生很难在短时间内熟练掌握，并得到亲身操作机会，往往是初窥门径，浅尝辄止。利用MR技术构建的全息模型可以在术前设计、术中定位分析及术后效果评价上大幅度提高教学效率和教学效果，使学生共享全息视野，更好地参与到手术的各个环节中，这种沉浸式的交互体验的职业情景有利于学生快速进入职业状态。

3.构建数字化教学数据库，实时更新教学资源。

在神经外科专业教学中，构建立体解剖数据库，实现移动智能终端的交互设计及展示方式，供学习实时查阅学习，提高学生的学习效率。建立好数字化教学数据库后，可以对数字资源的信息管理结构进行可持续性优化，从学科教学的角度加强学科数字资源的利用性与传播性。

三、MR技术在高效精准教学模式中应用存在的问题

1.混合现实设备在应用中存在眩晕的问题。

目前混合现实设备的代表产品有微软HoloLens，其主要硬件由全息处理单元（CPU、GPU、HPU）、光学投影系统（Lcos 微投影仪、光导透明全息透镜）、摄像头与传感器部分（6 个摄像头、惯性传感器、环境光传感器等）、存储部分、其他部件（耳机、麦克风、电池、结构件）等组成。学生戴上HoloLens，可以不用键盘、鼠标和显示屏幕，直接使用双手在空气中操作，即可完成现在人们在电脑和手机上的所有操作，悬空操作即可完成机器人的3D建模设计任务。[4]

但是，从硬件结构来看，由于现在的科技还无法做到高度还原真实场景，用户使用配置达不到要求的虚拟现实产品时会产生眩晕感。虚拟现实界面中的视觉反差较大，实际运动与大脑运动不能够正常匹配，影响大脑对所呈现影像的分析和判断，也会产生眩晕感。还有虚拟现实设备帧间延迟跟不上人的运动，会有微小的延迟感，当感官与帧率不同步时也会让使用者产生眩晕感。

2.基于MR技术的数字化教学内容存在制作周期较长的问题。

虚拟现实产业刚起步，虽然近几年软硬件设备逐步完善，但开发人员和制作人员有限，成为导致基于MR技术的数字化教学内容制作周期较长的主要原因。课程资源短缺是推广的最大瓶颈。但伴随着虚拟现实的迅猛发展，未来混合现实技术在教学中的应用势必带来课堂教学方式的颠覆性改变。

四、结语

未来科技创新方向聚焦在人工智能、大数据分析与虚拟教育上。混合现实技术将会结合更多的高新科技元素，如互联网、物联网、虚拟现实、云计算、大數据、人工智能等，未来的混合现实技术在教育领域的发展景也将会越来越广阔。它带给我们的不仅仅是一个技术平台或学习工具，它所孕育出的新型的教学模式和教学方法将广泛地应用到课堂教学中，对于贯彻落实教育部关于“发展未来学校”和“智慧课堂改革”的设想有重大意义。MR技术能够将虚拟对象与真实环境相融合，通过其较强的交互性能给学生带来更多的学习乐趣，并为学生提供一种新的学习媒体和学习体验，促使学生在愉悦的状态下进行移动学习、自主学习、项目学习，能让学生通过自主探究、跨界融合、团队协作、开拓创新来提升核心素养、职业素养。让混合现实技术与教育完美结合，将为开启未来教育创新之路做出巨大贡献。

参考文献

[1]郑轶.欠发达地区基于互联网+的新媒体美术教育平台探讨[J].大众文艺.2017.17：194.

[2]郑轶.MR数字化可视艺术与文物保护[M].文化艺术出版社，2017.6.

[3]George Pagagiannakis. Mixed Reality and Gamification for Cultural Heritage，2017.

[4]王同聚.虚拟和增强现实（VR/AR）技术在教学中的应用与前景展望[J].中国电化教育，2017.3.