手机AR 技术在远程教育中的应用研究

2022-04-13栾婷婷

科技视界 2022年7期

栾婷婷

（沈阳开放大学，辽宁沈阳 110003）

0 引言

近年来，虚拟现实教学得到政府的高度重视，教育部在《2019 年教育信息化和网络安全工作要点》中提出要“推动大数据、虚拟现实、人工智能等新技术在教育教学中的深入应用”。其中，虚拟现实技术为教育发展带来全新机遇。但由于虚拟现实提供场景为纯虚拟的，模型及程序构建费时费力，且需借助虚拟设备呈现，难以普及。增强现实（AR）技术是由Tom Caudell首次于1990 年首次提出的，是在虚拟现实的基础之上产生的。它能够将计算机生成的虚拟信息叠加应用到真实世界，并将虚拟信息和真实信息进行融合后在显示设备上完美呈现，从而实现对现实世界中真实信息的增强，实现更佳的视觉体验。近年来，随着5G 通信技术的快速发展，AR 技术已逐步渗透到工业、游戏、军事等领域，并且取得了一定的成效。同时，增强现实技术的三维性、交互性和趣味性等技术特点与其在教育方面的应用需求十分契合[1]，能够对当前面对的一些痼疾提供新颖和有效的解决方案，因此AR 技术在教育方面的应用受到越来越多的关注。

目前国内外关于AR 技术的研究主要集中在高校和科研单位，北京理工大学光电技术与信息系统实验室将圆明园未被破坏前的场景叠加到真实的圆明园废墟上，重现其繁华场景。上海大学与浙江大学合作开发AR 场景光源的实时检测和真实感绘制框架。诺丁汉大学开发的两款产品Illumimory 和Invisibilia 具有 AR 阅读提醒的功能[2]。 Shelton 和 Hedley 用 AR 进行九大行星的教学实验。 Augmented Chemistry 利用AR 打造一套化学分子式辅助教学系统，等等。

1 手机AR 技术在远程教育中的需求性分析

现代远程教育是以电子信息技术为背景、以网络通信为主要传播途径的网络教育模式，具有师生时空分离而又交互共享教学资源的基本特征。远程教育经历了函授、电信会议、计算机基础三个阶段，至今已成为教育模式中的重要组成部分，突破了传统教学在时间和空间上的限制，向着综合性、开发性和交互性的方向发展。其在发展过程中经历了板书形式、多媒体形式，随着增强现实技术的逐渐普及，有望向“AR 模式”这种新的教学形式进发。对AR 技术在远程教育中的应用进行研究，相对于传统教学有显著的进步与价值。它将传统沉闷和低效的课堂，变得更加活跃，从而创建智能教学方法。远程教育的受众人群是多层次多类型的，他们面对的主要障碍是“工学矛盾”，时间有限且零散，尤其是在疫情背景下，更需借助方便的远程教育方式解决学习者的学习问题。智能手机作为便捷的移动设备，能够最大限度地满足学习者随时、随地进行课程学习与实时交互。

在远程教育教学过程中，有一些课程内容抽象、结构复杂，以建筑设计课程为例，传统的建筑设计课程依赖于建筑理论与效果图、三维模型等，无法演示建筑从无到有的实际创建过程，学习者仅通过观看平面图片或二维视频学习，难免有抽象晦涩之感；而远程课堂一般不像面对面授课一样，可以随时发问，随时解答，这势必给学习者尽快理解课堂知识难点造成障碍，对课堂效果和学习效率产生影响。而若将AR 技术融入课程资源中，以智能手机为载体，学习者可观看3D 虚拟场景覆盖在建筑图像上，模拟相应的建筑结构与建筑环境，观看建筑各个部分的实景建造，并可与建筑模型360°实时交互，将复杂的知识点清晰化，具体化，给人一目了然之感；同时增加课堂的活跃度，显著提升学习者的积极性与效率，也为学习者打造良好的基础。

2 基于手机AR 技术的建筑设计课程的开发与实现

2.1 AR 技术交互知识点选取

为了深入阐述基于手机AR 技术的远程教育的应用研究，本文特以建筑设计课程为例,将AR 技术融入课程资源中。首先，利用当前教学模式就能够起到良好教学效果的知识点是无须增加AR 技术融入的，为了使AR 技术充分发挥效果，必须对远程教育的建筑设计课程中的知识点进行筛选，找出学习者在学习过程中普遍感受到的空间感要求高、难度比较大、当前课程描述较为晦涩难懂的，并通过AR 技术的融入能够提高教学效果的知识点。经过调查和分析，最终选取了“萨伏伊别墅的设计”这一知识点作为 AR 技术交互的对象。萨伏伊别墅层与层之间过渡复杂，空间布局多，立面设计丰富，在这一知识点的讲解过程中，学习者往往对其知识点的描述理解不够到位，无法多角度、更直观地体会别墅的设计特点，难以产生准确的空间想象感；而通过AR 技术的融入，可以将这一设计通过建筑生长的效果表现出来，通过模拟建筑的设计和建造过程，使学习者多角度、直观地了解到建筑由外而内的各个环节，了解设计思路、施工步骤和建筑结构，使建筑的展示清晰明了。

2.2 AR 知识点的设计和研发

2.2.1 AR 知识点的设计

AR 知识点的设计利用三维建模软件——草图大师SketchUp 来完成。该软件是目前市面上比较常用的绘图软件，它可以方便、快速地创建、观察和修改三维创意，采用该软件可以制作三维渲染动画，在建筑设计、工业设计等方面应用非常广泛。在本设计中，采用SketchUp 软件制作萨伏伊别墅模型，从平面图开始，由浅到深、由下至上构建萨伏伊别墅模型，从建筑最基础框架到贴完材质的效果图，每一个阶段都生成对应的模型图，构建模型库，并进行渲染。

2.2.2 AR 知识点的研发

AR 知识点的研发主要依靠Vuforia 插件和Unity3D 软件。其中Vuforia 插件是AR 开发工具中的一种，可作为Unity3D 软件的插件导入，操作简单，使用方便。 Unity 3D 作为三维视频及建筑可视化3D 开发平台，是一个跨多平台的综合型开发工具，可以在Windows 和Mac OS 等多个平台运行。Unity3D 可将程序发布到 Windows、Mac、HTML5、iPhone 及安卓平台等，极大的满足学生和不同类型客户端的需求。

首先，利用Vuforia 官网创建数据库，将萨伏伊别墅平面图与三维立体图一一对应，例如，扫描别墅平面结构图时能够自动生成别墅的三维结构模型、扫描别墅平面效果图时自动生成别墅三维效果图，并生成AR 程序。其次，将AR 程序以插件的形式导入Unity 3D 软件中，并进行编程与调试，在程序脚本中添加对模型的360°旋转、放大、缩小等功能，完成交互部分的程序设计。

2.2.3 基于手机的可执行程序生成与调试

基于手机端可执行程序的开发，也主要利用Unity 3D 软件。通过Unity 3D，可以生成手机可读取并使用的文件，以安卓手机为例，生成*.apk 文件。将AR模型和其他教学素材资源存放于程序内，将*.apk 文件导入手机中，在手机文件中找到该安装文件，完成安装。通过反复调试，确保程序在手机端使用的稳定性。学习者在学习“萨伏伊别墅的设计”这一课程时，就可以通过扫描平面图的形式，使3D 虚拟场景覆盖在建筑图像上，让学习者在360°模拟真实场景下进行学习，并可以用手指轻触屏幕，对建筑模型进行放大、缩小等操作，提升交互体验，丰富学习者的视觉感受，增强学习效果。