增強現實技術在教學中的應用

摘 要 增強現實技術是近年來逐漸發展起來的新興研究領域。介紹增強現實的概念、發展現狀、特點和工作原理，并對其在教學中的應用方式進行探索。

關鍵詞 增強現實技術；虛擬現實；立體書籍

概述

增強現實技術（Augmented Reality，AR）是由虛擬現實發展出來的新研究領域，是一種將計算機產生的虛擬信息與真實環境進行融合的技術。增強現實不是把使用者與真實世界隔離，而是將計算機產生的虛擬信息疊加到真實場景中，構造出虛實結合的空間，其中真實物體和虛擬對象是共存的，可以互相增強或互為補充。學生的心理特點是易于接受直觀形象的事物，喜歡趣味性學習。根據建構主義的學習理論，創建學習情境是提高學習興趣的關鍵，知識不單是通過教師傳授獲得，更重要的是通過在學習情境中主動構建事物之間的內在聯系來實現。增強現實技術憑借聲音技術、三維影像、動漫制作和用戶交互，為學生提供一個三維的虛擬環境，讓學生身臨其境一般，通過與虛擬場景交互獲得知識，從而激發學生的興趣與積極性，提高學生的學習效率。

增強現實技術發展現狀

增強現實這一概念最早出現在波音公司的Tom Cauden等人設計的一個輔助布線系統中。該系統依靠光學透視頭盔顯示器把由簡單線條繪制的布線路徑和文字提示信息實時地疊加到用戶的視野中，疊加的這些信息可以幫助用戶逐步地完成拆卸過程，以減少用戶在日常工作中出錯的機會。增強現實技術自問世以來，國內外許多大學實驗室和研究機構都對增強現實技術充滿興趣并進行了研究，取得了許多成果，這使得AR技術越來越成熟，應用也越來越廣泛。

美國麻省理工大學的Al實驗室利用增強現實技術將核磁共振或CT掃描成的3D圖像疊加在病人的身體部位，通過頭盔顯示器等顯示設備擴展醫師的視野，使醫師能實時地掌握病人身體部位的信息。在醫學領域的應用上，增強現實系統還可以通過圖像或文字信息的疊加，為醫師提供精確的手術導航，醫師根據提示逐步完成手術操作，可以大大提高手術的成功率。

自波音公司將增強現實技術應用于輔助布線系統后，增強現實技術在機械制造領域內應用日趨成熟，哥倫比亞大學的Feiners研究組應用增強現實技術進行了激光打印機的維修跟蹤。另外，該研究組還將增強現實技術用于汽車門鎖的安裝，通過圖像疊加逐步地指導毫無經驗的用戶進行門鎖的安裝，在安裝過程中用戶還可以通過語音識別系統與計算機進行交互式對話。

國內很多院校對增強現實技術進行了追蹤研究，都取得了顯著的研究成果。其中北京理工大學王涌天教授等人利用增強現實技術，成功地對圓明園相關遺址進行了復原。目前，己經研制出了可供演示的定點觀察式原型系統，用戶視野通過該系統在圓明園相關遺址的基礎上進行復原增強。

增強現實技術有著巨大的應用潛力和價值，隨著硬件設備和軟件技術的發展以及對增強現實技術研究的不斷深入，它必將會得到更廣泛的應用。

增強現實技術的特點及其工作原理

增強現實技術主要具有3個特點

1）虛實結合。增強現實技術是把虛擬環境與用戶所處的實際環境融合在一起，通過對現實環境的增強來強化用戶的感受與體驗。

2）實時交互。增強現實技術最大的特點就是虛擬世界和真實世界的實時同步。它提供給用戶一個能實時交互的虛實結合的增強環境，使用戶可以在現實世界中真實地感受來自虛擬空間的事物，從而增強使用的趣味性和應用性。

3）三維注冊。在增強現實系統中，要實現虛擬對象和真實環境的融合，首先要將計算機產生的虛擬物體顯示在現實世界中的正確位置，這個定位過程稱為注冊。注冊是為了使用戶在真實環境的運動過程中保持虛擬場景在真實環境中的存在性和一體性，三維注冊效果的好壞直接決定增強現實系統的成功與否。

增強現實系統的工作流程分為4個步驟：1）獲取真實場景信息；2）對真實場景和場景位置進行分析；3）生成虛擬景物；4）合并視頻或直接顯示。這種方式首先利用視頻流中的標志物獲得場景位置信息。然后圖形系統根據相機位置和從真實場景中獲得的定位信息計算虛擬物體坐標到相機視平面的仿射變換，通過變換矩陣在視平面上繪制虛擬物體。最后依靠輸出設備合成場景。

顯示技術、跟蹤與定位技術、交互技術是實現一個增強現實系統的基本支撐技術。顯示技術：它是增強現實系統中的一項關鍵技術，其主要任務是將計算機生成的虛擬環境和用戶周圍的環境融為一體，使用戶從感官效果上確信虛擬環境是其周圍環境的組成部分，目前用于增強現實系統的顯示器主要包括頭盔式顯示器（HMD）、手持顯示器和投影顯示器等。跟蹤與定位技術：為了實現交互，增強現實系統需要進行定位，準確跟蹤用戶的位置和視域方向，以確定用戶的觀察點和計算機生成的虛擬物體在三維場景中的準確位置，視頻檢測、光學系統、GPS、超聲波、陀螺儀等是目前經常使用的跟蹤技術。交互技術：增強現實技術的目標之一就是實現用戶與真實場景中的虛擬信息之間更自然的交互，它通過跟蹤定位設備獲取數據以確定用戶發出的對虛擬信息發出的行為指令，并對其進行解釋，給出相應的反饋結果。

增強現實在教學中的應用

2010地平線報告基礎教育版明確指出，增強現實技術將會在2014～2015年間，成為基礎教育中的技術主導。增強現實技術為發現學習打開了一扇門。通過電腦技術，將虛擬的信息應用到真實世界，真實的環境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個畫面或空間同時存在。增強現實技術提供了在一般情況下，不同于人類可以感知的信息。它不僅展現了真實世界的信息，而且將虛擬的信息同時顯示出來，兩種信息相互補充、疊加。

筆者通過對增強現實技術的研究，認為它在教學中可以有以下幾種應用。

運用于歷史、科學等課程的教學

增強現實技術在提供強有力的、情境化的、偶然感受到的學習體驗方面擁有巨大潛力，因此它特別適合應用于歷史、科學等課程的教學中。歐盟資助的iTacitus項目就是一個運用增強現實技術實現歷史教學的典型案例。學習者可以對一個歷史遺跡進行不同歷史階段的游覽，通過層層疊加，了解該歷史遺跡的歷史變遷，將抽象、靜止的歷史教學轉變為具體的、動態演進式的引人入勝的學習過程，從而激發學習者的探索興趣。

筆者通過與小學科學老師交談，了解到由于小學生的認知能力有限，老師在講授地球自傳、公轉現象時學生很難理解，筆者利用增強現實技術創建了一個地球自轉、公轉的虛實結合的場景，學生如身臨其境，原本抽象的概念直觀地呈現在眼前，大大地提高了學習效率和激發了學習興趣。

實驗技能培訓

在前面的內容中，筆者已經提到增強現實技術在手術導航、機械維修和安裝等方面有很多實際應用。同樣，我們可以將其移植到學科實驗教學中來。比如在進行實驗時，在頭盔顯示器中疊加上與實驗操作相關的提示說明，使學生在指導下逐漸地掌握知識技能。

學前教育

在幼兒園教學中，通過情境創設和學習內容的三維多媒體形式展現，使教與學的過程成為幼兒有趣的教學活動，可以極大地激發幼兒的學習熱情和學習的積極性。利用增強現實技術開發的幼兒教育軟件，為幼兒創造了一個創設逼真、生動的教學場景。新加坡國立大學的研究人員研發了一款會“演”故事的魔方。這種“故事魔方”利用增強現實技術把電腦圖解加之于現實世界，讓動畫故事呈現在孩子們的傳統魔方上。“故事魔方”由于能提供具體、直接的信息而受到孩子們的青睞。

3D互動立體書籍

傳統的書籍即使是圖文并茂，但也平面呆板，很難讓學生注意力持久。使用增強現實技術制作的書籍，只需要一本書、一臺帶攝像頭的電腦就可看到可交互的3D效果。北京市科委資助的“立體地理教科書”項目，就是運用增強現實技術讓地理書上的內容“活”起來。立體書看上去和普通書籍一樣，當讀者看到有標記的某個知識點時，把該頁平放在攝像頭下，打開配套軟件，在電腦屏幕上就可以看到立體活動的物體。立體書籍使學生的注意力被吸引到書中，使看書學習不再枯燥單調，從而提高了學習效率，增強了記憶力。

參考文獻

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（作者單位：教育部教學儀器研究所）