基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的精準(zhǔn)高效教學(xué)模式研究

劉麗娟 鄭軼 張程

【摘 要】混合現(xiàn)實(shí)（MR）技術(shù)有效推動了數(shù)字媒體藝術(shù)創(chuàng)作形式的創(chuàng)新發(fā)展，實(shí)現(xiàn)了創(chuàng)新水平與效率的提高。傳統(tǒng)的課堂教學(xué)模式已經(jīng)無法滿足目前教學(xué)需求，因此本次研究將運(yùn)用MR技術(shù)，為改善現(xiàn)有的課堂教學(xué)模式提供一種新的解決方案?；诨旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)、數(shù)字媒體藝術(shù)相關(guān)概念，進(jìn)行理論與實(shí)踐分析，對促進(jìn)混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用水平，推動數(shù)字媒體藝術(shù)創(chuàng)新具有重要現(xiàn)實(shí)意義。

【關(guān)鍵詞】混合現(xiàn)實(shí);精準(zhǔn)高效;教學(xué)模式

【中圖分類號】G642?????? 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【文章編號】2095-3089（2019）06-0014-01

隨著時(shí)代進(jìn)步，互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)不斷涌現(xiàn)，正在深刻地改變著我們的生活、工作和學(xué)習(xí)方式。信息技術(shù)在教育領(lǐng)域可以得到更為廣泛地應(yīng)用、深度地融合?；旌犀F(xiàn)實(shí)（Mixed Reality，簡稱MR）技術(shù)在數(shù)字媒體藝術(shù)專業(yè)中的應(yīng)用，則充分認(rèn)證了這一觀點(diǎn)，信息化技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)虛擬化技術(shù)的使用進(jìn)一步豐富了數(shù)字媒體藝術(shù)形式，為數(shù)據(jù)媒體產(chǎn)業(yè)的創(chuàng)新與可持續(xù)發(fā)展指明了方向。基于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)已經(jīng)成為加強(qiáng)實(shí)踐教學(xué)、提高教學(xué)質(zhì)量的重要手段，成為傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)、實(shí)踐教學(xué)的一種有效的補(bǔ)充，能夠?qū)崿F(xiàn)教學(xué)的高效精準(zhǔn)。[1]

一、混合現(xiàn)實(shí)（MR）技術(shù)

混合現(xiàn)實(shí)（Mixed reality）包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented reality）和虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual reality），是合并現(xiàn)實(shí)和虛擬世界而產(chǎn)生的新的可視化環(huán)境。在新的可視化環(huán)境里物理和數(shù)字對象共存，并實(shí)時(shí)互動?；旌犀F(xiàn)實(shí)是在VR和AR興起的基礎(chǔ)上提出的一項(xiàng)概念，可視為VR和AR的增強(qiáng)版。[2]

美國率先將VR技術(shù)運(yùn)用到教師教育領(lǐng)域，其典型是中佛羅里達(dá)大學(xué)的混合現(xiàn)實(shí)教學(xué)實(shí)訓(xùn)系統(tǒng)（TeachlivE）。該系統(tǒng)通過VR技術(shù)創(chuàng)設(shè)一種虛擬和現(xiàn)實(shí)相結(jié)合的混合虛擬環(huán)境，讓師范生沉浸于一種完全“真實(shí)”的課堂環(huán)境中，訓(xùn)練其教學(xué)技能、管理技能和反思技能等教育教學(xué)核心素養(yǎng)，以強(qiáng)化現(xiàn)實(shí)環(huán)境中教師教育實(shí)踐和反思的薄弱環(huán)節(jié)，促進(jìn)教師培養(yǎng)質(zhì)量的大幅度提高。[3]

《中華人民共和國國民經(jīng)濟(jì)和社會發(fā)展第十三個(gè)五年規(guī)劃綱要》中指出：“大力推進(jìn)先進(jìn)半導(dǎo)體、機(jī)器人、增材制造、智能系統(tǒng)、新一代航空裝備、空間技術(shù)綜合服務(wù)系統(tǒng)、智能交通、精準(zhǔn)醫(yī)療、高效儲能與分布式能源系統(tǒng)、智能材料、高效節(jié)能環(huán)保、虛擬現(xiàn)實(shí)與互動影視等新興前沿領(lǐng)域創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)化，形成一批新增長點(diǎn)?！被诨旌犀F(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)依托混合現(xiàn)實(shí)、虛擬現(xiàn)實(shí)、多媒體、人機(jī)交互、數(shù)據(jù)庫和網(wǎng)絡(luò)通訊等技術(shù)，構(gòu)建高度仿真的虛擬實(shí)驗(yàn)環(huán)境和對象，學(xué)生在高度仿真的虛擬環(huán)境中開展實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐，達(dá)到教學(xué)大綱所要求的教學(xué)目的。

二、MR技術(shù)在高效精準(zhǔn)教學(xué)模式中應(yīng)用的優(yōu)勢

基于MR技術(shù)的精準(zhǔn)高效教學(xué)模式對于傳統(tǒng)的教育模式有著巨大的沖擊，對于現(xiàn)行的教育信息技術(shù)也產(chǎn)生了一定的影響。面對現(xiàn)代教育過程中所存在的諸多現(xiàn)實(shí)問題，構(gòu)建合理科學(xué)完整的基于MR技術(shù)的精準(zhǔn)高效教學(xué)模式，在神經(jīng)外科專業(yè)教學(xué)中具有以下優(yōu)勢：

1.高效精準(zhǔn)解決學(xué)生主體的學(xué)習(xí)訴求。

神經(jīng)外科專業(yè)學(xué)科門類繁雜，教學(xué)內(nèi)容龐大，尤其對解剖結(jié)構(gòu)的立體構(gòu)型和手術(shù)操作的精準(zhǔn)把握要求較高。傳統(tǒng)的教學(xué)模式更多的以文字描述為主，結(jié)合圖片案例進(jìn)行講述，對缺少實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的學(xué)生來講，不僅會感覺枯燥乏味，同時(shí)也不能有感同身受的共鳴，增加了學(xué)生知識掌握的難度。在實(shí)踐訓(xùn)練中，往往很多病例，無法讓學(xué)生在患者身上操作，僅能在一些模擬人體的生物材料上練習(xí)，同實(shí)際操作相差較大，很難讓學(xué)生有手術(shù)的壓力感和緊迫感，更無法形成牢固記憶?；贛R技術(shù)，可以將靜態(tài)的文字、圖片讀物立體化，增加閱讀的互動性、趣味性和真實(shí)感，創(chuàng)設(shè)現(xiàn)實(shí)情境，通過3D模型使抽象的學(xué)習(xí)內(nèi)容變得形象化、微觀的學(xué)習(xí)內(nèi)容變得可視化、復(fù)雜的學(xué)習(xí)內(nèi)容變得簡單化，幫助學(xué)生理解和識記抽象的概念。

2.職業(yè)情境的模擬還原。

神經(jīng)外科手術(shù)要求操作精細(xì)、準(zhǔn)確、手術(shù)創(chuàng)傷小，需要系統(tǒng)的術(shù)前設(shè)計(jì)討論、準(zhǔn)確術(shù)中分析定位及完善的術(shù)后評價(jià)。而學(xué)生很難在短時(shí)間內(nèi)熟練掌握，并得到親身操作機(jī)會，往往是初窺門徑，淺嘗輒止。利用MR技術(shù)構(gòu)建的全息模型可以在術(shù)前設(shè)計(jì)、術(shù)中定位分析及術(shù)后效果評價(jià)上大幅度提高教學(xué)效率和教學(xué)效果，使學(xué)生共享全息視野，更好地參與到手術(shù)的各個(gè)環(huán)節(jié)中，這種沉浸式的交互體驗(yàn)的職業(yè)情景有利于學(xué)生快速進(jìn)入職業(yè)狀態(tài)。

3.構(gòu)建數(shù)字化教學(xué)數(shù)據(jù)庫，實(shí)時(shí)更新教學(xué)資源。

在神經(jīng)外科專業(yè)教學(xué)中，構(gòu)建立體解剖數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)移動智能終端的交互設(shè)計(jì)及展示方式，供學(xué)習(xí)實(shí)時(shí)查閱學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。建立好數(shù)字化教學(xué)數(shù)據(jù)庫后，可以對數(shù)字資源的信息管理結(jié)構(gòu)進(jìn)行可持續(xù)性優(yōu)化，從學(xué)科教學(xué)的角度加強(qiáng)學(xué)科數(shù)字資源的利用性與傳播性。

三、MR技術(shù)在高效精準(zhǔn)教學(xué)模式中應(yīng)用存在的問題

1.混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備在應(yīng)用中存在眩暈的問題。

目前混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備的代表產(chǎn)品有微軟HoloLens，其主要硬件由全息處理單元（CPU、GPU、HPU）、光學(xué)投影系統(tǒng)（Lcos 微投影儀、光導(dǎo)透明全息透鏡）、攝像頭與傳感器部分（6 個(gè)攝像頭、慣性傳感器、環(huán)境光傳感器等）、存儲部分、其他部件（耳機(jī)、麥克風(fēng)、電池、結(jié)構(gòu)件）等組成。學(xué)生戴上HoloLens，可以不用鍵盤、鼠標(biāo)和顯示屏幕，直接使用雙手在空氣中操作，即可完成現(xiàn)在人們在電腦和手機(jī)上的所有操作，懸空操作即可完成機(jī)器人的3D建模設(shè)計(jì)任務(wù)。[4]

但是，從硬件結(jié)構(gòu)來看，由于現(xiàn)在的科技還無法做到高度還原真實(shí)場景，用戶使用配置達(dá)不到要求的虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品時(shí)會產(chǎn)生眩暈感。虛擬現(xiàn)實(shí)界面中的視覺反差較大，實(shí)際運(yùn)動與大腦運(yùn)動不能夠正常匹配，影響大腦對所呈現(xiàn)影像的分析和判斷，也會產(chǎn)生眩暈感。還有虛擬現(xiàn)實(shí)設(shè)備幀間延遲跟不上人的運(yùn)動，會有微小的延遲感，當(dāng)感官與幀率不同步時(shí)也會讓使用者產(chǎn)生眩暈感。

2.基于MR技術(shù)的數(shù)字化教學(xué)內(nèi)容存在制作周期較長的問題。

虛擬現(xiàn)實(shí)產(chǎn)業(yè)剛起步，雖然近幾年軟硬件設(shè)備逐步完善，但開發(fā)人員和制作人員有限，成為導(dǎo)致基于MR技術(shù)的數(shù)字化教學(xué)內(nèi)容制作周期較長的主要原因。課程資源短缺是推廣的最大瓶頸。但伴隨著虛擬現(xiàn)實(shí)的迅猛發(fā)展，未來混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用勢必帶來課堂教學(xué)方式的顛覆性改變。

四、結(jié)語

未來科技創(chuàng)新方向聚焦在人工智能、大數(shù)據(jù)分析與虛擬教育上。混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會結(jié)合更多的高新科技元素，如互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、虛擬現(xiàn)實(shí)、云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、人工智能等，未來的混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的發(fā)展景也將會越來越廣闊。它帶給我們的不僅僅是一個(gè)技術(shù)平臺或?qū)W習(xí)工具，它所孕育出的新型的教學(xué)模式和教學(xué)方法將廣泛地應(yīng)用到課堂教學(xué)中，對于貫徹落實(shí)教育部關(guān)于“發(fā)展未來學(xué)校”和“智慧課堂改革”的設(shè)想有重大意義。MR技術(shù)能夠?qū)⑻摂M對象與真實(shí)環(huán)境相融合，通過其較強(qiáng)的交互性能給學(xué)生帶來更多的學(xué)習(xí)樂趣，并為學(xué)生提供一種新的學(xué)習(xí)媒體和學(xué)習(xí)體驗(yàn)，促使學(xué)生在愉悅的狀態(tài)下進(jìn)行移動學(xué)習(xí)、自主學(xué)習(xí)、項(xiàng)目學(xué)習(xí)，能讓學(xué)生通過自主探究、跨界融合、團(tuán)隊(duì)協(xié)作、開拓創(chuàng)新來提升核心素養(yǎng)、職業(yè)素養(yǎng)。讓混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育完美結(jié)合，將為開啟未來教育創(chuàng)新之路做出巨大貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

[1]鄭軼.欠發(fā)達(dá)地區(qū)基于互聯(lián)網(wǎng)+的新媒體美術(shù)教育平臺探討[J].大眾文藝.2017.17：194.

[2]鄭軼.MR數(shù)字化可視藝術(shù)與文物保護(hù)[M].文化藝術(shù)出版社，2017.6.

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

[4]王同聚.虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（VR/AR）技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用與前景展望[J].中國電化教育，2017.3.