面向智慧課堂的3D數字化技術應用研究

方紫帆

摘? 要 基于對智慧課堂的研究，通過搜集3D數字化技術在教育領域的應用案例，對新興技術在現代教學中的發展潛能進行研究，深入挖掘3D數字化技術作為一種現代教育技術在教育領域的獨特優勢及應用前景，促進教育高質量發展。

關鍵詞 智慧課堂;智慧教學;教育信息化;3D數字化技術;增強現實技術;虛擬現實技術;立體教材

中圖分類號：G652? ? 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）09-0026-03

1 前言

目前，大部分課堂教學依然是以傳統的教學方式為主，即教師講課學生聽，至多將一些多媒體或實驗器材運用于教學之中，具象所教授的內容，教學效率較低。在“互聯網+”時代大背景下，構建智慧課堂逐漸被推到教學變革的風口浪尖上。3D數字化技術的創新應用能夠有效支持智慧課堂的開展。目前，基于2D圖像的教學媒體資源已很難滿足高效課堂對知識呈現形式的要求，基于三維空間的3D數字化技術才能更有效地開發創新型資源，完整呈現三維空間概念，將知識內容立體化。3D數字化技術可以模擬創設出許多真實世界中難以接觸到的學習情境，這種技術在有效支持教育教學的過程中展示了其巨大的潛力，逐漸引起專家學者的關注。今天許多教師已經開始運用數字化媒體開展智慧教學，這種教學方式有利于提升學校的學科教學質量與學生綜合素質，推動教育改革的創新發展。

2 智慧課堂

隨著教育信息化的快速發展，智慧課堂已成為現今教育改革的重要議題，本質是從提高課堂教學效率、發展教學特色的視角出發，以培養學生21世紀技能與核心素養為指向，采用數字化智能技術，將先進教育理念融入課堂實踐，通過提供多樣化的教學資源，全面調動學生的感官，使其在探究知識的進程中能夠更深刻地感知學習對象的本質，引導學生主動探索與發展，全面落實核心素養，促進綜合能力的發展。開展智慧教學，不僅關注學生知識掌握的效率，更強調學生在主體參與中的表達、思考、協作等全方面學習能力的提升，其核心是期望利用技術來構建高效課堂。智慧課堂具有“資源分層共享”“智能協作交流”等數字化特征，能夠有效克服傳統授課模式的弊端，深入融合現代教育技術與課程，突出教育信息化的獨特優勢，有效拓寬實踐教學的發展路徑[1]。

3 3D數字化技術

3D數字化技術包括增強現實（Augmented Reality，

AR）技術與虛擬現實（Virtual Reality，VR）技術。虛擬現實技術是計算機模擬系統，能夠幫助用戶創建并浸入體驗虛擬的世界。這個系統還支持模擬信息交互式三維視覺場景與實體行為，營造浸入式體驗感[2]。增強現實技術從虛擬現實技術發展而來，借助計算機視覺技術在實際場景中覆蓋模擬物體，從而構建出虛擬與現實的融合效果[3]。

美國休斯研究所的最新研究結果表明，增強現實系統具備三個顯著特點：虛實融合;實時交互;三維注冊。系統可以基于真實物體交互融合數字化媒體，本質上就是將虛擬圖形疊加在真實的物體之上。增強現實技術起源于20世紀中葉，在20世紀90年代后迅速發展。國外著名的研究機構如麻省理工學院、哥倫比亞大學等都建立了相關重點實驗室，針對軟硬件基礎平臺進行研發。隨著技術的不斷革新，研究逐步走向行業應用階段[4]。

國內對于增強現實技術的研究開展較晚。2017年8月，國務院發布《關于進一步擴大和升級信息消費 持續釋放內需潛力的指導意見》，明確提到推進“互聯網+”人工智能核心科技和平臺開發，促進虛擬現實和增強現實產品的研發與產業化，支持產品創新和產業升級，如可穿戴設備、消費級無人機和智能服務機器人等[5]。增強現實技術進入迅速發展階段，現在國內與增強現實技術相關的創業團隊與小型公司超過2000個，騰訊、阿里巴巴與百度等互聯網巨頭也開始涉足該領域。

在技術飛速發展的現代，3D數字化技術逐漸被廣大教師運用于課堂，開展智慧教學。3D數字化技術對改善學習具有得天獨厚的優勢，可以支持泛在學習環境、新型交互方式和立體導航場景能夠構建協作的學習方式，有效激發學生的學習熱情，進一步輔助學生內化所學的知識與技能。另外，3D數字化技術還能整合多重信息資源，營造開放式的探究情境，為研究性學習提供有效的工具。而對于教育工作者來說，3D數字化技術可以有效支持課堂教學，為構建智慧課堂提供關鍵創新點，減少教學成本。

智慧課堂本質上強調“在做中學”，無論是新知呈現、知識重難點講解，還是知識的鞏固應用，都與學生親自動手實踐密不可分。3D數字技術作為一種創新型技術，能夠與學生的探究實踐活動自然相接，有效打造智慧課堂。

4 面向智慧課堂的3D數字化技術應用實例

3D數字化技術已經在教育領域廣泛應用，如教學中的學具軟件開發，教育游戲開發，美術、物理等學科教學新方法探索，虛擬電子書與數字圖書館的開發，學生實際工作技能訓練以及三維物體建模（如模擬比較昂貴的教學用具，包括飛機、衛星等）[6]。下面列舉一些具體的應用案例。

1）立體教材。2012年，坎特伯雷大學的Billinghurst[7]

等人研發出能夠輔助教學的增強現實系統，如圖1所示。系統內積累了豐富的具備紙質圖書表現能力的立體版數字教材，在教材中疊加了生動逼真的三維立體內容，展示出栩栩如生的立體世界，打破了一成不變的傳統平面教材，為學習者帶來新的視覺感受，促進面向問題、經驗和策略的群體知識進化和協同創生。

2）教學輔助工具。微軟的史密斯在1996年提出以藍屏為背景的成像技術，或稱之為色彩鍵控技術。使用色彩鍵控技術來構建增強現實虛擬工作室，可以在使用色彩鍵控技術時從視頻中消除不需要的圖像，并將處理完成的圖像與外在現實場景融合疊加[8]。利用色鍵摳像技術構建的虛實結合場景可以用于課堂教學、工業培訓、醫學實踐等領域。圖2為意大利理工學院的Timothy[9]等人于2011年借助色鍵摳像技術構建的用于培訓醫生手術操作的增強現實系統，不過，該系統中的教學場景僅由兩層場景搭建而成。

微軟公司利用AR技術，開發出一款星際漫游應用教具，如圖3所示。這個應用曾經成為微軟最佳的創意應用，學生能夠通過它觀看整個星系，能夠用手勢將不同的星球降落在眼前，并通過對應的解說進一步加深理解。在課堂中能夠感受觸手可及的“星系”，是一種很棒的教學體驗。

3）教學短片。蘋果ARKit突破性的移動AR技術，將虛擬銀河、星系等融入人們的現實世界（圖4），學生可以觀看九顆行星，“穿越”到月球之上并與嫦娥漫步、與玉兔共舞。

目前，國內很多高校在熱火朝天地開展關于3D數字化技術及其應用探究，且先后建立了虛擬現實與系統仿真的實驗室，如北京航空航天大學開展了分布式飛行模擬方面的探索實踐，浙江大學開展的規劃虛擬建筑等[10]。

通過利用3D數字化技術，將知識內容立體化，在已有教學資源的基礎上延伸與創新，搭建起契合教育實際需求和教學特點的資源環境，讓學生浸入式體驗學習的樂趣，很大程度上促進了對知識的理解，增加了教學的廣度、深度、參與度。例如，大學醫學院的學生可以利用虛擬現實技術深入人體內部來學習器官的運作并仿真全部的醫療狀況，在虛擬情境中操作演練，深入學習手術細節[11]。

4）教學實踐軟件。微軟開發的Hololens Eyeglasses可用于各種領域，如網頁瀏覽、游戲、教育和工業，給人科幻感十足的體驗，能夠真正提升學習者對于相關專業、行業學習的興趣。Hololens Eyeglasses在圖像清晰度、3D效果等方面非?，F實，并且不會引起眩暈。

微軟開發的RoboRaid是Hololens Eyeglasses的經典應用。首先，AR眼鏡會對用戶所在的房間進行掃描建模，融合了房間環境后，形成太空環境，可以模擬在太空中與外星人進行作戰，或者駕駛航天器，有效培養航空航天興趣。Hololens Eyeglasses中的Star Roaming應用程序贏得了微軟最佳的Galaxy Explorer創意應用程序，該應用程序允許用戶了解銀河系，并使用手勢將不同行星置于眼前。軟件同時配有相關星球、星系的信息，如圖5所示。運用Hololens Eyeglasses在課堂上展開一個觸手可及的星系，真正做到寓學于樂，展現其在教學上的無限潛力[12]。

5）教學助手。開發商Visible Body首次在Mac上發布一款Human Anatomy Atlas應用程序，運用增強現實技術呈現人體器官解剖圖。它涵蓋3400個高質量3D模型，可以進行位置變換、形態縮放、功能注釋等。對于醫學院學生來說，它就是解剖學的百科全書。

增強現實技術有效變革了解剖學的教學方式。運用交互式3D技術，融合增強現實技術于教具，讓人體模型隨著學生的手指滑動而移動，可以很輕易地將人體模型移至房間內，有助于縮小解剖學探究與人體物理實際之間的差距。

5 結語

融入3D數字化技術的智慧課堂能夠用創新型學習取代維持型學習，推動學科教學與技術的深度融合，幫助學生從事創造性的活動。這是一種指向未來教育的戰略轉向，實際上也是人才培養方式的轉向，其優勢一方面體現在借助技術能夠有效提升課堂認知投入，誘導發生高級思維活動;另一方面，通過技術可以廣泛拓展課堂認知范圍，使學科知識與實際生活有機連接，促使學生獲得積極的情感體驗，轉變課堂要素作用關系，實現“教師主導—學生主體”的智慧課堂，促進教育高質量發展。

參考文獻

[1]劉軍.智慧課堂：“互聯網+”時代未來學校課堂發展新路向[J].中國電化教育，2017（7）：14-19.

[2]鄒湘軍，孫健，何漢武，等.虛擬現實技術的演變發展與展望[J].系統仿真學報，2004（9）：1905-1909.

[3]Martín-Gutiérrez J， Saorín J L， Contero M， et al.?Education： Design and validation of an augmented book for spatial abilities development in engineeringstudents[J].Computers & Graphics，2010，34（1）：77-91.

[4]Liberati N. Augmented reality and ubiquitous com-puting： the hidden potentialities of augmented rea-lity[J].Ai & Society，2016，31（1）：17-28.

[5]浙江省發展和改革委員會課題組，何中偉.著力推進“互聯網+”人工智能產業發展[J].浙江經濟，2017（1）：44-45.

[6]劉立云，李春燕，趙慧勤.增強現實（AR）技術在教育中的應用案例研究[J].中國教育信息化，2017（17）：19-22.

[7]Billinghurst M， Duenser A. Augmented Reality in the Classroom[J].Computer，2012，45（7）：56-63.

[8]郝曉林.三維技術在演播室中的應用現狀[J].廣播與電視技術，2014，41（10）：60-64.

[9]Coles T R， John N W， Gould D， et al. Integrating?Haptics with Augmented Reality in a Femoral Palpa-tion and Needle Insertion Training Simulation[J].IEEE Trans Haptics，2011，4（3）：199-209.

[10]馮威.醫學虛擬學習情境的設計與實現[D].西安：第四軍醫大學，2008.

[11]魏小東.面向教育應用的增強現實系統關鍵問題研究[D].北京：北京理工大學，2015.

[12]Kilgus T， Heim E， Haase S， et al. Mobile marker-less augmented reality and its application in foren-sic medicine[J].International Journal of Computer Assisted Radiology & Surgery，2015，10（5）：573-586.