混合現實技術的教學特性與應用場景分析

于詩瑤 渤海大學教育科學學院

在5G通信網絡技術的強力支持下，混合現實技術成為繼多媒體、計算機網絡和仿真技術之后，各級各類學校課程教學實施技術的又一次重大“革新”。特別是在各類職業技術學校中，利用混合現實技術創建專業虛擬實驗室已成為時下國內教育領域信息化教學應用發展的新熱點之一。讓學生在純粹的沉浸式環境中，通過聽覺和觸覺的學習工具進行學習，可有效激發學生的學習動機和創新興趣，提升學生的核心素養。

●混合現實技術的媒體技術特性

1.混合現實技術的認識

混合現實最初是指“智能硬件之父”—加拿大多倫多大學的Steve Mann教授提出的介導現實。20世紀七八十年代，Steve Mann為了增強用戶自身的視覺效果設計出使眼睛在任何情況下都能夠對周圍環境一覽無余的可穿戴智能硬件，這被看作是對混合現實技術的最初探索。虛擬現實技術從根本上說就是“無中生有”，通過虛擬現實設備模擬建立一個獨立于現實世界的虛擬空間，同時提供視覺、聽覺、觸覺等多種感官模擬，用戶通過佩戴相應的設備只能感受到虛擬場景的變化，無法看到真實環境。增強現實技術則在虛擬現實技術的基礎上繼續延伸，將真實世界與虛擬空間結合，用戶不僅可以感受到現實世界，還可以看到虛擬事物。而混合現實技術不僅能夠實現將虛實場景無縫融合，還能為用戶提供全方位的沉浸式交互環境，可以最大程度地提高虛實世界的交互效率。

2.混合現實技術的媒體技術特性

混合現實技術具有以下三個顯著的技術特征：第一，沉浸性。混合現實技術模糊了虛擬與現實世界的界限，實現了虛實空間的深度融合：①可將真實世界里的各種事物疊加到虛擬數字空間；②可將虛擬數字對象疊加到現實世界中，使現實、虛擬和用戶三者自然結合在一起形成一個“共同體”；③將現實世界與虛擬空間相互疊加，形成混合一體化環境或空間。第二，實時互動性。混合現實能夠與現實世界之間進行即時信息獲取與交互加工處理，具體主要體現在兩個方面：①人與混合場景的交互。依托于傳感技術，體驗過程中能夠即時感知畫面的震動、變化等多方面的信息反饋，通過觸摸體感等多種方式在現實環境與虛擬場景間進行交互形成有效的信息回路；②混合環境下人與人的交互。混合環境能夠提供更豐富有效的人際交流手段，使得互動更加深入、系統。第三，跨域構想性。混合現實技術在實現虛擬與現實深度融合的基礎上，可將發生在不同時空的場景進行耦合，實現異時空場景共存。同樣，處于不同位置的用戶也可借助虛擬影像技術同時出現在某一虛擬可視化環境中。

●混合現實技術的教學特性分析

1.教學信息的多維視覺顯示

運用混合現實技術，開發者可以針對各階段學生的不同學習需求創建多種全息教學內容，讓學生在沉浸式的互動體驗中完成知識的學習。這種新穎的教學方式一方面易于提高學生的學習熱情和學習動機，另一方面可將一些復雜知識點形象地展現出來，加深學生對學習內容的理解與應用。同時，混合現實技術可以促進傳統教學活動結構的開放型發展，促進課堂教學資源的有效合理配置和教學方式的積極轉變，實現面向學生高階思維能力培養的教育新變遷。[1]

2.教學體驗的深度沉浸性

混合現實技術不僅能夠實現虛擬世界與現實世界的無縫連接，還能夠模擬建構多重感覺通道，并將學生的感覺延伸到新創造的學習場景中。這種場景能夠充分調動學生的視覺、聽覺、觸覺甚至嗅覺等感官，不僅可以有效提升學生的沉浸體驗感，而且能夠幫助學生快速進入學習狀態，促進其認知思維發展。利用實時計算、多傳感器信息融合以及三維建模等人機交互技術，將現實世界與虛擬世界有機融合，使學生在感受虛擬世界的同時也能感受到真實物體，從而獲得一種超越現實的沉浸感和真實感。[2]

3.教學交互活動的自然性

混合現實技術將傳統的虛擬現實技術與增強現實技術二者的優勢相結合，使學生雖置身于虛擬環境中也能夠與真實世界實現互動。同時，在擴展設備的支持下，混合現實環境還允許學生使用手勢、體感、凝視和觸控等自然交互方式與物理或數字對象進行互動，并能夠及時提供多種反饋。[3]這種可視化的互動，不僅實現了用戶與混合現實場景的深度交互，而且對學生認知水平的提升具有明顯的促進作用。此外，基于混合現實技術構建的虛擬學習空間能夠同時呈現在不同的學生面前，且能夠在網絡技術的支持下實現多人互動以及實時分享。

●混合現實技術的教學應用場景

1.智慧校園數據的可視化呈現

智慧校園的可視化管理是對校園內的空間位置數據進行采集并與業務屬性數據進行關聯，再結合校園的管理、生活、科研和服務的實際需要，實現靜動態數據接入和呈現的技術。[4]目前，在智慧校園數據的可視化方面主要的應用場景有以下四個：①校園全場景漫游，即利用三維可視化技術，通過對校園內的建筑、道路、綠化等進行1∶1三維建模，仿真還原園區整體情況；②設備管理可視系統，主要包括供水監管信息系統、供氣監管信息系統等功能的可視化；③三維安防監控管理可視系統，支持集成視頻監控系統、電子巡更系統、卡口系統等校園安全防范管理系統數據，對校內的重點部位、車輛、告警事件等要素進行實時監測，支持安防報警事件快速顯示定位，實時調取事件周邊監控視頻，輔助管理者有效提升校園安全管控效力；④能源管理可視化，三維立體展現校園內的各能源管網數據，消耗情況一目了然，不僅具有強大的數據分析和報警功能，可生成各種專業報表，而且還能進行遠程操控。

2.職業技能或操作能力的虛擬仿真培訓

混合現實技術可以將培訓教學中操作復雜的內容虛擬化，同時隨機與教學現場環境和實物疊加起來，通過虛實結合的方式輔助學生明晰并掌握具體操作方法，且虛擬化的培訓內容能夠支持反復播放，滿足學生獨立學習的需求。利用混合現實技術將需要進行虛擬仿真的重點實驗內容，逼真、可操作、能協同地呈現出來，幫助學生跨過傳統的實驗與實踐之間認知差別的鴻溝，讓學生在課堂學習的過程中就能認識、理解并最終學會需要掌握的專業技能。[5]相應的具體教育應用場景有：①教學認知。教學認知包含文化認知、專業基礎知識認知、專業設備技能認知等。文化認知主要是對系統的相關歷史、主要技術說明等進行認知學習；專業基礎知識認知則主要涵蓋整體認知、結構部件認知等；專業設備技能認知主要涵蓋專業設備正常使用及維修相關的認知。②實訓演練。實訓演練是指學生根據流程列表與系統提示，進行各模塊實訓操作。③考核模擬。考核模擬主要包含理論考核、認知考核與實操考核。理論考核類似機考筆試；認知考核主要考核設備工具的認知；實操考核是在沒有任何系統提示的情況下，進行流程操作，并可以自動評分。④后臺管理。后臺管理系統包括用戶管理、課程管理和考核管理等。用戶管理功能包含用戶賬號分配、用戶權限管理等；課程管理包含資料設定、實訓流程資料設定等；考核管理包含考核分數設定與考核時間設定。

3.混合現實課堂教學

利用混合現實設備可將教師、學生和課堂環境與虛擬教具或虛擬場景環境融合在一起，打造出一個嶄新的混合現實課堂，營造出超現實的學習環境。混合現實課堂作為教育中的新實踐，將為課堂教學質量帶來巨大的提升，釋放學生無盡想象和動手創新實踐潛能。首先，可以形成師生互動。虛擬場景和現實場景融合，教師和學生可以一起“圍觀”虛擬教具，并對虛擬教具進行講解、提問和回答，開展深度的互動交流。其次，可提供更優異的學習體驗和有效的深度學習。在全息影像的幫助下，學生使用混合現實課堂提供的智能數字助理，可以隨時展開自主學習，更好地理解各抽象知識點。數字助理可以隨著3D全息影像和場景變化進行實時講解，學生可以用自然語音與之對話，以往枯燥的學習過程由此轉變為雙向主動互動，學生的學習體驗更好，過程更輕松，效率更高。再次，混合現實課堂全面提升了校園創新水平，虛擬教具、虛擬場景和同步全息教學講解等功能的應用既開創了全新的教學方式，也提升了學校的差異性。最后，利用專為課堂定制研發的混合現實教學內容，學生和教師能夠跨越認知差異限制，在同一視覺語境中交流。教師借助混合現實設備將不同場景下的工作環境帶入課堂并轉化為課程內容，讓學生提前感知。學生在學習和工作場景中遇到的問題也可通過混合現實設備隨時向教師尋求幫助和指導。更為重要的是，基于精確學習分析技術，無論是教學過程還是學習過程都可做到精準化分析與個性化支持。

總之，混合現實技術是指在用戶對現實世界正常感知的基礎上，建立虛擬世界與現實世界的交互反饋回路，并利用傳感技術、圖像技術和可視化穿戴設備等相關技術和設備，創造出虛擬對象與物理對象共存的新的可視化環境。混合現實技術不但能夠使數字對象融入現實世界，而且還可以將真實對象的虛擬化身疊加到虛擬環境中，使虛擬與現實世界深度融合，從而形成有機的統一體。基于混合現實技術的教學已經成為加強實踐教學、提高教學質量的重要手段，是傳統教學模式的有效補充，能夠進一步確保教學的高效化和精準化。