基于增强现实技术的高中艺术教育课程设计与开发

郭威+薛耀锋+杨金朋

摘 要 增强现实技术虚实结合、实时交互的特征在许多领域都具有很大的应用优势。随着计算机技术的不断发展和革新，增强现实技术的功能性和应用性也越来越强。回顾增强现实技术的发展和技术特征，结合实践案例，介绍本研究开展过程中将增强现实技术应用在高中艺术教育课程中的教学效果。

关键词 增强现实技术；艺术教育；课程设计；Unity 3D

中图分类号：G633.95 文献标识码：B

文章编号：1671-489X（2017）16-0070-02

1 引言

增强现实（Augmented Reality，AR）技术作为虚拟现实技术的延伸，成功地打破了真实世界和虚拟世界之间的壁垒，创造出一个虚实结合的混合世界。与虚拟现实技术不同，增强现实技术可以将虚拟物体和真实场景同时呈现在用户面前，让用户在真实的世界中获取叠加的虚拟数字信息，这极大地拓展了人们对真实世界的感知程度[1]。本研究的开展关注增强现实技术的特征和优势，通过教学系统和工具的开发使用，将增强现实技术引入高中艺术课程教学实践中来。研究发现，增强现实技术在艺术课程中的应用，对激发学生学习兴趣、增强教学效果具有一定的促进作用。

2 增强现实技术的发展

早在20世纪60年代，世界上第一台虚拟现实系统“Sensorama”的问世，激发了人们探索连接真实世界和虚拟世界的新思潮。30年后，波音公司计算机服务部的自适应神经系统研究与开发项目成功研制一款布线辅助系统，该系统能够通过头戴式显示设备，将布线提示信息叠加到机械师视野里的实际操作场景中，引导机械师顺利完成布线工作，减少工程失误[2]。由此，“增强现实”的概念被第一次提出。在随后的发展历程中，越来越多的增强现实产品被广泛地应在工业、军事、医疗、教育等多个领域，用以拓展人们对真实世界的感知范围，实现提高生产效率、优化学习效果、增强娱乐体验等目的。

伴随计算机技术、电子技术、传感技术的革新与发展，增强现实技术在不断地进行提升和完善，增强现实产品的用户使用体验也越来越好。增强现实系统的运行平台，从早期的大型计算机设备、外接式的摄像模块、输入模块，演变为集成度较高的小型移动设备，在降低增强现实产品成本的同时，也提高了使用的简易性。另一方面，增强现实系统的显示设备从头戴式显示器逐渐转变成为智能眼镜的形式，再发展到可以使用智能手机、平板电脑等移动终端进行增强现实场景的显示，使得增强现实系统的使用越来越生活化、移动化和智能化[3]。

3 增强现实技术的技术特征

增强现实技术是一项复杂的计算机技术，涉及多媒体技术、计算机图形与图像技术、人机交互技术、网络技术、信息与通信技术等多个领域[4]。在使用过程中，跟踪与定位技术、成像技术、交互技术是支撑增强现实系统正常运作的关键技术。

跟踪与定位技术 增强现实系统中，怎样将虚拟的数字信息准确地叠加到真实场景的画面中，是一个复杂但又非常重要的问题。一般而言，增强现实的跟踪与定位系统需要实时获取用户的定位、观察场景的角度、移动速度和方向等信息，经过处理器计算之后，准确地设定虚拟数字信息在画面中渲染的位置、大小、角度和方向，实现真实场景和虚拟物体的完美融合。

在增强现实的应用中，常使用的跟踪与定位技术可分为两种：一种是依赖于硬件设备的位置型（Location-based）跟踪定位技术，如通过GPS系统、超声波测距系统、陀螺仪、磁场测距系统等技术进行定位；一种是依赖于计算机视觉系统的图像型（Image-based）跟踪定位技术，该技术通过识别真实场景中的特征图像，标定虚拟数字信息的渲染位置[5]，因此无须借助于其他硬件设备便可以实现精确定位，是增强现实系统中应用最多的跟踪定位技术。

成像技术 增强现实系统需要根据跟踪定位信息进行真实场景和虚拟数字信息叠加位置的配准，实现虚拟数字信息在真实场景中的准确渲染[6]。在增强现实应用中，虚拟数字信息的渲染效果需要与真实场景中的物体位置、环境因素保持一致，并且能够支持与用户之间的自然交互。

交互技术 实时交互是增强现实系统的三大特征之一，自然顺畅的人机交互方式依赖于不断革新的传感器技术[7]。用户既可以通过传统的鼠标、键盘形式，也可以通过触摸屏、语音、体感等更为自然的方式，与增强现实系统进行交互。

4 基于AR的高中艺术教育课程设计与开发

為了探究增强现实技术在高中艺术教育课程中的使用效果，使用Unity 3D开发引擎和增强现实开发插件，设计制作适用于Android系统的增强现实教学工具和3D教学资源，并且在上海市J区某高中一年级的艺术教育课程中进行使用。通过教学实践和教学效果调查，发现该增强现实教学工具能够优化艺术作品的展示效果，激发学生的观赏兴趣，增强教学效果。

增强现实教学工具设计与开发 设计和开发基于增强现实技术的教学工具应用系统，系统框架结构如图1所示。整体而言，该系统分为客户层、应用层、数据层和管理层四个部分。其中，客户层包括画面捕捉、虚实场景呈现、人机交互三项功能；应用层包括人机交互、三维注册、数据读写三项功能；数据层包括本地存储和云存储两个部分，实现对应用数据、用户信息的储存；管理层实现对云端数据资源的管理操作。

根据教学设计的需要，使用Unity 3D开发引擎制作与增强现实教学工具配套使用的3D教学资源，通过增强现实系统的管理层界面，将教学资源保存在云端，供教师和学生在教学实践中下载使用。

增强现实教学工具教学应用 选择上海市J区某高中一年级作为实验班级，在艺术课上开展相关的教学实践活动。教师将一套彩色图案的小卡片分发给所有的学生，在课程讲解过程中，根据需要让学生使用安装增强现实教学系统的移动智能设备，拍摄特定的小卡片，观看3D动画和3D模型，用以辅助讲解艺术作品的设计，帮助学生理解和掌握相关知识，增强作品展示的观赏效果。图2为学生使用增强现实教学系统拍摄蝴蝶图案的小卡片，即可观看到蝴蝶飞舞的动画。endprint

教学应用反馈 课程结束后，对学生开展问卷调查和访谈，以了解学生对这种新颖的学习方式和增强现实教学系统的使用体验。结果表明，绝大部分学生对增强现实技术表现出浓厚的兴趣，认为这种展示方式比传统的静态图片或影视更具有观赏性，并且能够根据自己的需求进行反复观看学习，大大提高了学习的自由度，对理解掌握课程所授知识具有一定的促进作用。当被问到以后是否愿意使用增强现实教学工具进行课程学习的时候，大部分学生表示非常愿意使用。另一方面，在访谈过程中也发现，学生认为目前的系统在交互方面还存在不足。

5 总结与反思

增强现实技术在教学中的应用具有巨大潜力，能优化教学材料的呈现效果，激发和维持学生的学习兴趣，促进课堂中师生、生生之间的互动，增强教学效果。本研究在对增强现实技术的技术特征进行分析之后，使用相关的开发工具设计制作一套增强现实教学系统和3D教学资源，并且在教学实践中取得不错的效果。但是也意识到该系统還存在一定的不足，具有较大的提升和完善的空间，在今后的研究工作中将致力于设计开发出更好的增强现实教学工具和教学资源，为中小学教学工作提供优质的技术支持。

参考文献

[1]陈一民，李启明，等.增强虚拟现实技术研究及其应用[J].上海大学学报：自然科学版，2011，17（4）：412-428.

[2]朱淼良，姚远，蒋云良.增强现实综述[J].中国图象图形学报，2004，9（7）：767-774.

[3]汪存友，程彤.增强现实教育应用产品研究概述[J].现代教育技术，2016，26（5）：95-101.

[4]齐立森，皮宗辉，徐苗，等.增强现实的技术类型与教育应用[J].现代教育技术，2014，24（11）：18-22.

[5]Wojciechowski R， Cellary W. Evaluation of learners attitude toward learning in ARIES augmented reality environments[J].Computers &Education，2013，68：570-585.

[6]范苑竹.增强现实的应用技术研究[D].杭州：浙江大学，2008.

[7]Azuma R T. A survey of augmented reality[J].Presence Teleoperators & Virtual Environments，1997，6（4）：355-385.endprint