混合现实技术的教学特性与应用场景分析

于诗瑶 渤海大学教育科学学院

在5G通信网络技术的强力支持下，混合现实技术成为继多媒体、计算机网络和仿真技术之后，各级各类学校课程教学实施技术的又一次重大“革新”。特别是在各类职业技术学校中，利用混合现实技术创建专业虚拟实验室已成为时下国内教育领域信息化教学应用发展的新热点之一。让学生在纯粹的沉浸式环境中，通过听觉和触觉的学习工具进行学习，可有效激发学生的学习动机和创新兴趣，提升学生的核心素养。

●混合现实技术的媒体技术特性

1.混合现实技术的认识

混合现实最初是指“智能硬件之父”—加拿大多伦多大学的Steve Mann教授提出的介导现实。20世纪七八十年代，Steve Mann为了增强用户自身的视觉效果设计出使眼睛在任何情况下都能够对周围环境一览无余的可穿戴智能硬件，这被看作是对混合现实技术的最初探索。虚拟现实技术从根本上说就是“无中生有”，通过虚拟现实设备模拟建立一个独立于现实世界的虚拟空间，同时提供视觉、听觉、触觉等多种感官模拟，用户通过佩戴相应的设备只能感受到虚拟场景的变化，无法看到真实环境。增强现实技术则在虚拟现实技术的基础上继续延伸，将真实世界与虚拟空间结合，用户不仅可以感受到现实世界，还可以看到虚拟事物。而混合现实技术不仅能够实现将虚实场景无缝融合，还能为用户提供全方位的沉浸式交互环境，可以最大程度地提高虚实世界的交互效率。

2.混合现实技术的媒体技术特性

混合现实技术具有以下三个显著的技术特征：第一，沉浸性。混合现实技术模糊了虚拟与现实世界的界限，实现了虚实空间的深度融合：①可将真实世界里的各种事物叠加到虚拟数字空间；②可将虚拟数字对象叠加到现实世界中，使现实、虚拟和用户三者自然结合在一起形成一个“共同体”；③将现实世界与虚拟空间相互叠加，形成混合一体化环境或空间。第二，实时互动性。混合现实能够与现实世界之间进行即时信息获取与交互加工处理，具体主要体现在两个方面：①人与混合场景的交互。依托于传感技术，体验过程中能够即时感知画面的震动、变化等多方面的信息反馈，通过触摸体感等多种方式在现实环境与虚拟场景间进行交互形成有效的信息回路；②混合环境下人与人的交互。混合环境能够提供更丰富有效的人际交流手段，使得互动更加深入、系统。第三，跨域构想性。混合现实技术在实现虚拟与现实深度融合的基础上，可将发生在不同时空的场景进行耦合，实现异时空场景共存。同样，处于不同位置的用户也可借助虚拟影像技术同时出现在某一虚拟可视化环境中。

●混合现实技术的教学特性分析

1.教学信息的多维视觉显示

运用混合现实技术，开发者可以针对各阶段学生的不同学习需求创建多种全息教学内容，让学生在沉浸式的互动体验中完成知识的学习。这种新颖的教学方式一方面易于提高学生的学习热情和学习动机，另一方面可将一些复杂知识点形象地展现出来，加深学生对学习内容的理解与应用。同时，混合现实技术可以促进传统教学活动结构的开放型发展，促进课堂教学资源的有效合理配置和教学方式的积极转变，实现面向学生高阶思维能力培养的教育新变迁。[1]

2.教学体验的深度沉浸性

混合现实技术不仅能够实现虚拟世界与现实世界的无缝连接，还能够模拟建构多重感觉通道，并将学生的感觉延伸到新创造的学习场景中。这种场景能够充分调动学生的视觉、听觉、触觉甚至嗅觉等感官，不仅可以有效提升学生的沉浸体验感，而且能够帮助学生快速进入学习状态，促进其认知思维发展。利用实时计算、多传感器信息融合以及三维建模等人机交互技术，将现实世界与虚拟世界有机融合，使学生在感受虚拟世界的同时也能感受到真实物体，从而获得一种超越现实的沉浸感和真实感。[2]

3.教学交互活动的自然性

混合现实技术将传统的虚拟现实技术与增强现实技术二者的优势相结合，使学生虽置身于虚拟环境中也能够与真实世界实现互动。同时，在扩展设备的支持下，混合现实环境还允许学生使用手势、体感、凝视和触控等自然交互方式与物理或数字对象进行互动，并能够及时提供多种反馈。[3]这种可视化的互动，不仅实现了用户与混合现实场景的深度交互，而且对学生认知水平的提升具有明显的促进作用。此外，基于混合现实技术构建的虚拟学习空间能够同时呈现在不同的学生面前，且能够在网络技术的支持下实现多人互动以及实时分享。

●混合现实技术的教学应用场景

1.智慧校园数据的可视化呈现

智慧校园的可视化管理是对校园内的空间位置数据进行采集并与业务属性数据进行关联，再结合校园的管理、生活、科研和服务的实际需要，实现静动态数据接入和呈现的技术。[4]目前，在智慧校园数据的可视化方面主要的应用场景有以下四个：①校园全场景漫游，即利用三维可视化技术，通过对校园内的建筑、道路、绿化等进行1∶1三维建模，仿真还原园区整体情况；②设备管理可视系统，主要包括供水监管信息系统、供气监管信息系统等功能的可视化；③三维安防监控管理可视系统，支持集成视频监控系统、电子巡更系统、卡口系统等校园安全防范管理系统数据，对校内的重点部位、车辆、告警事件等要素进行实时监测，支持安防报警事件快速显示定位，实时调取事件周边监控视频，辅助管理者有效提升校园安全管控效力；④能源管理可视化，三维立体展现校园内的各能源管网数据，消耗情况一目了然，不仅具有强大的数据分析和报警功能，可生成各种专业报表，而且还能进行远程操控。

2.职业技能或操作能力的虚拟仿真培训

混合现实技术可以将培训教学中操作复杂的内容虚拟化，同时随机与教学现场环境和实物叠加起来，通过虚实结合的方式辅助学生明晰并掌握具体操作方法，且虚拟化的培训内容能够支持反复播放，满足学生独立学习的需求。利用混合现实技术将需要进行虚拟仿真的重点实验内容，逼真、可操作、能协同地呈现出来，帮助学生跨过传统的实验与实践之间认知差别的鸿沟，让学生在课堂学习的过程中就能认识、理解并最终学会需要掌握的专业技能。[5]相应的具体教育应用场景有：①教学认知。教学认知包含文化认知、专业基础知识认知、专业设备技能认知等。文化认知主要是对系统的相关历史、主要技术说明等进行认知学习；专业基础知识认知则主要涵盖整体认知、结构部件认知等；专业设备技能认知主要涵盖专业设备正常使用及维修相关的认知。②实训演练。实训演练是指学生根据流程列表与系统提示，进行各模块实训操作。③考核模拟。考核模拟主要包含理论考核、认知考核与实操考核。理论考核类似机考笔试；认知考核主要考核设备工具的认知；实操考核是在没有任何系统提示的情况下，进行流程操作，并可以自动评分。④后台管理。后台管理系统包括用户管理、课程管理和考核管理等。用户管理功能包含用户账号分配、用户权限管理等；课程管理包含资料设定、实训流程资料设定等；考核管理包含考核分数设定与考核时间设定。

3.混合现实课堂教学

利用混合现实设备可将教师、学生和课堂环境与虚拟教具或虚拟场景环境融合在一起，打造出一个崭新的混合现实课堂，营造出超现实的学习环境。混合现实课堂作为教育中的新实践，将为课堂教学质量带来巨大的提升，释放学生无尽想象和动手创新实践潜能。首先，可以形成师生互动。虚拟场景和现实场景融合，教师和学生可以一起“围观”虚拟教具，并对虚拟教具进行讲解、提问和回答，开展深度的互动交流。其次，可提供更优异的学习体验和有效的深度学习。在全息影像的帮助下，学生使用混合现实课堂提供的智能数字助理，可以随时展开自主学习，更好地理解各抽象知识点。数字助理可以随着3D全息影像和场景变化进行实时讲解，学生可以用自然语音与之对话，以往枯燥的学习过程由此转变为双向主动互动，学生的学习体验更好，过程更轻松，效率更高。再次，混合现实课堂全面提升了校园创新水平，虚拟教具、虚拟场景和同步全息教学讲解等功能的应用既开创了全新的教学方式，也提升了学校的差异性。最后，利用专为课堂定制研发的混合现实教学内容，学生和教师能够跨越认知差异限制，在同一视觉语境中交流。教师借助混合现实设备将不同场景下的工作环境带入课堂并转化为课程内容，让学生提前感知。学生在学习和工作场景中遇到的问题也可通过混合现实设备随时向教师寻求帮助和指导。更为重要的是，基于精确学习分析技术，无论是教学过程还是学习过程都可做到精准化分析与个性化支持。

总之，混合现实技术是指在用户对现实世界正常感知的基础上，建立虚拟世界与现实世界的交互反馈回路，并利用传感技术、图像技术和可视化穿戴设备等相关技术和设备，创造出虚拟对象与物理对象共存的新的可视化环境。混合现实技术不但能够使数字对象融入现实世界，而且还可以将真实对象的虚拟化身叠加到虚拟环境中，使虚拟与现实世界深度融合，从而形成有机的统一体。基于混合现实技术的教学已经成为加强实践教学、提高教学质量的重要手段，是传统教学模式的有效补充，能够进一步确保教学的高效化和精准化。