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摘要:增強現實技術虛實結合、實時交互的特征在許多領域都具有很大的應用優勢。隨著計算機技術的不斷發展和革新，增強現實技術的功能性和應用性也越來越強。回顧增強現實技術的發展和技術特征，結合實踐案例，介紹本研究開展過程中將增強現實技術應用在高中藝術教育課程中的教學效果。

關鍵詞:增強現實技術；藝術教育；課程設計；Unity3D

1引言

增強現實（AugmentedReality，AR）技術作為虛擬現實技術的延伸，成功地打破了真實世界和虛擬世界之間的壁壘，創造出一個虛實結合的混合世界。與虛擬現實技術不同，增強現實技術可以將虛擬物體和真實場景同時呈現在用戶面前，讓用戶在真實的世界中獲取疊加的虛擬數字信息，這極大地拓展了人們對真實世界的感知程度[1]。本研究的開展關注增強現實技術的特征和優勢，通過教學系統和工具的開發使用，將增強現實技術引入高中藝術課程教學實踐中來。研究發現，增強現實技術在藝術課程中的應用，對激發學生學習興趣、增強教學效果具有一定的促進作用。

2增強現實技術的發展

早在20世紀60年代，世界上第一臺虛擬現實系統“Sensorama”的問世，激發了人們探索連接真實世界和虛擬世界的新思潮。30年后，波音公司計算機服務部的自適應神經系統研究與開發項目成功研制一款布線輔助系統，該系統能夠通過頭戴式顯示設備，將布線提示信息疊加到機械師視野里的實際操作場景中，引導機械師順利完成布線工作，減少工程失誤[2]。由此，“增強現實”的概念被第一次提出。在隨后的發展歷程中，越來越多的增強現實產品被廣泛地應在工業、軍事、醫療、教育等多個領域，用以拓展人們對真實世界的感知范圍，實現提高生產效率、優化學習效果、增強娛樂體驗等目的。伴隨計算機技術、電子技術、傳感技術的革新與發展，增強現實技術在不斷地進行提升和完善，增強現實產品的用戶使用體驗也越來越好。增強現實系統的運行平臺，從早期的大型計算機設備、外接式的攝像模塊、輸入模塊，演變為集成度較高的小型移動設備，在降低增強現實產品成本的同時，也提高了使用的簡易性。另一方面，增強現實系統的顯示設備從頭戴式顯示器逐漸轉變成為智能眼鏡的形式，再發展到可以使用智能手機、平板電腦等移動終端進行增強現實場景的顯示，使得增強現實系統的使用越來越生活化、移動化和智能化[3]。

3增強現實技術的技術特征

增強現實技術是一項復雜的計算機技術，涉及多媒體技術、計算機圖形與圖像技術、人機交互技術、網絡技術、信息與通信技術等多個領域[4]。在使用過程中，跟蹤與定位技術、成像技術、交互技術是支撐增強現實系統正常運作的關鍵技術。跟蹤與定位技術增強現實系統中，怎樣將虛擬的數字信息準確地疊加到真實場景的畫面中，是一個復雜但又非常重要的問題。一般而言，增強現實的跟蹤與定位系統需要實時獲取用戶的定位、觀察場景的角度、移動速度和方向等信息，經過處理器計算之后，準確地設定虛擬數字信息在畫面中渲染的位置、大小、角度和方向，實現真實場景和虛擬物體的完美融合。在增強現實的應用中，常使用的跟蹤與定位技術可分為兩種：一種是依賴于硬件設備的位置型（Location-based）跟蹤定位技術，如通過GPS系統、超聲波測距系統、陀螺儀、磁場測距系統等技術進行定位；一種是依賴于計算機視覺系統的圖像型（Image-based）跟蹤定位技術，該技術通過識別真實場景中的特征圖像，標定虛擬數字信息的渲染位置[5]，因此無須借助于其他硬件設備便可以實現精確定位，是增強現實系統中應用最多的跟蹤定位技術。成像技術增強現實系統需要根據跟蹤定位信息進行真實場景和虛擬數字信息疊加位置的配準，實現虛擬數字信息在真實場景中的準確渲染[6]。在增強現實應用中，虛擬數字信息的渲染效果需要與真實場景中的物體位置、環境因素保持一致，并且能夠支持與用戶之間的自然交互。交互技術實時交互是增強現實系統的三大特征之一，自然順暢的人機交互方式依賴于不斷革新的傳感器技術[7]。用戶既可以通過傳統的鼠標、鍵盤形式，也可以通過觸摸屏、語音、體感等更為自然的方式，與增強現實系統進行交互。

4基于AR的高中藝術教育課程設計與開發

為了探究增強現實技術在高中藝術教育課程中的使用效果，使用Unity3D開發引擎和增強現實開發插件，設計制作適用于Android系統的增強現實教學工具和3D教學資源，并且在上海市J區某高中一年級的藝術教育課程中進行使用。通過教學實踐和教學效果調查，發現該增強現實教學工具能夠優化藝術作品的展示效果，激發學生的觀賞興趣，增強教學效果。增強現實教學工具設計與開發設計和開發基于增強現實技術的教學工具應用系統，系統框架結構如圖1所示。整體而言，該系統分為客戶層、應用層、數據層和管理層四個部分。其中，客戶層包括畫面捕捉、虛實場景呈現、人機交互三項功能；應用層包括人機交互、三維注冊、數據讀寫三項功能；數據層包括本地存儲和云存儲兩個部分，實現對應用數據、用戶信息的儲存；管理層實現對云端數據資源的管理操作。根據教學設計的需要，使用Unity3D開發引擎制作與增強現實教學工具配套使用的3D教學資源，通過增強現實系統的管理層界面，將教學資源保存在云端，供教師和學生在教學實踐中下載使用。增強現實教學工具教學應用選擇上海市J區某高中一年級作為實驗班級，在藝術課上開展相關的教學實踐活動。教師將一套彩色圖案的小卡片分發給所有的學生，在課程講解過程中，根據需要讓學生使用安裝增強現實教學系統的移動智能設備，拍攝特定的小卡片，觀看3D動畫和3D模型，用以輔助講解藝術作品的設計，幫助學生理解和掌握相關知識，增強作品展示的觀賞效果。圖2為學生使用增強現實教學系統拍攝蝴蝶圖案的小卡片，即可觀看到蝴蝶飛舞的動畫。教學應用反饋課程結束后，對學生開展問卷調查和訪談，以了解學生對這種新穎的學習方式和增強現實教學系統的使用體驗。結果表明，絕大部分學生對增強現實技術表現出濃厚的興趣，認為這種展示方式比傳統的靜態圖片或影視更具有觀賞性，并且能夠根據自己的需求進行反復觀看學習，大大提高了學習的自由度，對理解掌握課程所授知識具有一定的促進作用。當被問到以后是否愿意使用增強現實教學工具進行課程學習的時候，大部分學生表示非常愿意使用。另一方面，在訪談過程中也發現，學生認為目前的系統在交互方面還存在不足。

5總結與反思

增強現實技術在教學中的應用具有巨大潛力，能優化教學材料的呈現效果，激發和維持學生的學習興趣，促進課堂中師生、生生之間的互動，增強教學效果。本研究在對增強現實技術的技術特征進行分析之后，使用相關的開發工具設計制作一套增強現實教學系統和3D教學資源，并且在教學實踐中取得不錯的效果。但是也意識到該系統還存在一定的不足，具有較大的提升和完善的空間，在今后的研究工作中將致力于設計開發出更好的增強現實教學工具和教學資源，為中小學教學工作提供優質的技術支持。

參考文獻

[1]陳一民,李啟明,等.增強虛擬現實技術研究及其應用[J].上海大學學報:自然科學版,2011,17(4):412-428.

[2]朱淼良,姚遠,蔣云良.增強現實綜述[J].中國圖象圖形學報,2004,9(7):767-774.

[3]汪存友,程彤.增強現實教育應用產品研究概述[J].現代教育技術,2016,26(5):95-101.

[4]齊立森,皮宗輝,徐苗,等.增強現實的技術類型與教育應用[J].現代教育技術,2014,24(11):18-22.

作者:郭威 薛耀鋒 楊金朋 單位:華東師范大學