增强现实卡片式实验教学探索

　　摘要：增强现实是通过计算机图形学产生虚拟数字化信息，并借助计算机视觉技术无缝融合到真实环境中的信息技术。借助卡片的增强现实实验教学与传统的实验教学对比发现：借助卡片将教学中的三维物体或场景显示出来，能够帮助教学者和学习者不仅在理论上有更好的理解，而且能够对抽象的模型有更直观的认知和想象。

　　引言

　　增强现实(Augmented Reality，简称AR)技术是利用计算机图形学将计算机生成的虚拟物体，通过计算机视觉技术实时叠加到现实环境中，再借助显示设备呈现出的一种虚实融合的新环境[1]。随着互联网技术的迅速发展，增强现实技术不论在科学研究方面还是在实际生活应用中都占据着举足轻重的地位，被广泛应用于建筑设计、医学、媒体娱乐、教育等领域[2]。增强现实在教育中的引入，打破了传统的教学方式，发生了巨大的变革。相比于传统方式，采用增强现实技术使课堂实验教学内容更真实，提高了教学的质量；在课堂上展现一定的虚拟实验模型，使得原本单调、抽象的课堂实验模型变得丰富多彩，有助于学生对知识的理解和吸收，增强了课堂学习效果和提高了教学的效率[3]。

　　一、卡片式实验教学需求

　　近几年来，国外对增强现实技术在教育中的应用作了较多研究，并且相继出现了一些相关的教学产品。Shelton 和Hedley 采用AR 技术进行九大行星的教学实验，发现通过使用AR 技术，可以使教师仅用较少的教学材料就可以进行教学活动，并且在学生的学习过程中比较容易形成互动，让学生更容易理解学习内容。Billinghurst 在他的研究中认为，把增强现实教学软件作为教具具有其独特的优点[4]。Kaufmann H.研究采用一个名为Construct 3D 的增强现实工具进行空间几何教学。他指出， AR 不仅能够为师生提供一种面对面的沟通与合作平台，而且通过AR，可以增加学生对复杂空间中概念及其相对关系的理解[4]。在国内，蔡苏等人总结了AR 技术在各种场景中的应用，并指出基于增强现实的教育系统能将抽象的学习内容可视化、形象化，同时也把非正式的学习引入到正式的学习并与之相结合[5]。王志军等人[6]指出相比于传统的学习方式，基于AR 技术的学习拥有情境式学习的优点，提升学生学习的效率。赵文静等人在其研究中指出目前对于AR 学习系统的评估研究仅处于起步阶段[7]，对于学习者的认知负荷和教育者的教育设计负荷的研究较少。

　　二、卡片式实验教学平台

　　在增强现实实验教学环境中，教学者利用摄像机对现实中的包含实验模型的卡片进行检测与识别；接着计算摄像机与卡片的空间变换矩阵，从而实现配准与注册；最后将对应的模型、文本、图形、图像及音频、视频等计算机生成的虚拟信息实时的通过显示设备显示出来供教学者和学习者观察。此外，在该系统中还要加入交互功能模块，从而在AR 课堂实验教学情境中实现自然的人机交互。

　　根据教学需要，可预先制作好一定数量的平面卡片。卡片内部的文字或图案可以表示该卡片所代表的具体内容信息，如表示怎样的模型、视频画面等在卡片显示的虚拟信息。根据需要通过计算机算法自动产生卡片内部包含的信息，通过单个虚拟信息或多个单元组合能够获得大量课堂实验所需的实验模型组合数目，可以满足很多学科教学应用的需求。

　　随着增强现实技术的迅速发展，学校作为国家培养人才的主要场所，也开始逐渐采用该技术进行教学。增强现实技术能为研究性学习提供直观、交互和探索式学习环境，其对于创造教育情景，强化课堂教学等有一定的辅助作用。探索增强现实技术在教育领域的应用方法，是进行教育改革的重要组成部分。增强现实主要有基于标识和无标识的两种方法，但基于卡片标识式的增强现实不受光照、环境影响，且具有制作方便、成本低，稳定好等优点，被广泛应用于许多场景。相对于传统的教学方式，基于卡片式的实验教学能够带来全新的教学模式，不仅增加了教学的效果，而且提高了学生的学习兴趣和积极性。

　　在进行教学的房间内装上AR 的设备，并调试设备正常连接。主要有教学者设备的正常使用和学习者设备的正常使用。在教学者方面，可以调整教学端设备识别包含特定内容的卡片，进行教学的增强，供学习者观察和操作。观察者通过观察设备（如头盔显示器）观察教学者实现设定的信息，并且可以通过简单的手势进行简单的交互操作。

　　三、增强现实课堂实验教学实例

　　数学在生活中无处不在，也是教育体系中最重要的学科之一。数学学科本身具有一定的抽象性，且强调数形结合，而增强现实技术可以展示抽象立体三维图形。如在立体几何的教学中，主要是通过2D 图形展示3D 几何形状，如展示镂空十二面体AR 演示，有时也会夹杂一些简单的实体三维模型供教学者参考，引导学习者想象真实的三维模型。然而，抽象的复杂性及实体模型的缺陷，很难满足教学的需求。增强现实技术借助带有信息的卡片可以把虚拟的三维虚拟信息实时的显示出来，并可以根据用户的需求进行适当的交互，完成预想的三维展示效果。从实验室中的庞大设备，到现在的3D 眼镜，投影仪等设备结合制作的特定内容的卡片，逐渐满足了基本的教学需求。

　　参考文献：

　　[1]王晓琳. 基于计算机视觉的手势识别人机交互技术[J]. 硅谷, 2009, (19): 38.

　　[2]李少峰. 三维增强现实技术对文化产业的影响[J]. 工业设计, 2015(12):93-93.

　　[3]张雪洁, 刘子源, 伏潜,等. 一种基于增强现实的嵌入式教学模型及其方法: CN102945637A[P]. 2013.

　　[4]张宝运, 恽如伟. 增强现实技术及其教学应用探索[J]. 实验技术与管理, 2010, 27(10):135-138.

　　[5]蔡苏, 王沛文, 杨阳, 等. 增强现实(AR)技术的教育应用综述[J]. 远程教育杂志, 2016, 34(5):27-40.

　　[6]王志军,刘潇.促进学习情境转化的增强现实学习资源设计研究[J].中国电化教育,2019(06):114-122.

　　[7]赵文静,曹忠.国外增强现实教育应用的研究进展—— 基于104 篇国际教育技术期刊论文的质性元分析[J].中国教育信息化,2019(10):30-35.

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