欒婷婷

（沈陽開放大學，遼寧 沈陽 110003）

0 引言

近年來， 虛擬現(xiàn)實教學得到政府的高度重視，教育部在 《2019 年教育信息化和網(wǎng)絡安全工作要點》中提出要“推動大數(shù)據(jù)、虛擬現(xiàn)實、人工智能等新技術在教育教學中的深入應用”。 其中，虛擬現(xiàn)實技術為教育發(fā)展帶來全新機遇。 但由于虛擬現(xiàn)實提供場景為純虛擬的，模型及程序構建費時費力，且需借助虛擬設備呈現(xiàn)，難以普及。增強現(xiàn)實（AR）技術是由Tom Caudell首次于1990 年首次提出的， 是在虛擬現(xiàn)實的基礎之上產(chǎn)生的。 它能夠?qū)⒂嬎銠C生成的虛擬信息疊加應用到真實世界，并將虛擬信息和真實信息進行融合后在顯示設備上完美呈現(xiàn)，從而實現(xiàn)對現(xiàn)實世界中真實信息的增強，實現(xiàn)更佳的視覺體驗。 近年來，隨著5G 通信技術的快速發(fā)展，AR 技術已逐步滲透到工業(yè)、游戲、軍事等領域，并且取得了一定的成效。 同時，增強現(xiàn)實技術的三維性、交互性和趣味性等技術特點與其在教育方面的應用需求十分契合[1]，能夠?qū)Ξ斍懊鎸Φ囊恍蠹蔡峁┬路f和有效的解決方案， 因此AR 技術在教育方面的應用受到越來越多的關注。

目前國內(nèi)外關于AR 技術的研究主要集中在高校和科研單位，北京理工大學光電技術與信息系統(tǒng)實驗室將圓明園未被破壞前的場景疊加到真實的圓明園廢墟上，重現(xiàn)其繁華場景。 上海大學與浙江大學合作開發(fā)AR 場景光源的實時檢測和真實感繪制框架。 諾丁漢大學開發(fā)的兩款產(chǎn)品Illumimory 和Invisibilia 具有 AR 閱讀提醒的功能[2]。 Shelton 和 Hedley 用 AR 進行九大行星的教學實驗。 Augmented Chemistry 利用AR 打造一套化學分子式輔助教學系統(tǒng)，等等。

1 手機AR 技術在遠程教育中的需求性分析

現(xiàn)代遠程教育是以電子信息技術為背景、以網(wǎng)絡通信為主要傳播途徑的網(wǎng)絡教育模式，具有師生時空分離而又交互共享教學資源的基本特征。 遠程教育經(jīng)歷了函授、電信會議、計算機基礎三個階段，至今已成為教育模式中的重要組成部分，突破了傳統(tǒng)教學在時間和空間上的限制，向著綜合性、開發(fā)性和交互性的方向發(fā)展。 其在發(fā)展過程中經(jīng)歷了板書形式、多媒體形式，隨著增強現(xiàn)實技術的逐漸普及，有望向“AR 模式”這種新的教學形式進發(fā)。對AR 技術在遠程教育中的應用進行研究，相對于傳統(tǒng)教學有顯著的進步與價值。 它將傳統(tǒng)沉悶和低效的課堂，變得更加活躍，從而創(chuàng)建智能教學方法。 遠程教育的受眾人群是多層次多類型的，他們面對的主要障礙是“工學矛盾”，時間有限且零散，尤其是在疫情背景下，更需借助方便的遠程教育方式解決學習者的學習問題。 智能手機作為便捷的移動設備， 能夠最大限度地滿足學習者隨時、隨地進行課程學習與實時交互。

在遠程教育教學過程中， 有一些課程內(nèi)容抽象、結構復雜，以建筑設計課程為例，傳統(tǒng)的建筑設計課程依賴于建筑理論與效果圖、三維模型等，無法演示建筑從無到有的實際創(chuàng)建過程，學習者僅通過觀看平面圖片或二維視頻學習，難免有抽象晦澀之感；而遠程課堂一般不像面對面授課一樣， 可以隨時發(fā)問，隨時解答，這勢必給學習者盡快理解課堂知識難點造成障礙，對課堂效果和學習效率產(chǎn)生影響。而若將AR 技術融入課程資源中，以智能手機為載體，學習者可觀看3D 虛擬場景覆蓋在建筑圖像上， 模擬相應的建筑結構與建筑環(huán)境， 觀看建筑各個部分的實景建造，并可與建筑模型360°實時交互， 將復雜的知識點清晰化，具體化，給人一目了然之感；同時增加課堂的活躍度，顯著提升學習者的積極性與效率，也為學習者打造良好的基礎。

2 基于手機AR 技術的建筑設計課程的開發(fā)與實現(xiàn)

2.1 AR 技術交互知識點選取

為了深入闡述基于手機AR 技術的遠程教育的應用研究，本文特以建筑設計課程為例,將AR 技術融入課程資源中。 首先，利用當前教學模式就能夠起到良好教學效果的知識點是無須增加AR 技術融入的，為了使AR 技術充分發(fā)揮效果， 必須對遠程教育的建筑設計課程中的知識點進行篩選，找出學習者在學習過程中普遍感受到的空間感要求高、難度比較大、當前課程描述較為晦澀難懂的， 并通過AR 技術的融入能夠提高教學效果的知識點。 經(jīng)過調(diào)查和分析，最終選取了“薩伏伊別墅的設計”這一知識點作為 AR 技術交互的對象。 薩伏伊別墅層與層之間過渡復雜，空間布局多，立面設計豐富，在這一知識點的講解過程中，學習者往往對其知識點的描述理解不夠到位，無法多角度、更直觀地體會別墅的設計特點，難以產(chǎn)生準確的空間想象感；而通過AR 技術的融入，可以將這一設計通過建筑生長的效果表現(xiàn)出來，通過模擬建筑的設計和建造過程，使學習者多角度、直觀地了解到建筑由外而內(nèi)的各個環(huán)節(jié)，了解設計思路、施工步驟和建筑結構，使建筑的展示清晰明了。

2.2 AR 知識點的設計和研發(fā)

2.2.1 AR 知識點的設計

AR 知識點的設計利用三維建模軟件——草圖大師SketchUp 來完成。該軟件是目前市面上比較常用的繪圖軟件，它可以方便、快速地創(chuàng)建、觀察和修改三維創(chuàng)意，采用該軟件可以制作三維渲染動畫，在建筑設計、工業(yè)設計等方面應用非常廣泛。 在本設計中，采用SketchUp 軟件制作薩伏伊別墅模型， 從平面圖開始，由淺到深、由下至上構建薩伏伊別墅模型，從建筑最基礎框架到貼完材質(zhì)的效果圖，每一個階段都生成對應的模型圖，構建模型庫，并進行渲染。

2.2.2 AR 知識點的研發(fā)

AR 知識點的研發(fā)主要依靠Vuforia 插件和Unity3D 軟件。 其中Vuforia 插件是AR 開發(fā)工具中的一種，可作為Unity3D 軟件的插件導入，操作簡單，使用方便。 Unity 3D 作為三維視頻及建筑可視化3D 開發(fā)平臺，是一個跨多平臺的綜合型開發(fā)工具，可以在Windows 和Mac OS 等多個平臺運行。Unity3D 可將程序發(fā)布到 Windows、Mac、HTML5、iPhone 及安卓平臺等，極大的滿足學生和不同類型客戶端的需求。

首先，利用Vuforia 官網(wǎng)創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫，將薩伏伊別墅平面圖與三維立體圖一一對應，例如，掃描別墅平面結構圖時能夠自動生成別墅的三維結構模型、掃描別墅平面效果圖時自動生成別墅三維效果圖，并生成AR 程序。 其次， 將AR 程序以插件的形式導入Unity 3D 軟件中，并進行編程與調(diào)試，在程序腳本中添加對模型的360°旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等功能，完成交互部分的程序設計。

2.2.3 基于手機的可執(zhí)行程序生成與調(diào)試

基于手機端可執(zhí)行程序的開發(fā)， 也主要利用Unity 3D 軟件。通過Unity 3D，可以生成手機可讀取并使用的文件，以安卓手機為例，生成*.apk 文件。將AR模型和其他教學素材資源存放于程序內(nèi)， 將*.apk 文件導入手機中，在手機文件中找到該安裝文件，完成安裝。 通過反復調(diào)試，確保程序在手機端使用的穩(wěn)定性。 學習者在學習“薩伏伊別墅的設計”這一課程時，就可以通過掃描平面圖的形式， 使3D 虛擬場景覆蓋在建筑圖像上，讓學習者在360°模擬真實場景下進行學習，并可以用手指輕觸屏幕，對建筑模型進行放大、縮小等操作，提升交互體驗，豐富學習者的視覺感受，增強學習效果。

3 結語

手機AR 技術在遠程教育中的應用可以為學習者帶來良好和便捷的教學體驗, 伴隨著AR 及相關技術的不斷成熟， 手機AR 技術在教育教學方面的突出優(yōu)勢勢必會得到進一步的體現(xiàn)，同時在教育領域為更多學習者提供更加優(yōu)質(zhì)的教學服務。