面向智慧课堂的3D数字化技术应用研究

    方紫帆

    

    

    

    摘? 要 基于对智慧课堂的研究，通过搜集3D数字化技术在教育领域的应用案例，对新兴技术在现代教学中的发展潜能进行研究，深入挖掘3D数字化技术作为一种现代教育技术在教育领域的独特优势及应用前景，促进教育高质量发展。

    关键词 智慧课堂;智慧教学;教育信息化;3D数字化技术;增强现实技术;虚拟现实技术;立体教材

    中图分类号：G652? ? 文献标识码：B

    文章编号：1671-489X（2020）09-0026-03

    1 前言

    目前，大部分课堂教学依然是以传统的教学方式为主，即教师讲课学生听，至多将一些多媒体或实验器材运用于教学之中，具象所教授的内容，教学效率较低。在“互联网+”时代大背景下，构建智慧课堂逐渐被推到教学变革的风口浪尖上。3D数字化技术的创新应用能够有效支持智慧课堂的开展。目前，基于2D图像的教学媒体资源已很难满足高效课堂对知识呈现形式的要求，基于三维空间的3D数字化技术才能更有效地开发创新型资源，完整呈现三维空间概念，将知识内容立体化。3D数字化技术可以模拟创设出许多真实世界中难以接触到的学习情境，这种技术在有效支持教育教学的过程中展示了其巨大的潜力，逐渐引起专家学者的关注。今天许多教师已经开始运用数字化媒体开展智慧教学，这种教学方式有利于提升学校的学科教学质量与学生综合素质，推动教育改革的创新发展。

    2 智慧课堂

    随着教育信息化的快速发展，智慧课堂已成为现今教育改革的重要议题，本质是从提高课堂教学效率、发展教学特色的视角出发，以培养学生21世纪技能与核心素养为指向，采用数字化智能技术，将先进教育理念融入课堂实践，通过提供多样化的教学资源，全面调动学生的感官，使其在探究知识的进程中能够更深刻地感知学习对象的本质，引导学生主动探索与发展，全面落实核心素养，促进综合能力的发展。开展智慧教学，不仅关注学生知识掌握的效率，更强调学生在主体参与中的表达、思考、协作等全方面学习能力的提升，其核心是期望利用技术来构建高效课堂。智慧课堂具有“资源分层共享”“智能协作交流”等数字化特征，能够有效克服传统授课模式的弊端，深入融合现代教育技术与课程，突出教育信息化的独特优势，有效拓宽实践教学的发展路径[1]。

    3 3D数字化技术

    3D数字化技术包括增强现实（Augmented Reality，

    AR）技术与虚拟现实（Virtual Reality，VR）技术。虚拟现实技术是计算机模拟系统，能够帮助用户创建并浸入体验虚拟的世界。这个系统还支持模拟信息交互式三维视觉场景与实体行为，营造浸入式体验感[2]。增强现实技术从虚拟现实技术发展而来，借助计算机视觉技术在实际场景中覆盖模拟物体，从而构建出虚拟与现实的融合效果[3]。

    美国休斯研究所的最新研究结果表明，增强现实系统具备三个显著特点：虚实融合;实时交互;三维注册。系统可以基于真实物体交互融合数字化媒体，本质上就是将虚拟图形叠加在真实的物体之上。增强现实技术起源于20世纪中叶，在20世纪90年代后迅速发展。国外著名的研究机构如麻省理工学院、哥伦比亚大学等都建立了相关重点实验室，针对软硬件基础平台进行研发。随着技术的不断革新，研究逐步走向行业应用阶段[4]。

    国内对于增强现实技术的研究开展较晚。2017年8月，国务院发布《关于进一步扩大和升级信息消费 持续释放内需潜力的指导意见》，明确提到推进“互联网+”人工智能核心科技和平台开发，促进虚拟现实和增强现实产品的研发与产业化，支持产品创新和产业升级，如可穿戴设备、消费级无人机和智能服务机器人等[5]。增强现实技术进入迅速发展阶段，现在国内与增强现实技术相关的创业团队与小型公司超过2000个，腾讯、阿里巴巴与百度等互联网巨头也开始涉足该领域。

    在技术飞速发展的现代，3D数字化技术逐渐被广大教师运用于课堂，开展智慧教学。3D数字化技术对改善学习具有得天独厚的优势，可以支持泛在学习环境、新型交互方式和立体导航场景能够构建协作的学习方式，有效激发学生的学习热情，进一步辅助学生内化所学的知识与技能。另外，3D数字化技术还能整合多重信息资源，营造开放式的探究情境，为研究性学习提供有效的工具。而对于教育工作者来说，3D数字化技术可以有效支持课堂教学，为构建智慧课堂提供关键创新点，减少教学成本。

    智慧课堂本质上强调“在做中学”，无论是新知呈现、知识重难点讲解，还是知识的巩固应用，都與学生亲自动手实践密不可分。3D数字技术作为一种创新型技术，能够与学生的探究实践活动自然相接，有效打造智慧课堂。

    4 面向智慧课堂的3D数字化技术应用实例

    3D数字化技术已经在教育领域广泛应用，如教学中的学具软件开发，教育游戏开发，美术、物理等学科教学新方法探索，虚拟电子书与数字图书馆的开发，学生实际工作技能训练以及三维物体建模（如模拟比较昂贵的教学用具，包括飞机、卫星等）[6]。下面列举一些具体的应用案例。

    1）立体教材。2012年，坎特伯雷大学的Billinghurst[7]

    等人研发出能够辅助教学的增强现实系统，如图1所示。系统内积累了丰富的具备纸质图书表现能力的立体版数字教材，在教材中叠加了生动逼真的三维立体内容，展示出栩栩如生的立体世界，打破了一成不变的传统平面教材，为学习者带来新的视觉感受，促进面向问题、经验和策略的群体知识进化和协同创生。

    2）教学辅助工具。微软的史密斯在1996年提出以蓝屏为背景的成像技术，或称之为色彩键控技术。使用色彩键控技术来构建增强现实虚拟工作室，可以在使用色彩键控技术时从视频中消除不需要的图像，并将处理完成的图像与外在现实场景融合叠加[8]。利用色键抠像技术构建的虚实结合场景可以用于课堂教学、工业培训、医学实践等领域。图2为意大利理工学院的Timothy[9]等人于2011年借助色键抠像技术构建的用于培训医生手术操作的增强现实系统，不过，该系统中的教学场景仅由两层场景搭建而成。

    微软公司利用AR技术，开发出一款星际漫游应用教具，如图3所示。这个应用曾经成为微软最佳的创意应用，学生能够通过它观看整个星系，能够用手势将不同的星球降落在眼前，并通过对应的解说进一步加深理解。在课堂中能够感受触手可及的“星系”，是一种很棒的教学体验。

    3）教学短片。苹果ARKit突破性的移动AR技术，将虚拟银河、星系等融入人们的现实世界（图4），学生可以观看九颗行星，“穿越”到月球之上并与嫦娥漫步、与玉兔共舞。

    目前，国内很多高校在热火朝天地开展关于3D数字化技术及其应用探究，且先后建立了虚拟现实与系统仿真的实验室，如北京航空航天大学开展了分布式飞行模拟方面的探索实践，浙江大学开展的规划虚拟建筑等[10]。

    通过利用3D数字化技术，将知识内容立体化，在已有教学资源的基础上延伸与创新，搭建起契合教育实际需求和教学特点的资源环境，让学生浸入式体验学习的乐趣，很大程度上促进了对知识的理解，增加了教学的广度、深度、参与度。例如，大学医学院的学生可以利用虚拟现实技术深入人体内部来学习器官的运作并仿真全部的医疗状况，在虚拟情境中操作演练，深入学习手术细节[11]。

    4）教学实践软件。微软开发的Hololens Eyeglasses可用于各种领域，如网页浏览、游戏、教育和工业，给人科幻感十足的体验，能够真正提升学习者对于相关专业、行业学习的兴趣。Hololens Eyeglasses在图像清晰度、3D效果等方面非常现实，并且不会引起眩晕。

    微软开发的RoboRaid是Hololens Eyeglasses的经典应用。首先，AR眼镜会对用户所在的房间进行扫描建模，融合了房间环境后，形成太空环境，可以模拟在太空中与外星人进行作战，或者驾驶航天器，有效培养航空航天兴趣。Hololens Eyeglasses中的Star Roaming应用程序赢得了微软最佳的Galaxy Explorer创意应用程序，该应用程序允许用户了解银河系，并使用手势将不同行星置于眼前。软件同时配有相关星球、星系的信息，如图5所示。运用Hololens Eyeglasses在课堂上展开一个触手可及的星系，真正做到寓学于乐，展现其在教学上的无限潜力[12]。

    5）教学助手。开发商Visible Body首次在Mac上发布一款Human Anatomy Atlas应用程序，运用增强现实技术呈现人体器官解剖图。它涵盖3400个高质量3D模型，可以进行位置变换、形态缩放、功能注释等。对于医学院学生来说，它就是解剖学的百科全书。

    增强现实技术有效变革了解剖学的教学方式。运用交互式3D技术，融合增强现实技术于教具，让人体模型随着学生的手指滑动而移动，可以很轻易地将人体模型移至房间内，有助于缩小解剖学探究与人体物理实际之间的差距。

    5 结语

    融入3D数字化技术的智慧课堂能够用创新型学习取代维持型学习，推动学科教学与技术的深度融合，帮助学生从事创造性的活动。这是一种指向未来教育的战略转向，实际上也是人才培养方式的转向，其优势一方面体现在借助技术能够有效提升课堂认知投入，诱导发生高级思维活动;另一方面，通过技术可以广泛拓展课堂认知范围，使学科知识与实际生活有机连接，促使学生获得积极的情感体验，转变课堂要素作用关系，实现“教师主导—学生主体”的智慧课堂，促进教育高质量发展。

    参考文献

    [1]刘军.智慧课堂：“互联网+”时代未来学校课堂发展新路向[J].中国电化教育，2017（7）：14-19.

    [2]邹湘軍，孙健，何汉武，等.虚拟现实技术的演变发展与展望[J].系统仿真学报，2004（9）：1905-1909.

    [3]Martín-Gutiérrez J， Saorín J L， Contero M， et al.?Education： Design and validation of an augmented book for spatial abilities development in engineeringstudents[J].Computers & Graphics，2010，34（1）：77-91.

    [4]Liberati N. Augmented reality and ubiquitous com-puting： the hidden potentialities of augmented rea-lity[J].Ai & Society，2016，31（1）：17-28.

    [5]浙江省发展和改革委员会课题组，何中伟.着力推进“互联网+”人工智能产业发展[J].浙江经济，2017（1）：44-45.

    [6]刘立云，李春燕，赵慧勤.增强现实（AR）技术在教育中的应用案例研究[J].中国教育信息化，2017（17）：19-22.

    [7]Billinghurst M， Duenser A. Augmented Reality in the Classroom[J].Computer，2012，45（7）：56-63.

    [8]郝晓林.三维技术在演播室中的应用现状[J].广播与电视技术，2014，41（10）：60-64.

    [9]Coles T R， John N W， Gould D， et al. Integrating?Haptics with Augmented Reality in a Femoral Palpa-tion and Needle Insertion Training Simulation[J].IEEE Trans Haptics，2011，4（3）：199-209.

    [10]冯威.医学虚拟学习情境的设计与实现[D].西安：第四军医大学，2008.

    [11]魏小东.面向教育应用的增强现实系统关键问题研究[D].北京：北京理工大学，2015.

    [12]Kilgus T， Heim E， Haase S， et al. Mobile marker-less augmented reality and its application in foren-sic medicine[J].International Journal of Computer Assisted Radiology & Surgery，2015，10（5）：573-586.