談增強(qiáng)現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實技術(shù)在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

隨著計算機(jī)硬件和軟件技術(shù)的不斷發(fā)展，許多當(dāng)年受限于各種技術(shù)問題而無法普及的科技產(chǎn)品也涅槃重生并逐漸流行起來。其中就包括最近以游戲Pokemon Go紅遍全球的增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)（AR）以及將2016年定義為元年的虛擬現(xiàn)實技術(shù)（VR）。

歷史發(fā)展

其實上述兩種技術(shù)早在上世紀(jì)就嶄露頭角了。以虛擬現(xiàn)實技術(shù)產(chǎn)品為例，已知的世界上的第一臺虛擬現(xiàn)實產(chǎn)品誕生于1956年，是攝影師Morton Heilig發(fā)明的設(shè)備Sensorama（如圖1），這是一款集成體感裝置的3D互動終端，它集3D顯示器、立體聲音箱、氣味發(fā)生器以及振動座椅于一身，用戶坐在上面能夠體驗到6部炫酷的短片，內(nèi)容包括《薩賓娜的日期》《我是一個可樂瓶》等，這一領(lǐng)先當(dāng)代科技的設(shè)備帶來了新潮的體驗。當(dāng)然，它看上去巨大而且笨重，更像是一臺醫(yī)療設(shè)備，同時也不是所有人都有勇氣享受這種刺激的，因此很快它就銷聲匿跡，淡出了人們的視線。

后期的虛擬現(xiàn)實設(shè)備又經(jīng)過了多次改進(jìn)，1984年，Jaron Lanier公司推出了世界上第一款商業(yè)虛擬現(xiàn)實設(shè)備——RB2（如圖2）。這款30多年前的設(shè)備不僅與現(xiàn)在主流的虛擬現(xiàn)實設(shè)備的外觀相近，甚至還配有體感追蹤手套，可以實現(xiàn)一定的交互操作。

2009年，得到眾籌資金的Oculus Rift項目重啟了當(dāng)今虛擬現(xiàn)實項目的研發(fā)，尤其是在2014年該項目被Facebook以20億美金收購后其軟硬件開發(fā)的速度也越來越快，終于在2016年初將產(chǎn)品正式投入市場。同年，HTC Vive、PS VR等重磅設(shè)備紛紛發(fā)售，由此衍生的各種應(yīng)用鋪天蓋地而來，關(guān)于虛擬現(xiàn)實的新聞一時間充斥著各大媒體，讓人真切地感受到VR真的來到了我們身邊！

由只能看視頻的冰箱大小的設(shè)備到能夠戴在頭上進(jìn)行各種互動的頭盔，虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展不是一朝一夕完成的，而是幾代人共同智慧的結(jié)晶。

增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)同樣也是科技逐步發(fā)展的結(jié)果，這一技術(shù)于1990年被提出，1998年第一次應(yīng)用于實時直播（Sportvision開發(fā)的1st&Ten系統(tǒng)）。而1999年ARToolKit開源增強(qiáng)現(xiàn)實開發(fā)工具的出現(xiàn)（奈良先端科學(xué)技術(shù)學(xué)院的加藤弘開發(fā)）使得增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)開始廣泛應(yīng)用。其最初的應(yīng)用還是局限于廣播電視行業(yè)，如各大電視臺引進(jìn)的虛擬演播室系統(tǒng)，各電視臺的氣象播報節(jié)目等，往往是將虛擬的環(huán)境與真實主持人進(jìn)行場景融合。2013年央視春節(jié)聯(lián)歡晚會的舞臺則將這種應(yīng)用方式發(fā)揮到了極致。

技術(shù)關(guān)聯(lián)

從原理上講，虛擬現(xiàn)實技術(shù)是利用先進(jìn)的軟硬件技術(shù)，用虛假的信息欺騙使用者的視覺、聽覺、運動甚至觸覺、嗅覺等感知，使人產(chǎn)生身臨其境感覺的技術(shù)。增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)則是在可確定的真實環(huán)境中疊加計算機(jī)生成的虛擬信息，從而混淆觀眾感知的技術(shù)。

我們可以發(fā)現(xiàn)，這兩種科技有一定的關(guān)聯(lián)性：有人認(rèn)為虛擬現(xiàn)實技術(shù)是增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的極致，因為它將所有的真實環(huán)境全部疊加、替換成了虛擬信息（如圖3）；還有些人認(rèn)為增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的分支，因其在虛擬環(huán)境中混入了部分真實信息（如圖4）。

無論認(rèn)同哪種觀點，不可否認(rèn)的是，虛擬現(xiàn)實技術(shù)與增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)二者之間具有較多共通性，我們可以通過它們的技術(shù)特征（如表1）來繼續(xù)確認(rèn)這點。

如果將虛擬定義為“假”，將現(xiàn)實定義為“真”，我們可將虛擬現(xiàn)實理解為“以假亂真”，將增強(qiáng)現(xiàn)實理解為“真假難辨”。

應(yīng)用前景

“讀萬卷書，行萬里路”是古人對知識獲取和應(yīng)用的概括，意思就是以閱讀增長才識，以體會增長見識，學(xué)以致用。在當(dāng)今的課堂教學(xué)中，教師通過使用多媒體技術(shù)，將視頻、圖像、交互性課件等資源展示給學(xué)生，使學(xué)生對知識產(chǎn)生更深刻的理解，在課堂上就能夠增長見識。虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)，能更深入課堂教學(xué)，帶給學(xué)生更加“真實”的體驗。課堂教學(xué)中有了這兩種技術(shù)的支持，不僅能夠“行萬里路”，甚至可以跨越時間與空間，體驗過去與未來，置身于微觀世界、宇宙洪荒。

讓我們想象一下：在一堂關(guān)于問路的英語口語練習(xí)課上，當(dāng)學(xué)生戴上設(shè)備，進(jìn)入真正的紐約街頭，并在熙熙攘攘的異國環(huán)境中真正地體驗一次問路過程的時候，這一切對學(xué)生尤其是對偏遠(yuǎn)地區(qū)的學(xué)生來說，將會是一次多么難忘的經(jīng)歷（虛擬現(xiàn)實技術(shù)）。又如，語文課上，當(dāng)老師帶領(lǐng)學(xué)生朗讀《鳥的天堂》時，教室中間生長出一棵榕樹，并在短短的時間獨木成林，學(xué)生們坐在樹林中親眼看到地板變成水面，屋頂化為天空，還有遮天蔽日的千萬只鳥在身邊飛舞……置身于鳥的天堂，又有哪位學(xué)生體會不到巴金先生當(dāng)年的感受呢（增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)）？

硬件配備

就在課堂上實現(xiàn)虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)教學(xué)而言，我們首先需要考慮的是硬件設(shè)備的使用。當(dāng)前這兩種技術(shù)都處于起步階段，各種硬件設(shè)備的規(guī)格也參差不齊，表2是筆者整理的可用于課堂教學(xué)的部分硬件設(shè)備列表。

表格中的入門級代表實現(xiàn)這一技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)硬件標(biāo)準(zhǔn)，同時也是最容易在課堂普及的設(shè)備。標(biāo)準(zhǔn)級別是增強(qiáng)了體驗的常見設(shè)備，具有一般的性能和臨場體驗感。高端設(shè)備都是基于谷歌公司新技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備，具有更多的功能和互動性。其中Tango技術(shù)原先被稱為Project Tango，是包含了能夠?qū)崿F(xiàn)即時定位與地圖構(gòu)建技術(shù)（SLAM）的軟硬件技術(shù)。Daydream則是為集成了虛擬現(xiàn)實的Android N系統(tǒng)打造的軟硬件標(biāo)準(zhǔn)。頂尖級別是當(dāng)今最頂級的民用技術(shù)產(chǎn)品，擁有最多的功能、強(qiáng)大的互動和最佳的體驗，其中VR系列產(chǎn)品無一例外地采用了頭戴顯示器與高性能主機(jī)通過線纜連接的方式，一方面解決了擁有強(qiáng)大運算能力的主機(jī)與頭盔輕量化之間的平衡，但另一方面高效率低延遲的無線連接技術(shù)還不成熟導(dǎo)致了線纜的存在，而延遲則是影響使用者體驗的重大因素，超過20毫秒的延遲不僅會導(dǎo)致體驗變差，還會讓使用者產(chǎn)生頭暈等不適癥狀。頂尖的AR設(shè)備則是微軟產(chǎn)品HoloLens一家獨大，相比谷歌眼鏡項目的退出和Magic Leap那過于科幻的產(chǎn)品難產(chǎn)，HoloLens已經(jīng)推出了產(chǎn)品商用套裝并將所有的功能集成到了售價5000美金的頭盔中（其開發(fā)者版本售價為3000美金）。至于理想級別的設(shè)備，是筆者針對頂尖級別產(chǎn)品缺陷而臆想的完美配置，其中部分內(nèi)容受限于當(dāng)前科技水平還未實現(xiàn)，如無介質(zhì)全息投影技術(shù)。

無論如何，精簡指令集的出現(xiàn)和納米工藝的提升已經(jīng)將奔騰級別的運算效能濃縮到了手機(jī)大小的設(shè)備上。未來VR設(shè)備的發(fā)展趨勢應(yīng)當(dāng)是使用越來越輕的便攜設(shè)備去欣賞越來越真實的虛擬世界；AR設(shè)備則會向無需攜帶設(shè)備就能看到全息畫面的立體投影方向發(fā)展。

軟件開發(fā)

21世紀(jì)是信息化的時代，也是信息科技急速發(fā)展的時代。作為走在時代前沿的信息技術(shù)教學(xué)，不僅要讓學(xué)生掌握教材中的知識和技能，還要讓學(xué)生了解最新的信息技術(shù)動態(tài)，擴(kuò)大知識層面，并在實踐探究中發(fā)展創(chuàng)造性思維。

2015年初，筆者在一堂城鄉(xiāng)交流課上首次應(yīng)用了增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)并取得了很好的課堂效果（所使用課件榮獲第十三屆NOC活動數(shù)字化學(xué)習(xí)工具評優(yōu)賽項的恩歐希教育信息化發(fā)明創(chuàng)新獎）。當(dāng)時考慮到農(nóng)村地區(qū)的硬件設(shè)備不發(fā)達(dá)，從而采用了入門級別的設(shè)備解決方案，其優(yōu)缺點都同樣明顯：采用臺式機(jī)加USB攝像頭的硬件組合使得增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)可在低配置電腦上使用，避免了新技術(shù)受限于設(shè)備無法使用的尷尬局面；但同時它帶來的開發(fā)技術(shù)壁壘也使得教師必須具有相應(yīng)的專業(yè)技術(shù)才能完成課件的制作。以筆者為例，那時無論是增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)還是虛擬現(xiàn)實技術(shù)其開發(fā)都處于起步階段，所有的技術(shù)文檔和資料都沒有中文版本，再加上自己尚沒有Windows平臺開發(fā)經(jīng)驗，也沒有C++編程基礎(chǔ)，所以前期大約有一個月的時間都是在自學(xué)、摸索，抱著詞典翻譯和消化研究，之后在制作動畫、三維模型、軟件開發(fā)、程序排錯等方面又耗費了一個多月的時間才最終完成（如上頁圖5）。

有了這次的開發(fā)經(jīng)驗，再加上自己不斷地研究和國際國內(nèi)開發(fā)環(huán)境的改善，2016年初，筆者同時應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，結(jié)合電子書包做了一次新的課堂嘗試（所使用課件榮獲第十四屆NOC活動數(shù)字化學(xué)習(xí)工具評優(yōu)賽項的恩歐希教育信息化發(fā)明創(chuàng)新獎）。國際、國內(nèi)的開發(fā)環(huán)境改善是指在這一年中，國內(nèi)開始涌現(xiàn)出一批增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)團(tuán)隊，如太虛、視辰、亮風(fēng)臺等，國外的Wikitude、Vuforia等也在技術(shù)上有了長足的進(jìn)步，增添了更多功能。虛擬現(xiàn)實方面，Unreal、Unity、CRYENGINE等游戲引擎也紛紛宣布原生支持VR技術(shù)應(yīng)用的開發(fā)。筆者此次所用的開發(fā)平臺從Visual C++轉(zhuǎn)換為Unity+C#，應(yīng)用平臺也從Windows轉(zhuǎn)到了Android系統(tǒng)。并在AR應(yīng)用中增添了掃描課本播放視頻（如圖6）、觸摸按鈕改變?nèi)S模型紋理等交互（如圖7），既簡化了學(xué)生的操作，又提高了趣味性。再加上漫游環(huán)節(jié)中虛擬現(xiàn)實技術(shù)的使用（如圖8），使課堂氣氛達(dá)到了高潮。得益于三維引擎的強(qiáng)大功能，它在增添了粒子、大氣等大量新特性的同時又大大降低了制作難度，其硬件體驗級別也由2015年的入門級上升到了標(biāo)準(zhǔn)級。

現(xiàn)階段比較尷尬的情況是，從高端級別的體驗開始，技術(shù)對硬件設(shè)備的要求越來越高。到時2016年末為止，符合Daydream標(biāo)準(zhǔn)的智能設(shè)備只有谷歌Pixel以及華為Mate9、ZTE Axon7等幾款，包含Tango技術(shù)的手機(jī)目前更是只有聯(lián)想Phab 2 Pro一款。因其設(shè)備的特殊性（新的硬件或者技術(shù)規(guī)范），無意中增添了課件開發(fā)的成本。好在谷歌免費提供了Google VR SDK的GitHub下載，為應(yīng)用開發(fā)提供了很多便利，并有簡單的實例代碼可供研究。同時，谷歌應(yīng)用商店內(nèi)置了豐富的VR/AR應(yīng)用，老師們可以在課堂上依據(jù)授課內(nèi)容使用（如上頁圖9）。

頂尖設(shè)備目前還比較小眾，設(shè)備擁有量很少，同時設(shè)備中采用了大量特殊硬件，如深度攝像頭、紅外基站等，導(dǎo)致無法成為開發(fā)主流。為改善這一情況，制造商們紛紛推出了自家設(shè)備的應(yīng)用開發(fā)包并宣稱與主流三維引擎兼容，這些SDK我們都可在其官方網(wǎng)站上找到并下載。甚至微軟在將HoloLens的開發(fā)功能整合到Visual Studio 2015 Update 1之余，還額外提供了HoloLens虛擬機(jī)，讓沒有設(shè)備的開發(fā)人員一樣能夠制作出頂級的增強(qiáng)現(xiàn)實應(yīng)用。HTC Vive還借助Steam 平臺打造了眾多VR資源，微軟同樣致力于將HoloLens融入仍在不斷升級的Windows 10中。

結(jié)束語

在1945年7月出版的《大西洋月刊》上，Vannevar Bush描繪了他的一個構(gòu)想：一部可連接在普通眼鏡上的頭戴式照相機(jī)，可記錄評論、照片以及科學(xué)實驗數(shù)據(jù)。他這樣寫道：“想象一下未來實驗室里的研究者，他的雙手是自由的，他是不被束縛的……他的照相機(jī)比核桃還要小，附在普通眼鏡上……這遠(yuǎn)不是普通的構(gòu)想?！?/p>

Vannevar Bush預(yù)測，半個世紀(jì)之后，可能真的“世界已經(jīng)到達(dá)一個設(shè)備具有超高可靠性并且便宜而又復(fù)雜的時代，這些東西一定會到來”。

現(xiàn)在，它真的來了，而且不僅僅是拍照攝像，甚至已經(jīng)發(fā)展成了一套復(fù)雜的交互式設(shè)備，并將很快進(jìn)入到我們的課堂教學(xué)中。無論是HTC的VIVE、微軟的HOLOLENS還是其他設(shè)備，都會在各方面改變我們的生活和學(xué)習(xí)。這是硬件的革命，也是軟件的創(chuàng)新，更是科技的進(jìn)步！

參考文獻(xiàn)：

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