面向智慧課堂的3D數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用研究

方紫帆

摘? 要 基于對智慧課堂的研究，通過搜集3D數(shù)字化技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用案例，對新興技術(shù)在現(xiàn)代教學(xué)中的發(fā)展?jié)撃苓M(jìn)行研究，深入挖掘3D數(shù)字化技術(shù)作為一種現(xiàn)代教育技術(shù)在教育領(lǐng)域的獨特優(yōu)勢及應(yīng)用前景，促進(jìn)教育高質(zhì)量發(fā)展。

關(guān)鍵詞 智慧課堂;智慧教學(xué);教育信息化;3D數(shù)字化技術(shù);增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù);虛擬現(xiàn)實技術(shù);立體教材

中圖分類號：G652? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）09-0026-03

1 前言

目前，大部分課堂教學(xué)依然是以傳統(tǒng)的教學(xué)方式為主，即教師講課學(xué)生聽，至多將一些多媒體或?qū)嶒炂鞑倪\用于教學(xué)之中，具象所教授的內(nèi)容，教學(xué)效率較低。在“互聯(lián)網(wǎng)+”時代大背景下，構(gòu)建智慧課堂逐漸被推到教學(xué)變革的風(fēng)口浪尖上。3D數(shù)字化技術(shù)的創(chuàng)新應(yīng)用能夠有效支持智慧課堂的開展。目前，基于2D圖像的教學(xué)媒體資源已很難滿足高效課堂對知識呈現(xiàn)形式的要求，基于三維空間的3D數(shù)字化技術(shù)才能更有效地開發(fā)創(chuàng)新型資源，完整呈現(xiàn)三維空間概念，將知識內(nèi)容立體化。3D數(shù)字化技術(shù)可以模擬創(chuàng)設(shè)出許多真實世界中難以接觸到的學(xué)習(xí)情境，這種技術(shù)在有效支持教育教學(xué)的過程中展示了其巨大的潛力，逐漸引起專家學(xué)者的關(guān)注。今天許多教師已經(jīng)開始運用數(shù)字化媒體開展智慧教學(xué)，這種教學(xué)方式有利于提升學(xué)校的學(xué)科教學(xué)質(zhì)量與學(xué)生綜合素質(zhì)，推動教育改革的創(chuàng)新發(fā)展。

2 智慧課堂

隨著教育信息化的快速發(fā)展，智慧課堂已成為現(xiàn)今教育改革的重要議題，本質(zhì)是從提高課堂教學(xué)效率、發(fā)展教學(xué)特色的視角出發(fā)，以培養(yǎng)學(xué)生21世紀(jì)技能與核心素養(yǎng)為指向，采用數(shù)字化智能技術(shù)，將先進(jìn)教育理念融入課堂實踐，通過提供多樣化的教學(xué)資源，全面調(diào)動學(xué)生的感官，使其在探究知識的進(jìn)程中能夠更深刻地感知學(xué)習(xí)對象的本質(zhì)，引導(dǎo)學(xué)生主動探索與發(fā)展，全面落實核心素養(yǎng)，促進(jìn)綜合能力的發(fā)展。開展智慧教學(xué)，不僅關(guān)注學(xué)生知識掌握的效率，更強(qiáng)調(diào)學(xué)生在主體參與中的表達(dá)、思考、協(xié)作等全方面學(xué)習(xí)能力的提升，其核心是期望利用技術(shù)來構(gòu)建高效課堂。智慧課堂具有“資源分層共享”“智能協(xié)作交流”等數(shù)字化特征，能夠有效克服傳統(tǒng)授課模式的弊端，深入融合現(xiàn)代教育技術(shù)與課程，突出教育信息化的獨特優(yōu)勢，有效拓寬實踐教學(xué)的發(fā)展路徑[1]。

3 3D數(shù)字化技術(shù)

3D數(shù)字化技術(shù)包括增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality，

AR）技術(shù)與虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)是計算機(jī)模擬系統(tǒng)，能夠幫助用戶創(chuàng)建并浸入體驗虛擬的世界。這個系統(tǒng)還支持模擬信息交互式三維視覺場景與實體行為，營造浸入式體驗感[2]。增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)從虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展而來，借助計算機(jī)視覺技術(shù)在實際場景中覆蓋模擬物體，從而構(gòu)建出虛擬與現(xiàn)實的融合效果[3]。

美國休斯研究所的最新研究結(jié)果表明，增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)具備三個顯著特點：虛實融合;實時交互;三維注冊。系統(tǒng)可以基于真實物體交互融合數(shù)字化媒體，本質(zhì)上就是將虛擬圖形疊加在真實的物體之上。增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)起源于20世紀(jì)中葉，在20世紀(jì)90年代后迅速發(fā)展。國外著名的研究機(jī)構(gòu)如麻省理工學(xué)院、哥倫比亞大學(xué)等都建立了相關(guān)重點實驗室，針對軟硬件基礎(chǔ)平臺進(jìn)行研發(fā)。隨著技術(shù)的不斷革新，研究逐步走向行業(yè)應(yīng)用階段[4]。

國內(nèi)對于增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的研究開展較晚。2017年8月，國務(wù)院發(fā)布《關(guān)于進(jìn)一步擴(kuò)大和升級信息消費 持續(xù)釋放內(nèi)需潛力的指導(dǎo)意見》，明確提到推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”人工智能核心科技和平臺開發(fā)，促進(jìn)虛擬現(xiàn)實和增強(qiáng)現(xiàn)實產(chǎn)品的研發(fā)與產(chǎn)業(yè)化，支持產(chǎn)品創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級，如可穿戴設(shè)備、消費級無人機(jī)和智能服務(wù)機(jī)器人等[5]。增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)進(jìn)入迅速發(fā)展階段，現(xiàn)在國內(nèi)與增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)相關(guān)的創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊與小型公司超過2000個，騰訊、阿里巴巴與百度等互聯(lián)網(wǎng)巨頭也開始涉足該領(lǐng)域。

在技術(shù)飛速發(fā)展的現(xiàn)代，3D數(shù)字化技術(shù)逐漸被廣大教師運用于課堂，開展智慧教學(xué)。3D數(shù)字化技術(shù)對改善學(xué)習(xí)具有得天獨厚的優(yōu)勢，可以支持泛在學(xué)習(xí)環(huán)境、新型交互方式和立體導(dǎo)航場景能夠構(gòu)建協(xié)作的學(xué)習(xí)方式，有效激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，進(jìn)一步輔助學(xué)生內(nèi)化所學(xué)的知識與技能。另外，3D數(shù)字化技術(shù)還能整合多重信息資源，營造開放式的探究情境，為研究性學(xué)習(xí)提供有效的工具。而對于教育工作者來說，3D數(shù)字化技術(shù)可以有效支持課堂教學(xué)，為構(gòu)建智慧課堂提供關(guān)鍵創(chuàng)新點，減少教學(xué)成本。

智慧課堂本質(zhì)上強(qiáng)調(diào)“在做中學(xué)”，無論是新知呈現(xiàn)、知識重難點講解，還是知識的鞏固應(yīng)用，都與學(xué)生親自動手實踐密不可分。3D數(shù)字技術(shù)作為一種創(chuàng)新型技術(shù)，能夠與學(xué)生的探究實踐活動自然相接，有效打造智慧課堂。

4 面向智慧課堂的3D數(shù)字化技術(shù)應(yīng)用實例

3D數(shù)字化技術(shù)已經(jīng)在教育領(lǐng)域廣泛應(yīng)用，如教學(xué)中的學(xué)具軟件開發(fā)，教育游戲開發(fā)，美術(shù)、物理等學(xué)科教學(xué)新方法探索，虛擬電子書與數(shù)字圖書館的開發(fā)，學(xué)生實際工作技能訓(xùn)練以及三維物體建模（如模擬比較昂貴的教學(xué)用具，包括飛機(jī)、衛(wèi)星等）[6]。下面列舉一些具體的應(yīng)用案例。

1）立體教材。2012年，坎特伯雷大學(xué)的Billinghurst[7]

等人研發(fā)出能夠輔助教學(xué)的增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)，如圖1所示。系統(tǒng)內(nèi)積累了豐富的具備紙質(zhì)圖書表現(xiàn)能力的立體版數(shù)字教材，在教材中疊加了生動逼真的三維立體內(nèi)容，展示出栩栩如生的立體世界，打破了一成不變的傳統(tǒng)平面教材，為學(xué)習(xí)者帶來新的視覺感受，促進(jìn)面向問題、經(jīng)驗和策略的群體知識進(jìn)化和協(xié)同創(chuàng)生。

2）教學(xué)輔助工具。微軟的史密斯在1996年提出以藍(lán)屏為背景的成像技術(shù)，或稱之為色彩鍵控技術(shù)。使用色彩鍵控技術(shù)來構(gòu)建增強(qiáng)現(xiàn)實虛擬工作室，可以在使用色彩鍵控技術(shù)時從視頻中消除不需要的圖像，并將處理完成的圖像與外在現(xiàn)實場景融合疊加[8]。利用色鍵摳像技術(shù)構(gòu)建的虛實結(jié)合場景可以用于課堂教學(xué)、工業(yè)培訓(xùn)、醫(yī)學(xué)實踐等領(lǐng)域。圖2為意大利理工學(xué)院的Timothy[9]等人于2011年借助色鍵摳像技術(shù)構(gòu)建的用于培訓(xùn)醫(yī)生手術(shù)操作的增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)，不過，該系統(tǒng)中的教學(xué)場景僅由兩層場景搭建而成。

微軟公司利用AR技術(shù)，開發(fā)出一款星際漫游應(yīng)用教具，如圖3所示。這個應(yīng)用曾經(jīng)成為微軟最佳的創(chuàng)意應(yīng)用，學(xué)生能夠通過它觀看整個星系，能夠用手勢將不同的星球降落在眼前，并通過對應(yīng)的解說進(jìn)一步加深理解。在課堂中能夠感受觸手可及的“星系”，是一種很棒的教學(xué)體驗。

3）教學(xué)短片。蘋果ARKit突破性的移動AR技術(shù)，將虛擬銀河、星系等融入人們的現(xiàn)實世界（圖4），學(xué)生可以觀看九顆行星，“穿越”到月球之上并與嫦娥漫步、與玉兔共舞。

目前，國內(nèi)很多高校在熱火朝天地開展關(guān)于3D數(shù)字化技術(shù)及其應(yīng)用探究，且先后建立了虛擬現(xiàn)實與系統(tǒng)仿真的實驗室，如北京航空航天大學(xué)開展了分布式飛行模擬方面的探索實踐，浙江大學(xué)開展的規(guī)劃虛擬建筑等[10]。

通過利用3D數(shù)字化技術(shù)，將知識內(nèi)容立體化，在已有教學(xué)資源的基礎(chǔ)上延伸與創(chuàng)新，搭建起契合教育實際需求和教學(xué)特點的資源環(huán)境，讓學(xué)生浸入式體驗學(xué)習(xí)的樂趣，很大程度上促進(jìn)了對知識的理解，增加了教學(xué)的廣度、深度、參與度。例如，大學(xué)醫(yī)學(xué)院的學(xué)生可以利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)深入人體內(nèi)部來學(xué)習(xí)器官的運作并仿真全部的醫(yī)療狀況，在虛擬情境中操作演練，深入學(xué)習(xí)手術(shù)細(xì)節(jié)[11]。

4）教學(xué)實踐軟件。微軟開發(fā)的Hololens Eyeglasses可用于各種領(lǐng)域，如網(wǎng)頁瀏覽、游戲、教育和工業(yè)，給人科幻感十足的體驗，能夠真正提升學(xué)習(xí)者對于相關(guān)專業(yè)、行業(yè)學(xué)習(xí)的興趣。Hololens Eyeglasses在圖像清晰度、3D效果等方面非?，F(xiàn)實，并且不會引起眩暈。

微軟開發(fā)的RoboRaid是Hololens Eyeglasses的經(jīng)典應(yīng)用。首先，AR眼鏡會對用戶所在的房間進(jìn)行掃描建模，融合了房間環(huán)境后，形成太空環(huán)境，可以模擬在太空中與外星人進(jìn)行作戰(zhàn)，或者駕駛航天器，有效培養(yǎng)航空航天興趣。Hololens Eyeglasses中的Star Roaming應(yīng)用程序贏得了微軟最佳的Galaxy Explorer創(chuàng)意應(yīng)用程序，該應(yīng)用程序允許用戶了解銀河系，并使用手勢將不同行星置于眼前。軟件同時配有相關(guān)星球、星系的信息，如圖5所示。運用Hololens Eyeglasses在課堂上展開一個觸手可及的星系，真正做到寓學(xué)于樂，展現(xiàn)其在教學(xué)上的無限潛力[12]。

5）教學(xué)助手。開發(fā)商Visible Body首次在Mac上發(fā)布一款Human Anatomy Atlas應(yīng)用程序，運用增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)呈現(xiàn)人體器官解剖圖。它涵蓋3400個高質(zhì)量3D模型，可以進(jìn)行位置變換、形態(tài)縮放、功能注釋等。對于醫(yī)學(xué)院學(xué)生來說，它就是解剖學(xué)的百科全書。

增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)有效變革了解剖學(xué)的教學(xué)方式。運用交互式3D技術(shù)，融合增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)于教具，讓人體模型隨著學(xué)生的手指滑動而移動，可以很輕易地將人體模型移至房間內(nèi)，有助于縮小解剖學(xué)探究與人體物理實際之間的差距。

5 結(jié)語

融入3D數(shù)字化技術(shù)的智慧課堂能夠用創(chuàng)新型學(xué)習(xí)取代維持型學(xué)習(xí)，推動學(xué)科教學(xué)與技術(shù)的深度融合，幫助學(xué)生從事創(chuàng)造性的活動。這是一種指向未來教育的戰(zhàn)略轉(zhuǎn)向，實際上也是人才培養(yǎng)方式的轉(zhuǎn)向，其優(yōu)勢一方面體現(xiàn)在借助技術(shù)能夠有效提升課堂認(rèn)知投入，誘導(dǎo)發(fā)生高級思維活動;另一方面，通過技術(shù)可以廣泛拓展課堂認(rèn)知范圍，使學(xué)科知識與實際生活有機(jī)連接，促使學(xué)生獲得積極的情感體驗，轉(zhuǎn)變課堂要素作用關(guān)系，實現(xiàn)“教師主導(dǎo)—學(xué)生主體”的智慧課堂，促進(jìn)教育高質(zhì)量發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1]劉軍.智慧課堂：“互聯(lián)網(wǎng)+”時代未來學(xué)校課堂發(fā)展新路向[J].中國電化教育，2017（7）：14-19.

[2]鄒湘軍，孫健，何漢武，等.虛擬現(xiàn)實技術(shù)的演變發(fā)展與展望[J].系統(tǒng)仿真學(xué)報，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]浙江省發(fā)展和改革委員會課題組，何中偉.著力推進(jìn)“互聯(lián)網(wǎng)+”人工智能產(chǎn)業(yè)發(fā)展[J].浙江經(jīng)濟(jì)，2017（1）：44-45.

[6]劉立云，李春燕，趙慧勤.增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）技術(shù)在教育中的應(yīng)用案例研究[J].中國教育信息化，2017（17）：19-22.

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

[8]郝曉林.三維技術(shù)在演播室中的應(yīng)用現(xiàn)狀[J].廣播與電視技術(shù)，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]馮威.醫(yī)學(xué)虛擬學(xué)習(xí)情境的設(shè)計與實現(xiàn)[D].西安：第四軍醫(yī)大學(xué)，2008.

[11]魏小東.面向教育應(yīng)用的增強(qiáng)現(xiàn)實系統(tǒng)關(guān)鍵問題研究[D].北京：北京理工大學(xué)，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.