基于AR技术团建的高校思政教育实训云系统

张 盈，王昌云，张仁贡

(1．浙江同济科技职业学院，浙江 杭州 311231；2.浙江禹贡信息科技有限公司，浙江 杭州 310018)

进入新时代，我国国力与国际地位日益提升，面临的国内国际形势也日益错综复杂，客观上对公民特别是青年大学生的政治素养与政治认同提出了更高要求。“思想政治教育作为政治社会化的核心机制,承担着把政治体系的价值和信仰系统传输和分配给社会成员的任务,从而在很大程度上决定着社会成员对政治体系的支持和认同”[1]。在2019年召开的全国思想政治理论课教师座谈会上，***总书记强调，高校思政课要用新时代的中国特色社会主义思想铸魂育人，要贯彻党的教育方针，要落实立德树人的根本任务。

目前，我国各高校开展思政教育的形式主要有两种。一是课堂教学。在思政理论课中全面贯彻党的教育方针，阐释马克思主义理论和新时代中国特色社会主义理论。在通识课程和专业课程中，倡导“课程思政”，此外，挖掘各类课程中蕴含的思政教育资源。二是通过第二、第三课堂，开展各种社会实践活动，拓展思政教育途径，力求打通“知”与“行”环节。然而，由于种种主客观原因，高校思政教育教学虽然取得了不俗成绩，但“进教材、进课堂、进头脑”的工作仍有待进一步提高，在高校师生中深植社会主义核心价值观的工作仍任重道远。

项目组总结多年高校思政教育教学的经验，在调查研究和借鉴高校现有思政教育教学技术手段的基础上，与不同专业背景的学者相互间进行了多次沟通交流，决定“结合目前的NFC技术、VR技术、APP技术、物联网技术、无线通信技术、移动通信技术、云技术、云数据库技术等，开展思政教育系统的研究开发工作，以使高校思政教育教学更具有趣味性、互动性、竞赛性、先进性等”[2]，并最终借助相关企业，设计研发了高校思政教育教学团建型实训系统(简称为SZTJ-ST V2018)。该系统由硬件系统和后台软件系统两部分组成，硬件系统属于自主发明的“一种基于AR-NFC型思政教育远程团建装置”，结合自主研发的后台资源库系统，即“思政类课程教育教学资源库信息发布系统V1.0”可完成高校思政教育教学团建型教学的整个闭环。此系统不仅顺应了教育部“推进信息技术与教育教学融合”的要求，而且大大降低了高校组织开展社会实践的成本。经过检测应用，成效良好。

1 功能分析

本系统基于面向对象的UML功能和需求来进行分析，面向对象是以功能来划分问题，建立基于流程图的功能描述，建立基于用例图的关系描述，建立基于活动图的映射描述等，将对象之间的问题、关系和相互作用描述清楚，以便后续的开发与实现。限于篇幅，下面仅对系统主要的功能进行描述。

1)后台管理功能。该功能需使用电脑设备，通过云端服务器实现。电脑端有客户端程序，通过界面可以设置云数据库用户、密码及用户权限；AR感应码用以增加、修改或删除AR感应卡的数目；NFC感应码用以增加、修改或删除NFC感应卡的数目。后台管理功能还包括试题库管理、AR点位配置及AR场景内容管理、AR路径管理、学生名单管理、每次活动的成绩管理、自动排名及打印等。

2)NFC记录功能。手持终端必须具有NFC感应功能。团队成员到达某一个场景时，必须在该处通过手持终端NFC感应，在弹出的对话框中完成填表、拍照(语音或小视频)、上传等操作。完成后系统会自动生产路径节点，并将刚才完成的任务上传到云数据库保存。该功能可有效防止团建团队跳跃或遗漏某一个场景关口，记录的到达节点时间可用于后续成绩的统计、计算和自动排名。

3)现场AR功能。手持终端安装AR场景APP程序，团建团队队长可以打开APP程序，按照设定的路径提示，开展活动。一个AR场景通过APP提示来扫描，团队成员通过扫描关口进入后，在APP中自动获取后台云数据库中的试题库，按某种特定的方式出现在界面中，团队成员必须完成项目后，才能进入下一个场景。

4)现场团队实训功能。当团队队长NFC扫描记录后，通过APP程序完成通关，在关口通关，现场团队成员就可以通过现地控制单元(LCU)的触摸屏[3]，用自己分配到的用户名和密码登录现地平台，现地平台与单片机链接，平台中将出现该场景的实训内容，团队成员必须充分观察和了解现场的知识后，才能准确无误地完成平台界面出现的提问。完成提问后，每个人可以提交自己的答案。每个团队成员登录后，出现在平台上的试题将不相同，需要独立完成，或在团队其他成员的协助下完成。团队成员所完成的所有试题及答案将通过无线网络传输到云数据库，直至后台。

2 总体构架

本系统采用了基于NFC感应的物联网开发技术、基于AR场景的虚拟现实开发技术、基于云服务的数据库开发技术、基于物联网的节点装置开发技术[4]、基于Android的APP开发技术、基于SaaS互联网的J2EE开发技术等。系统总体构架原理图如图1所示。

图1 总体框架原理图

从图1可知，上部分为自主研发的一种基于AR-NFC型思政教育远程团建装置，该装置有很多个。下部分为外部配合系统[5]，可以链接多个远程团建装置。

AR-NFC型思政教育远程团建装置由VR感应码、NFC感应芯片扣、单片机、无线数据发送装置、触摸屏装置、微型变压器、电源接口、塑胶盒、橡皮吸附盘、手持终端等组成，可以很方便地安装在某一场景内，通电即可使用。

外部配合系统由台式电脑管理机、激光打印机和云服务器组成。台式电脑管理机和激光打印机采用并行接口数据线连接，台式电脑管理机与云服务器采用无线通信连接。激光打印机可以打印VR感应码。

3 核心技术

作为一个综合了诸多高端技术为一体的实用教学型系统，即基于AR技术的高校思政教育团建型教学系统，涉及的技术很多，一些通用技术如基于云服务的数据库开发技术、基于现地LCU的流程化开发技术、基于Android的APP开发技术等本文不做详细介绍。本文着重介绍基于近场通信(NFC)感应的物联网开发技术、基于AR场景的虚拟现实开发技术及基于物联网的节点装置开发技术。

3.1 基于NFC感应的物联网开发技术

NFC是一种非接触式射频识别(RFID)及互联互通技术整合演变而来的新兴技术，使用NFC技术设备(如手机)靠近感应式卡片或感应式读卡器进行数据交换，具有点对点的通信功能。它结合了基于Android的APP开发技术，采用了基于SaaS互联网+架构的新型软件架构模式，在移动终端开发APP，实现了靠近NFC卡感应即触发，通过读取现场NFC的感应代码，触发3个触发器，流程如图2所示。

图2 NFC感应物联网技术

从图2可知，触发器1触发登录界面模块， APP应用程序启动，完成任务数据传输到云数据库；触发器2触发GPS定位模块，记录定位，自动绘制运动轨迹，并将数据传输到云数据库；触发器3触发时钟模块，记录时间信息，并传输到云数据库中。所有的数据将传输到后台电脑进行程序处理。

3.2 基于AR场景的虚拟现实开发技术

增强现实(AR)技术是一种实时计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像的技术，这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界中并进行互动。本系统采用AR技术，结合场景现实照片及其他特色素材，预先利用后台程序，将其导入云数据库中，数据流图如图3所示。

图3 AR技术数据流图

从图3可知，后台程序生产AR感应码，AR感应码与数据库素材一对多关联，由打印机打印AR感应后将其贴在装置外壳特定的位置。每个AR感应码对应一个场景，一个场景对应多个素材，每个素材对应一个或多个云数据库中的问题，可同时实现随机抽取功能。场景信息保存在云数据库的云场景库中，素材存储在云数据库的云素材库中，问题库则存在云问题库中，所有的云数据库皆由计算机后台程序统一调度[7]。

3.3 基于物联网的节点装置开发技术

AR-NFC型思政教育远程团建装置可以通过触摸屏操作输入信号，同时也有摄像头接口，可以摄像记录现场情况。触摸屏与物联网节点装置链接，本物联网节点装置的结构如图4所示。

图4 物联网节点装置结构图

从图4可知，触摸屏通过并行接口接入并行输入模块，各类状态参数通过A/D转换器接入以太网输入模块输入。该物联网节点装置提供无线4G接口，与云数据库链接。也可以通过并行线或控制器，导出数据。

该装置支持以太网通信协议即TCP/IP协议，可以用在各种各样的信道和底层协议(如T1、X.25及RS-232串行接口)之上，包括TCP协议、网际协议IP、UDP协议、ICMP协议和其他一些协议的协议组。该模块的TCP/IP协议将采用4层结构，每层都呼叫它的下一层提供网络来完成自己的需求。应用层即应用程序间沟通的层，如简单电子邮件传输协议(SMTP)、文件传输协议(FTP)、网络远程访问协议(Telnet)等。传输层提供节点间的数据传送服务，如传输控制协议(TCP)、用户数据包协议(UDP)等，TCP和UDP给数据包加入传输数据并把它传输到下一层中，这一层负责传送数据，并且确定数据已送达并被接收。 网络层负责提供基本的数据包传送功能，让每块数据包都能够到达目的主机(但不检查是否被正确接收)，如网际协议(IP)。接口层对实际的网络媒体的管理，定义如何使用实际网络(如Ethernet、Serial Line等)来传送数据[8]。其中网际协议IP是TCP/IP的心脏，也是网络层中最重要的协议。如果IP数据包中已经存在封好的TCP数据包，那么IP将把它们向“上”传送到TCP层。UDP与TCP位于同一层，它不解决数据包的顺序错误或重发问题。因此，UDP主要用于那些查询/应答的服务。 ICMP与IP位于同一层，它被用来传送IP的控制信息。ICMP的Redirect信息通知主机通向其他系统的更准确的路径，而Unreachable信息则指出路径有无问题[9]。

4 教学实践应用研究

本应用案例中，40个学生为1班，由1位老师负责。每8名学生为1组。每个小组分得1台安装有APP的NFC手持机。老师备课时，将该装置提前带到室外场景。本次实践选择了本市某水库电站里的6个场景。在水库电站中安装好6个AR-NFC型思政教育远程团建装置。便携式装置安装非常容易，将装置吸附在场景中离电源近的地方，插上插头通电即可。

开启安装有后台思政教育管理程序软件的办公室台式电脑管理机，选取“水” “电” “站”这些字或者电站内部与外围不同角度的照片，上传到台式电脑，作为AR感应码的一部分，AR感应码被保存在云数据库中。云服务器中安装有思政教育云数据库。该数据库由发明人设计，可以通过台式电脑的后台思政教育管理程序进行修改或删除。通过云数据库中的思政教育数据库，可设置不同场景所要完成的任务，这些任务将被远程派发到现场电脑触摸屏装置。

学生可按照手持机APP中预设的团队任务采取行动。到达一个场景时，先要到装置上感应NFC芯片，记录到达的时间、GPS路径等信息，再扫一扫AR感应码，认证通过后，进入APP登录界面，如图5所示。

图5 系统APP界面

在APP中根据提示完成任务。这些任务都是这堂课所要掌握的知识点，完成后提交，回答正确后才可以通关。通过手机GPS定位可记录完成任务的路径，通过触摸屏完成相对应的任务。触摸屏链接的单片机中安装有思政教育的任务程序，便于参加团建的各位学生完成思政教育任务，并可以将完成的任务提交到云服务器。这样一来，各个团队从该水利工程入口到达出口的时间将会不一样。同时，云数据库统计可团队的任务完成错误次数、错误率等，形成综合评分，最终得出团队的名次。

因此，将AR 引入教学，能够提升学生能够的专注度、愉悦度，能够解决任务导向中学生和教师存在的不足。二者之间的优化组合能够将高职教育进一步推进[10]。

5 实践教学评估

该云系统开发后，为检测教学成效，在高职院校中进行了实践检验。教学由思政教师与专业教师联合授课(也可由思政教师单独授课)，内容涉及“美丽中国”“生态环境”“中国梦”“社会主义核心价值观”等。

从学生学习层面看。学生通过手持机，可以切身体验水电站在改善水生态环境、水资源保障、缓解旱涝压力等方面所发挥的作用，感受水电站的工作性质及流程，从而培养其作为水利人的职业素养、职业自豪感，并在此基础上进一步树立对社会主义制度优越性的认可。总的来说，这些有助于大学生政治认同感的培养。此外，各种虚拟现实的教育游戏如团队闯关、模拟，既消除了“老师讲得筋疲力尽，学生听得昏昏欲睡”的传统教学模式中的弊端，也让学生在共同闯关中不断思考、不断创新，从而培养了学生团队协作精神。从教师的讲授层面看，理论与现实的紧密结合，使得思政教学内容“言之有物”，提升了学生对党的领导及国家大政方针的认同，教师授课成效提高。

不仅如此，这一系统的开发，还为“课程思政”教学、协同育人提供了一个极好的平台，客观上促进了“课程思政”的建设取得成效。更重要的是，通过该系统，学生不必到水电站现场，而是通过手持机即可实现体验，这不但消除了学生集体外出带来的安全隐患，而且克服了学生社会实践所受时间、地点、经费、师资等种种客观条件的制约。

6 结语

在高校思政教学中运用该AR-NFC型高校思政教育团建型教学系统，实践探索了“课内与课外互通，线上与线下互联，现实与虚拟互补”的特色教学模式，让虚拟的VR技术与思政课结合，让理工学科与人文学科融合，让企业与高职院校深度合作，让思政教育不再“虚拟”，于“无声处”达到了思政课的思想性、政治性目的。

不过，目前该系统还没有对接视频、对讲、现场温度参数采集等功能，这些将成为下一步升级和研发的任务。随着“以学生为中心，以技能为核心，以 AR 技术为依托”的教学理念[11]的提出及逐渐被认可，本系统的运用将有更广阔前景。