姚甜

摘? ?要：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）是一種新興的體驗(yàn)形式，通過(guò)與特定位置或活動(dòng)相關(guān)聯(lián)的計(jì)算機(jī)生成的內(nèi)容來(lái)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)世界。文章通過(guò)分析AR技術(shù)的原理、技術(shù)特點(diǎn)和實(shí)現(xiàn)方式，并結(jié)合實(shí)際案例總結(jié)出AR技術(shù)運(yùn)用在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用方向和特征優(yōu)勢(shì)，為AR技術(shù)在教育中的設(shè)計(jì)應(yīng)用提供理論指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí);學(xué)習(xí);教學(xué);虛擬現(xiàn)實(shí)

為了連接虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界，創(chuàng)造了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR），是近年來(lái)的熱門(mén)話題，其可以應(yīng)用于醫(yī)療、制造和維修、可視化、娛樂(lè)和教育等許多領(lǐng)域。與虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）相比，AR在教育（尤其是兒童教育）方面具有更多優(yōu)勢(shì)。因?yàn)楹⒆觽冎恍枰粋€(gè)iPad或手機(jī)就可以通過(guò)AR進(jìn)行學(xué)習(xí)，而且用戶的娛樂(lè)性、參與性和可用性也會(huì)更高。此外，虛擬物體和現(xiàn)實(shí)環(huán)境的共存可以可視化復(fù)雜的空間關(guān)系和抽象概念，體驗(yàn)現(xiàn)實(shí)世界中不可能發(fā)生的現(xiàn)象，還可以與混合現(xiàn)實(shí)中的二維或三維合成對(duì)象、產(chǎn)生交互。這些教育優(yōu)勢(shì)使AR在未來(lái)5年成為教育領(lǐng)域的關(guān)鍵新興技術(shù)之一。

1? ? AR技術(shù)簡(jiǎn)介

AR是一種新興的體驗(yàn)形式，通過(guò)與特定位置或活動(dòng)相關(guān)的計(jì)算機(jī)生成的內(nèi)容來(lái)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)世界。簡(jiǎn)而言之，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)界面提供了真實(shí)世界與虛擬世界之間的無(wú)縫連接。使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，學(xué)習(xí)者可以自然地與3D信息、對(duì)象和事件進(jìn)行交互。除了2D和3D對(duì)象之外，數(shù)字資產(chǎn)，例如音頻和視頻文件、文本信息、嗅覺(jué)或觸覺(jué)信息等也可以并入用戶對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的感知中?？偟膩?lái)說(shuō)，這些增強(qiáng)功能可以幫助和增強(qiáng)個(gè)人對(duì)周?chē)闆r的理解。

用戶可以通過(guò)多種方式查看增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)內(nèi)容。一種是用戶可以通過(guò)應(yīng)用程序中的網(wǎng)絡(luò)攝像頭掃描快速響應(yīng)（Quick Response，QR）碼。當(dāng)使用攝像頭掃描QR碼時(shí)，用戶可以查看疊加在其實(shí)際環(huán)境上的數(shù)字信息。通常，當(dāng)用戶移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)掃描QR碼時(shí)，數(shù)字信息也將隨之移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)。另一種是使用頭戴式顯示器（Head Mount Display，HMD）。當(dāng)用戶佩戴HMD時(shí)，用戶可以在HMD屏幕上以及其真實(shí)環(huán)境中通過(guò)屏幕看到數(shù)字信息（或通過(guò)連接的相機(jī)的屏幕顯示）。

根據(jù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的類型以及可供使用AR的設(shè)備，現(xiàn)在有許多工具可供開(kāi)發(fā)使用。某些工具（例如Daqri，MixAR和ZooBrust）比較簡(jiǎn)單，不需要編程知識(shí)或技能。其他工具包括SDK工具包，例如ARToolKit，Unifeye Mobile SDK和Wikitude，是為專業(yè)的AR開(kāi)發(fā)人員開(kāi)發(fā)的。這些套件功能強(qiáng)大，可讓開(kāi)發(fā)人員針對(duì)各種設(shè)備設(shè)計(jì)各種AR應(yīng)用程序。更高級(jí)的工具則需要計(jì)算機(jī)編程的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)。

2? ? AR技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1? AR書(shū)籍

將AR技術(shù)用于書(shū)籍中能夠?yàn)橛脩魩?lái)豐富的感官體驗(yàn)，將單調(diào)的信息轉(zhuǎn)化為立體、逼真的圖像，帶來(lái)全方位的視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和觸覺(jué)沖擊。用戶還可以通過(guò)與AR書(shū)籍的交互去探索和發(fā)現(xiàn)新的場(chǎng)景和情節(jié)，獲得個(gè)性化的閱讀體驗(yàn)[1]。例如泰國(guó)教育科技研究所開(kāi)發(fā)了3D增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)地質(zhì)學(xué)教科書(shū)，該書(shū)教學(xué)生有關(guān)地球各層的關(guān)系、差異和功能。還有針對(duì)學(xué)齡前兒童使用的AR字母書(shū)，兒童能通過(guò)查看每個(gè)字母的3D模型、動(dòng)畫(huà)和對(duì)應(yīng)的拼圖游戲進(jìn)行更有趣的學(xué)習(xí)。

2.2? AR游戲

教育工作者經(jīng)常利用游戲來(lái)幫助學(xué)生輕松掌握課堂上難以理解的概念。使用AR技術(shù)的游戲通常包括一塊平板或地圖，當(dāng)用移動(dòng)設(shè)備的攝像頭查看時(shí)，它會(huì)變成3D形式。這種游戲可以很容易地應(yīng)用于一系列學(xué)科，包括考古學(xué)、歷史學(xué)、人類學(xué)、地理學(xué)等。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)游戲的另一種玩法允許玩家創(chuàng)建虛擬人物和物體，然后將這些綁定到現(xiàn)實(shí)世界中的特定位置。然后，玩家可以與這些數(shù)字對(duì)象互動(dòng)。

一個(gè)名為Alien Contact的AR電子游戲被用于多個(gè)K-12班級(jí)，以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)和參與度。游戲的目的是發(fā)現(xiàn)為什么外星人來(lái)到地球并降落在特定區(qū)域。通過(guò)收集證據(jù)并成功完成任務(wù)。參加游戲的學(xué)生與數(shù)字模擬的游戲角色、數(shù)字物品及其小組成員進(jìn)行互動(dòng)，以在游戲空間中繪制路線以達(dá)到預(yù)期的最終目標(biāo)。AR游戲是一種非常有效的學(xué)習(xí)工具，可以在教授學(xué)生各種技能的同時(shí)吸引他們的興趣和注意力。

2.3? 物體建模

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)也可以用于建模，使學(xué)習(xí)者可以設(shè)想給定物體在不同設(shè)置中的外觀。模型可以快速生成、操縱和旋轉(zhuǎn)，學(xué)生可以立即收到相關(guān)的視覺(jué)反饋。新西蘭坎特伯雷大學(xué)人機(jī)界面技術(shù)實(shí)驗(yàn)室的研究人員創(chuàng)建了一種工具，該工具可以將草圖轉(zhuǎn)換為3D對(duì)象，并且學(xué)生能夠通過(guò)AR技術(shù)探索對(duì)象的物理特性和相互作用。在巴西的毛里西奧·納索學(xué)院，建筑專業(yè)的學(xué)生正在探索增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)建筑進(jìn)行比例模型設(shè)計(jì)的可能性，從而減少了所需的時(shí)間。

2.4? 技能培訓(xùn)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)具有強(qiáng)大的潛力，可以提供強(qiáng)大的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，同時(shí)促進(jìn)在現(xiàn)實(shí)世界中發(fā)現(xiàn)信息的關(guān)聯(lián)性。AR護(hù)目鏡已被用來(lái)訓(xùn)練個(gè)人，特別是在波音等公司的特定任務(wù)中，例如軍事上的硬件機(jī)械師或飛機(jī)維修等特定任務(wù)。AR護(hù)目鏡能夠顯示維修的每個(gè)步驟、確定所需的工具，并包括文字說(shuō)明。北卡羅來(lái)納大學(xué)教堂山分校開(kāi)發(fā)的一項(xiàng)醫(yī)學(xué)程序，用于醫(yī)師對(duì)孕婦進(jìn)行超聲波培訓(xùn)和練習(xí)。利用超聲波信息，該程序?qū)D女子宮的內(nèi)部投射到醫(yī)生的眼鏡上。

2.5? 特殊人群康復(fù)與教育

AR技術(shù)在特殊人群的教育和康復(fù)方面也有突出的表現(xiàn)。相對(duì)于正常人來(lái)說(shuō)，特殊人群可能會(huì)具有某部分的身體缺陷或是認(rèn)知能力較弱等特征，使用AR進(jìn)行學(xué)習(xí)能夠提高其學(xué)習(xí)效率和學(xué)習(xí)主動(dòng)性，也能幫助其更好地進(jìn)行一些康復(fù)訓(xùn)練。ARVe是一個(gè)應(yīng)用于植物領(lǐng)域的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，它可以讓自閉癥兒童和智障兒童以簡(jiǎn)單直觀的方式處理植物，并提供視覺(jué)、嗅覺(jué)或聽(tīng)覺(jué)提示。認(rèn)知障礙兒童能在使用該程序時(shí)表達(dá)一些積極的情緒。AR技術(shù)還可以運(yùn)用到手語(yǔ)學(xué)習(xí)和教學(xué)中，幫助聾啞人以及與他們接觸的親人、社工、言語(yǔ)康復(fù)師等學(xué)習(xí)手語(yǔ)[2]。

3? ? AR技術(shù)應(yīng)用在教育領(lǐng)域的特性

3.1? 增強(qiáng)學(xué)習(xí)動(dòng)力

當(dāng)學(xué)生使用AR進(jìn)行學(xué)習(xí)時(shí)，往往能有更高的滿意度，體會(huì)到更多的樂(lè)趣以及會(huì)很愿意進(jìn)行重復(fù)學(xué)習(xí)。學(xué)生能夠與AR物體產(chǎn)生交互，達(dá)到沉浸式的體驗(yàn)或是通過(guò)游戲的方式進(jìn)行學(xué)習(xí)，使他們主動(dòng)地去探索知識(shí)，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)力。有時(shí)AR產(chǎn)品的易用性可能會(huì)低于非AR產(chǎn)品，但是AR產(chǎn)品的用戶動(dòng)機(jī)卻明顯高于非AR替代品。如使用AR與PC端計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）程序?qū)W習(xí)3D結(jié)構(gòu)的學(xué)生認(rèn)為即使AR程序的可用性被評(píng)為低于PC程序，但是用戶對(duì)AR程序的滿意度更高。與非AR版本的游戲相比，兒童頭戴式AR游戲的使用難度明顯要高得多，但是兒童認(rèn)為AR版本的游戲更加有趣，并且他們?cè)敢庠俅瓮妗?/p>

3.2? 體驗(yàn)現(xiàn)實(shí)生活中無(wú)法做到的事件

AR學(xué)習(xí)應(yīng)用實(shí)質(zhì)上是交互式數(shù)字仿真，它能可視化抽象科學(xué)概念或使學(xué)生體驗(yàn)到無(wú)法實(shí)現(xiàn)的現(xiàn)象。例如，AR可以允許學(xué)生改變空間比例以觀察正在運(yùn)行的太陽(yáng)系，或加快觀察植物生長(zhǎng)的時(shí)間，或允許學(xué)生選擇化學(xué)元素，組成3D分子模型并旋轉(zhuǎn)模型。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)創(chuàng)建了新的可視化效果，能夠有效增強(qiáng)學(xué)生對(duì)抽象概念或現(xiàn)象的理解。

3.3? 加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)協(xié)作

AR可以加強(qiáng)團(tuán)隊(duì)之間的合作，而且使用AR可以使互動(dòng)和協(xié)作更加自然。AR系統(tǒng)通常比較容易使用，因?yàn)閷W(xué)生可以使用自然交互的方式來(lái)操縱內(nèi)容，而不必花費(fèi)很多時(shí)間去學(xué)習(xí)使用系統(tǒng)。例如當(dāng)學(xué)生使用AR地圖進(jìn)行導(dǎo)航的時(shí)候，創(chuàng)建了一個(gè)共享的空間，團(tuán)隊(duì)成員可以協(xié)作并共享信息，能更有效地進(jìn)行導(dǎo)航。此外，當(dāng)學(xué)生通過(guò)聯(lián)網(wǎng)的移動(dòng)設(shè)備以及面對(duì)面的互動(dòng)進(jìn)行協(xié)作時(shí)，社交互動(dòng)可以得到增強(qiáng)。

3.4? 內(nèi)容以新穎的方式呈現(xiàn)

AR可以使內(nèi)容以多種形式呈現(xiàn)：靜態(tài)圖像變?yōu)閯?dòng)態(tài)圖像、二維變?yōu)槿S、文本變?yōu)槁曇?、非交互式?nèi)容變?yōu)榻换ナ健ｋS著信息變得更易于處理和多樣化的學(xué)習(xí)方式，表現(xiàn)形式上的變化可以提高教育的效率。在一個(gè)教學(xué)案例中，教師使用了包括白板、投影儀、攝像頭、AR磁貼和虛擬3D建模包在內(nèi)的多種技術(shù)組合，以觀察和旋轉(zhuǎn)虛擬3D地球，以了解地球和太陽(yáng)以及白天和夜晚之間的關(guān)系，證明AR可以使學(xué)生更有效地進(jìn)行學(xué)習(xí)。

除了以上提到的特點(diǎn)外，將AR技術(shù)運(yùn)用在教育中還具有培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力和想象力、幫助學(xué)生按照自身步調(diào)和道路來(lái)控制自己的學(xué)習(xí)、更好地記憶學(xué)習(xí)內(nèi)容等特點(diǎn)。

4? ? 結(jié)語(yǔ)

盡管AR并不是新生事物，但其仍處于起步階段，尤其是在教育應(yīng)用方面。為了優(yōu)化現(xiàn)有的AR應(yīng)用程序和技術(shù)以用于教育，仍然有許多問(wèn)題需要克服和探索。當(dāng)前，盡管AR具有諸多優(yōu)點(diǎn)，但是對(duì)于許多老師和學(xué)生來(lái)說(shuō)，為AR創(chuàng)建3D模型的任務(wù)較為困難，因?yàn)槠湫枰罅康募夹g(shù)知識(shí)。但是，許多公司正在投資易于使用的AR開(kāi)發(fā)套件，開(kāi)發(fā)困難的問(wèn)題應(yīng)該會(huì)隨時(shí)間推進(jìn)慢慢得到解決。目前，教育工作者和研究人員應(yīng)繼續(xù)跟進(jìn)AR技術(shù)的發(fā)展，密切關(guān)注AR對(duì)社會(huì)的影響，有意識(shí)地評(píng)估AR對(duì)教育的影響，并不斷探索，尋求如何最好地應(yīng)用AR以優(yōu)化教學(xué)環(huán)境的方式。

[參考文獻(xiàn)]

[1]程鴻芳.移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在手語(yǔ)學(xué)習(xí)教學(xué)中的應(yīng)用研究[J].蕪湖職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào)，2018（2）：81-83.

[2]汪行東，張飛英.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在童書(shū)中的應(yīng)用研究[J].西部廣播電視，2019（12）：62-63，68.