增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用研究

李 蕊

(天津市和平區(qū)新華職工大學(xué)，天津 300070)

一、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

(一)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的概念

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(Augmented Reality，簡(jiǎn)稱 AR)的概念，正式提出于1990年，是一種實(shí)時(shí)計(jì)算攝影機(jī)影像位置及角度并加上相應(yīng)圖像的技術(shù)，它通過(guò)電腦技術(shù)，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，使真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體在屏幕上實(shí)時(shí)地疊加到了同一個(gè)畫(huà)面或空間，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界的互動(dòng)。

虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)雖然也可以建立虛擬環(huán)境，但必須依靠頭盔或眼鏡來(lái)體驗(yàn)虛擬世界景象，主要強(qiáng)調(diào)沉浸體驗(yàn)，但場(chǎng)景完全由軟件制作，不能與現(xiàn)實(shí)中的場(chǎng)景合理融合，而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種新興技術(shù)，觀察者看到的所有影像和信息基于現(xiàn)實(shí)影像進(jìn)行搭建，可以很好地融合虛擬物體與真實(shí)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)了虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互和三維注冊(cè)等技術(shù)特點(diǎn)。

(二)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)

與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)相比，由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)建模數(shù)量少、數(shù)據(jù)量低，因此對(duì)硬件要求較低，但對(duì)用戶來(lái)說(shuō)，并不是降低了感官體驗(yàn)真實(shí)感，反而由于虛擬物體與現(xiàn)實(shí)環(huán)境合理疊加，增強(qiáng)了用戶體驗(yàn)感覺(jué)和視覺(jué)沖擊力。

在虛實(shí)結(jié)合方面，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)借助計(jì)算機(jī)圖形圖像技術(shù)、全息投影技術(shù)等，在真實(shí)的環(huán)境中嵌入虛擬對(duì)象，再通過(guò)顯示設(shè)備向用戶呈現(xiàn)虛實(shí)結(jié)合的場(chǎng)景。

在實(shí)時(shí)交互方面，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)借助人機(jī)交互技術(shù)，將虛擬出的對(duì)象與現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的使用者實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互，使用戶實(shí)現(xiàn)真實(shí)的沉浸感，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)構(gòu)建的虛擬對(duì)象不是獨(dú)立在場(chǎng)景外的單獨(dú)個(gè)體，而是根據(jù)用戶的活動(dòng)環(huán)境設(shè)定的物體，讓交互變得更加人性化。

在三維注冊(cè)方面，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過(guò)GPS定位系統(tǒng)，實(shí)時(shí)向計(jì)算機(jī)提供虛擬對(duì)象在真實(shí)場(chǎng)景中的位置數(shù)據(jù)信息，確保虛擬對(duì)象能實(shí)時(shí)在顯示器上顯示正確的位置，保證用戶在使用時(shí)虛擬對(duì)象與現(xiàn)實(shí)環(huán)境一起改變，避免用戶在體驗(yàn)中產(chǎn)生錯(cuò)覺(jué)和不真實(shí)感。

由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的特點(diǎn)，應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣泛，目前市場(chǎng)上軟硬件產(chǎn)品也層出不窮，主要涉及領(lǐng)域有醫(yī)療、教育、設(shè)計(jì)、移動(dòng)設(shè)備應(yīng)用、展會(huì)體驗(yàn)等，主要硬件設(shè)備有頭戴顯示器、谷歌眼鏡、智能移動(dòng)終端、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)投影儀等。

二、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用

(一)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)

1.真實(shí)環(huán)境與三維展示相結(jié)合，形象直觀生動(dòng)。信息時(shí)代的課堂教學(xué)，知識(shí)和技能的傳授除了依靠傳統(tǒng)的文字信息外，還利用了各種新型媒體技術(shù)，如圖片、聲音、動(dòng)畫(huà)、視頻等形式。但對(duì)于學(xué)生認(rèn)知較為復(fù)雜的問(wèn)題，或?qū)嶋H生活中不能直觀表現(xiàn)問(wèn)題時(shí)，很難用文字描述來(lái)解決，這時(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)就有了用武之地。采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以呈現(xiàn)三維立體效果的物體，使知識(shí)立體化，能形象直觀地描述和呈現(xiàn)學(xué)科知識(shí)，能夠?yàn)閷W(xué)生提供多種感官的刺激，學(xué)習(xí)者可以在三維空間里去認(rèn)識(shí)去理解知識(shí)點(diǎn)，與傳統(tǒng)教學(xué)相比，圖像呈現(xiàn)更加立體、直觀生動(dòng)。同時(shí)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將虛擬信息和真實(shí)環(huán)境信息相結(jié)合的特點(diǎn)，使學(xué)習(xí)者可以在真是情境中體驗(yàn)虛擬操作，更加貼近學(xué)生生活，使虛擬課堂更具說(shuō)服力。

2.沉浸式的實(shí)時(shí)交互體驗(yàn)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式是通過(guò)多次反復(fù)讓學(xué)生背誦或操作練習(xí)，來(lái)完成重難點(diǎn)的學(xué)習(xí)，學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)沒(méi)有興趣，學(xué)完的知識(shí)也很容易遺忘。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有多種感官一體化的感知效果，尤其是可以營(yíng)造環(huán)境的沉浸感，以及支持學(xué)習(xí)者與物理環(huán)境中的虛擬對(duì)象進(jìn)行自然的交互。這樣可以使學(xué)習(xí)者與對(duì)象實(shí)時(shí)互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)的個(gè)性化，提升學(xué)習(xí)的專注度、參與度和趣味性，學(xué)生可以跨越時(shí)空界限、身臨其境般在書(shū)海里遨游，讓書(shū)本中的內(nèi)容可觸摸、互動(dòng)和感知。這種新穎學(xué)習(xí)方式和豐富多彩的學(xué)習(xí)內(nèi)容能夠提升課堂教學(xué)的效率，特別是提高了學(xué)生的認(rèn)知能力，以及對(duì)知識(shí)和技能深層次理解的能力。

3.泛在學(xué)習(xí)環(huán)境，有利于教育資源均衡公平。十九大報(bào)告中指出：“推動(dòng)城鄉(xiāng)義務(wù)教育一體化發(fā)展，高度重視農(nóng)村義務(wù)教育，辦好學(xué)前教育、特殊教育和網(wǎng)絡(luò)教育，普及高中階段教育，努力讓每個(gè)孩子都能享有公平而有質(zhì)量的教育”。 雖然政府和教育主管部門都在加大教育投資力度，扔不能解決目前教育欠發(fā)達(dá)地區(qū)的軟硬件配置和整體教育資源落后的問(wèn)題。而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)卻能緩解目前教育資源配置不均的問(wèn)題，利用互聯(lián)網(wǎng)或移動(dòng)終端，可以建立課內(nèi)、課外的泛在學(xué)習(xí)環(huán)境，教師開(kāi)發(fā)的優(yōu)質(zhì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境或虛擬現(xiàn)實(shí)軟件直接發(fā)布在網(wǎng)絡(luò)上，或通過(guò)手機(jī)APP終端供學(xué)生使用，這樣將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)的真實(shí)世界的圖像信息存入數(shù)據(jù)庫(kù)，學(xué)習(xí)者在非課堂的環(huán)境中，通過(guò)圖像掃描，可以在真實(shí)的環(huán)境中查看更多相關(guān)信息、知識(shí)，就能夠隨時(shí)隨地的學(xué)習(xí)，使優(yōu)質(zhì)教育資源不再受限于時(shí)間和空間，讓鄉(xiāng)村學(xué)校的學(xué)生也能享受到最優(yōu)的資源，縮小城鄉(xiāng)差距，實(shí)現(xiàn)教育公平。

4.虛擬場(chǎng)景節(jié)約實(shí)訓(xùn)成本，符合綠色發(fā)展理念。隨著綠色發(fā)展理念的提出，很多操作類的實(shí)驗(yàn)環(huán)境急需改進(jìn)，特別是醫(yī)藥類、理化類等實(shí)驗(yàn)較多的學(xué)科，或者是電氣焊、數(shù)控機(jī)床、模具制造等需要耗材的學(xué)科中，實(shí)驗(yàn)環(huán)境的污染嚴(yán)重，不符合綠色發(fā)展的理念。利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)建立的各種虛擬實(shí)驗(yàn)室可以創(chuàng)建無(wú)限接近真實(shí)操作場(chǎng)所的虛擬演示教學(xué)環(huán)境，既可以節(jié)省實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備，還可以節(jié)約耗材，避免環(huán)境的污染。同時(shí)，虛擬環(huán)境也可以保證每個(gè)學(xué)生都能進(jìn)行練習(xí)，也可以反復(fù)練習(xí)，這樣就解決了目前由于實(shí)訓(xùn)設(shè)備價(jià)格昂貴造成的“僧多粥少”的問(wèn)題，使每個(gè)同學(xué)都能進(jìn)行實(shí)踐操作，達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的要求，實(shí)現(xiàn)了教學(xué)效果。

(二)教學(xué)中的實(shí)際應(yīng)用

1.在技能訓(xùn)練和精細(xì)操作訓(xùn)練中的應(yīng)用。在職業(yè)教育和職業(yè)培訓(xùn)中，技能操作類課程占比較大，但由于操作場(chǎng)地和耗材成本的限制，造成很多實(shí)操訓(xùn)練課程不能大面積開(kāi)展，而基于可穿戴增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備的仿真操作系統(tǒng)能夠在很大程度上解決這一問(wèn)題，尤其針對(duì)實(shí)踐操作技巧的教學(xué)目標(biāo)設(shè)計(jì)的課程。比如焊接操作、鈑金操作、噴漆操作等機(jī)械制造類相關(guān)的訓(xùn)練，或輸液、手術(shù)等醫(yī)學(xué)類訓(xùn)練等。由于這類操作受場(chǎng)地、耗材和訓(xùn)練對(duì)象的限制較大，而且存在一定的危險(xiǎn)性，教師在實(shí)踐課時(shí)也不敢讓學(xué)生輕易進(jìn)行設(shè)備的使用，以往只能部分技能掌握相對(duì)熟練的學(xué)生參與到實(shí)踐中。通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)仿真系統(tǒng)的使用，一套設(shè)備可以多人多次進(jìn)行訓(xùn)練，訓(xùn)練時(shí)學(xué)生之間也可以互相提示，提高了學(xué)習(xí)效率，也增強(qiáng)了學(xué)生團(tuán)隊(duì)合作意識(shí)。在實(shí)際訓(xùn)練中還可以根據(jù)崗位要求和行業(yè)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，在軟件中設(shè)定觸發(fā)點(diǎn)，一旦出現(xiàn)偏差立即提示操作者，使學(xué)生建立規(guī)范操作的意識(shí)，促進(jìn)技能操作的熟練掌握。教師可以根據(jù)學(xué)生操作的錯(cuò)誤率，調(diào)整訓(xùn)練內(nèi)容，實(shí)現(xiàn)個(gè)性化教學(xué)，也有利于教師及時(shí)掌控教學(xué)進(jìn)度。

這種可穿戴增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備雖然實(shí)訓(xùn)效果較好，但價(jià)格也比較昂貴，使用時(shí)也受相關(guān)軟件限制，應(yīng)用面比較有限，一些基礎(chǔ)課不適用于此類設(shè)備。

2.在通識(shí)教育和認(rèn)知能力提高課程中的應(yīng)用。隨著移動(dòng)終端的普及和性能的提升，很多增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)在移動(dòng)設(shè)備上也被廣泛使用。以移動(dòng)設(shè)備為基礎(chǔ)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)具有成本低、軟件開(kāi)發(fā)范圍廣、實(shí)現(xiàn)互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)交互等特點(diǎn)，多應(yīng)用于通識(shí)教育和認(rèn)知能力提高的課程中。一種應(yīng)用是以圖像為基礎(chǔ)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，主要以識(shí)別二維碼或圖像信息為主。比如在課堂中的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)課本，可以在原有紙質(zhì)課本的基礎(chǔ)上，利用互聯(lián)網(wǎng)和移動(dòng)設(shè)備將圖像或多媒體資源補(bǔ)充在課本中，比如通過(guò)對(duì)圖片或文字的掃描，在移動(dòng)設(shè)備上呈現(xiàn)3D模型或更加豐富的知識(shí)擴(kuò)展，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)基礎(chǔ)知識(shí)和一些難于理解的理論知識(shí)。教師也可以根據(jù)學(xué)生的學(xué)習(xí)情況設(shè)置思考題或設(shè)計(jì)討論話題，實(shí)現(xiàn)課堂互動(dòng)和探究式學(xué)習(xí)。再比如，在課外活動(dòng)中的各類參觀，可利用以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)提高課外活動(dòng)的學(xué)習(xí)效率。像在實(shí)際參觀中由于缺少詳細(xì)的知識(shí)講解，學(xué)生不能學(xué)到更多的知識(shí)，可以利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，通過(guò)移動(dòng)終端掃描二維碼來(lái)獲取更多資源，學(xué)生在參觀中自主學(xué)習(xí)，特別是對(duì)自己感興趣的問(wèn)題有針對(duì)性的學(xué)習(xí)，有助于學(xué)生構(gòu)建適合自我的學(xué)習(xí)體系，也可以節(jié)省講解的人力物力。

另一種應(yīng)用是以GPS定位為基礎(chǔ)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，主要是通過(guò)GPS定位后將學(xué)習(xí)信息疊加到移動(dòng)設(shè)備為主。比如構(gòu)建學(xué)習(xí)情境等。

以建構(gòu)主義為指導(dǎo)的信息化學(xué)習(xí)，特別強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)情境的構(gòu)建，以往教學(xué)中都是通過(guò)多媒體設(shè)備構(gòu)建場(chǎng)景，真實(shí)性較差。通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以根據(jù)課程內(nèi)容創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境、搭建學(xué)習(xí)任務(wù)的腳手架，比如在安全教育中的災(zāi)難求生訓(xùn)練，就可以通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建不同的災(zāi)難環(huán)境，然后給出各種求生選擇，由學(xué)生根據(jù)生活經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行求生訓(xùn)練，一旦錯(cuò)誤也可以模擬求生失敗，這樣教師根據(jù)學(xué)生的成績(jī)和錯(cuò)誤點(diǎn)，有針對(duì)性的進(jìn)行正確求生知識(shí)的講解，學(xué)生記憶更加深刻，構(gòu)建的真實(shí)環(huán)境也能提高學(xué)生的安全求生意識(shí)。

(三)教學(xué)中存在問(wèn)題

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用為信息化教學(xué)的實(shí)施提供了新的硬件支撐，有助新型教學(xué)模式的推廣，可以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)受教育者的教育公平，符合當(dāng)前泛在學(xué)習(xí)的教育理念，但仍然存在多方面的問(wèn)題，也制約了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用。

1.軟硬件設(shè)備問(wèn)題阻礙教學(xué)使用。目前的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備由于研發(fā)成本高，價(jià)格居高不下，不能在教學(xué)中廣泛推廣，每個(gè)學(xué)校只能配備幾臺(tái)設(shè)備供學(xué)生體驗(yàn)使用，即使學(xué)校大量投資，也只能建立一到兩個(gè)體驗(yàn)中心，各專業(yè)學(xué)生共同使用，因此不能達(dá)到大規(guī)模的普及和推廣。 同時(shí)，由于大部分設(shè)備不能做到完全還原真實(shí)場(chǎng)景，用戶佩戴頭盔時(shí)會(huì)出現(xiàn)眩暈、幀延遲、感光效果不好等問(wèn)題。雖然，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)努力降低了眩暈等問(wèn)題，但由于GPS系統(tǒng)技術(shù)還不成熟，造成了虛擬物體在真實(shí)場(chǎng)景中定位不準(zhǔn)確，使用起來(lái)不穩(wěn)定等問(wèn)題，多路設(shè)備的集成和軟硬件的不匹配，也導(dǎo)致了整體兼容性較差，給教學(xué)帶來(lái)了不便。在移動(dòng)終端高速發(fā)展的今天，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)還不能很好的與智能手機(jī)等移動(dòng)終端有機(jī)結(jié)合，智能依賴PC的支持，也阻礙了技術(shù)的廣泛應(yīng)用。

在軟件開(kāi)發(fā)方面，如何將新型傳感應(yīng)用、物理建模方法、高速圖形圖像處理、人工智能、三維建模等技術(shù)與大數(shù)據(jù)與人工智能技術(shù)合理融合也是未來(lái)各個(gè)企業(yè)需要深入研究的。

2.資源與實(shí)際教學(xué)融合不夠深入。由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用剛剛起步，與課程相關(guān)的教學(xué)資源不能滿足實(shí)際教學(xué)的需要，雖然目前有很多科技企業(yè)開(kāi)始開(kāi)發(fā)各類增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)資源，但主要以演示、展示或游戲娛樂(lè)項(xiàng)目為主，真正在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用少之又少。目前大部分的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教育資源和系統(tǒng)平臺(tái)，大多是基于3D視頻或虛擬游戲改造后的教學(xué)資源，實(shí)際應(yīng)用中能夠起到活躍課堂氣氛、促進(jìn)小組互動(dòng)、實(shí)現(xiàn)了沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)的效果，但只注重了教學(xué)形式的改變而忽略了教學(xué)內(nèi)容的提升，造成學(xué)生愉快的學(xué)習(xí)了一節(jié)課，老師教學(xué)中的知識(shí)點(diǎn)和重難點(diǎn)并沒(méi)有得到解決，沒(méi)有達(dá)到要求的教學(xué)效果。還有一些增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)的軟件平臺(tái)，開(kāi)發(fā)者并不是教學(xué)使用者，在使用中教師不能根據(jù)教學(xué)需要更改教學(xué)內(nèi)容，只能按照開(kāi)發(fā)者構(gòu)思好的內(nèi)容進(jìn)行講解，靈活度不夠，不能滿足學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)的需要。因此在實(shí)際教學(xué)中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前只能作為一種輔助手段，沒(méi)能起到促進(jìn)教學(xué)的作用。

四、總結(jié)

綜上所述，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中的應(yīng)用還不成熟，雖然在拓展學(xué)習(xí)形式上開(kāi)發(fā)了新思路，展現(xiàn)了強(qiáng)大的功能，但也存在著軟件開(kāi)發(fā)欠缺、實(shí)際應(yīng)用面窄、不能與學(xué)科建設(shè)和實(shí)際教學(xué)深度融合等缺點(diǎn)。因此，在未來(lái)發(fā)展上，軟件開(kāi)發(fā)者還應(yīng)更好地與學(xué)校、教師溝通，實(shí)現(xiàn)軟硬件與課程教學(xué)相結(jié)合，真正為教學(xué)服務(wù)。同時(shí)，隨著人工智能、大數(shù)據(jù)等科技逐漸走進(jìn)教育范疇，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)也應(yīng)與之相結(jié)合，共同發(fā)展，更廣泛地應(yīng)用于課堂教學(xué)，為信息化教學(xué)提供支持，為教育現(xiàn)代化、信息化建設(shè)開(kāi)辟新途徑。