增強現(xiàn)實技術(shù)在在線教育中的應(yīng)用研究

蔡金玲

摘要：增強現(xiàn)實（AR）是虛擬現(xiàn)實（VR）技術(shù)的一個分支，增強現(xiàn)實交互手段給教育者為學(xué)習(xí)者提供了新的方式表達(dá)和貼近自然的交互方式，為學(xué)習(xí)者搭建一個自主探索的空間。在線教育作為教育的外延，給社會和學(xué)習(xí)者帶來開放的教育資源。利用增強現(xiàn)實的特點，創(chuàng)建基于角色扮演、基于位置和基于任務(wù)的三類增強現(xiàn)實學(xué)習(xí)環(huán)境，給在線教育帶來新的挑戰(zhàn)和發(fā)展機遇。

關(guān)鍵詞：在線教育；增強現(xiàn)實；仿真；交互控制

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-3044（2017）06-0148-02

Abstract：Augmented reality is a branch of virtual reality （VR） technology. The interactive methods base on augmented reality for educators provides a new way of expression for learning objects. Also the closest natural interaction to build an independent space for learners to explore. Online education as an extension of Education brings open education resources to the society and learner. Creating the augmented reality learning environment brings new challenges and opportunities for online education. The environment is based on Augmented Reality features， including role based and location based and task base.

Key words： online education； augmented reality； the simulation； interactive control

1 增強現(xiàn)實技術(shù)的概念和特點

增強現(xiàn)實技術(shù)Augmented Reality是虛擬現(xiàn)實技術(shù)的一個分支，原本在現(xiàn)實世界一定時空范圍內(nèi)難以體驗到的視覺、聲音、觸覺等實體信息，在科學(xué)技術(shù)模擬仿真作用下，疊加在現(xiàn)實世界中再被人類感官所感知，從而實現(xiàn)超越現(xiàn)實的感官體驗的一種技術(shù)。其核心在于利用技術(shù)手段實現(xiàn)使用者在增強現(xiàn)實環(huán)境的沉浸式體驗[1]。

增強現(xiàn)實技術(shù)一般具有三個明顯特點：虛擬事物和真實環(huán)境的結(jié)合，虛擬世界和真實世界的實時同步交互，在三維尺度空間中增添定位虛擬物體。這三大特點，也使得AR技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用有更顯著的優(yōu)勢，這些優(yōu)勢體現(xiàn)在：AR技術(shù)能為學(xué)習(xí)者提供3D動畫等區(qū)別于一般視頻的數(shù)字內(nèi)容，這些內(nèi)容更能吸引學(xué)習(xí)者；增強現(xiàn)實技術(shù)所提供的虛擬結(jié)合的學(xué)習(xí)環(huán)境，為學(xué)習(xí)者帶來更好的沉浸感體驗；增強現(xiàn)實技術(shù)的虛實交互的特點，使得抽象的學(xué)習(xí)內(nèi)容具象化、可視化，能讓學(xué)生更容易理解其概念；增強現(xiàn)實技術(shù)所帶來的真實世界和虛擬物體的交互方式，有利于鍛煉學(xué)習(xí)者動手能力，有利于學(xué)習(xí)者自學(xué)。

此外，增強現(xiàn)實技術(shù)通過與移動式計算的結(jié)合，能更好地被應(yīng)用到非正式學(xué)習(xí)環(huán)境中，從而將學(xué)習(xí)活動和社會活動更融洽地合并起來。杜威和陶行知兩位先生都曾提出“生活即教育，教育即生活”的教育觀點，而AR技術(shù)的優(yōu)勢勢必會在教育領(lǐng)域再一次掀起“做中學(xué)”的熱潮[2]。

2 在線教育的現(xiàn)狀與存在問題

中國教育一直面臨資源分配不均、投入產(chǎn)出不平衡這樣一個困境，最直接的結(jié)果就是導(dǎo)致素質(zhì)教育水平較低，而在線教育使得教學(xué)內(nèi)容更加多樣化，不受時間空間限制，還可以結(jié)合手機等移動終端實現(xiàn)碎片化學(xué)習(xí)?！盎ヂ?lián)網(wǎng)+”時代為在線教育發(fā)展提供契機，從2012年開始我國在線教育市場步入快速發(fā)展時期，截至2016年6月，我國在線教育用戶規(guī)模達(dá)1.18億人，較2015年底增加了775萬①。隨著在線教育平臺的市場推廣、用戶使用習(xí)慣的培養(yǎng)等原因，未來幾年，在線教育用戶數(shù)將不斷增長。

按照教育實質(zhì)的不同，在線教育大致可分成K12教育（涵蓋小學(xué)、初中、高中教育，共12年）、職業(yè)考試、技能培訓(xùn)、語言學(xué)習(xí)、出國留學(xué)、興趣教育、高等教育（包括大學(xué)、研究生教育）、早教、綜合教育等九大領(lǐng)域。其中，K12階段教育用戶數(shù)量最大，使用率達(dá)37.7%。技能培訓(xùn)和職業(yè)考試緊跟其后，用戶使用率都在20%以上。隨著經(jīng)濟的發(fā)展、社會的需要，企業(yè)對員工的要求不斷提高，預(yù)測這兩大領(lǐng)域會有更廣闊的發(fā)展前景[3]。

目前，在線教育平臺資源多是由視頻資源組成，盡管易懂易學(xué)，可以反復(fù)觀看，但其呈現(xiàn)方式是平面化的，這種交互未能給用戶帶來切身的實際體驗，隨著虛擬現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，AR這種虛擬物體和真實世界在3D空間的表現(xiàn)方式優(yōu)勢明顯，將其引入在線學(xué)習(xí)平臺中，作為輔助學(xué)習(xí)的一種手段，作為傳統(tǒng)課堂的延伸，未嘗不可。

3 增強現(xiàn)實技術(shù)在在線教育中的應(yīng)用

在線教育幫助學(xué)習(xí)者利用碎片化時間進行學(xué)習(xí)，何時何地都能夠自由學(xué)習(xí)，不受時間和地域的限制，隨時隨地學(xué)習(xí)到他們想學(xué)的課程；學(xué)習(xí)者對課程有高度的選擇權(quán)，學(xué)習(xí)者搜索自己感興趣的內(nèi)容。趣味性強的內(nèi)容對學(xué)習(xí)者而言有更強的吸引力。相比文字、音樂、視頻等教學(xué)內(nèi)容，AR內(nèi)容的趣味性和形象性都會好很多。

1992年Louis Rosenberg開發(fā)出了首個可實際運行的增強現(xiàn)實AR系統(tǒng)Virtual Fixtures 。經(jīng)過數(shù)十年發(fā)展，如今由于可穿戴設(shè)備的出現(xiàn)，以及手機性能的進一步提升，讓增強現(xiàn)實技術(shù)持續(xù)升溫，也讓我們在今年看到了不少基于增強現(xiàn)實技術(shù)開發(fā)的新應(yīng)用。當(dāng)基于地理位置的增強現(xiàn)實游戲Pokémon Go刷爆朋友圈的時候，具體到教育等領(lǐng)域來看，AR因其交互性、現(xiàn)實增強感被認(rèn)為更具前景。而在在線教育領(lǐng)域，AR技術(shù)的應(yīng)用主要體現(xiàn)在實物展示、仿真教學(xué)、虛擬實驗、技能訓(xùn)練等。

3.1 實物展示

實物展示主要是通過三維仿真方式展示實物或商品模型。攝像頭識別相應(yīng)的紙質(zhì)識別碼后，以三維模型方式在顯示屏上展現(xiàn)，學(xué)習(xí)者可在現(xiàn)實環(huán)境下互動地體驗虛擬的實體。在理工科類課程中，主要用于立體展示教學(xué)儀器和設(shè)備，學(xué)習(xí)者能直觀地觀察設(shè)備結(jié)構(gòu)和零件內(nèi)部構(gòu)造，快速、準(zhǔn)確地掌握設(shè)備工作原理；在兒童教育領(lǐng)域，交互式教育資源內(nèi)容可以覆蓋自然、動物、植物、地理、歷史等多方面的科普型知識。在兒童教育領(lǐng)域，AR更是沒有缺席。有些兒童沒有親眼見過直升機，如果你直接用語言描述直升機和一般飛機的區(qū)別（類似直升機比一般飛機體積小很多，機翼位置不同），由于對語言的理解能力有限，兒童不一定能理解你的描述。這個時候，如果使用AR進行三維展示，兒童能直接用手操作三維模型，旋轉(zhuǎn)、分解、組合、對比，直升機和一般飛機的不同一目了然。比如有學(xué)生空間想象力比較弱，對幾何圖形等課程難以上手，這時借助虛擬環(huán)境進行實時交互，提升學(xué)生的想象空間能力②。除了學(xué)習(xí)，在兒童娛樂方面，AR也不遺余力。通過AR技術(shù)，孩子們即可化身“神筆馬良”，把畫紙上的龍變成一條搖頭擺尾的龍。

3.2 仿真教學(xué)

仿真教學(xué)主要利用在計算機中模擬真實自然現(xiàn)象或社會現(xiàn)象，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應(yīng)用到真實世界中，學(xué)習(xí)者可以模擬某一角色進行技能訓(xùn)練的一種教學(xué)方法，這種教學(xué)方式可以為學(xué)習(xí)者提供近似真實的訓(xùn)練環(huán)境。將虛擬現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用兒童安全教育課程中，讓兒童直觀地對火災(zāi)、地震、防空等災(zāi)害，引導(dǎo)教育他們做出快速準(zhǔn)確的緊急避險判斷和應(yīng)急措施，有助于整體提升我國兒童的安全知識水平，在遇到現(xiàn)實情況時，能盡量地減少傷亡。再比如在初中物理課上就闡述過的磁場，它是不可視、不可摸但又確實存在的，Cai，Chiang，Sun，Lin 和 Lee[4]利用AR和Kinect相關(guān)設(shè)備，設(shè)計并制作了體感教學(xué)軟件，磁場變得可視化，學(xué)習(xí)者還可通過手勢與磁場發(fā)生實時自然的交互。

3.3 虛擬實驗

虛擬實驗主要利用真實環(huán)境和虛擬情景中的儀器或物品進行實驗操作，就小學(xué)化學(xué)實驗而言，傳統(tǒng)教學(xué)中，老師認(rèn)為化學(xué)物品不安全，實驗部分取消，取而代之是影片觀看等常規(guī)動作。有了AR技術(shù)后，在線教育可以在不接觸危險化學(xué)物品的前提之下，讓學(xué)生可以直觀地看到整個虛擬的化學(xué)實驗過程之外，還可以實現(xiàn)“往試管里添加物品”等真實動作，讓實驗更有體驗感。在建筑設(shè)計類課程中，學(xué)習(xí)者掃描尚未設(shè)計布局的空房間，則會調(diào)動組合相應(yīng)的設(shè)計裝潢元素，讓學(xué)習(xí)加以選擇或匹配，在學(xué)習(xí)者完成設(shè)計后，系統(tǒng)會給學(xué)習(xí)者的設(shè)計給出評價和建議。諸如此類的教育應(yīng)用，帶給學(xué)習(xí)者帶來無限的延展空間與創(chuàng)意啟示。

3.4 技能訓(xùn)練

技能訓(xùn)練是指學(xué)習(xí)者借助AR技術(shù)強大的真實沉浸感和交互性成為虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的參與者，比如飛行員和航天員通過模擬倉進行飛行、降落或遇到險情時的應(yīng)急訓(xùn)練，外科醫(yī)生使用虛擬現(xiàn)實手術(shù)室（VR OR）系統(tǒng)③進行模擬醫(yī)療訓(xùn)練（包括虛擬病人、手術(shù)室團隊和醫(yī)療設(shè)備等）。在一些理工科類設(shè)備故障維修課程教學(xué)中，戴上AR智能設(shè)備，可以教你拆卸零件，這種交互方式區(qū)別于鼠標(biāo)、鍵盤操作，相對自然，更接近于做真實實驗時的感覺AR技術(shù)可以3D顯示人體器官和骨骼，訓(xùn)練外科醫(yī)生和醫(yī)務(wù)工作者，例如：在消化外科手術(shù)，先用CT或MRI掃描病人，然后利用仿真技術(shù)和3D建模技術(shù)，生成虛擬的人體，看起來是全透明的，外科醫(yī)生可以用真實的外科手術(shù)工具在虛擬人體上進行手術(shù)訓(xùn)練，并且在手術(shù)訓(xùn)練過程中可以實時互動跟蹤。

4 思考的問題

4.1 硬件瓶頸

在線教育中，越來越多的用戶傾向于使用移動設(shè)備觀看和使用線上教育資源，AR類產(chǎn)品對硬件要求比較高，而且現(xiàn)在目前移動設(shè)備的硬件水平參差不齊，AR類教育資源涉及美術(shù)、三維空間等的設(shè)計，開發(fā)周期較長，既要帶給用戶豐滿的視覺元素，又需要它可以在目前的硬件條件當(dāng)中流暢運行如何在效果和效率之間尋找平衡點，是每一個AR線上資源在開發(fā)過程中需要思考的問題。

4.2 研發(fā)成本

目前的AR教育類產(chǎn)品多集中在童書、語言學(xué)習(xí)、拼圖等幼教類產(chǎn)品。AR走進在線教育其他的學(xué)科領(lǐng)域需要做好充分的調(diào)研?！安煌慕滩?，需要進行定制化的研發(fā)，研發(fā)團隊就需要齊備教育專家、技術(shù)專家，成本不小”，在這樣高成本的投入下，如果得不到學(xué)習(xí)者的認(rèn)可，課程無法推廣，會造成資源的嚴(yán)重浪費。

注釋：

① 數(shù)據(jù)來源于中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)信息中心（CNNIC）發(fā)布的《第38次中國互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)發(fā)展?fàn)顩r統(tǒng)計報告》.

②Realmax與世界著名的朗文教育母公司Pearson教育集團合作，將AR技術(shù)與教學(xué)完美結(jié)合，解決許多教學(xué)難題.

③ 由3D 打印行業(yè)巨頭 3D Systems打造.

參考文獻(xiàn)：

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