增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)在教育中的應(yīng)用案例研究

劉立云++李春燕++趙慧勤

摘 要：本文搜集了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡稱 AR）技術(shù)在各個(gè)不同教育領(lǐng)域中的應(yīng)用案例，分析并研究了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）在現(xiàn)代教學(xué)中的發(fā)展?jié)撃芎挖厔?。通過分析搜集的AR在教學(xué)學(xué)具開發(fā)、教育游戲開發(fā)、學(xué)科教學(xué)、電子書開發(fā)、物體建模、職業(yè)培訓(xùn)等六個(gè)教育領(lǐng)域中的應(yīng)用案例，總結(jié)出AR在教育的應(yīng)用中展現(xiàn)出的優(yōu)勢、不足，并給予相應(yīng)的解決對策，為AR 在教育領(lǐng)域的應(yīng)用研究提供一些參考資料。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）；AR技術(shù)的開發(fā)；教育應(yīng)用；AR應(yīng)用案例

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：1673-8454（2017）17-0019-04

在如今的教育當(dāng)中，大部分課堂教學(xué)依然是以傳統(tǒng)的教學(xué)方式為主，老師講課學(xué)生聽，最多利用一些多媒體或者實(shí)驗(yàn)工具豐富一下枯燥的教學(xué)，把所教所學(xué)內(nèi)容簡單的豐富具象化，使學(xué)生更加容易去學(xué)習(xí)理解以及掌握。而此時(shí)，技術(shù)作為一種解決問題的手段，在教育教學(xué)中發(fā)揮著越來越重要的作用，比如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)就在很多教育領(lǐng)域中開始逐步運(yùn)用，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來引領(lǐng)教育的發(fā)展與改革，促進(jìn)教學(xué)效率，促進(jìn)教學(xué)課堂中多元文化的發(fā)展，使教學(xué)形式多樣化，形象化，不僅可以大大提高老師的教學(xué)質(zhì)量和趣味性，也能使學(xué)生在愉快輕松的環(huán)境中更加快速地掌握知識(shí)，提高學(xué)習(xí)的效率。[1]

一、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)概念界定

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality）是虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality）的延伸，在基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)這門高新技術(shù)給傳統(tǒng)的教學(xué)提供了新的多樣化的傳授知識(shí)的手段，用一種高科技的方法，為學(xué)習(xí)者提供一個(gè)更加真實(shí)有效的自主學(xué)習(xí)研究的環(huán)境。通過對現(xiàn)實(shí)中某些物體環(huán)境的增強(qiáng)顯示，學(xué)生能在虛擬出的環(huán)境指導(dǎo)下接觸并操作虛擬出的真實(shí)物體。

Milgram和Utsumi[2]通過廣義層面和狹義層面來定義增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)：廣義上是指“增強(qiáng)自然反饋的操作與仿真的線索”，狹義則認(rèn)為AR是“虛擬現(xiàn)實(shí)的一種形式，其中參與者的頭盔式顯示器是透明的，能清楚地看到現(xiàn)實(shí)世界”。也有一些科學(xué)家根據(jù)AR的功能來定義，例如Azuma[3]認(rèn)為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以被認(rèn)為是一個(gè)滿足三個(gè)條件的系統(tǒng)：真實(shí)和虛擬世界的融合；實(shí)時(shí)交互、虛擬和真實(shí)物體在3D空間中的精確注冊。

二、AR在教育中的應(yīng)用案例

根據(jù)查閱的資料和文獻(xiàn)內(nèi)容，國外對于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)這門技術(shù)的研究主要集中于市場營銷、機(jī)械制造工業(yè)、游戲設(shè)計(jì)開發(fā)和教育等領(lǐng)域。而我國對于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究則比較晚，通過網(wǎng)上資料顯示，對于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究的有關(guān)文獻(xiàn)最早出現(xiàn)在1987年。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用研究主要體現(xiàn)在以下6個(gè)方面：①教學(xué)學(xué)具軟件的開發(fā)：喬晨在他的《增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)具的開發(fā)與應(yīng)用》當(dāng)中就提到利用Metaio軟件包制作電子電路可視化的教學(xué)學(xué)具；[4][5]②教育游戲：蔡蘇在2012年對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的技術(shù)研究中就提到基于ARToolKit制作3D教學(xué)游戲；[6]③學(xué)科教學(xué)：在我國近年，AR技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于美術(shù)、物理學(xué)等教育領(lǐng)域當(dāng)中；④圖書館的開發(fā)：包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子書和數(shù)字圖書館的研究；⑤技能訓(xùn)練：如魏國前在2007年的研究中就提到利用AR模擬技術(shù)來訓(xùn)練學(xué)生起重機(jī)實(shí)操技術(shù)；⑥物體建模：運(yùn)用PianoAR系統(tǒng)開發(fā)鋼琴模型輔助教學(xué)，廣泛應(yīng)用于音樂學(xué)科教學(xué)。

1.教學(xué)學(xué)具軟件的開發(fā)

開發(fā)一種結(jié)合虛擬與現(xiàn)實(shí)的AR電路學(xué)具，可以不需要大量的設(shè)備就能體驗(yàn)方便快捷的與真實(shí)環(huán)境相同的實(shí)驗(yàn)。

AR電路學(xué)具的開發(fā)需要一種運(yùn)算速度塊、同時(shí)還可以為系統(tǒng)提供優(yōu)良支持的開發(fā)工具，因此，設(shè)計(jì)者就用Metaio或者Dfusion等開發(fā)包，研究出了AR電路學(xué)具（如圖1所示）。

學(xué)生在學(xué)習(xí)電路的串、并聯(lián)時(shí)，先啟動(dòng)計(jì)算機(jī)中的AR程序，利用AR電路學(xué)具事先采集的資源配置電路圖，并且可以通過變換電路中電阻的數(shù)量來檢測電流和電壓的各種變化，AR電路學(xué)具在提供學(xué)生學(xué)習(xí)的同時(shí)還為教師提供接口，以此實(shí)現(xiàn)師生互動(dòng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)當(dāng)中出現(xiàn)的問題就會(huì)及時(shí)反饋給老師。教師也可以通過接口實(shí)時(shí)為學(xué)生提供信息和學(xué)習(xí)素材的更新。

2.基于AR的教育游戲——“彈彈島”

基于AR技術(shù)開發(fā)出的教育游戲，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)搭建游戲平臺(tái)，把現(xiàn)實(shí)中的場景融入到虛擬的世界當(dāng)中，再利用網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)加以支持，就形成了一套非常強(qiáng)大且高效的輔助教育的手段。利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開發(fā)的游戲使用一個(gè)攝像頭或一個(gè)移動(dòng)設(shè)備來提供視角的轉(zhuǎn)換達(dá)到三維呈像的目的。這種類型的教育游戲可以廣泛的應(yīng)用到現(xiàn)代教育的輔助教學(xué)中，也能在各種不同的教育領(lǐng)域加以利用。

彈彈島是利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)計(jì)出來的一款游戲，游戲內(nèi)容是將英語單詞按不同的類別劃分到不同的情景之中，通過闖關(guān)、問答、探索等方式輔助學(xué)生進(jìn)行對英語單詞的學(xué)習(xí)和記憶。游戲的背景是一座大海中的孤島叫彈彈島，島上的各種生物都有相互彈力的作用，學(xué)生的任務(wù)就是把每個(gè)單詞中的各個(gè)英文字母正確的按順序拼接起來。如果沒拼對一組單詞就有相應(yīng)的過關(guān)獎(jiǎng)勵(lì)。

3.AR在學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用

（1）colARmix在小學(xué)美術(shù)教學(xué)中的應(yīng)用

在小學(xué)上的課有：手工課、繪畫課、簡單的實(shí)踐課等。通過實(shí)際調(diào)查教學(xué)中發(fā)現(xiàn)，教師對生活中的美術(shù)媒體教材使用頻率比較髙，在美術(shù)教學(xué)活動(dòng)中使用這些媒體教材似乎已經(jīng)不能引起學(xué)生的興趣。但增加了AR這門高新技術(shù)，利用科技將虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合起來，比如當(dāng)需要小朋友畫一座小屋時(shí)，如果用傳統(tǒng)的教學(xué)方法，只是在紙上畫一個(gè)長方形然后再加以一些窗戶門之類的修飾，這僅僅只是在一維空間的構(gòu)想，但是利用AR技術(shù)，學(xué)生就可以在一個(gè)三維空間內(nèi)繪制自己想象中的小屋，身臨其境甚至可以走進(jìn)小屋內(nèi)進(jìn)行對小屋的裝飾，比如在小屋內(nèi)添加一個(gè)花瓶，床，畫像等等（如圖2所示）。這樣不僅可以充分調(diào)動(dòng)學(xué)生的實(shí)踐動(dòng)手的積極性也可以更好地幫助他們構(gòu)建自己的知識(shí)。endprint

colARFmix軟件可在蘋果系統(tǒng)iOS5.0或更高版本、安卓Android2.2或更高版本的環(huán)境下運(yùn)行。利用投影儀、視頻展示臺(tái)、電腦、交換機(jī)、投影屏幕等設(shè)備就可以滿足colARmix在小學(xué)美術(shù)教學(xué)中所需的硬件條件。

（2）Matlab、Simulink等AR技術(shù)在物理教學(xué)中的應(yīng)用

來自美國路易斯安那州立大學(xué)的學(xué)者，將 VR 和 AR 技術(shù)在電磁學(xué)、力學(xué)和工程中的應(yīng)用模式進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，他認(rèn)為不論是 VR 或是 AR 都能有效的提升和改善現(xiàn)有的教學(xué)形式與手段，從而使學(xué)生學(xué)習(xí)的質(zhì)量得意提升，為此提倡將 VR 和 AR 技術(shù)與現(xiàn)有的科學(xué)研究軟件，如，Matlab、Simulink 等進(jìn)行整合。

Metaio SDK和Metaio Creator支持移動(dòng)設(shè)備，就是典型的一種應(yīng)用案例。物理學(xué)的核心內(nèi)容不僅僅是可見的實(shí)驗(yàn)教學(xué)，還有很多抽象的且很難直接觀察的物質(zhì)對象，例如，電場、磁場等“場”的概念[7]。Chiang，Sun 和 Lee還在研發(fā)中將 AR 技術(shù)與微軟 Kinect 體感交互技術(shù)相結(jié)合，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體感技術(shù)，就可使人用肉眼看到音響發(fā)出的聲波（如圖3所示）。

4. AR電子書的開發(fā)

在2009年的第61屆法蘭克福圖書博覽會(huì)上，利奧紙品集團(tuán)推出了ARIUXTM技術(shù)，即：“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)交互式用戶體驗(yàn)技術(shù)”[8]。它的核心就是利用專利技術(shù)D.FusionA增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，同時(shí)將印刷和數(shù)碼傳媒技術(shù)進(jìn)行結(jié)合，把二維的圖像轉(zhuǎn)換成3D，可以增強(qiáng)讀者的閱讀積極性，讓讀者在生動(dòng)的讀書環(huán)境中體驗(yàn)知識(shí)的浩瀚。

Tony DITerlizzi的新書《These chforwondLA》就利用這一技術(shù)，制作成了一本增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子書。只要安裝D.Fusion Player播放器，用戶不論在哪，都可以通過網(wǎng)絡(luò)，在任何有攝像頭的計(jì)算機(jī)上閱讀的這本書，而最近誕生了一種新的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子書格式，由韓國光州科學(xué)技術(shù)學(xué)院研制，這種AR技術(shù)的電子書允許每其中一頁都出現(xiàn)3D的人物和場景[8]，使得閱讀更加充滿趣味性，有效地增強(qiáng)了教學(xué)的效率（如圖4所示）。

5.AR物體建模

在鋼琴教學(xué)中使用PianoAR系統(tǒng)建模，系統(tǒng)輸出層模擬出的鋼琴影像琴鍵面與實(shí)體鋼琴的鋼琴鍵面是一一對應(yīng)，通過攝像機(jī)拍攝到的實(shí)體鋼琴琴鍵界面，將琴鍵界面通過數(shù)據(jù)的形式傳送到計(jì)算機(jī)屏幕上，計(jì)算機(jī)此時(shí)則在屏幕上創(chuàng)立一個(gè)二維坐標(biāo)，將虛擬的鋼琴琴鍵界面與實(shí)體鋼琴琴鍵界面進(jìn)行重疊，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)的重合，再次通過攝像機(jī)采集鋼琴演奏者的動(dòng)作，把其傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上，就可以制作成3D教學(xué)視屏（如圖5所示）。

接下來利用音頻錄音設(shè)備采集鋼琴演奏的音頻數(shù)據(jù)，并對音頻數(shù)據(jù)進(jìn)行加工分析，來識(shí)別不同音頻的數(shù)據(jù)，然后上傳給電腦。

鋼琴教育中，老師不可能一天24小時(shí)在學(xué)生想學(xué)習(xí)的時(shí)候或者有些學(xué)過的地方忘記時(shí)隨叫隨到，這時(shí)就利用PianoAR系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)，有針對的選擇那些好聽、簡單、容易記憶，同時(shí)又能激發(fā)孩子學(xué)習(xí)興趣的教材，PianoAR系統(tǒng)將這些教材進(jìn)行采集上傳，讓學(xué)生隨時(shí)隨地都如同有老師在親身教學(xué)一般。

在這當(dāng)中，PianoAR系統(tǒng)還可以通過模擬琴鍵按壓深度加強(qiáng)孩子的手指力度、支撐等能動(dòng)性，根據(jù)學(xué)生現(xiàn)階段的情況，適當(dāng)?shù)丶右恍段覀兊奶枴?、《幼兒初學(xué)指法練習(xí)曲》等練習(xí)曲，作手指的針對性練習(xí)（手指訓(xùn)練），通過PianoAR技術(shù)對真實(shí)環(huán)境中的鋼琴進(jìn)行建模，在虛擬的彈奏中體驗(yàn)真實(shí)的音樂效果，大腦與手并用，使得學(xué)生手指得到刺激，從而達(dá)到有效的練習(xí)。另外學(xué)生還可以在PianoAR系統(tǒng)中作一些簡單的彈法訓(xùn)練。

6. AR在職業(yè)技能訓(xùn)練中的應(yīng)用

起重機(jī)的駕馭和操作涉及安全性，熟練程度等多種因素，所以，起重機(jī)司機(jī)必須經(jīng)過嚴(yán)格的考察之后，才能上崗。就目前來說，起重機(jī)司機(jī)在接受訓(xùn)練的實(shí)踐操作是在工廠的起重機(jī)上進(jìn)行，這種實(shí)地接受訓(xùn)練的方式，雖然能使工人得到充分的練習(xí)體驗(yàn)，但是對工人的人生安全存在很大的安全隱患，同時(shí)可供練習(xí)的機(jī)車有限、能耗浪費(fèi)大、考核評(píng)估缺乏客觀性，導(dǎo)致起重機(jī)培訓(xùn)的效果很不理想。

ARML技術(shù)是一種人機(jī)交互技術(shù)，通過ARML系統(tǒng)，創(chuàng)建與現(xiàn)實(shí)機(jī)器相同的物體大小，供詳細(xì)的操作流程，學(xué)員利用ARML系統(tǒng)建立的操作機(jī)器，可以獲得真實(shí)的操作體驗(yàn)，在虛擬與現(xiàn)實(shí)交合的環(huán)境中練習(xí)。ARML技術(shù)通過攝像機(jī)把現(xiàn)實(shí)中起重機(jī)的模型模擬出來，并通過計(jì)算機(jī)視景仿真技術(shù)在電腦端繪制一個(gè)三維工廠的場景，再把起重機(jī)的模型添加到虛擬場景中（如圖6所示）。年輕的起重機(jī)司機(jī)在練習(xí)時(shí)，可以通過計(jì)算機(jī)，進(jìn)行模擬訓(xùn)練，通過與ARML系統(tǒng)鏈接的遙控手柄進(jìn)行與實(shí)地操作相同的起重機(jī)操作訓(xùn)練。這樣不經(jīng)可以節(jié)省大量能耗成本的開支，也可以使得起重機(jī)培訓(xùn)更加有效快速的進(jìn)行。

三、AR技術(shù)在教育中應(yīng)用案例分析

1.AR技術(shù)在教育中應(yīng)用的優(yōu)勢

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有虛實(shí)結(jié)合、虛實(shí)同步、交互自然的特點(diǎn)，能夠有效的彌補(bǔ)部分傳統(tǒng)教學(xué)模式的缺陷，尤其是AR技術(shù)交互自然的特點(diǎn)能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)教學(xué)中師生一對多交互不足的缺陷。當(dāng)現(xiàn)實(shí)的教具不足以支撐老師高效、快速的教學(xué)時(shí)，通過AR高新技術(shù)，就可以為學(xué)生老師創(chuàng)造更加方便、快捷、形象生動(dòng)的教育器材，不僅節(jié)省了現(xiàn)實(shí)教具的投資，還促進(jìn)了教學(xué)更加有效的實(shí)施。同時(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的這些特點(diǎn)大大的豐富了教學(xué)情境，有助于教師對學(xué)生抽象知識(shí)的教學(xué)。幾乎所有的學(xué)習(xí)的知識(shí)都來源于真實(shí)的生活，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)就是通過將虛擬與現(xiàn)實(shí)的疊加，創(chuàng)設(shè)虛擬的學(xué)習(xí)環(huán)境。這樣通過創(chuàng)建形象生動(dòng)的學(xué)習(xí)環(huán)境，可以大大增加學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，創(chuàng)造性，而且還可以讓學(xué)生、教師在互動(dòng)中交流、成長，達(dá)到高效的教學(xué)水平。

2.AR技術(shù)在教育中應(yīng)用的不足

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)的領(lǐng)域中應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)大多是高新技術(shù)，不僅技術(shù)應(yīng)用、運(yùn)用困難，而且投資研究成本較高，另一方面，AR需要大量的技術(shù)支持才能很好的運(yùn)用實(shí)現(xiàn)，而現(xiàn)如今對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究開發(fā)還處于表面，不夠深入。在課堂教學(xué)當(dāng)中，能夠運(yùn)用到AR技術(shù)的教學(xué)不多，對于現(xiàn)在的課堂設(shè)備來說，運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行教育教學(xué)還不是很方便，教師對于現(xiàn)在現(xiàn)有的AR技術(shù)設(shè)備的運(yùn)用也不熟悉，難以發(fā)揮它在教育中的教學(xué)優(yōu)勢。endprint

3.解決方案

（1）適當(dāng)加大增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育教學(xué)中具體科目的研究開發(fā)力度。

（2）要不斷擴(kuò)展分析AR技術(shù)究竟該如何有效的應(yīng)用于學(xué)生學(xué)習(xí)和老師的教學(xué)。

（3）增強(qiáng)對教室中現(xiàn)有設(shè)備的運(yùn)用力度，從簡單的AR在課堂中的實(shí)現(xiàn)開始，比如利用投影儀、電腦等設(shè)備設(shè)計(jì)一個(gè)簡單的虛擬場景。

（4）由于AR技術(shù)開發(fā)設(shè)備相對較貴，希望政府適當(dāng)加大在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)方面研究的投資力度。

四、結(jié)束語

本論文主要分析探究了AR技術(shù)在教育教學(xué)中音樂、英語、圖書館等領(lǐng)域中的應(yīng)用，開頭從分析AR在現(xiàn)代社會(huì)中的現(xiàn)狀，到通過初步定義AR的概念，由此開始討論AR這門高新技術(shù)在教育之中應(yīng)用的可能性以及應(yīng)用潛力。然后通過列舉一些不同教育領(lǐng)域之中AR的應(yīng)用案例，以及AR技術(shù)在6個(gè)方面的主要應(yīng)用研究，發(fā)覺增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)這門技術(shù)在教育當(dāng)中應(yīng)用的特點(diǎn)，再通過列舉大量國內(nèi)外實(shí)例發(fā)掘增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育結(jié)合點(diǎn)。借著AR技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用案例的分析過程中，也列舉出一些現(xiàn)代AR的產(chǎn)品是否可以在教學(xué)的過程當(dāng)中有效的應(yīng)用于教育教學(xué)。通過分析不同領(lǐng)域的課程性質(zhì)，近一步剖析AR技術(shù)在教育之中的發(fā)展優(yōu)勢、限制以及發(fā)展趨勢，最后提出相應(yīng)的解決方案。

參考文獻(xiàn)：

[1]張哄波.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用研究[D].中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫，2012：1-3.

[2]Migram p.，Takemura H. ，Utsumi A.，et al.Augmented reality：A class of display on the reality-virtuality continuum [J].spie，1994，2351（34）：282-292.

[3]Azuma R .T..A survey of augmented reality[J].Presence：Teleopera-tors and Virtual Enviroment，1997，6（4）：355-385.

[4]陳向東，喬辰.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)具的開發(fā)與應(yīng)用——以“AR電路學(xué)具”為例 [J].中國電化教育，2014（9）2-3.

[5]徐劍坤，楊乾龍，楊乾霞.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在采礦工程實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用[J].實(shí)驗(yàn)室研究與探索，2013（2）：136-139.

[6]蔡蘇.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）的5大功能4個(gè)平臺(tái)3類方式20余案例[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2016（6）.

[7]王志勇，葛嬈.中學(xué)物理教學(xué)中多媒體技術(shù)的應(yīng)用探討[J].濟(jì)寧師專學(xué)報(bào)，2011（4）

[8]許山杉.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子書的開發(fā)[J].中國優(yōu)秀碩士學(xué)位論文全文數(shù)據(jù)庫.2011.

（編輯：王曉明）endprint