增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）在K—12教育的應(yīng)用實(shí)踐

蔡蘇　薛曉茹　張晗

【摘 要】隨著教育形式的多樣化以及前沿信息技術(shù)在教育領(lǐng)域的深入應(yīng)用，人們更樂意使用圖像更直觀、內(nèi)容更豐富、操作更自然的學(xué)習(xí)方式。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）作為一種虛實(shí)融合且交互性極強(qiáng)的新興技術(shù)，逐漸應(yīng)用于各類教育當(dāng)中。本文闡述了AR技術(shù)的特性、在教育應(yīng)用中的潛力，并介紹AR技術(shù)在學(xué)科和非學(xué)科學(xué)習(xí)領(lǐng)域的K-12教育應(yīng)用，分析總結(jié)AR學(xué)習(xí)環(huán)境的教學(xué)方式以及AR技術(shù)在K-12教育中應(yīng)用的挑戰(zhàn)和展望。

【關(guān)鍵詞】STEM教育；信息素養(yǎng)；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；探究式學(xué)習(xí)

【中圖分類號】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識碼】A

【論文編號】1671-7384（2017）11-0071-05

AR的特性以及教育潛力

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡稱AR）可以被定義為一個(gè)滿足以下三個(gè)基本特征的系統(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[1]。它將虛擬三維模型動(dòng)畫、視頻、文字、圖片等數(shù)字信息實(shí)時(shí)疊加顯示到真實(shí)場景中，用戶可在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中與虛擬信息實(shí)現(xiàn)人機(jī)自然交互。當(dāng)前另外一個(gè)概念即虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR）很熱門，從學(xué)術(shù)的角度來看，虛擬現(xiàn)實(shí)的范圍很廣，它包括增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，所以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)其實(shí)是廣義上虛擬現(xiàn)實(shí)的擴(kuò)展，但是現(xiàn)在常把VR和AR并列提出，此時(shí)VR就是狹義VR。

由于AR較VR更加強(qiáng)調(diào)現(xiàn)實(shí)和虛擬的融合，使之在游戲、娛樂方面應(yīng)用廣泛，比如近期風(fēng)靡全球的AR游戲“Pokemon Go”。除了游戲方面的成功應(yīng)用，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在教育方面的潛力也逐漸引起人們的關(guān)注，主要體現(xiàn)在：（1）抽象的學(xué)習(xí)內(nèi)容可視化、形象化；（2）支持泛在環(huán)境下的情景式學(xué)習(xí)；（3）提升學(xué)習(xí)者的存在感、直覺和專注度；（4）使用自然方式交互學(xué)習(xí)對象；（5）傳統(tǒng)學(xué)習(xí)與新型學(xué)習(xí)相結(jié)合[2]。與Flash課件和其他3D建模軟件相比，AR軟件具有更強(qiáng)大和更方便的交互性，因此它逐漸被應(yīng)用到教育中，使學(xué)生更直接、更自然地探索知識。

新媒體聯(lián)盟近幾年發(fā)布的地平線報(bào)告中將VR/AR列為未來幾年最具潛力的六個(gè)技術(shù)之一，如表1所示。從最早的“簡單增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”到“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”的字眼變化可以看出這門技術(shù)正在迅速走向成熟應(yīng)用，而且現(xiàn)在也逐漸將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)納入廣義的虛擬現(xiàn)實(shí)范疇。

AR教育應(yīng)用案例

近年來，隨著AR技術(shù)的發(fā)展以及人們對教育新科技的不斷追求，市面上出現(xiàn)了各種各樣的AR開發(fā)與制作工具，設(shè)計(jì)人員和開發(fā)人員也利用這些工具為教育行業(yè)創(chuàng)造出了一些精彩案例，涵蓋各個(gè)學(xué)科的正式學(xué)習(xí)及非正式領(lǐng)域?qū)W習(xí)。

（一）學(xué)科領(lǐng)域

與VR體驗(yàn)式學(xué)習(xí)不一樣，AR所需要的硬件設(shè)備要求不高，只要有移動(dòng)設(shè)備，如平板和手機(jī)即可學(xué)習(xí)，并且移動(dòng)設(shè)備上展示的內(nèi)容可以多人實(shí)時(shí)分享，因此可以直接進(jìn)入到教室、課堂和課桌上，很方便地開展教學(xué)活動(dòng)。

繼2015年底谷歌公司推出探險(xiǎn)先鋒計(jì)劃VR版以來，今年谷歌又推出了在教室里運(yùn)用AR技術(shù)輔助學(xué)習(xí)的探險(xiǎn)先鋒計(jì)劃AR版（https：//edu.google.com/expeditions/ar/）。通過平板或手機(jī)啟動(dòng)探險(xiǎn)程序通過平板或手機(jī)啟動(dòng)探險(xiǎn)程序，教師在無線互聯(lián)網(wǎng)的環(huán)境下帶領(lǐng)學(xué)生一起探究以往很難看到的場景。目前，探險(xiǎn)先鋒計(jì)劃AR版提供的內(nèi)容包括小行星帶、染色體、DNA雙螺旋結(jié)構(gòu)、龍卷風(fēng)等，這些內(nèi)容直接以虛實(shí)結(jié)合的方式在教室里呈現(xiàn)在學(xué)生面前，如圖1所示。

國內(nèi)最早開展課堂內(nèi)AR教學(xué)并一直持續(xù)探索的團(tuán)隊(duì)是北京師范大學(xué)教育技術(shù)學(xué)院“VR/AR+教育”實(shí)驗(yàn)室（http：//ar.bnu.edu.cn）。該團(tuán)隊(duì)從2009年開始就一直致力于研究AR技術(shù)在學(xué)科教學(xué)中的課堂應(yīng)用，團(tuán)隊(duì)協(xié)同特級教師進(jìn)行案例開發(fā)，群策群力探討符合教育規(guī)律的產(chǎn)品，并深入深圳梅山中學(xué)、天津南開外國語中學(xué)、山東萊蕪市花園學(xué)校、南京外國語學(xué)校仙林分校、北京市第五十中分校等一線學(xué)校進(jìn)行實(shí)證案例教學(xué)，不斷循環(huán)迭代，探究AR學(xué)習(xí)環(huán)境如何支持教與學(xué)。同時(shí)對中小學(xué)教師進(jìn)行 VR/AR作品制作簡明教學(xué)，將新技術(shù)與課堂深度整合，在最貼近自然的交互形式下為學(xué)生搭建一個(gè)學(xué)習(xí)空間，使學(xué)習(xí)者能夠在虛實(shí)融合的教學(xué)環(huán)境中進(jìn)行自主探索。圖2所示為該團(tuán)隊(duì)開發(fā)的數(shù)學(xué)、外語、物理、化學(xué)以及其他學(xué)科的AR應(yīng)用案例。例如數(shù)學(xué)學(xué)科的“復(fù)數(shù)學(xué)習(xí)”和“概率學(xué)習(xí)”，英語學(xué)科的“快樂記單詞”，物理學(xué)科的“凸透鏡成像”“雙縫干涉”“光電效應(yīng)”和“磁場可視化”，化學(xué)學(xué)科的“微?？梢暬焙汀癏2O2實(shí)驗(yàn)”，以及地理導(dǎo)覽的“校園導(dǎo)覽”和游戲領(lǐng)域的“未來之書”“自閉癥兒童動(dòng)作訓(xùn)練”“Magic piano”等，這些應(yīng)用都在學(xué)校進(jìn)行了實(shí)證研究，得到了實(shí)驗(yàn)學(xué)校以及相關(guān)教育人士和社會大眾的認(rèn)可[3]。AR技術(shù)憑借其現(xiàn)實(shí)與虛擬的完美融合，極大地吸引了使用者的興趣，再將其與教學(xué)知識點(diǎn)內(nèi)容深入融合，就能打造全新的受教師和學(xué)生們喜愛的互動(dòng)課堂。

（二）非正式學(xué)習(xí)領(lǐng)域

1. 特殊教育

當(dāng)前，AR技術(shù)主要是被運(yùn)用在科學(xué)、工程、語言等的教學(xué)中，除此之外，AR還可以被運(yùn)用到其他領(lǐng)域中，比如在信息技術(shù)支持的社會背景下，對特殊教育的解決有了新的突破。Zhu等人[4]就嘗試使用自然交互設(shè)備與AR技術(shù)相結(jié)合的方式訓(xùn)練自閉癥兒童的精細(xì)動(dòng)作和認(rèn)知能力，研究證明他們的實(shí)驗(yàn)具有良好的效果。

2. 幼兒教育

從20世紀(jì)90年代開始，數(shù)字媒體技術(shù)就已經(jīng)開始運(yùn)用到兒童教育當(dāng)中，這些數(shù)字媒體技術(shù)幫助兒童在與形象逼真、生動(dòng)有趣的角色互動(dòng)中，既可以學(xué)到知識，又可以愉悅身心。在眾多數(shù)字媒體技術(shù)中，如何讓幼兒有效地接收到設(shè)計(jì)者想要傳達(dá)的內(nèi)容信息是非常重要的。這就要求設(shè)計(jì)者設(shè)計(jì)出來的產(chǎn)品必須是簡單易操作、交互性較強(qiáng)的產(chǎn)品。《涂涂樂》結(jié)合AR技術(shù)，將孩子的涂鴉繪畫作品變成躍然紙上的3D動(dòng)畫，有聲有色能互動(dòng)，“視·聽·說·觸·想”多感體驗(yàn)，觸發(fā)孩子無限藝術(shù)靈感。只需用手機(jī)或平板下載本書自帶的APP，孩子們便可以在手機(jī)、平板電腦上看到自己創(chuàng)作的靜態(tài)涂鴉畫作變成了立體的動(dòng)畫浮現(xiàn)在紙上，交互式的體驗(yàn)激發(fā)孩子的創(chuàng)作激情與想象力。如圖3所示便是《涂涂樂》的創(chuàng)作效果圖。

3. 遠(yuǎn)程教育

現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育已成為國際教育發(fā)展的共同趨勢，提供大規(guī)模、高效益、個(gè)性化的遠(yuǎn)程教育服務(wù)已成為人們共同追求的目標(biāo)。北京師范大學(xué)教育技術(shù)學(xué)院蔡蘇博士等人設(shè)計(jì)了一套基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一對多遠(yuǎn)程視頻學(xué)習(xí)系統(tǒng)[5]，其中包括三個(gè)功能模塊：圖形渲染與合成、內(nèi)容廣播和自主學(xué)習(xí)。圖形渲染與合成模塊的功能是為了解決AR標(biāo)簽和虛擬模型的相互匹配，通過相機(jī)捕獲特定標(biāo)簽，然后呈現(xiàn)相應(yīng)的三維模型和動(dòng)畫。內(nèi)容廣播模塊通過廣播實(shí)時(shí)呈現(xiàn)教學(xué)視頻，如圖 4所示。自主學(xué)習(xí)模塊是為學(xué)生自主探索學(xué)習(xí)而設(shè)置的，在該模塊中，學(xué)習(xí)者可以選擇觀看教學(xué)視頻或者親自使用AR標(biāo)簽與虛擬三維物體進(jìn)行交互，觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，如圖5所示。

4. 科普場館

谷歌聯(lián)合藝術(shù)科學(xué)博物館、聯(lián)想、世界自然基金會（WWF）等使用 Tango（https：//get.google.com/tango/）技術(shù)在博物館內(nèi)打造了一個(gè)供游客互動(dòng)體驗(yàn)的AR常設(shè)展覽項(xiàng)目——“荒野探秘：一場身臨其境的虛擬冒險(xiǎn)”（https：//mp.weixin.qq.com/s/fZGwPyGuUFJYXVzxkhIfqQ），這個(gè)展覽項(xiàng)目結(jié)合了AR技術(shù)，讓游客借助一部智能手機(jī)便可以探索整個(gè)熱帶雨林。如圖6所示，當(dāng)游客在探險(xiǎn)之旅中種下一棵虛擬樹后，將會走進(jìn)用科技打造的變化莫測的世界，如同置身于電影之中，來感受這龐大的熱帶雨林的無限魅力。“荒野探秘”的最后會為游客帶來身臨其境的觀影體驗(yàn)，將整個(gè)展覽推向高潮。

AR學(xué)習(xí)環(huán)境的教學(xué)方式

不管是學(xué)科學(xué)習(xí)還是非正式學(xué)習(xí)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境的教學(xué)方式大致可以分為以下兩類：基于任務(wù)設(shè)計(jì)的方法和基于具身認(rèn)知的AR教學(xué)方式。通過使用適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)性方法，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境可以開發(fā)與預(yù)期的學(xué)習(xí)目標(biāo)一致的情境支持，同時(shí)影響學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)容和方式。

（一）基于具身認(rèn)知的AR教學(xué)

基于具身認(rèn)知的AR教學(xué)方式，更注重學(xué)習(xí)者和物理環(huán)境的交互。具身認(rèn)知主要指生理體驗(yàn)與心理體驗(yàn)之間有強(qiáng)烈的聯(lián)系[6， 7]。認(rèn)識是具身的，身體又嵌入到環(huán)境之中。認(rèn)知、身體和環(huán)境就是一個(gè)動(dòng)態(tài)的系統(tǒng)。使用這些方式的AR環(huán)境能夠充分利用移動(dòng)技術(shù)的優(yōu)勢，通過移動(dòng)裝置和地理定位系統(tǒng)，當(dāng)學(xué)習(xí)者到達(dá)確切的位置時(shí)，就有了將信息聯(lián)系起來的途徑[8]。

認(rèn)知過程操作中，我們?nèi)绻循h(huán)境結(jié)構(gòu)納入到認(rèn)知加工，不會讓學(xué)生有“這全都是虛擬的”感覺。當(dāng)在自己熟悉的真實(shí)環(huán)境中，對相關(guān)問題作出知情決策成為重要的學(xué)習(xí)目標(biāo)時(shí)，學(xué)生就能夠在第一時(shí)間獲取基于當(dāng)前地點(diǎn)的學(xué)習(xí)內(nèi)容和周邊環(huán)境信息，并能夠通過與同伴分享的方式進(jìn)行認(rèn)知強(qiáng)化[9]。

（二）基于任務(wù)的AR教學(xué)

1.基于游戲

基于游戲的學(xué)習(xí)，包括角色扮演、挑戰(zhàn)活動(dòng)、爭奪空間以及系統(tǒng)中嵌入真實(shí)的資源和工具[10]。游戲通常包括一個(gè)或一系列任務(wù)，具有娛樂、挑戰(zhàn)和好奇心相結(jié)合的特征。學(xué)習(xí)者被賦予了明確的角色，這種自我表征方式會讓學(xué)生置身于一個(gè)逼真的場景，鍛煉換位思考能力，促進(jìn)跨領(lǐng)域知識與方法的融合，更好地激發(fā)創(chuàng)造力。例如，在Outbreak@ The Institute的AR游戲中[11]，學(xué)生一起合作來防止一種感染性病毒的進(jìn)一步擴(kuò)散。學(xué)生可以選擇醫(yī)生、醫(yī)藥技術(shù)人員和公眾健康專家等不同角色扮演，并可以通過與虛擬角色之間的交互來收集真實(shí)信息，或通過從植入在系統(tǒng)中的真實(shí)資源和工具獲取虛擬數(shù)據(jù)。

2.基于問題

基于問題的學(xué)習(xí)，學(xué)生從解決的問題開始學(xué)習(xí)，在一個(gè)真實(shí)的情境中對問題展開探究。通常被用來促進(jìn)自主學(xué)習(xí)、自我鼓勵(lì)、解決問題的手段以及知識應(yīng)用的技巧[12]。學(xué)習(xí)者能投入到問題之中，通過設(shè)計(jì)真實(shí)性的任務(wù)，小組合作或自主探究而學(xué)習(xí)科學(xué)知識，形成解決問題的技能。在AR虛實(shí)融合的學(xué)習(xí)環(huán)境中，真實(shí)生活中的問題解決和游戲中的問題解決之間的界限變得模糊。

AR技術(shù)教育應(yīng)用的現(xiàn)狀、挑戰(zhàn)和展望

全世界眾多互聯(lián)網(wǎng)巨頭都已加入到了AR/VR領(lǐng)域的競爭當(dāng)中。著名投行高盛公司在投資者報(bào)告中對于VR/AR市場規(guī)模、人口規(guī)模做了數(shù)據(jù)分析和預(yù)測，前景可觀[13]。而被稱為“VR元年”的2016年關(guān)于VR/AR的媒體報(bào)道層出不窮，同時(shí)也得到了政府的大力支持。國務(wù)院、發(fā)改委、工信部、文化部及各個(gè)地方政府均制定了相關(guān)的配套文件，對VR/AR創(chuàng)業(yè)團(tuán)隊(duì)、VR/AR技術(shù)進(jìn)行政策鼓勵(lì)、產(chǎn)業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟方面的支持，并推動(dòng)行業(yè)規(guī)范[14][15]。VR/AR在國內(nèi)的火爆程度超乎預(yù)期，在教育領(lǐng)域也不例外。2016年浙江高考、大學(xué)英語六級、北京中考等大型考試先后都以虛擬現(xiàn)實(shí)為主題作為大作文題，2017年北京高考閱讀部分也出現(xiàn)“VR+文物保護(hù)”的題目，一些中小學(xué)也開始建立虛擬現(xiàn)實(shí)教學(xué)實(shí)驗(yàn)室，這些都表明虛擬現(xiàn)實(shí)教育已經(jīng)從“概念”開始走向“落地”。

不過，相比其他更成熟的技術(shù)在教育中的研究， AR在教育中應(yīng)用的研究總體尚在早期階段，許多研究仍然集中在開發(fā)和簡單應(yīng)用方面。AR教育應(yīng)用的實(shí)證研究還是相對比較簡單、短期的、小樣本的探索設(shè)計(jì)。值得提出的是北京師范大學(xué)“VR/AR+教育”實(shí)驗(yàn)室已經(jīng)攻克增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中的攝像機(jī)標(biāo)定、三維模型及場景建模、虛擬行為交互設(shè)計(jì)、三維數(shù)據(jù)高效傳輸及處理等關(guān)鍵技術(shù)難題，制作了若干在K-12教育領(lǐng)域尤其是進(jìn)入教室和課堂的相關(guān)案例，并深入學(xué)校開展了實(shí)證研究。

在教育領(lǐng)域要實(shí)現(xiàn)AR技術(shù)應(yīng)用的可推廣性，必須要實(shí)現(xiàn)技術(shù)與教學(xué)的深度融合。以教學(xué)的實(shí)際需求依托增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢，合理地為技術(shù)做加法和減法，為技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用量身定制專屬的教學(xué)設(shè)計(jì)模式。將AR技術(shù)融入教學(xué)從而解決教育領(lǐng)域中的問題，并形成一套系統(tǒng)的理論體系，這將會為我國教育指引出一條新的道路。

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