AR技術(shù)課程設(shè)計(jì)應(yīng)用研究

張 悅，肖 霞，李 珩，2

(1.重慶大學(xué) 應(yīng)用技術(shù)學(xué)院；2.重慶大學(xué) 教師教學(xué)發(fā)展中心，重慶 400044)

1 AR技術(shù)應(yīng)用國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀分析

課程設(shè)計(jì)是保證后續(xù)教學(xué)實(shí)施、教學(xué)質(zhì)量的關(guān)鍵。在VR技術(shù)(Virtual Reality,虛擬現(xiàn)實(shí))基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展出的AR技術(shù)(Augmented Reality,增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))為課程設(shè)計(jì)中的兩大關(guān)系優(yōu)化提供了可能[1]。自VR/AR技術(shù)發(fā)展以來，就受到廣泛的關(guān)注，其根本原因在于通過這樣的技術(shù)為存在于同一平行空間的理論與現(xiàn)實(shí)、抽象與直觀提供了轉(zhuǎn)換的可能。通過在中國知網(wǎng)、Science-Direct等數(shù)據(jù)庫搜索關(guān)鍵詞“AR技術(shù)的應(yīng)用(Application of AR Technology)”，將檢索出文獻(xiàn)歸類后可出構(gòu)成得如圖1所示。

圖1 AR技術(shù)的應(yīng)用相關(guān)文獻(xiàn)研究方向餅狀構(gòu)成

從圖1可看出：當(dāng)前在國內(nèi)外AR技術(shù)應(yīng)用比例最多的就是“計(jì)算機(jī)軟件及計(jì)算機(jī)應(yīng)用”與“教育理論與教育管理”，分別為33.9%和30.6%。單方面整合教育類的應(yīng)用(結(jié)合“教育理論與教育管理”“職業(yè)教育”“高等教育”)比例高達(dá)45.2%，反映出AR技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用研究已成為熱門。

1.1 國內(nèi)教育領(lǐng)域應(yīng)用研究

針對國內(nèi)相關(guān)研究的單方面數(shù)據(jù)分析，基于中國知網(wǎng)檢索平臺，輸入關(guān)鍵詞“AR技術(shù)在教育的應(yīng)用”，在知網(wǎng)導(dǎo)航“指數(shù)”欄中可看見文獻(xiàn)曲線圖如圖2所示。

圖2表明，2014～2015年有關(guān)于AR技術(shù)在教育中應(yīng)用相關(guān)研究的關(guān)注度不超出5%，呈萌芽階段，幾乎呈負(fù)增長趨勢。2015～2018年間研究熱度明顯提升，其中2015～2017年環(huán)比增長較快，接近于200%，但2017～2018年間又有所下滑。這也說明：當(dāng)前在國內(nèi)AR技術(shù)在教育應(yīng)用上的研究突破力還需繼續(xù)提升，還需不斷探索，進(jìn)一步完善。

1.2 國外教育領(lǐng)域應(yīng)用研究

在進(jìn)行國內(nèi)數(shù)據(jù)分析后，基于知網(wǎng)平臺，附加“國內(nèi)外研究”的比較條件，可得出曲線圖如圖3所示。

圖2 AR技術(shù)在教育的應(yīng)用(國內(nèi))文獻(xiàn)量曲線

圖3 AR技術(shù)在教育應(yīng)用(國外)文獻(xiàn)量曲線及其與國內(nèi)文獻(xiàn)量比較曲線

圖3表明：國外相關(guān)研究(以國外外文文獻(xiàn)數(shù)據(jù)為準(zhǔn))關(guān)注度2014～2018年增長水平較高，基于2.5K-5K水平范圍內(nèi)，其環(huán)比增長率水平也集中于近125%左右，顯示了國外對AR技術(shù)在教育的應(yīng)用十分重視，研究熱度保持高漲。

另外，國內(nèi)外相比較(國內(nèi)研究以中文&國外中文文獻(xiàn)數(shù)據(jù)為準(zhǔn))，國內(nèi)無論是文獻(xiàn)數(shù)量還是環(huán)比增長率相較國外而言，均處于較低水平。結(jié)合文獻(xiàn)收集可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)前國內(nèi)對AR技術(shù)在教育應(yīng)用方面，多數(shù)文獻(xiàn)是以已有應(yīng)用研究為主的綜述性文獻(xiàn)，另一部分是集中于綜合意義上的廣泛應(yīng)用，其中較側(cè)重的是職業(yè)教育與高等教育研究。盡管當(dāng)前在江浙滬一帶有對于AR技術(shù)在課程研發(fā)或具體教學(xué)中的嘗試應(yīng)用，但提供的有關(guān)基礎(chǔ)教育應(yīng)用的理論資料仍是稀缺，落實(shí)到課程設(shè)計(jì)更是少之又少，為此，加強(qiáng)AR技術(shù)課程設(shè)計(jì)相關(guān)研究是十分必要的。

2 AR技術(shù)課程設(shè)計(jì)應(yīng)用構(gòu)思

要追溯AR技術(shù)落實(shí)到教育領(lǐng)域課程設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用[2]，首先，應(yīng)明確構(gòu)成課程的主要成分是必須把握的關(guān)鍵，涉及課程設(shè)計(jì)，在大方向上要明確是側(cè)重于理論(理論知識體系學(xué)習(xí))，還是側(cè)重于應(yīng)用(問題解決)；其次要把握中心論，也就是常提及的基于“學(xué)科”“學(xué)生”“問題解決”的“三大中心”[3]。AR技術(shù)在基礎(chǔ)教育課程設(shè)計(jì)上的應(yīng)用構(gòu)思應(yīng)圍繞這“三大中心”分析研究。

2.1 以學(xué)科設(shè)計(jì)為中心的AR技術(shù)應(yīng)用

(1)AR技術(shù)直觀化學(xué)科核心概念。學(xué)科設(shè)計(jì)是課程設(shè)計(jì)重要組成部分，對于不同學(xué)科來說，把握相應(yīng)的學(xué)科概念是提高學(xué)習(xí)效率的關(guān)鍵。在基礎(chǔ)教育階段的自然學(xué)科中，數(shù)學(xué)學(xué)科的抽象性是較為突出的屬性之一，為了便于理解抽象數(shù)學(xué)概念，將概念直觀化是幫助學(xué)生理解的有效途徑。

結(jié)合數(shù)學(xué)學(xué)科課程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行課程設(shè)計(jì)時，將應(yīng)用AR技術(shù)；如：AR技術(shù)可以將高中數(shù)學(xué)中有關(guān)于空間幾何位置關(guān)系的相關(guān)內(nèi)容可視化處理，使學(xué)生在學(xué)習(xí)該部分概念時，通過基于AR技術(shù)平臺(如美國Infinite Z公司研發(fā)的Z Space顯示屏[4])所呈現(xiàn)出的立體結(jié)構(gòu)，將概念可視化、情境化，將相應(yīng)的位置關(guān)系及判定原理直觀化，幫助學(xué)生理解，提升學(xué)生對相關(guān)概念的敏感度，達(dá)到預(yù)期數(shù)學(xué)學(xué)科課程設(shè)計(jì)中對概念理解的基本要求。同樣，針對其他學(xué)科的抽象概念A(yù)R技術(shù)平臺也可將其直觀化、可視化，達(dá)到相應(yīng)學(xué)科課程設(shè)計(jì)中對概念理解的標(biāo)準(zhǔn)。

(2)AR技術(shù)突出學(xué)科知識結(jié)構(gòu)。在應(yīng)用AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)概念直觀化的基礎(chǔ)上，運(yùn)用該技術(shù)可以將學(xué)科知識結(jié)構(gòu)明顯突出，特別是連續(xù)性和相關(guān)性較強(qiáng)的知識板塊。如地理學(xué)研究地殼板塊運(yùn)動所引發(fā)的地震、海嘯以及火山噴發(fā)等連帶誘發(fā)現(xiàn)象；生物學(xué)中研究細(xì)胞變化過程與生物個體成長的關(guān)系、光合作用與呼吸作用之間的聯(lián)系等，這些需要一個整體知識結(jié)構(gòu)體系的集合體，可以通過仿真三維動畫制作，再運(yùn)用AR技術(shù)將其展現(xiàn)出來。

這樣的設(shè)計(jì)應(yīng)用將在直觀化基礎(chǔ)上，凸顯出學(xué)科知識結(jié)構(gòu)體系的關(guān)鍵性特征，確保了學(xué)科課程設(shè)計(jì)更貼切于學(xué)科本源，貼近實(shí)際，有效達(dá)到學(xué)科課程設(shè)計(jì)的預(yù)期目的。

2.2 以學(xué)生為中心的AR技術(shù)應(yīng)用

在滿足學(xué)科上的要求后，AR技術(shù)在課程設(shè)計(jì)的應(yīng)用需聚焦在第二大中心點(diǎn)——“學(xué)生中心”上。一直以來，教育工作都是要以學(xué)生為核心的，課程設(shè)計(jì)也是為達(dá)到一定培養(yǎng)目標(biāo)而設(shè)定。因此，AR技術(shù)在課程設(shè)計(jì)上的應(yīng)用也應(yīng)圍繞學(xué)生為中心的理念進(jìn)行。

(1)AR技術(shù)推動學(xué)習(xí)主體學(xué)習(xí)情境融入。AR技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用的核心目的就是為了給學(xué)生創(chuàng)立貼近生活，貼近真實(shí)的知識背景，建立一個以虛擬現(xiàn)實(shí)為基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)情境[5]，使得學(xué)生可以接近知識本源，融入情境中。

該方式將難以理解的知識斷點(diǎn)，通過身臨其境的模擬現(xiàn)實(shí)幫助學(xué)生將其理解，在理解過后將斷點(diǎn)之處加以拼接，確保了知識結(jié)構(gòu)的完整性。與此同時，也提高了學(xué)生學(xué)習(xí)效率，調(diào)動了學(xué)生學(xué)習(xí)興趣。

(2)AR技術(shù)引發(fā)學(xué)習(xí)主體深度思考。在AR技術(shù)創(chuàng)立情境下，基于知識理解的層面，引發(fā)深度思考是這項(xiàng)技術(shù)在課程設(shè)計(jì)中呈現(xiàn)的一大亮點(diǎn)。通常情況下，深度思考需建立在對基礎(chǔ)知識結(jié)構(gòu)體系十分清晰的前提下進(jìn)行，而這一點(diǎn)，憑借AR技術(shù)在課程設(shè)計(jì)上的應(yīng)用，其實(shí)現(xiàn)的可能大大提升，因此，引發(fā)學(xué)生深度思考不再像是傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)那樣難以實(shí)現(xiàn)，深度思考將隨著技術(shù)的不斷優(yōu)化趨于常態(tài)化。

2.3 以解決問題為目標(biāo)的AR技術(shù)應(yīng)用

(1)AR技術(shù)模擬實(shí)際問題情境構(gòu)建。與課程設(shè)計(jì)中學(xué)科方面的應(yīng)用類似，AR技術(shù)在解決問題為目標(biāo)的課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用仍基于情境的構(gòu)建[6-7]。之所以問題解決需要情境構(gòu)造是因?yàn)椴糠謫栴}和一些學(xué)科知識擁有類似屬性——抽象性，而解決一個抽象的問題，最好的方式就是將其現(xiàn)實(shí)化、直觀化。當(dāng)把這個抽象的問題轉(zhuǎn)化為虛擬現(xiàn)實(shí)情境時，原來真實(shí)情境中已有經(jīng)驗(yàn)為解決這一問題提供了思路。

(2)AR技術(shù)引導(dǎo)將抽象問題建模解決?；谡鎸?shí)情境中已有經(jīng)驗(yàn)，在抽象問題虛擬情境化的基礎(chǔ)上，使得個體利用已有經(jīng)驗(yàn)中的方案模型，面對的抽象問題，經(jīng)多次嘗試將其解決。能夠?qū)⒁延薪?jīng)驗(yàn)中的模型加以運(yùn)用，需歸結(jié)于抽象問題的虛擬現(xiàn)實(shí)情境轉(zhuǎn)換，而這一轉(zhuǎn)換是由AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，因此，本文在這里提出AR技術(shù)引導(dǎo)將抽象問題建模解決的表現(xiàn)特征。

3 AR技術(shù)課程設(shè)計(jì)應(yīng)用實(shí)例

3.1 AR技術(shù)在人文社科類學(xué)科的應(yīng)用

人文學(xué)科最具代表性的就是語文與歷史，AR技術(shù)在語文學(xué)科課程設(shè)計(jì)的應(yīng)用就是將文章或詩詞的意境再現(xiàn)，特別是寓情于景的散文與詩詞。朱自清《荷塘月色》一文，借助AR技術(shù)將景象還原，結(jié)合人機(jī)交互技術(shù)，讓學(xué)生切身感受，對于文章的理解便會提升。當(dāng)這樣的應(yīng)用落實(shí)到整體語文學(xué)科的課程設(shè)計(jì)中，則更接近于所期望的多維目標(biāo)。

歷史學(xué)科的AR技術(shù)應(yīng)用，首要的是把握好歷史學(xué)科課程體系的基本表征，其最關(guān)鍵的表征是：“在一定的時代背景、時代特征下，有一定時間順序的所發(fā)生的一系列事件，且其對當(dāng)時社會會產(chǎn)生一定程度的(正/反向)影響作用，同時伴有一定的標(biāo)志性意義”。結(jié)合這樣的特征，借助AR技術(shù)、人機(jī)交互技術(shù)和三維成像技術(shù)，還原歷史場景，讓學(xué)生“置身”于相應(yīng)情境中，會更好幫助學(xué)生理解歷史事件發(fā)生始末，避免了傳統(tǒng)歷史學(xué)科課程設(shè)計(jì)在落實(shí)教學(xué)中的學(xué)生“死記硬背”現(xiàn)象。

3.2 AR技術(shù)在自然(實(shí)驗(yàn))學(xué)科的應(yīng)用

與人文學(xué)科不同的是，自然學(xué)科受涉及一定的操作性。因此，在AR技術(shù)基礎(chǔ)上，人機(jī)交互技術(shù)、體感技術(shù)也是必不可少的“參與者”。為了更好幫助學(xué)生學(xué)習(xí)自然學(xué)科，AR技術(shù)課程設(shè)計(jì)應(yīng)用需把握它們的共性——實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。

無論物理學(xué)、化學(xué)還是生物學(xué)，知識結(jié)構(gòu)的建立均離不開實(shí)驗(yàn)的。物理學(xué)中研究運(yùn)動學(xué)問題[8-9]，以勻變速運(yùn)動為例，傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)中有關(guān)于“打點(diǎn)計(jì)時器”的實(shí)驗(yàn)，往往得出近似的結(jié)論，原因在于真實(shí)環(huán)境下無法避免空氣阻力因素。在AR技術(shù)條件下，模擬設(shè)備可創(chuàng)設(shè)不計(jì)空氣阻力的虛擬現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)場景。另外，結(jié)合人機(jī)交互技術(shù)進(jìn)行虛擬現(xiàn)實(shí)情境下的物理實(shí)驗(yàn)，相較真實(shí)環(huán)境下實(shí)驗(yàn)結(jié)果更精準(zhǔn)，也就更具說服力。同物理學(xué)類似，化學(xué)實(shí)驗(yàn)會涉及物質(zhì)間的反應(yīng)與變化，比物理實(shí)驗(yàn)更具危險(xiǎn)性，且在真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)存在現(xiàn)象不明顯或是難以在教學(xué)中落實(shí)等情況。利用 AR技術(shù)在初中化學(xué)學(xué)科課程設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，在實(shí)驗(yàn)教學(xué)環(huán)節(jié)中針對物質(zhì)結(jié)構(gòu)的內(nèi)容借助3D演示系統(tǒng)、智能手機(jī)、頭戴顯示器等技術(shù)工具進(jìn)行了虛擬融合操作實(shí)驗(yàn) 。酯化反應(yīng)的微觀分子結(jié)構(gòu)下的實(shí)驗(yàn)操作，通過AR技術(shù)，可以將該反應(yīng)中各物質(zhì)的球棍模型得以呈現(xiàn)，將整個反應(yīng)利用三維動畫模擬，最終呈現(xiàn)反應(yīng)全過程，切身感受反應(yīng)原理，促使學(xué)生在掌握酯化反應(yīng)的本質(zhì)。

3.3 AR技術(shù)模擬實(shí)際問題應(yīng)用

除了學(xué)科應(yīng)用之外，AR技術(shù)為解決實(shí)際問題也提供了更多的可能。針對橋梁的設(shè)計(jì)，利用AR技術(shù)還原各部分仿真模擬的橋梁組建模型，基于橋建的標(biāo)準(zhǔn)參考數(shù)據(jù)，利用數(shù)據(jù)分析軟件對于各部分組建的承重度、拉伸程度等進(jìn)行分析，初步判斷是否可以建造成功，再結(jié)合人機(jī)交互技術(shù)、體感技術(shù)使實(shí)驗(yàn)者更具真實(shí)性的參與進(jìn)來，進(jìn)行模擬搭建。處于這樣的環(huán)境中對于實(shí)際橋梁設(shè)計(jì)的問題會有更貼切地感受，使得學(xué)習(xí)效果更佳，避免了僅停留于抽象環(huán)境下解決實(shí)際問題導(dǎo)致的短板。

4 AR技術(shù)學(xué)習(xí)課程設(shè)計(jì)應(yīng)用優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

4.1 應(yīng)用優(yōu)勢

(1)推進(jìn)課程設(shè)計(jì)更加合理化、人性化。AR技術(shù)創(chuàng)立的虛擬情境為課程設(shè)計(jì)打開了科學(xué)的設(shè)計(jì)大門，無論是人文社會科學(xué)，還是自然科學(xué)與工程技術(shù)科學(xué)，AR技術(shù)的應(yīng)用使得原本課程在設(shè)計(jì)形式上更具人性化，呈現(xiàn)形式更加多樣化，呈現(xiàn)效果更佳。在落實(shí)到教學(xué)環(huán)節(jié)時，對于課堂氛圍和課堂效果都有著促進(jìn)作用，推進(jìn)了預(yù)期課程設(shè)計(jì)原則及教學(xué)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

(2)助力校本課程設(shè)計(jì)?，F(xiàn)今學(xué)校教育對于校本課程設(shè)計(jì)是十分關(guān)注，原因在于校本課程是體現(xiàn)一個學(xué)校校園文化、學(xué)校特色的關(guān)鍵所在，AR技術(shù)為校本課程設(shè)計(jì)提供了模擬真實(shí)校園特色的平臺基礎(chǔ)，為校本課程設(shè)計(jì)提供一定輔助作用。

另外，創(chuàng)新型課程研發(fā)是處于當(dāng)前基礎(chǔ)教育階段教育環(huán)境下研究型教師的必備技能，隨著大數(shù)據(jù)技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用的不斷延伸，AR技術(shù)為課程研發(fā)者提供了更多趨向于模擬現(xiàn)實(shí)的課程研發(fā)的思路方向[12]，為創(chuàng)新型課程研發(fā)者提供了更廣泛的思考與發(fā)展空間。

(3)教學(xué)環(huán)節(jié)提供了便捷教學(xué)手段與多樣學(xué)習(xí)空間。在傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)中，盡管包含著課程活動實(shí)施、拓展材料閱讀等一系列的設(shè)計(jì)，但在AR技術(shù)平臺下，課程設(shè)計(jì)中教學(xué)環(huán)節(jié)可以拓展更多的實(shí)施手段。對學(xué)生來說，學(xué)習(xí)空間范圍也拓寬了許多，不再僅僅局限于教材、教室、教師講授的維度下，AR技術(shù)平臺打開了更多樣的學(xué)習(xí)空間，創(chuàng)立了更廣的學(xué)習(xí)維度。

(4)助力學(xué)習(xí)效率與參與度的提升。在傳統(tǒng)課程設(shè)計(jì)層面，最難以保障的就是實(shí)施環(huán)節(jié)中學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。如理科學(xué)科中知識體系過度枯燥和抽象，導(dǎo)致學(xué)生產(chǎn)生了一定程度的學(xué)習(xí)疲勞，影響學(xué)習(xí)效率，干擾學(xué)習(xí)效果。但在AR技術(shù)的影響下，理科學(xué)科的枯燥與抽象程度有了明顯削弱，很大程度上緩解了疲勞效應(yīng)，學(xué)生在學(xué)習(xí)效率及參與程度上均有了明顯提升。

4.2 應(yīng)用挑戰(zhàn)

(1)缺乏合理課程設(shè)計(jì)。盡管AR技術(shù)提供了有利的技術(shù)平臺，也為課程設(shè)計(jì)多樣化提供了有效指引，但當(dāng)前AR技術(shù)在實(shí)際課程設(shè)計(jì)中仍存在一定的制約，其并不是所有教育工作者都能在AR技術(shù)應(yīng)用于課程設(shè)計(jì)時，保證了一定合理性；且對于合理性的標(biāo)準(zhǔn)也尚未統(tǒng)一。此外，對于相應(yīng)的課程設(shè)計(jì)所達(dá)到的實(shí)施效果也并不能作出絕對判斷，仍需要一定時間周期考量。只有這樣才能確保該技術(shù)的持久應(yīng)用。

(2)區(qū)域經(jīng)濟(jì)水平差異制造“屏障”。經(jīng)濟(jì)水平是確保技術(shù)普及應(yīng)用的關(guān)鍵，就國內(nèi)情況而言，能夠?qū)R技術(shù)大力推廣到各級教育單位的當(dāng)前只有江浙滬地區(qū)、沿海地區(qū)、中部地區(qū)，西部偏遠(yuǎn)地區(qū)，全方位普及AR技術(shù)仍有一定難度。

(3)教師技術(shù)水平提升。AR技術(shù)普及教育時，對教師技術(shù)層面的要求不斷提升。無論是AR技術(shù)理論還是實(shí)踐操作，都是不斷更新的。為此，教師需要不斷學(xué)習(xí)，不斷充實(shí)自我，突破現(xiàn)有的對AR技術(shù)的應(yīng)用能力，進(jìn)一步深化對AR技術(shù)的應(yīng)用，綜合提升AR技術(shù)的應(yīng)用水平。

(4)對學(xué)生學(xué)習(xí)效率影響有待進(jìn)一步檢驗(yàn)。相比較傳統(tǒng)的課程設(shè)計(jì)，AR技術(shù)環(huán)境下的課程設(shè)計(jì)確實(shí)來不少新的思路，也為教學(xué)提供了更開闊的平臺。但對于該技術(shù)環(huán)境下課程設(shè)計(jì)的考量標(biāo)準(zhǔn)仍需要結(jié)合學(xué)生最終的學(xué)習(xí)效果，以及給學(xué)生學(xué)習(xí)效率所造成的影響力水平確定。

然而AR技術(shù)所造成的影響并不一定是絕對有利的，如果沒有恰到好處的設(shè)計(jì)，效果必將與預(yù)期背道而馳，其根本原因在于：一切技術(shù)在課程設(shè)計(jì)上的使用都需建立在合適的課程主題、適當(dāng)?shù)恼n程(學(xué)科)角度、恰當(dāng)?shù)恼n程內(nèi)容上，不是任何課程內(nèi)容都適合與一切技術(shù)相結(jié)合，AR技術(shù)也不例外。