沉浸式增強現(xiàn)實與高等教育的融合探索

莫燦

摘要：在工業(yè)4.0的未來，數(shù)字化越來越日?；?，技術將是互動、學習和獲取知識的重要組成部分。教育和職業(yè)、生活等各個領域?qū)瓉硇碌囊蠛托碌奶魬?zhàn)，那么我們的高等教育也將應與之相適應。增強現(xiàn)實（AR）技術是人們好奇的新技術之一，AR在未來將為教育提供重要的貢獻。文章從增強現(xiàn)實的概念、軟硬件應用程序、現(xiàn)有教育中的應用來分析增強現(xiàn)實在高等教育中的融合應用。

關鍵詞：增強現(xiàn)實;教育技術;多媒體技術;互動學習教育

中圖分類號：G642.0? ? ?文獻標志碼：A? ? ?文章編號：1674-9324（2020）13-0244-04

當工業(yè)4.0的發(fā)展帶來了新的技術機遇時，數(shù)字化對日常生活的影響就越來越大，因為技術是互動、學習和獲取知識的重要組成部分。工業(yè)4.0，也被稱為未來的工廠，意味著大部分的流程和產(chǎn)品都是數(shù)字化和自動化的。因為這是基于數(shù)字智能，交叉連接的系統(tǒng)，它允許自由組織生產(chǎn)：人，機器，系統(tǒng)，物流和產(chǎn)品直接在工業(yè)4.0中進行溝通和合作。[1]

因此，工作流程和內(nèi)容、員工的能力以及教育培訓也將發(fā)生變化。人與技術之間出現(xiàn)了新的合作形式，從而為教育和職業(yè)生活等各個領域帶來了新的要求和挑戰(zhàn)。[2]由于流程變得更為復雜，相互關聯(lián)和數(shù)字化的程度也在不斷提高，對員工的特定要求將會增加。目前和未來，終身學習、跨學科思考能力以及IT發(fā)展的能力正逐漸成為員工的基本要求，以確保在職人員的就業(yè)能力，而不僅僅是技術導向的職業(yè)。隨著網(wǎng)絡化和數(shù)字化的發(fā)展，我們需要新的教育方式，使未來的員工能夠靈活應對數(shù)字化工作環(huán)境的新挑戰(zhàn)和新要求。以技術為導向的教育焦點，通過理論知識的傳遞和實踐經(jīng)驗的反思及問題導向的應用，在教育的各個領域獲得了越來越多的重視。

同時，由于計算機技術的進步，“媒體是否影響學習？”的問題已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)椋骸凹夹g教育將如何改變？”[3]當一種新技術應用于教育時，人們想知道這種新技術是否能使現(xiàn)有的教學環(huán)境變得更好。人們好奇的新技術之一便是增強現(xiàn)實（AR）技術。然而，AR的教育潛力最近被調(diào)查認為，AR在未來將為教育提供重要的貢獻。也有人認為在未來數(shù)字數(shù)據(jù)、虛擬和增強現(xiàn)實應用將覆蓋我們的整個生活。[4]因為這項技術重要的特點是“新”和“有趣”，教師和學生在教育中使用時應該都會引起興趣。因此，重要的是要了解AR技術是什么、如何使用它、它具有什么樣的技術基礎設施以及它在教育上提供了哪些好處。

一、增強現(xiàn)實的概念

增強現(xiàn)實被定義為一種將現(xiàn)實世界與虛擬對象相結合的技術，它提供了真實和虛擬對象之間的交互。[5]也就是說，將預先確定的目標點捕獲并與虛擬對象連接，利用AR技術通過程序?qū)Y果進行解釋。由于AR中包含虛擬對象，因此有必要將AR與虛擬現(xiàn)實（virtual reality，VR）的概念區(qū)分開來。對象在AR中實時顯示，在環(huán)境中顯示，VR中的對象在虛擬環(huán)境中顯示。基于這一特性，增強現(xiàn)實可以被認為是在真實環(huán)境和虛擬環(huán)境之間的“現(xiàn)實-虛擬連續(xù)體”。[6]增強現(xiàn)實是“混合現(xiàn)實”的類型，即數(shù)字內(nèi)容注入到真實的環(huán)境，而不是增強虛擬，現(xiàn)實的內(nèi)容被移植到一個虛擬環(huán)境中（參見圖1）。同時，AR在虛擬世界和現(xiàn)實世界之間架起一座橋梁也很重要。此外，有三個重要的特征使AR能夠區(qū)別于其他技術。[7]即：（1）結合虛擬和真實的對象，（2）提供實時交互，（3）現(xiàn)有的3D對象。

增強現(xiàn)實是一種越來越受歡迎的技術，可用于臺式機和筆記本電腦，便攜式設備和智能手機。AR開發(fā)的應用程序允許分別使用虛擬3D對象、文本、2D圖像、視頻和動畫，它們也提供相同的用途。[8]因此，用戶可以自然地與事件、對象和信息進行交互。

與虛擬現(xiàn)實一樣，增強現(xiàn)實通過融入娛樂場所而成為主流。許多人沒有意識到，分析人員在體育賽事期間在屏幕上畫畫或?qū)崟r顯示圖形，是增強現(xiàn)實的一種形式。這些技術已經(jīng)得到改進，今天仍然在使用。增強現(xiàn)實可以通過將計算機圖形疊加到圖像上來實現(xiàn)，這比虛擬現(xiàn)實更容易創(chuàng)建，因此也更容易操作。由于這種可操作性，開發(fā)人員使用最新的技術來創(chuàng)建增強現(xiàn)實的路徑。

二、增強現(xiàn)實的軟硬件程序

到目前為止所討論的設備都與嚴格的虛擬現(xiàn)實有關;然而，有一些混合現(xiàn)實產(chǎn)品也可用?；旌犀F(xiàn)實設備能夠同時使用虛擬和增強現(xiàn)實應用程序。無論是通過全息圖、外部攝像機，還是其他一些方法實現(xiàn)的，這些設備都可以通用，而且對于探索和在教育中使用都非常有用。

增強現(xiàn)實系統(tǒng)的基本硬件要求包括以下幾點。

●攝像機捕捉實時圖像;

●虛擬對象的強大存儲空間;

●功能強大的處理器，可以復合虛擬和真實對象，或?qū)崟r顯示3D模擬環(huán)境;

●允許用戶與真實和虛擬對象進行交互的界面。

雖然這些都是運行增強現(xiàn)實系統(tǒng)的基本要求，但為了增強用戶的整體體驗，可能會使用其他技術。例如：

●GPS技術，允許系統(tǒng)考慮用戶的實際位置，確保在重要的地理位置上為用戶提供與情境相關的虛擬數(shù)據(jù)。

●圖像識別軟件，使現(xiàn)實世界的圖像和對象作為多媒體和模型疊加的“觸發(fā)器”，并將虛擬數(shù)據(jù)錨定在環(huán)境中。

●揚聲器和音響系統(tǒng)，可以播放相關的聲音和錄音。

●Internet訪問，提供使用社交媒體和Web 2.0技術存儲，檢索和共享內(nèi)容的方法。

●直觀的界面，觸摸屏，陀螺儀和觸覺輸入技術的進步提供了更自然的方式來與虛擬對象進行交互和操作。

增強現(xiàn)實系統(tǒng)所使用的復雜軟件和大量硬件設備也被許多其他技術所利用，然而，增強現(xiàn)實的區(qū)別能力是以情境相關的方式將虛擬對象無縫合成到真實環(huán)境中。由于這種獨特的功能，一些學者預測增強現(xiàn)實將成為21世紀的基本用戶界面。

創(chuàng)建AR應用程序需要特殊的軟件。除了在電腦和便攜設備上有所不同外，它們也因使用者使用創(chuàng)作工具的水平和編程知識的不同而有所不同。通過查找到的文獻，AR技術分為基于標記和無標記的應用以及基于圖像和基于位置的應用，該技術使用了多種監(jiān)控系統(tǒng)，如頭戴式顯示器、手持顯示器和空間投影顯示器;每個系統(tǒng)在真實性方面可能的不同之事實引起了人們的注意;此外，文獻中還分析了移動設備、pc機以及內(nèi)容創(chuàng)作中使用的軟件;研究人員將現(xiàn)有軟件分為需要/不需要的低水平/高水平編程知識，軟件包括ARToolkit、DART、ComposAR、BuildAR、Studierstube、FlashLite、Daqri Ar-media、MixAR ZooBurst、FLARtoolkit、MRToolkit、Junaio、Metaio、Aurasma和Layar。[1]

三、增強現(xiàn)實在教育中的應用及教學方法

有研究表明，在教育中使用技術工具為增加個人之間的互動和娛樂性學習提供了新的機會，也使學習過程更加活躍、有效和有意義。[8]AR技術在教育領域引起了人們的關注，因為它可以與虛擬和真實的對象進行交互，通過經(jīng)驗進行學習，增加注意力和動機。

增強現(xiàn)實的一個關鍵的教學支持是能夠重新調(diào)整虛擬物體，從分子到行星，讓學生更好地理解那些因太小或太大而無法在正常的日常生活有效地檢查的物體的屬性和關系。[8]雖然其他技術會具備相同的功能，但其在增強現(xiàn)實系統(tǒng)中縮放為用戶提供空間和時間概念的清晰表示，以及虛擬對象和現(xiàn)實環(huán)境之間的情境關系的額外有其獨到的優(yōu)勢。[9]

另一個關鍵的教學啟示是覆蓋情境相關信息的能力。這是通過在真實對象上觸發(fā)和錨定虛擬數(shù)據(jù)來實現(xiàn)的。例如，增強現(xiàn)實系統(tǒng)可以通過在維護和修復工作期間疊加指令來指導用戶，突出關鍵區(qū)域和組件，顯示適當?shù)墓ぞ?，并指示如何使用它們來完成工作的每個階段。[10]通過在書面或多媒體形式的操作指令和需要完成的任務之間轉(zhuǎn)換，用戶可以獲得更大的關注，而不會因為信息過多或分配的時間過長而導致認知過載。因此，增強現(xiàn)實為教育工作者以前所未有的方式提供“完美定位的基礎”的機會。

在課堂上使用增強現(xiàn)實一再被證明可以提高學生的學習動機。重要的是，它也被證明有助于展示學生的學習成果。此外，增強現(xiàn)實系統(tǒng)的使用對一些學生的學習態(tài)度產(chǎn)生了大而積極的影響，有助于他們認識到他們的學習與日常生活的相關性。[10]在教育中，AR被認為是更有效的，尤其是在關于看不見的物體和情境，顯示危險的情況，實現(xiàn)抽象概念和呈現(xiàn)復雜信息時。[18]如Learn AR資源中心為生物、物理、語言、英語、數(shù)學和宗教教育提供了10種基于標記的增強現(xiàn)實學習體驗包。Fetch lunch rush通過向?qū)W生提問并要求他們找到一個具有正確答案的增強現(xiàn)實標記來幫助他們培養(yǎng)基礎數(shù)學技能。Zooburst通過讓學生上傳的照片、文本和音頻以增強現(xiàn)實的形式出現(xiàn)在圖像標記上，支持學生開發(fā)3D數(shù)字故事。通過將語言翻譯疊加在符號和文檔之上，Wordlens可以用來構建語言學習框架。語音翻譯可以在30多種語言之間進行語音翻譯，這意味著學生可以練習單詞的翻譯和發(fā)音。此外，AR還應用于自然科學（化學、物理、生物、占星術等）、計算機與信息科學、數(shù)學、工程（機械、電氣、生物醫(yī)學等）和人道主義科學（歷史、語言、人類學等）。[15]

盡管AR為教育做出了重要貢獻，但仍有一些問題需要克服。在這種情況下，最重要的問題是AR應用程序的應用和生成內(nèi)容的困難。尤其是開發(fā)3D對象需要技術知識，許多學生和教師對使用AR存在偏見。[11]另外，由于光照、輸出、顯示質(zhì)量等外部因素的影響，使得該技術難以有效地應用于教育領域。另一方面，也存在一些與學生和學習過程有關的問題。使用AR的學生可能需要同時面臨大量的知識。這種情況導致了高水平的認知負荷。此外，使用AR應用程序的學生還有可能必須使用多個設備。這個問題要求學生具備空間定向能力、解決問題能力和技術干預能力。[12]撇開AR帶來的一些技術和教學問題不談，AR在教育應用方面的潛力吸引了這一領域的研究人員。

增強現(xiàn)實技術可以支持的一些教學方法包括以下幾點。

●建構主義學習——通過使用增強現(xiàn)實，鼓勵學生通過使用信息覆蓋更深入地學習正在研究的任務、概念和資源，學生可以在他們的知識庫中建立深入而持久的聯(lián)系。

●情境學習——通過在現(xiàn)實世界環(huán)境中嵌入教育體驗并將現(xiàn)實世界帶入課堂，實現(xiàn)真實和情境化學習。[13]

●基于游戲的學習——增強現(xiàn)實系統(tǒng)可用于通過創(chuàng)建數(shù)字敘述，讓學生發(fā)揮作用，提供真實資源和嵌入情境相關信息來促進基于沉浸式游戲的學習。使用增強現(xiàn)實系統(tǒng)將現(xiàn)實世界轉(zhuǎn)化為游戲的體驗環(huán)境，往往可以使技能轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實應用中變得更加簡單和容易。[13]

●探究式學習——提供電子收集數(shù)據(jù)以供將來分析的手段，并提供位于現(xiàn)實世界中易于操縱的虛擬模型，AR通過提供與被調(diào)查主題相關的信息來支持查詢。[14]

基于設計學習的建構主義的教學范式主張學生在主動創(chuàng)造真實對象時，最大限度地發(fā)展對自己世界的理解。設計學習已經(jīng)被證明可以改善學生的學習效果。例如，使用基于設計的學習方法的科學課程可以提高學生的學習成績，增加學生學習科學的愿望。[14]使用先進的視頻技術進行設計可以提高學生對特定主題和領域認知技能的理解。基于設計的學習不僅改進了對概念的理解，還提高了學生在實踐領域追求職業(yè)的動機。

而情境學習理論視角的核心是相信學習是嵌入在特定的物理和文化環(huán)境中、由其決定并與之不可分割的。分析的單位既不是個人也不是環(huán)境，而是兩者之間的關系，正如學生的參與程度所顯示的。從這個角度來看，學習和認知都被理解為沿著實踐社區(qū)的軌跡的進步，也被理解為身份的持續(xù)轉(zhuǎn)變。通過參與學校活動，學生們塑造了培養(yǎng)他們作為學習者身份的參與模式，包括他們參與學習的方式和對自己學習能力的信念。作為一種軌跡，身份不是一個人一次性擁有的對象：它是隨著時間的推移而定義、演進的，并且有自己的發(fā)展勢頭。身份是賦予人們參與的各種參與形式的具有靈活性、連續(xù)性的東西（見圖2）。[14]

為了促進增強現(xiàn)實技術與教學方式結合的成功，內(nèi)維爾（2010）提出教師需要對主題領域有深入的了解，并有能力營造一個協(xié)作式的工作室學習環(huán)境。同樣關鍵的是，學生希望并有能力從廣泛的教學方法中進行選擇，以使學生的學習從經(jīng)驗的形式轉(zhuǎn)向更概念性和分析性的形式。

五、結論

技術給學習環(huán)境帶來了好處。增強現(xiàn)實技術目前處于新興技術的前沿。隨著它的不斷開發(fā)和改進，可用的體驗將變得更加復雜、更容易獲得，并影響到更廣泛的用戶。增強現(xiàn)實不會很快消失，而且它一直在快速增長。應用程序每天都在繼續(xù)開發(fā)，未來的選擇似乎已經(jīng)成熟。盡管AR設備和應用程序的開發(fā)者仍然面臨著挑戰(zhàn)，但在未來幾年，這些技術將在我們的教育中扮演更重要的角色。AR對于提高學生的學習水平有很大的希望，但我們才剛剛開始了解這種新興技術的有效教學設計。在AR研究的早期階段，其最重要的功能是創(chuàng)造融合了數(shù)字和物理對象的沉浸式混合現(xiàn)實環(huán)境的獨特能力，從而促進批判性思維、解決問題和通過相互依賴的協(xié)作練習進行溝通等過程技能的發(fā)展。綜上所述，由此產(chǎn)生的數(shù)字/物理混合環(huán)境的初步結果是有希望的，我們需要進一步探索如何最好地利用這種可用性。

參考文獻：

[1]J.巴德，A.格里姆，諾伊格鮑爾.發(fā)展4.0，展望未來的需求和對工作和培訓的影響[J].技術教育雜志，2015，（2）：45-61.

[2]A.里克特，M.什哈德赫，L.普盧默斯，K.格羅斯，K.舒斯特，S.耶施克.工業(yè)4.0的工程師教育：虛擬世界與人-機器人團隊[J].IEEE教育出版社，2016.

[3]雷格盧斯，C.M.第三波教育系統(tǒng)：教育系統(tǒng)設計[J]NJ：教育技術出版物，2007，201-221.

[4]阿祖馬，R.T.增強現(xiàn)實的調(diào)查[J].遠程操作員和虛擬環(huán)境，1997，6，4，355-385.

[5]伯尼，S.克萊米，R.Kalz，M.于爾岑，P.施佩希特.認識AR：增強現(xiàn)實與增強的虛擬性相遇[J].通用計算機科學雜志，2012，18（15）：2143-2164.

[6]東澗，巴約，貝林杰，菲娜，麥金太爾.增強現(xiàn)實技術的最新進展[C].IEEE計算機圖形與應用，2012，21，34-47.

[7]杰瑞，亞倫.基于探究性學習的增強現(xiàn)實軟件對學生運動學圖形學習的影響[C].在第二屆教育技術與計算機國際會議（ICETC），2010（pp.V2-1-V2-5）.上海：IEEE.

[8]周永文.動畫的生態(tài)教育：在基于增強現(xiàn)實的體驗式學習環(huán)境中觀察、感受和發(fā)現(xiàn)[J].計算機與教育，2016，96，72-82.

[9]周永文.動畫的生態(tài)教育：在基于增強現(xiàn)實的體驗式學習環(huán)境中觀察、感受和發(fā)現(xiàn)[J].計算機與教育，2016，96，72-82.

[10]姚云勇，約翰遜.增強現(xiàn)實：教育中增強現(xiàn)實的概述和五個方向[J].教育技術發(fā)展與交流學報，2014，4（1）：119-140.

[11]吳新凱，李文玉，張信義，梁俊強.增強現(xiàn)實在教育中的現(xiàn)狀，機遇和挑戰(zhàn)[J].計算機與教育，2013，62，41-49.

[12]勒金，伍拉德.實現(xiàn)真實：探索增強現(xiàn)實在小學科學教學中的潛力[J].虛擬現(xiàn)實，2006，10，163-174.

[13]多普佩特，梅卡利克，舒恩，克萊辛斯基.參與與成就：科學背景下基于設計的學習案例研究[J].技術教育雜志，2008，19，22-39.

[14]馬特·鄧利維，克里斯·戴德，麗貝卡·米切爾.沉浸式參與式增強現(xiàn)實仿真對教學的啟示和局限性[J].科學教育與技術雜志，2009，18（1）：7-22.

Exploration on the Integration of Immersive Augmented Reality and Higher Education

MO Can

（School of Art and Design，Guangzhou Maritime College，Guangzhou，Guangdong 510165，China）

Abstract：In the future of industrial 4.0，digitization is becoming more and more daily，and technology will be an important part of interaction，learning and acquiring knowledge.Education and career，life and other fields will meet new requirements and new challenges，so our higher education will also adapt to it.Augmented reality （AR） technology is one of the curious new technologies.AR will make an important contribution to education in the future.In this paper，the application of augmented reality in higher education is analyzed from the concept，history，software and hardware application of augmented reality and the application of existing education.

Key words：Augmented reality;Educational Technology;Multimedia Technology;Interactive Learning Education