AR技術在教育領域的應用

姚甜

摘? ?要：增強現(xiàn)實（AR）是一種新興的體驗形式，通過與特定位置或活動相關聯(lián)的計算機生成的內(nèi)容來增強現(xiàn)實世界。文章通過分析AR技術的原理、技術特點和實現(xiàn)方式，并結合實際案例總結出AR技術運用在教育領域中的應用方向和特征優(yōu)勢，為AR技術在教育中的設計應用提供理論指導。

關鍵詞：增強現(xiàn)實;學習;教學;虛擬現(xiàn)實

為了連接虛擬世界和現(xiàn)實世界，創(chuàng)造了增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR），是近年來的熱門話題，其可以應用于醫(yī)療、制造和維修、可視化、娛樂和教育等許多領域。與虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）相比，AR在教育（尤其是兒童教育）方面具有更多優(yōu)勢。因為孩子們只需要一個iPad或手機就可以通過AR進行學習，而且用戶的娛樂性、參與性和可用性也會更高。此外，虛擬物體和現(xiàn)實環(huán)境的共存可以可視化復雜的空間關系和抽象概念，體驗現(xiàn)實世界中不可能發(fā)生的現(xiàn)象，還可以與混合現(xiàn)實中的二維或三維合成對象、產(chǎn)生交互。這些教育優(yōu)勢使AR在未來5年成為教育領域的關鍵新興技術之一。

1? ? AR技術簡介

AR是一種新興的體驗形式，通過與特定位置或活動相關的計算機生成的內(nèi)容來增強現(xiàn)實世界。簡而言之，增強現(xiàn)實界面提供了真實世界與虛擬世界之間的無縫連接。使用增強現(xiàn)實系統(tǒng)，學習者可以自然地與3D信息、對象和事件進行交互。除了2D和3D對象之外，數(shù)字資產(chǎn)，例如音頻和視頻文件、文本信息、嗅覺或觸覺信息等也可以并入用戶對現(xiàn)實世界的感知中?？偟膩碚f，這些增強功能可以幫助和增強個人對周圍情況的理解。

用戶可以通過多種方式查看增強現(xiàn)實內(nèi)容。一種是用戶可以通過應用程序中的網(wǎng)絡攝像頭掃描快速響應（Quick Response，QR）碼。當使用攝像頭掃描QR碼時，用戶可以查看疊加在其實際環(huán)境上的數(shù)字信息。通常，當用戶移動或旋轉(zhuǎn)掃描QR碼時，數(shù)字信息也將隨之移動和旋轉(zhuǎn)。另一種是使用頭戴式顯示器（Head Mount Display，HMD）。當用戶佩戴HMD時，用戶可以在HMD屏幕上以及其真實環(huán)境中通過屏幕看到數(shù)字信息（或通過連接的相機的屏幕顯示）。

根據(jù)增強現(xiàn)實的類型以及可供使用AR的設備，現(xiàn)在有許多工具可供開發(fā)使用。某些工具（例如Daqri，MixAR和ZooBrust）比較簡單，不需要編程知識或技能。其他工具包括SDK工具包，例如ARToolKit，Unifeye Mobile SDK和Wikitude，是為專業(yè)的AR開發(fā)人員開發(fā)的。這些套件功能強大，可讓開發(fā)人員針對各種設備設計各種AR應用程序。更高級的工具則需要計算機編程的知識和經(jīng)驗。

2? ? AR技術在教育領域的應用

2.1? AR書籍

將AR技術用于書籍中能夠為用戶帶來豐富的感官體驗，將單調(diào)的信息轉(zhuǎn)化為立體、逼真的圖像，帶來全方位的視覺、聽覺和觸覺沖擊。用戶還可以通過與AR書籍的交互去探索和發(fā)現(xiàn)新的場景和情節(jié)，獲得個性化的閱讀體驗[1]。例如泰國教育科技研究所開發(fā)了3D增強現(xiàn)實地質(zhì)學教科書，該書教學生有關地球各層的關系、差異和功能。還有針對學齡前兒童使用的AR字母書，兒童能通過查看每個字母的3D模型、動畫和對應的拼圖游戲進行更有趣的學習。

2.2? AR游戲

教育工作者經(jīng)常利用游戲來幫助學生輕松掌握課堂上難以理解的概念。使用AR技術的游戲通常包括一塊平板或地圖，當用移動設備的攝像頭查看時，它會變成3D形式。這種游戲可以很容易地應用于一系列學科，包括考古學、歷史學、人類學、地理學等。增強現(xiàn)實游戲的另一種玩法允許玩家創(chuàng)建虛擬人物和物體，然后將這些綁定到現(xiàn)實世界中的特定位置。然后，玩家可以與這些數(shù)字對象互動。

一個名為Alien Contact的AR電子游戲被用于多個K-12班級，以提高學生的學習和參與度。游戲的目的是發(fā)現(xiàn)為什么外星人來到地球并降落在特定區(qū)域。通過收集證據(jù)并成功完成任務。參加游戲的學生與數(shù)字模擬的游戲角色、數(shù)字物品及其小組成員進行互動，以在游戲空間中繪制路線以達到預期的最終目標。AR游戲是一種非常有效的學習工具，可以在教授學生各種技能的同時吸引他們的興趣和注意力。

2.3? 物體建模

增強現(xiàn)實也可以用于建模，使學習者可以設想給定物體在不同設置中的外觀。模型可以快速生成、操縱和旋轉(zhuǎn)，學生可以立即收到相關的視覺反饋。新西蘭坎特伯雷大學人機界面技術實驗室的研究人員創(chuàng)建了一種工具，該工具可以將草圖轉(zhuǎn)換為3D對象，并且學生能夠通過AR技術探索對象的物理特性和相互作用。在巴西的毛里西奧·納索學院，建筑專業(yè)的學生正在探索增強現(xiàn)實技術對建筑進行比例模型設計的可能性，從而減少了所需的時間。

2.4? 技能培訓

增強現(xiàn)實具有強大的潛力，可以提供強大的學習體驗，同時促進在現(xiàn)實世界中發(fā)現(xiàn)信息的關聯(lián)性。AR護目鏡已被用來訓練個人，特別是在波音等公司的特定任務中，例如軍事上的硬件機械師或飛機維修等特定任務。AR護目鏡能夠顯示維修的每個步驟、確定所需的工具，并包括文字說明。北卡羅來納大學教堂山分校開發(fā)的一項醫(yī)學程序，用于醫(yī)師對孕婦進行超聲波培訓和練習。利用超聲波信息，該程序?qū)D女子宮的內(nèi)部投射到醫(yī)生的眼鏡上。

2.5? 特殊人群康復與教育

AR技術在特殊人群的教育和康復方面也有突出的表現(xiàn)。相對于正常人來說，特殊人群可能會具有某部分的身體缺陷或是認知能力較弱等特征，使用AR進行學習能夠提高其學習效率和學習主動性，也能幫助其更好地進行一些康復訓練。ARVe是一個應用于植物領域的增強現(xiàn)實應用，它可以讓自閉癥兒童和智障兒童以簡單直觀的方式處理植物，并提供視覺、嗅覺或聽覺提示。認知障礙兒童能在使用該程序時表達一些積極的情緒。AR技術還可以運用到手語學習和教學中，幫助聾啞人以及與他們接觸的親人、社工、言語康復師等學習手語[2]。

3? ? AR技術應用在教育領域的特性

3.1? 增強學習動力

當學生使用AR進行學習時，往往能有更高的滿意度，體會到更多的樂趣以及會很愿意進行重復學習。學生能夠與AR物體產(chǎn)生交互，達到沉浸式的體驗或是通過游戲的方式進行學習，使他們主動地去探索知識，增強學生的學習動力。有時AR產(chǎn)品的易用性可能會低于非AR產(chǎn)品，但是AR產(chǎn)品的用戶動機卻明顯高于非AR替代品。如使用AR與PC端計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）程序?qū)W習3D結構的學生認為即使AR程序的可用性被評為低于PC程序，但是用戶對AR程序的滿意度更高。與非AR版本的游戲相比，兒童頭戴式AR游戲的使用難度明顯要高得多，但是兒童認為AR版本的游戲更加有趣，并且他們愿意再次玩。

3.2? 體驗現(xiàn)實生活中無法做到的事件

AR學習應用實質(zhì)上是交互式數(shù)字仿真，它能可視化抽象科學概念或使學生體驗到無法實現(xiàn)的現(xiàn)象。例如，AR可以允許學生改變空間比例以觀察正在運行的太陽系，或加快觀察植物生長的時間，或允許學生選擇化學元素，組成3D分子模型并旋轉(zhuǎn)模型。增強現(xiàn)實創(chuàng)建了新的可視化效果，能夠有效增強學生對抽象概念或現(xiàn)象的理解。

3.3? 加強團隊協(xié)作

AR可以加強團隊之間的合作，而且使用AR可以使互動和協(xié)作更加自然。AR系統(tǒng)通常比較容易使用，因為學生可以使用自然交互的方式來操縱內(nèi)容，而不必花費很多時間去學習使用系統(tǒng)。例如當學生使用AR地圖進行導航的時候，創(chuàng)建了一個共享的空間，團隊成員可以協(xié)作并共享信息，能更有效地進行導航。此外，當學生通過聯(lián)網(wǎng)的移動設備以及面對面的互動進行協(xié)作時，社交互動可以得到增強。

3.4? 內(nèi)容以新穎的方式呈現(xiàn)

AR可以使內(nèi)容以多種形式呈現(xiàn)：靜態(tài)圖像變?yōu)閯討B(tài)圖像、二維變?yōu)槿S、文本變?yōu)槁曇?、非交互式?nèi)容變?yōu)榻换ナ健ｋS著信息變得更易于處理和多樣化的學習方式，表現(xiàn)形式上的變化可以提高教育的效率。在一個教學案例中，教師使用了包括白板、投影儀、攝像頭、AR磁貼和虛擬3D建模包在內(nèi)的多種技術組合，以觀察和旋轉(zhuǎn)虛擬3D地球，以了解地球和太陽以及白天和夜晚之間的關系，證明AR可以使學生更有效地進行學習。

除了以上提到的特點外，將AR技術運用在教育中還具有培養(yǎng)學生的創(chuàng)造力和想象力、幫助學生按照自身步調(diào)和道路來控制自己的學習、更好地記憶學習內(nèi)容等特點。

4? ? 結語

盡管AR并不是新生事物，但其仍處于起步階段，尤其是在教育應用方面。為了優(yōu)化現(xiàn)有的AR應用程序和技術以用于教育，仍然有許多問題需要克服和探索。當前，盡管AR具有諸多優(yōu)點，但是對于許多老師和學生來說，為AR創(chuàng)建3D模型的任務較為困難，因為其需要大量的技術知識。但是，許多公司正在投資易于使用的AR開發(fā)套件，開發(fā)困難的問題應該會隨時間推進慢慢得到解決。目前，教育工作者和研究人員應繼續(xù)跟進AR技術的發(fā)展，密切關注AR對社會的影響，有意識地評估AR對教育的影響，并不斷探索，尋求如何最好地應用AR以優(yōu)化教學環(huán)境的方式。

[參考文獻]

[1]程鴻芳.移動增強現(xiàn)實技術在手語學習教學中的應用研究[J].蕪湖職業(yè)技術學院學報，2018（2）：81-83.

[2]汪行東，張飛英.增強現(xiàn)實技術在童書中的應用研究[J].西部廣播電視，2019（12）：62-63，68.