AR虛實(shí)融合推動教育改革

摘?要：受疫情影響各大高校實(shí)施“停課不停學(xué)”網(wǎng)絡(luò)在線教育，這種教育方式充分展現(xiàn)了靈活便捷、資源豐富、個性化需求等突出優(yōu)勢。而AI、5G、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、數(shù)據(jù)挖掘、VR、AR等新興技術(shù)領(lǐng)域與教育的結(jié)合終將改變傳統(tǒng)教育模式。本文通過3D立體空間定位虛擬物體、實(shí)時交互及虛實(shí)融合等技術(shù)探討AR在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，AR技術(shù)使得教學(xué)活動更加形象、生動、有趣，游戲?qū)W習(xí)法可大大提高教學(xué)效果。

關(guān)鍵詞：虛擬融合;AR;3D立體;實(shí)時交互;教育改革

無論是現(xiàn)實(shí)還是虛擬，都是給人一種感受，人類曾經(jīng)幻想過的那些科幻和魔幻，正伴隨科學(xué)技術(shù)的發(fā)展、成熟逐漸成為可能。而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)AR的提出使得在現(xiàn)實(shí)世界中通過加入計算機(jī)運(yùn)算產(chǎn)生的一種比現(xiàn)實(shí)世界感受更佳的體驗成為可能。目前，AR[1]將應(yīng)用在教育、娛樂、影視、醫(yī)療、工業(yè)、旅游等諸多領(lǐng)域。

1?AR技術(shù)概述

確切地講，AR并非是一種的具體技術(shù)，可以說是一個目的或者一種新型體驗方式。從概念定義上，AR具有虛擬和現(xiàn)實(shí)兩個元素，在技術(shù)實(shí)現(xiàn)上，AR有多種實(shí)現(xiàn)方式，并呈現(xiàn)飛速發(fā)展態(tài)勢，隨著企業(yè)大量資金的注入及各大AR創(chuàng)業(yè)公司的興起，印證著AR的發(fā)展比VR更受投資者青睞。

本質(zhì)上，AR將數(shù)據(jù)和分析通過計算機(jī)運(yùn)算轉(zhuǎn)化成圖像或動畫，并將其疊加到現(xiàn)實(shí)世界中。從更深層次上來看，AR創(chuàng)建了一種新型信息呈現(xiàn)范式，讓實(shí)時交互上升到全新境界。一種簡單的游戲，任天堂AR卡片開啟了基于AR卡片的AR游戲之旅，游戲玩家購買的掌機(jī)NDS利用攝像頭掃描附帶AR卡片（通過掌機(jī)NDS賦予新意義），從而在屏幕上幻化出不一樣的畫面。其實(shí)質(zhì)上是獲取AR卡片中存儲的信息，使得人物呈現(xiàn)立體效果，用戶可以實(shí)時交互開啟游戲。還有基于場景的Night?Terrors：The?Beginning（驚悚夜：開始）這款游戲，一款于現(xiàn)實(shí)場景互動的AR恐怖游戲。

AR醫(yī)療在血管照明方面應(yīng)用較為成熟，醫(yī)務(wù)人員在手術(shù)中通過PC機(jī)應(yīng)用軟件進(jìn)行助力可查看隱藏血管，例如此前的一個案例：借助谷歌眼鏡疏通右冠狀動脈阻塞，還有醫(yī)療設(shè)備營銷可視化的應(yīng)用都是這方面典型的例子。

基于3D模型的全息影像投射到現(xiàn)實(shí)世界中，終將開啟另類現(xiàn)實(shí)生活，《幻樂之城》中“技術(shù)控”韓雪現(xiàn)場挑戰(zhàn)AR全息投影，四種場景變換，八個人物演繹搭配音樂實(shí)現(xiàn)表演與影像的實(shí)時互動，早在多年前就已有該技術(shù)的舞臺呈現(xiàn)，這也是一種全新的視覺盛宴。

AR旅游，華為和敦煌研究院合作，對莫高窟高精度掃描采集數(shù)據(jù)，通過厘米級空間識別技術(shù)復(fù)制了一個與實(shí)景相同的虛擬莫高窟空間，在華為AR地圖中與真實(shí)景觀合二為一，那么在游覽的時候可以隨時聽取故事，觀看相關(guān)介紹。以及關(guān)于故宮的AR旅游等等一系列科技為藝術(shù)注入了新的感知力，這使得我們未來的旅游體驗更加具有趣味性和科學(xué)性。

2?AR+教育的優(yōu)勢

學(xué)生上課使用手機(jī)都是被認(rèn)定為違反校紀(jì)校規(guī)的行為，現(xiàn)如今實(shí)行“停課不停學(xué)”網(wǎng)絡(luò)在線教育以來，學(xué)生使用手機(jī)是一件非常光明正大的事情了，而這也正是教育變革的必經(jīng)之路，谷歌在I/O推出的Bring?the?World?into?the?Classroom（AR未來課堂計劃），一旦實(shí)行，會不斷聽到AR刷新教學(xué)體驗、推動教育事業(yè)變革的聲音，這充分凸顯了AR+教育的優(yōu)勢。

2.1?全新的課堂體驗

AR虛實(shí)融合[2]連接現(xiàn)實(shí)與虛擬環(huán)境，打造3D立體內(nèi)容，可以惟妙惟肖的模擬知識模型及內(nèi)容，非常直觀、生動、形象地展現(xiàn)課程內(nèi)容，這樣有助于學(xué)生更加深入理解和掌握知識，而書本也可以以立體方式呈現(xiàn)，有助于打開學(xué)生創(chuàng)新思維模式，我們看到的不再是2D投影、白板、黑板等平面內(nèi)容，而是栩栩如生的三維動態(tài)畫面，那么對于空間想象力的填補(bǔ)和一些肉眼不可見的內(nèi)容，AR可以可視化呈現(xiàn)，形象地解決數(shù)學(xué)、物理、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的知識的枯燥性。這樣的課堂體驗無疑是一場視覺盛宴。

在課堂進(jìn)行過程中，游戲教學(xué)法能夠充分調(diào)動學(xué)生積極性，利用AR體驗使學(xué)生進(jìn)入游戲角色或虛擬游戲場景中，貫穿專業(yè)知識點(diǎn)，可大大提高學(xué)習(xí)效率。興趣是最好的老師，這樣的教學(xué)方法很容易讓學(xué)生產(chǎn)生極大的興趣，有了興趣之后，學(xué)生的學(xué)習(xí)會更主動，學(xué)習(xí)動力更強(qiáng)，讓整個課堂的氛圍非常積極向上，非常和諧，無論對老師還是學(xué)生，無疑將會使得課堂體驗上升到極致。

2.2?突破時間地域限制的先進(jìn)

AR的引入使得遠(yuǎn)程教學(xué)更加形象、生動、逼真?，F(xiàn)在的遠(yuǎn)程教學(xué)能夠呈現(xiàn)的更多的還是基于二維空間的，局限性顯而易見，使得學(xué)生的課堂體驗停留在2D屏幕上，雖然跨越了傳統(tǒng)教學(xué)模式，但學(xué)生學(xué)習(xí)僅停留在聽覺和二維畫面上，對于實(shí)驗、實(shí)訓(xùn)及一些動手實(shí)操類的課程還是不能夠更好地理解，但是AR的引入跳出了二維空間，可以使得教師、學(xué)生進(jìn)入一個立體呈現(xiàn)出來的3D空間內(nèi)，還有一些標(biāo)本、實(shí)驗器材可以立體呈現(xiàn)，碎片分割，使得學(xué)生理解課程更加深入、具體，特別是針對一些教育資源貧瘠的地區(qū)來說，無疑是一種全新的體驗。對于教育資源匱乏的地區(qū)，能充分利用好AR將會讓該地區(qū)的學(xué)生更容易接受一些晦澀難懂的知識點(diǎn)。

2.3?低成本高安全

對于一些需要器材、化學(xué)品、機(jī)械等實(shí)際存在的物理設(shè)備領(lǐng)域，AR引入將會使得實(shí)體物料需求量大幅度降低，比如物理領(lǐng)域課程，通過AR師生將實(shí)現(xiàn)邊觀看3D立體虛擬器材，邊直接操控設(shè)備進(jìn)行實(shí)驗。這一技術(shù)的引用將大大降低學(xué)習(xí)的成本，學(xué)生不需要再交一些高昂的費(fèi)用來做一些具體的實(shí)驗才能學(xué)到某些知識。醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，通過AR將實(shí)現(xiàn)實(shí)時呈現(xiàn)3D虛擬人體，師生在虛擬人體上進(jìn)行手術(shù)操作或者人體解剖，那么將無須攜帶人體模型上課了。學(xué)生可以近距離地觀察每一個解剖動作，充分了解人體的每一個器官，不像傳統(tǒng)的人體模型，學(xué)生只能靠想象。而這一技術(shù)的引入使得學(xué)生身臨其境，完美地學(xué)習(xí)這些知識。通過AR不一樣的課堂實(shí)訓(xùn)體驗，學(xué)生不僅可以更加直觀、生動地學(xué)習(xí)課程內(nèi)容，了解生物構(gòu)造，掌握操作技術(shù)，而且還可以大大縮減實(shí)驗器材及生物標(biāo)本的采購成本。對于生化和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域?qū)嶒炗泻艽蟮陌踩[患，化學(xué)實(shí)驗存在爆炸、輻射、腐蝕、中毒等系列傷害，醫(yī)學(xué)實(shí)驗有的必須要求無菌環(huán)境操作，借助AR技術(shù)[3]，將實(shí)現(xiàn)虛擬實(shí)驗環(huán)境，用AR深入實(shí)驗探索，甚至可置身于其中解決結(jié)束壁壘問題，更甚至降低實(shí)驗風(fēng)險。同時，虛擬的教學(xué)和實(shí)驗實(shí)訓(xùn)、AR?3D虛實(shí)融合的教學(xué)模式更能幫助學(xué)生進(jìn)入“沉浸式”教學(xué)中，大大提高學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效率。

2.4?豐富的內(nèi)容體驗

就目前教育現(xiàn)狀而言，線上教學(xué)、VR教育、AR教育等處于發(fā)展階段，且機(jī)會與挑戰(zhàn)并存。國外，AR教育存在較為豐富的表現(xiàn)形式，比如像AR沙盤?？梢韵胂笙?，學(xué)生處在一個沙盤前，這個沙盤有丘陵、山谷、河流等，在沙盤上方，存在一個微軟Kinect攝像頭用來自動測量各個部分與沙子間的距離，并在沙盤空間內(nèi)投射出高線和色彩，如暖色表示山峰，冷色表示洼地，那么學(xué)生可以不斷把沙子推向山峰周邊，此時顏色隨之改變，可以形成色彩美妙的島嶼、海洋。當(dāng)學(xué)生將自己的手放在山頂之上時，虛擬的細(xì)雨洋洋灑灑，雨水可能逐漸變大，然后從山峰留下匯聚，最終流入海洋，形成復(fù)雜的氣象及地理學(xué)結(jié)合的過程，可以讓學(xué)生充分感知學(xué)科的豐富性和美妙性。

3?AR教育走向多元化時代

AR虛實(shí)融合引領(lǐng)教育走向多元化時代。AR的迅速崛起，很大程度上得益于突破了在時間、空間和地域上人類感知限制，從最原始的線下發(fā)展到線上，通過AR讓學(xué)生置身于三維環(huán)境中，進(jìn)行人、物、景、境等的多重虛擬交互，可再現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界中無法靠眼睛真實(shí)觀察到的多維畫面和空間變化，帶領(lǐng)學(xué)生走入虛擬的多維內(nèi)景中，直觀感受文字和語言所表達(dá)不到的那部分，醫(yī)學(xué)解剖可以走入人體看到人體器官中心臟的構(gòu)造和跳動，血管內(nèi)血液的流動，手術(shù)整個過程的虛擬模擬，有助于學(xué)生深入掌握相關(guān)知識，文學(xué)鑒賞、文物甄別、歷史故事等通過AR技術(shù)[4]可以使人仿佛穿越至當(dāng)時，感受古人、古物帶給你的視覺沖擊。

甚至，學(xué)習(xí)計算機(jī)課程將讓你感受到從程序編譯到呈現(xiàn)出結(jié)果整個過程的神奇，及各個電子元器件的相互配合。

這一技術(shù)的引入，使得我們的學(xué)習(xí)有了方式，使得教育朝著多元化、精細(xì)化的方向發(fā)展。例如，建筑專業(yè)、設(shè)計專業(yè)可以使用AR建模讓學(xué)習(xí)的人可以看到一個實(shí)際的項目在不同環(huán)境下的不同樣子，快速生成模型，學(xué)習(xí)者可以操作旋轉(zhuǎn)，可以及時地發(fā)現(xiàn)設(shè)計中的瑕疵。學(xué)校圖書館可以出一些AR圖書，使用特定攝像頭掃描書的內(nèi)容時，3D動畫、視頻和音頻接踵而來，甚至可以做一些互動元素，讓學(xué)習(xí)易如反掌。此外，可以結(jié)合AR做一些發(fā)現(xiàn)式學(xué)習(xí)，可以在學(xué)校的展廳結(jié)合AR做一個古跡覓蹤等類似的應(yīng)用，讓學(xué)生可以獨(dú)自發(fā)現(xiàn)并學(xué)習(xí)一些歷史知識，中華民族的5000年文化后繼有人了。一些特殊的院校也可以結(jié)合AR來進(jìn)行培訓(xùn)，對于軍事學(xué)院，可以通過AR來進(jìn)行三維仿真建模，將一些高精尖且昂貴的裝備展示給祖國的精英們觀看，詳細(xì)講解每個功能模塊的功能與使用方法。對于醫(yī)學(xué)院，也可以通過三維仿真建模在課堂上通過平板展示并且做一些互動讓醫(yī)生們清楚地學(xué)習(xí)到一場復(fù)雜的手術(shù)是如何完美完成的。

綜上，AR教育趣味性高、節(jié)省時間、低成本、高安全，展現(xiàn)形式多樣，必將引領(lǐng)教育走上新的臺階。

4?總結(jié)

AR技術(shù)目前的應(yīng)用領(lǐng)域眾多，在各行各業(yè)都有相關(guān)研究，在帶給人們一定視覺沖擊的同時，伴隨著先進(jìn)的科技感和全新體驗。AR+教育的應(yīng)用，將會更加促進(jìn)和催化教育模式的轉(zhuǎn)變，推動在線教育向更具吸引力、科學(xué)感、趣味性、體驗性方向前進(jìn)。AR虛實(shí)融合將開啟教育新紀(jì)元，科幻是創(chuàng)新的源泉之一，可充分激發(fā)發(fā)明創(chuàng)造，引入AR技術(shù)，將打造下一代未來教育課堂新模式。

參考文獻(xiàn)：

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[4]蔡蘇，張晗.VR/AR教育應(yīng)用案例及發(fā)展趨勢[J].數(shù)字教育，2017（3）.

課題：2019年甘肅省高校科研項目：課題名稱：精準(zhǔn)扶貧背景下課程資源共享云平臺的研究（課題編號：2019B-251）

作者簡介：高政霞（1991—），女，碩士。