AR技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用研究

周世明 燕飛

摘要：隨著社會(huì)的進(jìn)步以及經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，一些先進(jìn)的技術(shù)手段和設(shè)備被逐漸應(yīng)用到經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展的方方面面。伴隨著多媒體技術(shù)、實(shí)時(shí)影像技術(shù)以及三維建模等技術(shù)的不斷發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。伴隨著社會(huì)生產(chǎn)力不斷提升的迫切需要，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)現(xiàn)被應(yīng)用于多個(gè)領(lǐng)域，尤其是教育領(lǐng)域和醫(yī)療領(lǐng)域，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的介入對(duì)提高教育質(zhì)量和醫(yī)療質(zhì)量起到了積極的輔助作用，并且在一定程度上影響著教育和醫(yī)療領(lǐng)域今后的發(fā)展方向。因此，本文對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行相關(guān)研究。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；教育領(lǐng)域；應(yīng)用研究

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1674-8883（2021）02-0061-02

課題項(xiàng)目：本論文為吉林省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃2020年度一般規(guī)劃項(xiàng)目“應(yīng)用型本科高校數(shù)字媒體藝術(shù)專業(yè)‘四維雙程’校企協(xié)同育人模式的理論研究與實(shí)踐探索”研究成果，項(xiàng)目編號(hào)：GH20487

在傳統(tǒng)的教育模式中，對(duì)學(xué)生的教學(xué)往往依靠老師在講臺(tái)上講，學(xué)生在講臺(tái)下聽的模式開展，而隨著時(shí)代的發(fā)展，多媒體技術(shù)被逐漸應(yīng)用于課堂教學(xué)，課堂教學(xué)逐漸被賦予趣味性和靈活性[1]?；诩夹g(shù)手段的更新，多媒體技術(shù)也在不斷地更新?lián)Q代，多種技術(shù)同時(shí)應(yīng)用于課堂教學(xué)中，因此課堂教學(xué)逐漸變得繪聲繪色，不再顯得枯燥乏味。技術(shù)的發(fā)展往往能夠帶動(dòng)多個(gè)領(lǐng)域的共同發(fā)展，智能設(shè)備的快速普及以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的不斷突破，推動(dòng)現(xiàn)代教育不斷朝著智能化、多元化的方向發(fā)展，提高教學(xué)質(zhì)量、保證教學(xué)效果成為先進(jìn)技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用的一大目標(biāo)[1]。

一、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)概述

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是目前高精尖技術(shù)的一個(gè)代表，被廣泛應(yīng)用于民用和軍用。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是通過將系統(tǒng)中的一系列虛擬信息與現(xiàn)實(shí)世界中的場(chǎng)景相結(jié)合，從而使人體感官獲得全新的體驗(yàn)，能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)時(shí)交互等特點(diǎn)。得益于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、影像技術(shù)以及大數(shù)據(jù)技術(shù)等多領(lǐng)域技術(shù)的共同發(fā)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在理論與技術(shù)研發(fā)層面很快取得了突破。一般來(lái)說，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的定義分為廣義和狹義。從廣義層面來(lái)講，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以通過操作者進(jìn)行的一系列操作，從中獲得相應(yīng)的反饋[2]。而狹義層面則認(rèn)為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上的一個(gè)分支，由于操作者在使用可穿戴式設(shè)備的過程中既能看到虛擬畫面，又能看到現(xiàn)實(shí)世界，因此被認(rèn)為是VR技術(shù)的一部分，目前我國(guó)北京理工大學(xué)的王涌天教授是該領(lǐng)域較為權(quán)威的專家[2]。

二、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用的理論基礎(chǔ)（一）情境認(rèn)知與學(xué)習(xí)理論

情境化學(xué)習(xí)理論認(rèn)為學(xué)習(xí)的過程應(yīng)當(dāng)是場(chǎng)景和現(xiàn)實(shí)的融合，學(xué)習(xí)應(yīng)當(dāng)是一個(gè)重構(gòu)學(xué)生心理的過程，同時(shí)應(yīng)該具備實(shí)踐性。簡(jiǎn)單來(lái)說，情景化學(xué)習(xí)是讓學(xué)生在學(xué)習(xí)某樣知識(shí)和技術(shù)的過程中能夠身臨其境。例如，在學(xué)習(xí)修車這一技術(shù)的過程中，應(yīng)親自到修車廠去學(xué)習(xí)，因此情景化學(xué)習(xí)理論更加注重的是一個(gè)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)過程種全身心投入的過程，同時(shí)也是一個(gè)身體各感官共同配合的實(shí)踐過程。一般來(lái)說，在情景化學(xué)習(xí)的過程中，學(xué)習(xí)者能夠在其中找到適合自己并且感興趣的內(nèi)容，同時(shí)這個(gè)過程也是一個(gè)持續(xù)性的過程。因此，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用的一個(gè)理論基礎(chǔ)就是情境認(rèn)知與學(xué)習(xí)理論，能夠通過結(jié)合現(xiàn)實(shí)空間與虛擬空間，將體驗(yàn)者帶入一個(gè)全方位的學(xué)習(xí)環(huán)境中，并且能夠通過大數(shù)據(jù)技術(shù)源源不斷地為體驗(yàn)者提供學(xué)習(xí)內(nèi)容，使其獲得更好的教學(xué)體驗(yàn)[3]。

（二）沉浸理論

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域，一個(gè)重要的理論基礎(chǔ)就是沉浸式學(xué)習(xí)體驗(yàn)?；谠鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)中的影像和音像技術(shù)，體驗(yàn)者能夠在學(xué)習(xí)過程中不受外界干擾，能夠摒棄其他雜念，從而沉浸在虛擬與現(xiàn)實(shí)交織的學(xué)習(xí)環(huán)境中。另外，在這種環(huán)境下，體驗(yàn)者的意識(shí)和行為相互配合。這一理論目前已被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。

三、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用案例

（一）教學(xué)學(xué)具軟件的開發(fā)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用首先需要教學(xué)學(xué)具軟件的配合。由于教學(xué)過程中，學(xué)生和教師不可能同時(shí)穿戴大量的設(shè)備，因此需要教學(xué)學(xué)具軟件對(duì)資源進(jìn)行整合，從而避免同時(shí)使用大量的穿戴設(shè)備。此外，目前相關(guān)領(lǐng)域設(shè)計(jì)者一般采用Metaio等開發(fā)包開發(fā)AR學(xué)具。目前AR教學(xué)學(xué)具在教育領(lǐng)域的應(yīng)用逐漸廣泛，在教學(xué)中使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)具的過程中還可以實(shí)現(xiàn)端口互聯(lián)，學(xué)生能夠與老師在虛擬與現(xiàn)實(shí)中互動(dòng)。學(xué)生在啟動(dòng)學(xué)具之后，教學(xué)學(xué)具內(nèi)的電路圖就能按照操作者需求進(jìn)行電阻的變化檢測(cè)電壓或者電流，創(chuàng)造出現(xiàn)實(shí)與虛擬空間。

（二）基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教育游戲

目前，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)被廣泛應(yīng)用于游戲制作領(lǐng)域，通過技術(shù)手段，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠?qū)F(xiàn)實(shí)世界中的空間結(jié)構(gòu)以及物體的擺放和布置以信息和數(shù)據(jù)的方式錄入系統(tǒng)當(dāng)中，再使其與虛擬環(huán)境相結(jié)合。彈彈島就是基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)開發(fā)出來(lái)的一款教育游戲，其通過這種原理，是面向低年齡段兒童所制作的一款游戲。學(xué)生能夠通過可穿戴式設(shè)備或者是手持智能設(shè)備的方式獲取視覺信息，通過移動(dòng)設(shè)備來(lái)達(dá)到三維立體成像的目的。

（三）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在學(xué)科教學(xué)中的應(yīng)用

第一，美術(shù)課程中colARmix的應(yīng)用。美術(shù)課程是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在學(xué)科教育中應(yīng)用較為廣泛的一門學(xué)科，尤其是在繪畫課程以及3D制圖等課程中的應(yīng)用，并且覆蓋的年齡段以及級(jí)別范圍較廣，從基礎(chǔ)的小學(xué)美術(shù)課程到大學(xué)室內(nèi)設(shè)計(jì)等課程中均有應(yīng)用。對(duì)于小學(xué)美術(shù)課程來(lái)說，一般的多媒體教學(xué)雖然相較于傳統(tǒng)的教學(xué)來(lái)說，具有一定的優(yōu)勢(shì)，但仍然具有一定的局限性，小學(xué)生的理解能力以及空間思維能力有限，僅通過傳統(tǒng)教學(xué)只能使其達(dá)到一維空間的構(gòu)圖思想。而colARmix的應(yīng)用能夠使學(xué)生在三維空間內(nèi)繪制各種物體，充分釋放和發(fā)揮小朋友的想象力。除此之外，colARmix等AR教學(xué)軟件具有較好的優(yōu)化功能，能夠在多種設(shè)備中運(yùn)行，在5.0以上的蘋果系統(tǒng)以及2.2以上的安卓系統(tǒng)手機(jī)上均能運(yùn)行。另外，通過電子投影儀等方式可以獲得更佳的使用效果[4]。

第二，MATLAB等在高等物理課程中的應(yīng)用。MATLAB被國(guó)內(nèi)外諸多高等院校應(yīng)用于教學(xué)當(dāng)中，尤其是電磁學(xué)、力學(xué)以及醫(yī)療教學(xué)中，如電磁學(xué)中很多的內(nèi)容具有較高的抽象性，理解起來(lái)相對(duì)較難，如其中的電場(chǎng)和磁場(chǎng)等都是肉眼無(wú)法見的，通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠有效地促進(jìn)人與環(huán)境的互動(dòng)，使學(xué)生能夠通過技術(shù)手段感知電場(chǎng)和磁場(chǎng)的存在，增強(qiáng)教學(xué)效果。

（四）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在職業(yè)技能訓(xùn)練中的應(yīng)用

例如高空塔吊以及特種駕駛等諸多特殊行業(yè)具有較大的危險(xiǎn)性，尤其是對(duì)于剛剛接觸到這類工作的學(xué)生來(lái)說，有一定的風(fēng)險(xiǎn)，特別是在初期的職業(yè)訓(xùn)練中極易造成安全隱患。通過應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，對(duì)高空塔吊這類特殊工種的教學(xué)和訓(xùn)練，運(yùn)用虛擬與現(xiàn)實(shí)結(jié)合的方式能夠模擬出一個(gè)較為逼真的、互動(dòng)性較強(qiáng)的高空塔吊現(xiàn)場(chǎng)，模擬出實(shí)際的訓(xùn)練場(chǎng)景。尤其是在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與各種重型機(jī)械教學(xué)相結(jié)合的過程中，能夠有效地解決傳統(tǒng)模式下重型機(jī)械教學(xué)和培訓(xùn)的難題，既能夠增強(qiáng)員工的臨場(chǎng)駕駛或者操作能力，又能夠保證其安全性。

四、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展展望

目前，我國(guó)在AR教學(xué)領(lǐng)域做底層技術(shù)公司或機(jī)構(gòu)相對(duì)不多，大多數(shù)高新技術(shù)企業(yè)或相關(guān)機(jī)構(gòu)對(duì)AR技術(shù)在教育領(lǐng)域開展的平臺(tái)研究多停留在理論層面，另外多是利用現(xiàn)成的技術(shù)，如傳統(tǒng)的UNITY3D等進(jìn)行內(nèi)容開發(fā)。盡管國(guó)家和教育領(lǐng)域近年來(lái)一直在關(guān)注AR教育相關(guān)的技術(shù)研究，但就目前來(lái)說，所謂的AR SDK主要還是局限在2D平面圖的識(shí)別和跟蹤上，比較有名的有Vuforia、Metaio以及Wikitude等，實(shí)用性相對(duì)較強(qiáng)。而我國(guó)在這方面也有HiAR、EasyAR、VoidAR等，均有較高的實(shí)用價(jià)值。但僅僅停留在二維層面的AR距離真正的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)還有很長(zhǎng)的一段路要走。在教育領(lǐng)域，AR技術(shù)的發(fā)展任重道遠(yuǎn)，與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景三維畫面的融合應(yīng)當(dāng)是我國(guó)各個(gè)相關(guān)企業(yè)和機(jī)構(gòu)主要應(yīng)該攻克的方向。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)能夠通過技術(shù)手段將現(xiàn)實(shí)世界中的空間結(jié)構(gòu)等以數(shù)據(jù)的方式導(dǎo)入系統(tǒng)中，從而使其與虛擬環(huán)境相融合，創(chuàng)造出一個(gè)具有較強(qiáng)感官性和互動(dòng)性的虛擬現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。另外，隨著技術(shù)的不斷革新，AR設(shè)備的研發(fā)成本和制造成本將會(huì)逐漸降低，并且也會(huì)逐漸區(qū)域智能化和人性化。伴隨著教育發(fā)展的需要，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)在教育領(lǐng)域得到更加廣泛的使用，并且采購(gòu)成本會(huì)不斷降低，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將會(huì)以更加簡(jiǎn)單、更加方便的形式進(jìn)入教育教學(xué)領(lǐng)域，并且實(shí)現(xiàn)學(xué)科的細(xì)分，提高教學(xué)質(zhì)量，推動(dòng)現(xiàn)代教育不斷發(fā)展[5]。

五、結(jié)語(yǔ)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是基于影像技術(shù)、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多技術(shù)領(lǐng)域發(fā)展到一個(gè)全新高度誕生的新技術(shù)，由于其能夠?qū)Ⅲw驗(yàn)者帶入一個(gè)虛擬與現(xiàn)實(shí)相結(jié)合、具有高互動(dòng)性和高感官性的環(huán)境，因此被廣泛應(yīng)用于社會(huì)生產(chǎn)的方方面面。本文主要介紹了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用，通過理論和實(shí)際應(yīng)用對(duì)其進(jìn)行了分析，并對(duì)AR技術(shù)未來(lái)的發(fā)展寄予希望。

參考文獻(xiàn)：

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[2] 何向琴.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在學(xué)前教育領(lǐng)域的研究綜述[J].科教文匯（下），2019（04）：148-150.

[3] 張菊芳，王海燕.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀及對(duì)策研究[J].數(shù)字教育，2018，4（05）：60-65.

[4] 周森，尹邦滿.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀與發(fā)展機(jī)遇[J].電化教育研究，2017，38（03）：86-93.

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作者簡(jiǎn)介：周世明（1985—），女，吉林長(zhǎng)春人，碩士，講師，研究方向：設(shè)計(jì)藝術(shù)學(xué)、數(shù)字媒體藝術(shù)。

燕飛（1996—），男，河南方城人，本科在讀，研究方向：數(shù)字媒體藝術(shù)。