AR技術應用要點研究

何立志 王先財

（湖南工程職業(yè)技術學院，湖南 長沙410151）

0 引言

現(xiàn)代AR技術（增強現(xiàn)實技術），是在計算機增強現(xiàn)實技術（增強現(xiàn)實技術）的基礎上發(fā)展起來的一項創(chuàng)新技術。AR技術以現(xiàn)實世界為基礎，在學習內(nèi)容和真實場景之間建立了雙重疊加關系，完美地彌補了現(xiàn)實技術與現(xiàn)實世界隔離的缺陷。如果沒有復雜的計算機設備，AR技術可以在小型智能手機的幫助下完成現(xiàn)實世界的增強現(xiàn)實。它能為學習者所接受，可為新時代教育教學改革注入新的活力。

1 AR技術的發(fā)展

20世紀50年代，英國著名物理學家查爾斯·惠斯通（Charles Wheatstone）根據(jù)人眼左右視差原理發(fā)明了立體鏡，這種立體鏡使用左眼和右眼看到的細微差別圖像來構建立體圖像。通過立體鏡觀察物體可以給觀察者一種深度感和沉浸感，使人眼具有立體真實感，這與“情境建構”理論所倡導的真實實踐教學理念有深度關聯(lián)，為今后計算機輔助教育技術與現(xiàn)代教育的結(jié)合奠定了基礎。

1.1 國外研究

AR技術已經(jīng)在很多場景中得到了應用?；贏R技術的兒童圖書《魔術書》已經(jīng)應用到教學中，它完美地結(jié)合了3D動畫、視頻、紙質(zhì)文本和圖片，小學生戴著AR眼鏡或手持小型智能手機，可以呈現(xiàn)AR場景。通過掃描書中的靜態(tài)圖片，使3D虛擬場景、動畫和視頻“躍于紙上”，不喜歡閱讀的孩子會被這種基于視頻的三維虛習場景深深吸引，并有意識地學習視頻中展示的知識和內(nèi)容。一些外國專家通過實驗表明，對于兒童和職業(yè)教育學生等特定群體，AR技術可以通過“電子書”積極幫助個人構建和內(nèi)化知識。

德國攝影師莫頓·海格（Morton Heig）開發(fā)了一種類似于3D技術的機器，它根據(jù)特定的旋轉(zhuǎn)角度圍繞拍攝對象旋轉(zhuǎn)360度，機器處理該組照片并合成具有3D視覺效果的照片。機器可以戴在觀眾的頭上，觀眾可以通過機器看到三維畫面，具有很強的立體感和真實感。受此啟發(fā)，哈佛大學的Lvan Sutherland教授創(chuàng)造性地借用現(xiàn)代計算機技術來設計AR頭部顯示器，并將其應用于波音公司，以解決大規(guī)模電纜布線問題。近年來，AR技術發(fā)展非常迅速，尤其是谷歌AR眼鏡的大面積使用，使得AR技術家喻戶曉。

根據(jù)美國新媒體聯(lián)盟發(fā)布的信息報告，AR技術連續(xù)五年被選為影響全球教育領域的新興技術。美國高等教育信息化協(xié)會預測，新興的AR技術與教育的結(jié)合將成為未來教育領域特別是職業(yè)教育領域的發(fā)展趨勢之一。

1.2 國內(nèi)研究

在我國，AR技術的發(fā)展落后于國外一些歐美國家，AR技術與教育的融合還處于起步階段。國內(nèi)大部分增強現(xiàn)實技術的研究都集中在虛擬校園的實現(xiàn)上，AR技術則集中在增強現(xiàn)實理論的討論上。目前，AR可穿戴設備價格昂貴、佩戴復雜，增強現(xiàn)實技術在我國的應用受到限制。北京大學航空航天學院是中國一所將增強現(xiàn)實技術應用于航空航天教學的大學，建立了分布式虛擬環(huán)境和增強現(xiàn)實系統(tǒng)平臺實驗室，學生可以在實訓基地學習實際操作，通過AR技術的嵌入，進一步提高教學效率和質(zhì)量。

與昂貴的虛擬現(xiàn)實技術設備相比，性價比高的智能手機的普及在一定程度上推動了AR技術的發(fā)展。AR技術與教育領域相結(jié)合，它的主要應用場景是中小學的科學課堂，用來表示教師難以用語言描述的抽象實體。通過構建旋轉(zhuǎn)運動三維模型的三維動畫，學生可以充分理解模型的構成和結(jié)構原理，突破傳統(tǒng)課堂的局限性。

2 AR技術的教學應用

社會人的選擇機制在一定程度上影響著教育教學的方式，使應試教育不會在短時間內(nèi)消失。傳統(tǒng)的應試教育往往對知識和技能認識膚淺，不適應時代發(fā)展的主題，極大地制約了個體身心的和諧發(fā)展。AR技術與現(xiàn)代教育的深度融合，知識和技能的真實性和可視化，極大地促進了教育由表層向內(nèi)涵的轉(zhuǎn)化，將學生從傳統(tǒng)的、機械化的、僵化的應試教育中解放出來，充分挖掘和展示個人的潛力和能量。

2.1 AR系列圖書教學

AR系列教材在英語教學中的應用有助于提高學生的人文素養(yǎng)，激發(fā)學生的學習興趣。作為AR技術與教育融合的一個實踐案例，AR系列教材被引入北京市第一中學和第一小學的課堂，幫助學生學習個性化的英語詞匯。相關專家對AR系列教材在教學實踐中的應用進行了對比研究實驗，深入研究AR技術對學生學習習慣和學習情緒的潛移默化的影響。在AR系列教材用于教學實踐之前，對學生的年齡、認知水平、學習習慣和學生人數(shù)進行分組，采用不同的教學方法：在教學實踐中，A組采用傳統(tǒng)的教學方法。教師授課，學生背誦和記憶英語單詞。在老師的指導下，B組學生通過自學AR系列教材、掃描圖片、觀看視頻、音頻和動畫測試來學習，實驗中學生使用低成本智能手機進行AR掃描學習。經(jīng)過一段時間的研究，專家們按照統(tǒng)一的標準進行了測試，根據(jù)測試數(shù)據(jù)和結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，使用AR系列自主學習教材的B組學生的能力測試平均得分為73.125分，比傳統(tǒng)教學中的A組學生高出50.776分。AR系列教材對工科學生的學習興趣起著重要的作用。

AR系列動漫啟迪兒童智慧生長，在兒童心理、情緒、價值取向塑造方面起到一定的作用。在德國，德國兒童百科全書AR特別版《有趣的透視立體書》出版，這本書的每一頁都是空的，上面有許多圖片。閱讀時，可以跳出書中的AR模型，通過手機掃描將模型完全顯示出來。在中國，AR系列圖書近年來發(fā)展迅速，京東與小萌兒童圖書合作出版了第一本AR圖書《我不跟你走》，構建了30多個不同的場景角色和模型，并應用全3D場景和AR跟蹤技術將兒童置于真實場景中，幫助家庭了解兒童的自我保護意識。

2.2 AR校園導游系統(tǒng)

AR校園導游系統(tǒng)是一個成熟應用AR技術的場景顯示系統(tǒng)。AR校園導游系統(tǒng)是一個基于三維模型的高度人性化的導游系統(tǒng)，使用小型智能終端設備掃描網(wǎng)頁或特定碼，可以在三維模型的基礎上，完全加載網(wǎng)頁鏈接、三維動畫、地圖等各種媒體信息，實現(xiàn)校園環(huán)境的AR表達。

AR校園導游系統(tǒng)具有真實、信息豐富、界面友好的特點，可以幫助瀏覽者快速獲取多種媒介信息。設計開發(fā)主要包括以下幾個方面：

第一，構建基于模型的增強現(xiàn)實管理系統(tǒng)平臺。設計者可以基于3dsMax軟件虛擬建模，也可以采用Autodesk 123D軟件建模，當然也可以采取Revit等軟件建模，前提是模型能夠?qū)?dsMax平臺；在虛擬模型的基礎上，可以采用3dsMax進行模型動畫創(chuàng)作，也可以將模型納入unity3d軟件進行動畫創(chuàng)作，如設計者C語言水平較高，使用unity3d軟件更為便捷。

第二，進行交互式信息設計。AR校園導游系統(tǒng)界面友好，可通過各種媒體進行表達，原因是設計師進行的交互信息設計。在設計之前，構思要顯示的信息、信息的表達媒體形式以及它們之間的邏輯關系，并將這些信息上傳到指定的服務器上；在設計過程中，設計師可以使用AI開發(fā)軟件中的特定功能塊，設置多種可實現(xiàn)鏈接的按鈕，鏈接出各種媒體信息資源。

第三，場景測試。將設計出的3dsMax模型與現(xiàn)實實景進行位置匹配，測試位置的感應精準度，觀察模型與實景的真實貼近度，進一步優(yōu)化鏈接資源展示先后邏輯，達到界面友好、真實美觀、信息豐富的效果。

2.3 融合AR技術的游戲化學習

傳統(tǒng)的教學方式，從信息媒介的角度來講，書本是一種靜態(tài)的媒介，教師的語言是一種偏單一的語言媒介。教育應以學習者為中心，以學習者的體驗感、滿足感為尺度，最好的教育是培育學習者的興趣，提升學習者的思維能力，傳統(tǒng)的教育并不能達到這些要求。隨著AR技術的發(fā)展，AR技術可互聯(lián)海量多維信息的特征，能夠更好地滿足學習者的體驗，在此基礎上計算機專家周以真教授，提出了計算思考的理論構建，并提出了游戲化學習理念。以特定的知識點為中心，通過AR技術鏈接多種動態(tài)、靜態(tài)媒介信息資源，借用游戲闖關或游戲娛樂的方式，在游戲開展的過程中，使與特定知識點相關的信息不斷進入學習者的腦海，在潛移默化中增進其對知識的理解，提升其邏輯思維能力，提高其知識的探究能力，最大限度地激發(fā)學習者的學習能力，提升學習者的學習效果。

臺灣師范大學許庭嘉教授借用AR技術開發(fā)了一款推箱子的AR游戲，用以幫助學習者掌握電子線路設計的邏輯關系。在該款AR游戲中，電子線路設計的邏輯關系被巧妙地設計在游戲中，箱子被設計成具有典型的兩種運行軌道，只能遵照這種典型邏輯軌道，箱子才能順利前移，才能避開障礙物，不然無法完成游戲。通過挖掘、凝練特定知識點背后的邏輯規(guī)律，在此基礎上開發(fā)出AR游戲，借用游戲，學習知識。這種融合AR技術的游戲化學習，是深度的沉浸式學習，知識、邏輯、架設、實操在學習者身上不斷上演，大幅度地提升了學習者的探究能力、創(chuàng)新能力、試錯勇氣與團隊合作精神，是計算機技術發(fā)展印發(fā)的教育領域的變革方法。隨著科學技術的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術在游戲文本教學、游戲計算思維學習等方面發(fā)揮著更大的潛力。

3 AR技術賦能教學變革

3.1 從同一教育到個性化知識生成

傳統(tǒng)的知識講授是單一的媒介表達方式，對特定的學習者是合適的，諸如，學習欲望強烈的、可控思維聯(lián)想豐富的學習者，但對于絕大多數(shù)學習者，并不恰當，需要多種維度的媒介信息進行有效刺激。AR技術可鏈接大量的多種媒介信息，可滿足不同學習者的學習特征，在有意無意間，契合學習者的特質(zhì)。豐富的感知信息比書本的間接經(jīng)驗更形象、更真實、更準確，AR技術可推動教學改革，可以幫助不同的學習者構建個性化的知識體系、認知體系。

3.2 從機械學習到混合式學習

對絕大多數(shù)學習者而言，假如沒有了解知識背后的背景假設、沒有理解知識背后的客觀邏輯、沒有理解知識背后的價值取向，或者想象不出知識所對應的場景，是很難談得上“理解”了知識，這也催生出了應試教育中死記硬背。AR技術可以對特定知識的背景假設、客觀邏輯與價值取向，甚至是真實場景，進行多種媒介的全方位展示或解讀，學習者可以快速地立體式理解該知識。疫情期間，自控能力偏差、學習習慣僵化、學習能力偏弱的學生，由老師專門將他們組成一個群，采用AR技術教學，基于多種豐富的媒介資源開展線上學習，取得了較好的教學效果。

3.3 從外在灌輸?shù)絻?nèi)在興趣驅(qū)動

學習動機是影響學習效果的重要因素，有外部動機和內(nèi)部動機之分，老師、學校制度、課堂制度等屬于外部動機范疇，而學習者學習欲望、思維能力、學習快樂等屬于內(nèi)部動機范疇。外部影響是表面的、短期的、不可持續(xù)的，對少部分學習者有效，能夠在短時間內(nèi)改變學習動機，對絕大多數(shù)學習者用處有限。AR技術提供多媒介信息資源用于教學，提升學習者的興趣，是真正激發(fā)學習者的學習動機，是質(zhì)變過程。

4 總結(jié)與展望

“AR+教育”的深度融合帶來了教育教學改革的動力和方向。作為一種新的教育發(fā)展生態(tài)，其核心是”AR+教育“技術，為學習者提供全景式、多模式的學習模式，為學習者提供自主、沉浸、開放的學習情境，創(chuàng)造身心認知與環(huán)境高度一致的學習模式，提高學習者的學習效果。