數(shù)字化背景下“AR+沉浸式學(xué)習(xí)”研究

王永圖　張金燕

摘要：數(shù)字化背景下，各級(jí)各類學(xué)校積極引入以大數(shù)據(jù)、區(qū)塊鏈為典型的“互聯(lián)網(wǎng)+”技術(shù)，旨在打造“線上+線下”互補(bǔ)協(xié)作辦學(xué)新形式?；ヂ?lián)網(wǎng)是高校管理的中介承載物，可以利用不同的新興技術(shù)實(shí)現(xiàn)線上線下協(xié)同辦學(xué)。線上上課相比面對(duì)面授課有相當(dāng)大的靈活性。從學(xué)生角度而言，沒有辦法和教師進(jìn)行眼神交流和即時(shí)反饋學(xué)習(xí)進(jìn)度；從授課教師角度而言，可以采用課堂錄播的方式，方便學(xué)生課后尋找適合的時(shí)間自學(xué)。這導(dǎo)致學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)度在一定程度上無法集中和統(tǒng)一，學(xué)習(xí)時(shí)間有可能變得碎片化。如何在線上上課的模式下減少時(shí)空因素造成的不良影響，利用AR技術(shù)為學(xué)生提供沉浸式學(xué)習(xí)的技術(shù)條件和氛圍環(huán)境，成為各方共同關(guān)注的重點(diǎn)。文章探究AR技術(shù)在沉浸式學(xué)習(xí)中的應(yīng)用現(xiàn)狀，通過對(duì)相關(guān)案例的分析，尋找AR技術(shù)應(yīng)用于沉浸式學(xué)習(xí)中的可能性，進(jìn)而為數(shù)字化背景下學(xué)生的學(xué)習(xí)提供更加理想的學(xué)習(xí)氛圍和更加高效的學(xué)習(xí)方法。文章基于現(xiàn)實(shí)情況提出有效的解決方案，實(shí)現(xiàn)沉浸式學(xué)習(xí)，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)生動(dòng)力，通過分析AR技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的案例，分析“AR+沉浸式學(xué)習(xí)”的優(yōu)劣勢(shì)，最后提出問題解決方案，期待“AR+沉浸式學(xué)習(xí)”在未來有更好的前景和發(fā)展。

關(guān)鍵詞：AR；沉浸式學(xué)習(xí)；數(shù)字化

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1004-9436（2023）14-00-03

1 “AR+沉浸式學(xué)習(xí)”的特點(diǎn)

1.1 化抽象為具體

首先，利用AR（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)）技術(shù)親自感觸各種各樣的3D模型，可以在很大程度上優(yōu)化學(xué)習(xí)體驗(yàn)，化抽象概念為具體可接觸的模型或虛擬實(shí)物。在課堂中，通過AR技術(shù)展現(xiàn)出來的3D模型，為學(xué)生提供多角度、全方位觀察模型的條件，使學(xué)生對(duì)概念和知識(shí)點(diǎn)形成立體的認(rèn)識(shí)和理解。在平時(shí)的教學(xué)中，面對(duì)多學(xué)科融合交叉的課程，教師可以利用AR技術(shù)展示所學(xué)知識(shí)及題目中運(yùn)用到的知識(shí)點(diǎn)，將多門學(xué)科知識(shí)融合在一起，能使學(xué)生更易接受［1］。

在地理課堂中，大部分教師會(huì)選擇利用黑板或自己所帶的一些上課道具，讓學(xué)生初步了解相關(guān)知識(shí)。很多教師會(huì)積極使用白板、投影、多媒體等現(xiàn)代教學(xué)工具，這些工具可以使教師和學(xué)生之間更好地互動(dòng)和交流。相比之下，利用AR技術(shù)呈現(xiàn)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)空間和虛擬3D模型等具有得天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)。在了解地球和宇宙的全貌時(shí)，利用AR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)沉浸式的觀察和體驗(yàn)，讓學(xué)生自由地旋轉(zhuǎn)、跟蹤、探索地球與宇宙的奧秘。AR技術(shù)不斷發(fā)展成熟，能夠大幅提升人的三維及三維以上的邏輯思維和抽象思維能力［2］。

除此以外，針對(duì)氣流、分子和電場(chǎng)這類肉眼很難觀察到的微觀事物，AR系統(tǒng)憑借獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，能夠使分子結(jié)構(gòu)、向量等元素以實(shí)體可見的形態(tài)表現(xiàn)出來，很多難以理解的現(xiàn)象能夠被直觀展示出來。針對(duì)書本中較抽象和難以理解的知識(shí)點(diǎn)，利用AR技術(shù)可以很好地將其形象化，最大限度地減少時(shí)空對(duì)學(xué)習(xí)者的影響，從而達(dá)到沉浸式學(xué)習(xí)的效果。

中學(xué)物理課本中磁場(chǎng)與磁感線的相關(guān)內(nèi)容一直是教學(xué)重點(diǎn)和考試難點(diǎn)，看不見摸不著的磁場(chǎng)讓教師和學(xué)生感到頭疼。針對(duì)這個(gè)教學(xué)難點(diǎn)，蔡蘇和團(tuán)隊(duì)在深入研究AR技術(shù)和Kinect設(shè)備并得到一定的研究成果之后，設(shè)計(jì)出了能夠?qū)⒋艌?chǎng)可視化的體感教學(xué)軟件。通過該軟件，學(xué)生可以通過手勢(shì)動(dòng)作和磁場(chǎng)交互，磁場(chǎng)和其中的變化如同觸手可及的實(shí)物呈現(xiàn)在學(xué)生的面前。在對(duì)使用該軟件的學(xué)生進(jìn)行調(diào)查和檢測(cè)之后，可以明顯發(fā)現(xiàn)學(xué)生探究知識(shí)的熱情增加了，對(duì)抽象事物和微觀事物的感知能力也得到了明顯的強(qiáng)化。

1.2 營造情景式學(xué)習(xí)環(huán)境

如今，人手一部手機(jī)和電腦已經(jīng)成為社會(huì)常態(tài)，電腦仿真技術(shù)、游戲模型設(shè)計(jì)和虛擬物件實(shí)體化構(gòu)建技術(shù)也不斷成熟。有了硬件設(shè)備和軟件架構(gòu)，以移動(dòng)AR技術(shù)為基礎(chǔ)的情景式學(xué)習(xí)突破了時(shí)空限制，得到了大范圍普及。這個(gè)系統(tǒng)的便捷性、交互性、情境性、連通性以及個(gè)性化等優(yōu)點(diǎn)和特性，在學(xué)生和教師使用過程中展現(xiàn)得淋漓盡致。除了在課內(nèi)的學(xué)習(xí)用途以外，還存在一些針對(duì)支持課外學(xué)習(xí)而設(shè)計(jì)的移動(dòng)設(shè)備上的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)游戲。在環(huán)境勘測(cè)中，只需要一個(gè)搭載了勘測(cè)游戲APP的平板電腦，學(xué)生就可以開展勘測(cè)工作——確定勘測(cè)點(diǎn)、搜集勘測(cè)數(shù)據(jù)，最后對(duì)搜集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析，并得出其中各勘測(cè)主體的關(guān)系。

參考前人相關(guān)文獻(xiàn)，Klopfer等研究者發(fā)現(xiàn)，在現(xiàn)實(shí)世界中，可以通過讓學(xué)生接觸虛擬游戲來加深其對(duì)氛圍與環(huán)境的認(rèn)知，同時(shí)激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。與之相反，另一部分研究者認(rèn)為可移動(dòng)、方便攜帶的設(shè)備會(huì)分散學(xué)生的注意力，進(jìn)而有可能導(dǎo)致任務(wù)的完成變得困難［3］。AR系統(tǒng)中的嵌入式提醒功能有效抵消了上述有可能產(chǎn)生的不利影響：通過實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)學(xué)生所處的位置和設(shè)備使用狀態(tài)，及時(shí)顯示任務(wù)完成進(jìn)展和下一步任務(wù)，從而達(dá)到提示學(xué)生集中注意力的目的。除此以外，移動(dòng)AR技術(shù)也給學(xué)生提供了社交上的便利。通過移動(dòng)設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)之后，學(xué)生就可以與同學(xué)、朋友隔著屏幕面對(duì)面交流，增強(qiáng)社會(huì)交互性。

1.3 增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的存在感

運(yùn)用AR技術(shù)設(shè)計(jì)出類似教學(xué)游戲的沉浸式學(xué)習(xí)媒體，能夠讓學(xué)生在教學(xué)中有主體意識(shí)，獲得存在感，充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者的多種感官，將聽覺、視覺、觸覺等多感官結(jié)合，使學(xué)生更容易全身心投入［4］。

首先，利用AR提供的特殊學(xué)習(xí)空間，可以使學(xué)習(xí)者覺得自己和別人站在同一立場(chǎng)上，這種存在感能夠強(qiáng)化學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)環(huán)境的感知。其次，AR技術(shù)構(gòu)建的學(xué)習(xí)系統(tǒng)可以提供語音即時(shí)反饋。AR技術(shù)可以在真實(shí)的環(huán)境下把教師和學(xué)生、虛擬元素整合在一個(gè)系統(tǒng)中，更好地進(jìn)行信息溝通，優(yōu)化學(xué)習(xí)者的直覺體驗(yàn)。因此，AR技術(shù)構(gòu)建的系統(tǒng)對(duì)發(fā)展學(xué)習(xí)者的直覺具有很大的作用。針對(duì)一些AR等沉浸式媒體軟件，在以上已有的體驗(yàn)之外，還能夠使學(xué)習(xí)者有身臨其境之感，而且這種情感是個(gè)體在全面、現(xiàn)實(shí)的經(jīng)歷中產(chǎn)生的主觀感受。沉浸式環(huán)境下，可以將學(xué)生所學(xué)知識(shí)轉(zhuǎn)化為真實(shí)世界的疑問與情境。

1.4 提高學(xué)習(xí)者的參與度

在平時(shí)的課程中，教師會(huì)優(yōu)先使用傳統(tǒng)幻燈片等教學(xué)工具，但是這樣的動(dòng)畫無法讓學(xué)習(xí)者產(chǎn)生真實(shí)的參與感，只能知道大致的結(jié)果和流程，不能支撐學(xué)生身臨其境地進(jìn)行現(xiàn)實(shí)操作。大多數(shù)模擬實(shí)驗(yàn)都是以固定程序作為后臺(tái)支撐，即使學(xué)習(xí)者犯了錯(cuò)或者操作失誤，也只會(huì)出現(xiàn)固定程序設(shè)計(jì)好的結(jié)果，并不能讓學(xué)習(xí)者有真實(shí)的參與感和操作感，也無法讓學(xué)習(xí)者在錯(cuò)誤中摸索重新找到正確做法的體驗(yàn)［5］。

應(yīng)用AR技術(shù)能夠很好地避免這些問題，其不僅可以將“拋”硬幣的動(dòng)作通過交互讓學(xué)生更有真實(shí)感和有趣的游戲體驗(yàn)感，還可以迅速記錄統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，解決實(shí)驗(yàn)資源不足、場(chǎng)地限制等問題。例如，在物理課堂中需要做大量的實(shí)驗(yàn)來得出物理結(jié)論，但利用AR技術(shù)進(jìn)行凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)，就不需要在現(xiàn)實(shí)中準(zhǔn)備蠟燭、透鏡等實(shí)驗(yàn)用材，學(xué)生用手就可以控制虛擬的蠟燭進(jìn)行前后移動(dòng)和更換不同型號(hào)的透鏡，進(jìn)而控制變量，觀察現(xiàn)象。這種用手直接參與的自然交互方式，與在現(xiàn)實(shí)中做實(shí)驗(yàn)的感覺基本是一致的，并且學(xué)生的參與度也能夠大大提高，在課堂中能成功轉(zhuǎn)換身份，變成課堂的主導(dǎo)者。

1.5 將生活和學(xué)習(xí)相結(jié)合

可以利用AR和其他技術(shù)手段對(duì)博物館和館內(nèi)文物進(jìn)行數(shù)字化三維建模，使參觀博物館的行為擺脫時(shí)空限制。廣州華銳互動(dòng)開發(fā)的AR博物館滿足了這樣的需求，把博物館“搬”到了每個(gè)人的身邊。學(xué)生只要拿起AR設(shè)備，就可以在利用VR技術(shù)制作的三維仿真場(chǎng)景中欣賞展品。在AR參觀中，學(xué)習(xí)者可以進(jìn)行多感官接觸，獲得身臨其境的體驗(yàn)。比如在參觀火箭時(shí)，運(yùn)用AR技術(shù)，學(xué)生可以看到火箭升空的整個(gè)過程和在此過程中發(fā)出的聲音。學(xué)生通過用手指滑動(dòng)火箭，還可以查看火箭的外部構(gòu)造。在這個(gè)過程中，學(xué)生得以在生活化的場(chǎng)景中通過AR技術(shù)獲得更加優(yōu)質(zhì)的體驗(yàn)，將生活和學(xué)習(xí)有機(jī)結(jié)合起來。

2 “AR+沉浸式學(xué)習(xí)”現(xiàn)存的問題

2.1 技術(shù)不成熟，反饋不及時(shí)

雖然AR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)和重要性得到了越來越多的認(rèn)可，但AR技術(shù)的開發(fā)和推廣之路依然困難重重。就像有些人在玩3D游戲的時(shí)候會(huì)有眩暈和想要嘔吐的感覺，在AR技術(shù)支持下的虛擬世界中行進(jìn)和調(diào)轉(zhuǎn)方向的時(shí)候，部分使用者可能產(chǎn)生不良反應(yīng)。并且增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)主要應(yīng)用在一些專門設(shè)立的體驗(yàn)館，在人們的工作、生活和學(xué)習(xí)中運(yùn)用得較少［6］。與此同時(shí)，想要應(yīng)用效果更好的AR技術(shù)，就要投入更多的資金，而以學(xué)校為主的教育領(lǐng)域常常因?yàn)闆]有足夠的資金只能選擇環(huán)幕投影這樣造價(jià)較低的技術(shù)，最后不僅沒有給使用者帶來富有層次感的環(huán)境體驗(yàn)效果，反而會(huì)加劇給使用者帶來的不良反應(yīng)，無法取得理想的效果。此外，支撐AR技術(shù)中交互功能順暢實(shí)現(xiàn)所需要的海量數(shù)據(jù)，在實(shí)際運(yùn)用過程中經(jīng)常因?yàn)閿?shù)據(jù)精度、存儲(chǔ)設(shè)備老舊和更換成本高等問題無法達(dá)到理想的應(yīng)用狀態(tài)，最終使AR技術(shù)在推廣過程中陷入延遲高和數(shù)據(jù)更新顯示慢的困境，在一定程度上影響了AR技術(shù)的發(fā)展。

2.2 資金耗費(fèi)大，更新?lián)Q代難

當(dāng)前，AR技術(shù)快速發(fā)展，已經(jīng)滲透到各個(gè)領(lǐng)域，并且可以取得逼真效果。近年來，越來越多的教育研究者進(jìn)行了各種各樣的嘗試，力爭(zhēng)將AR技術(shù)與教育高效結(jié)合起來。但由于AR技術(shù)目前仍處于初級(jí)發(fā)展階段，所以研發(fā)前期投入資金過多、研究周期長(zhǎng)、投資風(fēng)險(xiǎn)高等弊端很可能導(dǎo)致后期研發(fā)資金匱乏。在科技發(fā)展日新月異的今天，如果資金不足導(dǎo)致研究開發(fā)無法及時(shí)跟上，就會(huì)造成技術(shù)斷層、設(shè)備材料短缺、研究對(duì)象過時(shí)落后等一系列連鎖反應(yīng)。因此，研發(fā)投入高、回報(bào)周期長(zhǎng)的嚴(yán)苛條件進(jìn)一步阻礙了AR技術(shù)的研究開發(fā)。

3 “AR+沉浸式學(xué)習(xí)”解決方案

3.1 創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境

高效的學(xué)習(xí)需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)一定的教學(xué)情境。情境教育理論指出，兒童天性應(yīng)該適應(yīng)情境教育，兒童天性是情境的理論基石，情境教育內(nèi)核以“兒童—知識(shí)—社會(huì)”這三個(gè)維度為支撐，構(gòu)筑了三維度融合的具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)的課程范式。除了兒童天性作為理論支撐以外，情境理論具有充足的科學(xué)依據(jù)，最新腦科學(xué)成果就證實(shí)了這一理論，即兒童的腦是敏感的，單調(diào)重復(fù)的學(xué)習(xí)環(huán)境容易導(dǎo)致兒童無法集中注意力，并且無法形成長(zhǎng)久的學(xué)習(xí)專注力。不同于成年人的是，兒童的腦會(huì)優(yōu)先接受并處理情緒性信號(hào)，不會(huì)理性思考生活中的問題，利用這一特點(diǎn)，AR技術(shù)可以充分調(diào)動(dòng)積極情感，從而使學(xué)習(xí)活動(dòng)高效開展。在平時(shí)上課的過程中，可以創(chuàng)設(shè)設(shè)疑式情景、爭(zhēng)論式情景等，使學(xué)生積極參與一些特定社會(huì)情境的文化實(shí)踐，快速并有效地獲得豐富的文化知識(shí)?；谇榫忱碚摚瑢W(xué)生在特定情境下獲取知識(shí)更加快速直接，如果要提升學(xué)生的學(xué)習(xí)技能，增強(qiáng)學(xué)生的認(rèn)知能力，那么通過AR技術(shù)創(chuàng)設(shè)教學(xué)情境將成為提高學(xué)習(xí)效率的重要途徑。

3.2 拓展學(xué)習(xí)空間

開展線上教學(xué)，學(xué)生面臨一些實(shí)踐活動(dòng)無法正常開展的問題，利用AR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)虛擬現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)，更好地開闊學(xué)生的視野。運(yùn)用AR技術(shù)可以進(jìn)行沉浸式學(xué)習(xí)，能在用戶可觀測(cè)的現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景下集成大量資源信息等數(shù)據(jù)，為教師和學(xué)生營造沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，充分發(fā)揮學(xué)生的積極性和主觀能動(dòng)性。

目前，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的虛擬現(xiàn)實(shí)課程已經(jīng)成為許多高校教育教學(xué)改革的重要內(nèi)容之一，不僅能提高教學(xué)效率，還有助于培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐探索能力，促進(jìn)其全面發(fā)展。同時(shí)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以對(duì)目標(biāo)對(duì)象進(jìn)行三維建模和展示，學(xué)生可通過觀察不同的角度了解該模型，與虛擬模型互動(dòng)，強(qiáng)化目標(biāo)對(duì)象認(rèn)知。這種虛實(shí)結(jié)合的教學(xué)方式使學(xué)習(xí)者能更加真實(shí)地感受虛擬世界。另外，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)交互等特性弱化了定位、空間限制，教師既可上課，又可遠(yuǎn)距離引導(dǎo)學(xué)生，填補(bǔ)現(xiàn)實(shí)環(huán)境下裝備的缺失，達(dá)到資源共享的目的。當(dāng)前，AR技術(shù)已經(jīng)初步應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域，但在教育領(lǐng)域尚未引起廣泛關(guān)注。

4 結(jié)語

在當(dāng)前的數(shù)字化背景下，一輪又一輪教學(xué)方式的變革隨著“互聯(lián)網(wǎng)+”等新興技術(shù)的如火如荼發(fā)展而不斷深入。作為AR技術(shù)的使用者，應(yīng)客觀看待新興技術(shù)在教育教學(xué)中的應(yīng)用，將教育教學(xué)與AR技術(shù)高效結(jié)合，提升課堂的可視化、可觸化程度。在將AR技術(shù)投入使用的過程中，存在很多應(yīng)用壁壘，其仍然有很長(zhǎng)的發(fā)展路程。AR技術(shù)作為一種前衛(wèi)技術(shù)，雖然未來可能面對(duì)很多不確定性，但在AR技術(shù)開發(fā)人員和教育實(shí)踐者的齊心協(xié)力下，其會(huì)在教育領(lǐng)域取得飛躍式的突破，為未來教育教學(xué)工作創(chuàng)造出更大的價(jià)值。

參考文獻(xiàn)：

［1］ 王一美.數(shù)字化背景下應(yīng)用型高校教育管理的創(chuàng)新方法［J］.中國多媒體與網(wǎng)絡(luò)教學(xué)學(xué)報(bào)，2022（10）：114-117.

［2］ 杜二敏.具身認(rèn)知視角下沉浸式學(xué)習(xí)的發(fā)生機(jī)制探析［J］.寧波大學(xué)學(xué)報(bào)（教育科學(xué)版），2022，44（2）：30-37.

［3］ 蔡蘇，宋倩，唐瑤.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境的架構(gòu)與實(shí)踐［J］.中國電化教育，2011（8）：114-119.

［4］ 李青，張遼東.基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的移動(dòng)學(xué)習(xí)實(shí)證研究［J］.中國電化教育，2013（1）：116-120.

［5］ 李丹，馬力，官巍，等.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）英語教學(xué)應(yīng)用設(shè)計(jì)研究［J］.中國教育信息化，2017（15）：68-71.

［6］ 陸文利，王淳，趙春芝.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)在高?；A(chǔ)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用［J］.實(shí)驗(yàn)室科學(xué)，2018，21（2）：164-166.

作者簡(jiǎn)介：王永圖（2001—），女，江蘇鎮(zhèn)江人，本科在讀，系本文通訊作者，研究方向：AI+沉浸式學(xué)習(xí)。

張金燕（2002—），女，山西忻州人，本科在讀，研究方

向：AI+沉浸式學(xué)習(xí)。

基金項(xiàng)目：本論文為2020年度江蘇省教育科學(xué)“十三五”規(guī)劃課題“數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)下智慧課堂教學(xué)模式研究與實(shí)踐”成果，項(xiàng)目編號(hào)：C-b/2020/01/08