莫燦

摘要：在工業(yè)4.0的未來，數(shù)字化越來越日常化，技術(shù)將是互動(dòng)、學(xué)習(xí)和獲取知識(shí)的重要組成部分。教育和職業(yè)、生活等各個(gè)領(lǐng)域?qū)?huì)迎來新的要求和新的挑戰(zhàn)，那么我們的高等教育也將應(yīng)與之相適應(yīng)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)是人們好奇的新技術(shù)之一，AR在未來將為教育提供重要的貢獻(xiàn)。文章從增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的概念、軟硬件應(yīng)用程序、現(xiàn)有教育中的應(yīng)用來分析增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在高等教育中的融合應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí);教育技術(shù);多媒體技術(shù);互動(dòng)學(xué)習(xí)教育

中圖分類號(hào)：G642.0? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ?文章編號(hào)：1674-9324（2020）13-0244-04

當(dāng)工業(yè)4.0的發(fā)展帶來了新的技術(shù)機(jī)遇時(shí)，數(shù)字化對(duì)日常生活的影響就越來越大，因?yàn)榧夹g(shù)是互動(dòng)、學(xué)習(xí)和獲取知識(shí)的重要組成部分。工業(yè)4.0，也被稱為未來的工廠，意味著大部分的流程和產(chǎn)品都是數(shù)字化和自動(dòng)化的。因?yàn)檫@是基于數(shù)字智能，交叉連接的系統(tǒng)，它允許自由組織生產(chǎn)：人，機(jī)器，系統(tǒng)，物流和產(chǎn)品直接在工業(yè)4.0中進(jìn)行溝通和合作。[1]

因此，工作流程和內(nèi)容、員工的能力以及教育培訓(xùn)也將發(fā)生變化。人與技術(shù)之間出現(xiàn)了新的合作形式，從而為教育和職業(yè)生活等各個(gè)領(lǐng)域帶來了新的要求和挑戰(zhàn)。[2]由于流程變得更為復(fù)雜，相互關(guān)聯(lián)和數(shù)字化的程度也在不斷提高，對(duì)員工的特定要求將會(huì)增加。目前和未來，終身學(xué)習(xí)、跨學(xué)科思考能力以及IT發(fā)展的能力正逐漸成為員工的基本要求，以確保在職人員的就業(yè)能力，而不僅僅是技術(shù)導(dǎo)向的職業(yè)。隨著網(wǎng)絡(luò)化和數(shù)字化的發(fā)展，我們需要新的教育方式，使未來的員工能夠靈活應(yīng)對(duì)數(shù)字化工作環(huán)境的新挑戰(zhàn)和新要求。以技術(shù)為導(dǎo)向的教育焦點(diǎn)，通過理論知識(shí)的傳遞和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的反思及問題導(dǎo)向的應(yīng)用，在教育的各個(gè)領(lǐng)域獲得了越來越多的重視。

同時(shí)，由于計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，“媒體是否影響學(xué)習(xí)？”的問題已經(jīng)轉(zhuǎn)變?yōu)椋骸凹夹g(shù)教育將如何改變？”[3]當(dāng)一種新技術(shù)應(yīng)用于教育時(shí)，人們想知道這種新技術(shù)是否能使現(xiàn)有的教學(xué)環(huán)境變得更好。人們好奇的新技術(shù)之一便是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)。然而，AR的教育潛力最近被調(diào)查認(rèn)為，AR在未來將為教育提供重要的貢獻(xiàn)。也有人認(rèn)為在未來數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)、虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用將覆蓋我們的整個(gè)生活。[4]因?yàn)檫@項(xiàng)技術(shù)重要的特點(diǎn)是“新”和“有趣”，教師和學(xué)生在教育中使用時(shí)應(yīng)該都會(huì)引起興趣。因此，重要的是要了解AR技術(shù)是什么、如何使用它、它具有什么樣的技術(shù)基礎(chǔ)設(shè)施以及它在教育上提供了哪些好處。

一、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的概念

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)被定義為一種將現(xiàn)實(shí)世界與虛擬對(duì)象相結(jié)合的技術(shù)，它提供了真實(shí)和虛擬對(duì)象之間的交互。[5]也就是說，將預(yù)先確定的目標(biāo)點(diǎn)捕獲并與虛擬對(duì)象連接，利用AR技術(shù)通過程序?qū)Y(jié)果進(jìn)行解釋。由于AR中包含虛擬對(duì)象，因此有必要將AR與虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual reality，VR）的概念區(qū)分開來。對(duì)象在AR中實(shí)時(shí)顯示，在環(huán)境中顯示，VR中的對(duì)象在虛擬環(huán)境中顯示?；谶@一特性，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以被認(rèn)為是在真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境之間的“現(xiàn)實(shí)-虛擬連續(xù)體”。[6]增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是“混合現(xiàn)實(shí)”的類型，即數(shù)字內(nèi)容注入到真實(shí)的環(huán)境，而不是增強(qiáng)虛擬，現(xiàn)實(shí)的內(nèi)容被移植到一個(gè)虛擬環(huán)境中（參見圖1）。同時(shí)，AR在虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界之間架起一座橋梁也很重要。此外，有三個(gè)重要的特征使AR能夠區(qū)別于其他技術(shù)。[7]即：（1）結(jié)合虛擬和真實(shí)的對(duì)象，（2）提供實(shí)時(shí)交互，（3）現(xiàn)有的3D對(duì)象。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是一種越來越受歡迎的技術(shù)，可用于臺(tái)式機(jī)和筆記本電腦，便攜式設(shè)備和智能手機(jī)。AR開發(fā)的應(yīng)用程序允許分別使用虛擬3D對(duì)象、文本、2D圖像、視頻和動(dòng)畫，它們也提供相同的用途。[8]因此，用戶可以自然地與事件、對(duì)象和信息進(jìn)行交互。

與虛擬現(xiàn)實(shí)一樣，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)通過融入娛樂場(chǎng)所而成為主流。許多人沒有意識(shí)到，分析人員在體育賽事期間在屏幕上畫畫或?qū)崟r(shí)顯示圖形，是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的一種形式。這些技術(shù)已經(jīng)得到改進(jìn)，今天仍然在使用。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以通過將計(jì)算機(jī)圖形疊加到圖像上來實(shí)現(xiàn)，這比虛擬現(xiàn)實(shí)更容易創(chuàng)建，因此也更容易操作。由于這種可操作性，開發(fā)人員使用最新的技術(shù)來創(chuàng)建增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的路徑。

二、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的軟硬件程序

到目前為止所討論的設(shè)備都與嚴(yán)格的虛擬現(xiàn)實(shí)有關(guān);然而，有一些混合現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品也可用?；旌犀F(xiàn)實(shí)設(shè)備能夠同時(shí)使用虛擬和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序。無論是通過全息圖、外部攝像機(jī)，還是其他一些方法實(shí)現(xiàn)的，這些設(shè)備都可以通用，而且對(duì)于探索和在教育中使用都非常有用。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本硬件要求包括以下幾點(diǎn)。

●攝像機(jī)捕捉實(shí)時(shí)圖像;

●虛擬對(duì)象的強(qiáng)大存儲(chǔ)空間;

●功能強(qiáng)大的處理器，可以復(fù)合虛擬和真實(shí)對(duì)象，或?qū)崟r(shí)顯示3D模擬環(huán)境;

●允許用戶與真實(shí)和虛擬對(duì)象進(jìn)行交互的界面。

雖然這些都是運(yùn)行增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的基本要求，但為了增強(qiáng)用戶的整體體驗(yàn)，可能會(huì)使用其他技術(shù)。例如：

●GPS技術(shù)，允許系統(tǒng)考慮用戶的實(shí)際位置，確保在重要的地理位置上為用戶提供與情境相關(guān)的虛擬數(shù)據(jù)。

●圖像識(shí)別軟件，使現(xiàn)實(shí)世界的圖像和對(duì)象作為多媒體和模型疊加的“觸發(fā)器”，并將虛擬數(shù)據(jù)錨定在環(huán)境中。

●揚(yáng)聲器和音響系統(tǒng)，可以播放相關(guān)的聲音和錄音。

●Internet訪問，提供使用社交媒體和Web 2.0技術(shù)存儲(chǔ)，檢索和共享內(nèi)容的方法。

●直觀的界面，觸摸屏，陀螺儀和觸覺輸入技術(shù)的進(jìn)步提供了更自然的方式來與虛擬對(duì)象進(jìn)行交互和操作。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)所使用的復(fù)雜軟件和大量硬件設(shè)備也被許多其他技術(shù)所利用，然而，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的區(qū)別能力是以情境相關(guān)的方式將虛擬對(duì)象無縫合成到真實(shí)環(huán)境中。由于這種獨(dú)特的功能，一些學(xué)者預(yù)測(cè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)將成為21世紀(jì)的基本用戶界面。

創(chuàng)建AR應(yīng)用程序需要特殊的軟件。除了在電腦和便攜設(shè)備上有所不同外，它們也因使用者使用創(chuàng)作工具的水平和編程知識(shí)的不同而有所不同。通過查找到的文獻(xiàn)，AR技術(shù)分為基于標(biāo)記和無標(biāo)記的應(yīng)用以及基于圖像和基于位置的應(yīng)用，該技術(shù)使用了多種監(jiān)控系統(tǒng)，如頭戴式顯示器、手持顯示器和空間投影顯示器;每個(gè)系統(tǒng)在真實(shí)性方面可能的不同之事實(shí)引起了人們的注意;此外，文獻(xiàn)中還分析了移動(dòng)設(shè)備、pc機(jī)以及內(nèi)容創(chuàng)作中使用的軟件;研究人員將現(xiàn)有軟件分為需要/不需要的低水平/高水平編程知識(shí)，軟件包括ARToolkit、DART、ComposAR、BuildAR、Studierstube、FlashLite、Daqri Ar-media、MixAR ZooBurst、FLARtoolkit、MRToolkit、Junaio、Metaio、Aurasma和Layar。[1]

三、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在教育中的應(yīng)用及教學(xué)方法

有研究表明，在教育中使用技術(shù)工具為增加個(gè)人之間的互動(dòng)和娛樂性學(xué)習(xí)提供了新的機(jī)會(huì)，也使學(xué)習(xí)過程更加活躍、有效和有意義。[8]AR技術(shù)在教育領(lǐng)域引起了人們的關(guān)注，因?yàn)樗梢耘c虛擬和真實(shí)的對(duì)象進(jìn)行交互，通過經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行學(xué)習(xí)，增加注意力和動(dòng)機(jī)。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的一個(gè)關(guān)鍵的教學(xué)支持是能夠重新調(diào)整虛擬物體，從分子到行星，讓學(xué)生更好地理解那些因太小或太大而無法在正常的日常生活有效地檢查的物體的屬性和關(guān)系。[8]雖然其他技術(shù)會(huì)具備相同的功能，但其在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中縮放為用戶提供空間和時(shí)間概念的清晰表示，以及虛擬對(duì)象和現(xiàn)實(shí)環(huán)境之間的情境關(guān)系的額外有其獨(dú)到的優(yōu)勢(shì)。[9]

另一個(gè)關(guān)鍵的教學(xué)啟示是覆蓋情境相關(guān)信息的能力。這是通過在真實(shí)對(duì)象上觸發(fā)和錨定虛擬數(shù)據(jù)來實(shí)現(xiàn)的。例如，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可以通過在維護(hù)和修復(fù)工作期間疊加指令來指導(dǎo)用戶，突出關(guān)鍵區(qū)域和組件，顯示適當(dāng)?shù)墓ぞ?，并指示如何使用它們來完成工作的每個(gè)階段。[10]通過在書面或多媒體形式的操作指令和需要完成的任務(wù)之間轉(zhuǎn)換，用戶可以獲得更大的關(guān)注，而不會(huì)因?yàn)樾畔⑦^多或分配的時(shí)間過長(zhǎng)而導(dǎo)致認(rèn)知過載。因此，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)為教育工作者以前所未有的方式提供“完美定位的基礎(chǔ)”的機(jī)會(huì)。

在課堂上使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)一再被證明可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。重要的是，它也被證明有助于展示學(xué)生的學(xué)習(xí)成果。此外，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的使用對(duì)一些學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度產(chǎn)生了大而積極的影響，有助于他們認(rèn)識(shí)到他們的學(xué)習(xí)與日常生活的相關(guān)性。[10]在教育中，AR被認(rèn)為是更有效的，尤其是在關(guān)于看不見的物體和情境，顯示危險(xiǎn)的情況，實(shí)現(xiàn)抽象概念和呈現(xiàn)復(fù)雜信息時(shí)。[18]如Learn AR資源中心為生物、物理、語(yǔ)言、英語(yǔ)、數(shù)學(xué)和宗教教育提供了10種基于標(biāo)記的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)體驗(yàn)包。Fetch lunch rush通過向?qū)W生提問并要求他們找到一個(gè)具有正確答案的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)標(biāo)記來幫助他們培養(yǎng)基礎(chǔ)數(shù)學(xué)技能。Zooburst通過讓學(xué)生上傳的照片、文本和音頻以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的形式出現(xiàn)在圖像標(biāo)記上，支持學(xué)生開發(fā)3D數(shù)字故事。通過將語(yǔ)言翻譯疊加在符號(hào)和文檔之上，Wordlens可以用來構(gòu)建語(yǔ)言學(xué)習(xí)框架。語(yǔ)音翻譯可以在30多種語(yǔ)言之間進(jìn)行語(yǔ)音翻譯，這意味著學(xué)生可以練習(xí)單詞的翻譯和發(fā)音。此外，AR還應(yīng)用于自然科學(xué)（化學(xué)、物理、生物、占星術(shù)等）、計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)、數(shù)學(xué)、工程（機(jī)械、電氣、生物醫(yī)學(xué)等）和人道主義科學(xué)（歷史、語(yǔ)言、人類學(xué)等）。[15]

盡管AR為教育做出了重要貢獻(xiàn)，但仍有一些問題需要克服。在這種情況下，最重要的問題是AR應(yīng)用程序的應(yīng)用和生成內(nèi)容的困難。尤其是開發(fā)3D對(duì)象需要技術(shù)知識(shí)，許多學(xué)生和教師對(duì)使用AR存在偏見。[11]另外，由于光照、輸出、顯示質(zhì)量等外部因素的影響，使得該技術(shù)難以有效地應(yīng)用于教育領(lǐng)域。另一方面，也存在一些與學(xué)生和學(xué)習(xí)過程有關(guān)的問題。使用AR的學(xué)生可能需要同時(shí)面臨大量的知識(shí)。這種情況導(dǎo)致了高水平的認(rèn)知負(fù)荷。此外，使用AR應(yīng)用程序的學(xué)生還有可能必須使用多個(gè)設(shè)備。這個(gè)問題要求學(xué)生具備空間定向能力、解決問題能力和技術(shù)干預(yù)能力。[12]撇開AR帶來的一些技術(shù)和教學(xué)問題不談，AR在教育應(yīng)用方面的潛力吸引了這一領(lǐng)域的研究人員。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以支持的一些教學(xué)方法包括以下幾點(diǎn)。

●建構(gòu)主義學(xué)習(xí)——通過使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，鼓勵(lì)學(xué)生通過使用信息覆蓋更深入地學(xué)習(xí)正在研究的任務(wù)、概念和資源，學(xué)生可以在他們的知識(shí)庫(kù)中建立深入而持久的聯(lián)系。

●情境學(xué)習(xí)——通過在現(xiàn)實(shí)世界環(huán)境中嵌入教育體驗(yàn)并將現(xiàn)實(shí)世界帶入課堂，實(shí)現(xiàn)真實(shí)和情境化學(xué)習(xí)。[13]

●基于游戲的學(xué)習(xí)——增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)可用于通過創(chuàng)建數(shù)字?jǐn)⑹?，讓學(xué)生發(fā)揮作用，提供真實(shí)資源和嵌入情境相關(guān)信息來促進(jìn)基于沉浸式游戲的學(xué)習(xí)。使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)將現(xiàn)實(shí)世界轉(zhuǎn)化為游戲的體驗(yàn)環(huán)境，往往可以使技能轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中變得更加簡(jiǎn)單和容易。[13]

●探究式學(xué)習(xí)——提供電子收集數(shù)據(jù)以供將來分析的手段，并提供位于現(xiàn)實(shí)世界中易于操縱的虛擬模型，AR通過提供與被調(diào)查主題相關(guān)的信息來支持查詢。[14]

基于設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)的建構(gòu)主義的教學(xué)范式主張學(xué)生在主動(dòng)創(chuàng)造真實(shí)對(duì)象時(shí)，最大限度地發(fā)展對(duì)自己世界的理解。設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)已經(jīng)被證明可以改善學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。例如，使用基于設(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)方法的科學(xué)課程可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)成績(jī)，增加學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)的愿望。[14]使用先進(jìn)的視頻技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)可以提高學(xué)生對(duì)特定主題和領(lǐng)域認(rèn)知技能的理解?；谠O(shè)計(jì)的學(xué)習(xí)不僅改進(jìn)了對(duì)概念的理解，還提高了學(xué)生在實(shí)踐領(lǐng)域追求職業(yè)的動(dòng)機(jī)。

而情境學(xué)習(xí)理論視角的核心是相信學(xué)習(xí)是嵌入在特定的物理和文化環(huán)境中、由其決定并與之不可分割的。分析的單位既不是個(gè)人也不是環(huán)境，而是兩者之間的關(guān)系，正如學(xué)生的參與程度所顯示的。從這個(gè)角度來看，學(xué)習(xí)和認(rèn)知都被理解為沿著實(shí)踐社區(qū)的軌跡的進(jìn)步，也被理解為身份的持續(xù)轉(zhuǎn)變。通過參與學(xué)?；顒?dòng)，學(xué)生們塑造了培養(yǎng)他們作為學(xué)習(xí)者身份的參與模式，包括他們參與學(xué)習(xí)的方式和對(duì)自己學(xué)習(xí)能力的信念。作為一種軌跡，身份不是一個(gè)人一次性擁有的對(duì)象：它是隨著時(shí)間的推移而定義、演進(jìn)的，并且有自己的發(fā)展勢(shì)頭。身份是賦予人們參與的各種參與形式的具有靈活性、連續(xù)性的東西（見圖2）。[14]

為了促進(jìn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教學(xué)方式結(jié)合的成功，內(nèi)維爾（2010）提出教師需要對(duì)主題領(lǐng)域有深入的了解，并有能力營(yíng)造一個(gè)協(xié)作式的工作室學(xué)習(xí)環(huán)境。同樣關(guān)鍵的是，學(xué)生希望并有能力從廣泛的教學(xué)方法中進(jìn)行選擇，以使學(xué)生的學(xué)習(xí)從經(jīng)驗(yàn)的形式轉(zhuǎn)向更概念性和分析性的形式。

五、結(jié)論

技術(shù)給學(xué)習(xí)環(huán)境帶來了好處。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前處于新興技術(shù)的前沿。隨著它的不斷開發(fā)和改進(jìn)，可用的體驗(yàn)將變得更加復(fù)雜、更容易獲得，并影響到更廣泛的用戶。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)不會(huì)很快消失，而且它一直在快速增長(zhǎng)。應(yīng)用程序每天都在繼續(xù)開發(fā)，未來的選擇似乎已經(jīng)成熟。盡管AR設(shè)備和應(yīng)用程序的開發(fā)者仍然面臨著挑戰(zhàn)，但在未來幾年，這些技術(shù)將在我們的教育中扮演更重要的角色。AR對(duì)于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)水平有很大的希望，但我們才剛剛開始了解這種新興技術(shù)的有效教學(xué)設(shè)計(jì)。在AR研究的早期階段，其最重要的功能是創(chuàng)造融合了數(shù)字和物理對(duì)象的沉浸式混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境的獨(dú)特能力，從而促進(jìn)批判性思維、解決問題和通過相互依賴的協(xié)作練習(xí)進(jìn)行溝通等過程技能的發(fā)展。綜上所述，由此產(chǎn)生的數(shù)字/物理混合環(huán)境的初步結(jié)果是有希望的，我們需要進(jìn)一步探索如何最好地利用這種可用性。

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Exploration on the Integration of Immersive Augmented Reality and Higher Education

MO Can

（School of Art and Design，Guangzhou Maritime College，Guangzhou，Guangdong 510165，China）

Abstract：In the future of industrial 4.0，digitization is becoming more and more daily，and technology will be an important part of interaction，learning and acquiring knowledge.Education and career，life and other fields will meet new requirements and new challenges，so our higher education will also adapt to it.Augmented reality （AR） technology is one of the curious new technologies.AR will make an important contribution to education in the future.In this paper，the application of augmented reality in higher education is analyzed from the concept，history，software and hardware application of augmented reality and the application of existing education.

Key words：Augmented reality;Educational Technology;Multimedia Technology;Interactive Learning Education