何立志 王先財(cái)

（湖南工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 長沙410151）

0 引言

現(xiàn)代AR技術(shù)（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)），是在計(jì)算機(jī)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)。AR技術(shù)以現(xiàn)實(shí)世界為基礎(chǔ)，在學(xué)習(xí)內(nèi)容和真實(shí)場景之間建立了雙重疊加關(guān)系，完美地彌補(bǔ)了現(xiàn)實(shí)技術(shù)與現(xiàn)實(shí)世界隔離的缺陷。如果沒有復(fù)雜的計(jì)算機(jī)設(shè)備，AR技術(shù)可以在小型智能手機(jī)的幫助下完成現(xiàn)實(shí)世界的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。它能為學(xué)習(xí)者所接受，可為新時(shí)代教育教學(xué)改革注入新的活力。

1 AR技術(shù)的發(fā)展

20世紀(jì)50年代，英國著名物理學(xué)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(xì)微差別圖像來構(gòu)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(shí)感，這與“情境建構(gòu)”理論所倡導(dǎo)的真實(shí)實(shí)踐教學(xué)理念有深度關(guān)聯(lián)，為今后計(jì)算機(jī)輔助教育技術(shù)與現(xiàn)代教育的結(jié)合奠定了基礎(chǔ)。

1.1 國外研究

AR技術(shù)已經(jīng)在很多場景中得到了應(yīng)用?；贏R技術(shù)的兒童圖書《魔術(shù)書》已經(jīng)應(yīng)用到教學(xué)中，它完美地結(jié)合了3D動畫、視頻、紙質(zhì)文本和圖片，小學(xué)生戴著AR眼鏡或手持小型智能手機(jī)，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(xí)場景深深吸引，并有意識地學(xué)習(xí)視頻中展示的知識和內(nèi)容。一些外國專家通過實(shí)驗(yàn)表明，對于兒童和職業(yè)教育學(xué)生等特定群體，AR技術(shù)可以通過“電子書”積極幫助個(gè)人構(gòu)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(shù)的機(jī)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(jī)器處理該組照片并合成具有3D視覺效果的照片。機(jī)器可以戴在觀眾的頭上，觀眾可以通過機(jī)器看到三維畫面，具有很強(qiáng)的立體感和真實(shí)感。受此啟發(fā)，哈佛大學(xué)的Lvan Sutherland教授創(chuàng)造性地借用現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)來設(shè)計(jì)AR頭部顯示器，并將其應(yīng)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(shù)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(shù)家喻戶曉。

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

1.2 國內(nèi)研究

在我國，AR技術(shù)的發(fā)展落后于國外一些歐美國家，AR技術(shù)與教育的融合還處于起步階段。國內(nèi)大部分增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究都集中在虛擬校園的實(shí)現(xiàn)上，AR技術(shù)則集中在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)理論的討論上。目前，AR可穿戴設(shè)備價(jià)格昂貴、佩戴復(fù)雜，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在我國的應(yīng)用受到限制。北京大學(xué)航空航天學(xué)院是中國一所將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于航空航天教學(xué)的大學(xué)，建立了分布式虛擬環(huán)境和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)平臺實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可以在實(shí)訓(xùn)基地學(xué)習(xí)實(shí)際操作，通過AR技術(shù)的嵌入，進(jìn)一步提高教學(xué)效率和質(zhì)量。

與昂貴的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)設(shè)備相比，性價(jià)比高的智能手機(jī)的普及在一定程度上推動了AR技術(shù)的發(fā)展。AR技術(shù)與教育領(lǐng)域相結(jié)合，它的主要應(yīng)用場景是中小學(xué)的科學(xué)課堂，用來表示教師難以用語言描述的抽象實(shí)體。通過構(gòu)建旋轉(zhuǎn)運(yùn)動三維模型的三維動畫，學(xué)生可以充分理解模型的構(gòu)成和結(jié)構(gòu)原理，突破傳統(tǒng)課堂的局限性。

2 AR技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用

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

2.1 AR系列圖書教學(xué)

AR系列教材在英語教學(xué)中的應(yīng)用有助于提高學(xué)生的人文素養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。作為AR技術(shù)與教育融合的一個(gè)實(shí)踐案例，AR系列教材被引入北京市第一中學(xué)和第一小學(xué)的課堂，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)個(gè)性化的英語詞匯。相關(guān)專家對AR系列教材在教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用進(jìn)行了對比研究實(shí)驗(yàn)，深入研究AR技術(shù)對學(xué)生學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)習(xí)情緒的潛移默化的影響。在AR系列教材用于教學(xué)實(shí)踐之前，對學(xué)生的年齡、認(rèn)知水平、學(xué)習(xí)習(xí)慣和學(xué)生人數(shù)進(jìn)行分組，采用不同的教學(xué)方法：在教學(xué)實(shí)踐中，A組采用傳統(tǒng)的教學(xué)方法。教師授課，學(xué)生背誦和記憶英語單詞。在老師的指導(dǎo)下，B組學(xué)生通過自學(xué)AR系列教材、掃描圖片、觀看視頻、音頻和動畫測試來學(xué)習(xí)，實(shí)驗(yàn)中學(xué)生使用低成本智能手機(jī)進(jìn)行AR掃描學(xué)習(xí)。經(jīng)過一段時(shí)間的研究，專家們按照統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)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(xué)習(xí)教材的B組學(xué)生的能力測試平均得分為73.125分，比傳統(tǒng)教學(xué)中的A組學(xué)生高出50.776分。AR系列教材對工科學(xué)生的學(xué)習(xí)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(jià)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(shí)，可以跳出書中的AR模型，通過手機(jī)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(gòu)建了30多個(gè)不同的場景角色和模型，并應(yīng)用全3D場景和AR跟蹤技術(shù)將兒童置于真實(shí)場景中，幫助家庭了解兒童的自我保護(hù)意識。

2.2 AR校園導(dǎo)游系統(tǒng)

AR校園導(dǎo)游系統(tǒng)是一個(gè)成熟應(yīng)用AR技術(shù)的場景顯示系統(tǒng)。AR校園導(dǎo)游系統(tǒng)是一個(gè)基于三維模型的高度人性化的導(dǎo)游系統(tǒng)，使用小型智能終端設(shè)備掃描網(wǎng)頁或特定碼，可以在三維模型的基礎(chǔ)上，完全加載網(wǎng)頁鏈接、三維動畫、地圖等各種媒體信息，實(shí)現(xiàn)校園環(huán)境的AR表達(dá)。

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

第一，構(gòu)建基于模型的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)管理系統(tǒng)平臺。設(shè)計(jì)者可以基于3dsMax軟件虛擬建模，也可以采用Autodesk 123D軟件建模，當(dāng)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(chǔ)上，可以采用3dsMax進(jìn)行模型動畫創(chuàng)作，也可以將模型納入unity3d軟件進(jìn)行動畫創(chuàng)作，如設(shè)計(jì)者C語言水平較高，使用unity3d軟件更為便捷。

第二，進(jìn)行交互式信息設(shè)計(jì)。AR校園導(dǎo)游系統(tǒng)界面友好，可通過各種媒體進(jìn)行表達(dá)，原因是設(shè)計(jì)師進(jìn)行的交互信息設(shè)計(jì)。在設(shè)計(jì)之前，構(gòu)思要顯示的信息、信息的表達(dá)媒體形式以及它們之間的邏輯關(guān)系，并將這些信息上傳到指定的服務(wù)器上；在設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)師可以使用AI開發(fā)軟件中的特定功能塊，設(shè)置多種可實(shí)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(shè)計(jì)出的3dsMax模型與現(xiàn)實(shí)實(shí)景進(jìn)行位置匹配，測試位置的感應(yīng)精準(zhǔn)度，觀察模型與實(shí)景的真實(shí)貼近度，進(jìn)一步優(yōu)化鏈接資源展示先后邏輯，達(dá)到界面友好、真實(shí)美觀、信息豐富的效果。

2.3 融合AR技術(shù)的游戲化學(xué)習(xí)

傳統(tǒng)的教學(xué)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(yīng)以學(xué)習(xí)者為中心，以學(xué)習(xí)者的體驗(yàn)感、滿足感為尺度，最好的教育是培育學(xué)習(xí)者的興趣，提升學(xué)習(xí)者的思維能力，傳統(tǒng)的教育并不能達(dá)到這些要求。隨著AR技術(shù)的發(fā)展，AR技術(shù)可互聯(lián)海量多維信息的特征，能夠更好地滿足學(xué)習(xí)者的體驗(yàn)，在此基礎(chǔ)上計(jì)算機(jī)專家周以真教授，提出了計(jì)算思考的理論構(gòu)建，并提出了游戲化學(xué)習(xí)理念。以特定的知識點(diǎn)為中心，通過AR技術(shù)鏈接多種動態(tài)、靜態(tài)媒介信息資源，借用游戲闖關(guān)或游戲娛樂的方式，在游戲開展的過程中，使與特定知識點(diǎn)相關(guān)的信息不斷進(jìn)入學(xué)習(xí)者的腦海，在潛移默化中增進(jìn)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(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)能力，提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果。

臺灣師范大學(xué)許庭嘉教授借用AR技術(shù)開發(fā)了一款推箱子的AR游戲，用以幫助學(xué)習(xí)者掌握電子線路設(shè)計(jì)的邏輯關(guān)系。在該款A(yù)R游戲中，電子線路設(shè)計(jì)的邏輯關(guān)系被巧妙地設(shè)計(jì)在游戲中，箱子被設(shè)計(jì)成具有典型的兩種運(yùn)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(diǎn)背后的邏輯規(guī)律，在此基礎(chǔ)上開發(fā)出AR游戲，借用游戲，學(xué)習(xí)知識。這種融合AR技術(shù)的游戲化學(xué)習(xí)，是深度的沉浸式學(xué)習(xí)，知識、邏輯、架設(shè)、實(shí)操在學(xué)習(xí)者身上不斷上演，大幅度地提升了學(xué)習(xí)者的探究能力、創(chuàng)新能力、試錯(cuò)勇氣與團(tuán)隊(duì)合作精神，是計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展印發(fā)的教育領(lǐng)域的變革方法。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在游戲文本教學(xué)、游戲計(jì)算思維學(xué)習(xí)等方面發(fā)揮著更大的潛力。

3 AR技術(shù)賦能教學(xué)變革

3.1 從同一教育到個(gè)性化知識生成

傳統(tǒng)的知識講授是單一的媒介表達(dá)方式，對特定的學(xué)習(xí)者是合適的，諸如，學(xué)習(xí)欲望強(qiáng)烈的、可控思維聯(lián)想豐富的學(xué)習(xí)者，但對于絕大多數(shù)學(xué)習(xí)者，并不恰當(dāng)，需要多種維度的媒介信息進(jìn)行有效刺激。AR技術(shù)可鏈接大量的多種媒介信息，可滿足不同學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)特征，在有意無意間，契合學(xué)習(xí)者的特質(zhì)。豐富的感知信息比書本的間接經(jīng)驗(yàn)更形象、更真實(shí)、更準(zhǔn)確，AR技術(shù)可推動教學(xué)改革，可以幫助不同的學(xué)習(xí)者構(gòu)建個(gè)性化的知識體系、認(rèn)知體系。

3.2 從機(jī)械學(xué)習(xí)到混合式學(xué)習(xí)

對絕大多數(shù)學(xué)習(xí)者而言，假如沒有了解知識背后的背景假設(shè)、沒有理解知識背后的客觀邏輯、沒有理解知識背后的價(jià)值取向，或者想象不出知識所對應(yīng)的場景，是很難談得上“理解”了知識，這也催生出了應(yīng)試教育中死記硬背。AR技術(shù)可以對特定知識的背景假設(shè)、客觀邏輯與價(jià)值取向，甚至是真實(shí)場景，進(jìn)行多種媒介的全方位展示或解讀，學(xué)習(xí)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(xué)習(xí)習(xí)慣僵化、學(xué)習(xí)能力偏弱的學(xué)生，由老師專門將他們組成一個(gè)群，采用AR技術(shù)教學(xué)，基于多種豐富的媒介資源開展線上學(xué)習(xí)，取得了較好的教學(xué)效果。

3.3 從外在灌輸?shù)絻?nèi)在興趣驅(qū)動

學(xué)習(xí)動機(jī)是影響學(xué)習(xí)效果的重要因素，有外部動機(jī)和內(nèi)部動機(jī)之分，老師、學(xué)校制度、課堂制度等屬于外部動機(jī)范疇，而學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)欲望、思維能力、學(xué)習(xí)快樂等屬于內(nèi)部動機(jī)范疇。外部影響是表面的、短期的、不可持續(xù)的，對少部分學(xué)習(xí)者有效，能夠在短時(shí)間內(nèi)改變學(xué)習(xí)動機(jī)，對絕大多數(shù)學(xué)習(xí)者用處有限。AR技術(shù)提供多媒介信息資源用于教學(xué)，提升學(xué)習(xí)者的興趣，是真正激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動機(jī)，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(xué)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(shù)，為學(xué)習(xí)者提供全景式、多模式的學(xué)習(xí)模式，為學(xué)習(xí)者提供自主、沉浸、開放的學(xué)習(xí)情境，創(chuàng)造身心認(rèn)知與環(huán)境高度一致的學(xué)習(xí)模式，提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果。