基于增強現實技術的移動學習研究初探

王萍

[摘要]高普及度、便攜易用的智能手持設備是能夠體現增強現實價值的重要平臺，增強現實創新了移動應用模式，為移動學習提供了新的學習支持。文章在概述增強現實軟硬件系統的基礎上，基于Hype Cycle模型與地平線報告分析，闡述了移動學習與增強現實的發展現狀與前景。分析了基于增強現實的移動學習的已有研究與應用案例，探討了Specht的增強現實學習模式。并構建了增強現實學習系統的設計與開發模型。

[關鍵詞]增強現實；移動學習；學習情境

[中圖分類號]G40-057 [文獻標識碼]A [論文編號]1009-8097（2013）05-0005-05 [DOI]10.3969/j.issn.1009-8097.2013.05.001

引言

隨著智能終端技術的成熟與發展，無線寬帶網絡與移動數據業務的部署與推廣，曾經局限于實驗室的增強現實技術開始走進大眾生活，增強現實應用開始涌現。增強現實（Augmented Reality，AR）是在虛擬現實技術基礎上發展起來的一種計算機應用和人機交互技術，通過將虛擬的信息應用到真實環境中，使真實的環境和虛擬的物體實時地疊加到同一個畫面或空間同時存在，呈現給使用者一個感官效果真實的新環境。

高普及度、便攜易用的手持設備如智能手機等，實現了增強現實系統的小型化和便攜化，是最能體現增強現實價值的平臺之一，將大大拓展和深化增強現實系統應用的廣度和深度。在近年新媒體聯盟（New Media Consortium，NMC）發布的地平線報告中，增強現實技術和移動技術多次被列為具有潛力的關鍵技術，在教育領域具有廣闊的應用空間和發展潛能，將對教學、學習和創造性表達產生積極的重大影響。增強現實技術為學習者提供情境性的學習體驗，為移動學習提供了新的交互方式和學習情境，更好地符合了學習者隨時隨地進行學習的泛在學習目標。如何有效地將其應用到學習領域，為用戶提供學習支持，需要我們的深入研究和思考。

一、增強現實系統

增強現實系統研究涉及多學科背景，包括計算機圖形處理、人機交互、信息三維可視化、新型顯示器、傳感器設計、無線網絡等。我們對增強現實系統從多個角度進行了綜合分析，如圖1所示。增強現實系統的工作原理與傳統增強現實系統相同，基本流程為：（1）獲取場景信息；（2）對傳感器獲取的信息進行分析處理；（3）生成虛擬圖像；（4）三維顯示。相對于傳統增強現實系統，增強現實系統一般不需要顯示完整的場景，但需要實時地分析處理大量傳感器數據和虛擬信息，以進行精確的三維注冊，所以增強現實系統具有特定的軟硬件平臺支持和關鍵技術支撐。與傳統的增強現實系統相比，增強現實創新了移動應用模式，具有增強、移動、整合、開放等特征。

1.硬件系統

（1）處理器系統——持續計算能力

處理器系統用于提供增強現實系統的計算能力，是評價移動互聯網終端性能的重要參數，主要包括CPU和GPU。當前智能手機的CPU已發展為多核處理器，以高速頻率保證高運算要求。同時隨著應用程序的豐富，智能終端需要處理復雜的圖像任務，在硬件上引入了GPU負責圖形顯示功能的處理，系統性能得到極大提高。

（2）顯示系統——采集顯示能力

顯示系統主要提供智能終端的采集顯示能力，包括顯示屏幕、攝像頭等，是實現增強現實應用的重要設備。當前智能終端的顯示屏幕基本在3.5英寸以上，屏幕色彩度日益提高，分辨率逐漸增強。終端攝像頭分辨率通常達到百萬級別至千萬級別，可以拍攝和錄制高清晰度影像。

（3）傳感器系統——狀態感知能力

傳感器系統是實現增強現實的必要支持。當前，豐富的傳感器設備已經成為智能手機的重要組成部分，如GPS、電子羅盤、加速計、陀螺儀、重力感應器、位移傳感器、光線感應器等。傳感器系統使手機變得越來越智慧化，向著情境感知的方向發展，增強了手機體驗感和用戶互動，是實現增強現實系統的有力支持。

（4）交互系統——人機互動能力

交互系統是影響增強現實系統體驗的主要手段。當前智能手機采用觸摸屏交互、語音交互等交互方式，在人機操作關系上產生了很大的變革，可以通過多通道與計算機生成的虛擬信息進行交互式反應，使用戶更自然地融入到場景中去，具有更新鮮的體驗感。

（5）網絡系統——通信傳輸能力

無線通信技術和互聯網技術是移動服務的支撐技術。在一些增強現實的應用中需要通過遠程服務器來存儲大量的數據信息，某些數據處理也要通過遠程服務器來完成。3G等無線通信技術為增強現實應用的發展提供了網絡帶寬等支持。

2.軟件系統

（1）目標識別算法

目標識別指在相關場景中找到給定的目標物體，并對其進行標記。增強現實需要實現復雜移動場景中的實時目標識別，如可采用多特征如色彩、紋理、輪廓融合的方式對復雜場景進行特征提取和識別。

（2）跟蹤注冊算法

跟蹤注冊算法將虛擬物體合并到真實空間中的準確位置。增強現實系統應實時跟蹤手機在真實場景中的位置及姿態，并根據這些信息計算出虛擬物體在圖像中的坐標，實現實時、魯棒、穩定、準確的跟蹤，保證虛擬物體畫面與真實場景畫面精準匹配。

（3）三維圖形渲染算法

通過三維圖形建模和渲染算法處理，在真實環境中疊加有增強顯示效果的三維物體，進行逼真顯示，幫助用戶對環境的理解。

3.增強現實的類型

從增強現實在跟蹤注冊技術采用的不同方法角度來分析，可以將增強現實分為基于標記的和無標記的兩類。基于標記的增強現實是指通過特定的標記或圖案供系統辨識，使用計算機視覺方法識別出這些標志物，從而計算出攝像機相對于標志物的位置和方向，再據此計算出虛擬物體應該放置的位置和方向。在無標記增強現實系統中，真實環境的任何一部分都能被用作一個可跟蹤的目標，通過攝像頭捕捉現實世界的圖像，然后在顯示屏的圖像上疊加文本、鏈接或其他對象實體，構建一個新的三維圖形模型。二移動學習與增強現實的研究與發展分析

對增強現實技術的研究屬于教育新技術研究的范疇，目標是通過技術研究，探索技術在教與學中的應用模式。本節基于Hype Cycle模型與地平線報告研究，分析增強現實在教育中的應用發展與前景。

1.Hy]pe Cycle模型分析

（1）Hype Cycle模型與教育技術

Hype Cycle（發展規律周期）模型是由Gartner提出的一個應用廣泛的發展周期預測模型，模型描述了一項技術從誕生到成熟，再到廣泛應用的過程，如圖2所示。模型指出，技術的發展過程通常有以下規律：首先是起步上升期和快速發展期，這兩個時期主要是理論研究階段，新的技術理論從出現到快速成長，理論突破頻繁。到了快速發展期的頂端，基礎理論基本成熟，理論探索空問縮小。而此時該項技術在產業上的應用尚未成熟，缺乏成熟的應用模式，因此新技術受關注程度進入下降期。隨著新技術應用模式的不斷創新，該項技術的受關注程度將再次增加，并將其帶入一個持續發展的爬坡期。隨著技術應用模式的成熟，進入穩定應用期。

教育技術關注技術在教育領域應用，Hype Cycle發展周期模型對技術演進的分析，有助于我們對技術教學應用的研究。在教育技術研究中，教育新技術研究是前瞻性研究，它有助于我們探索教育技術未來發展的方向，幫助我們研究新技術，預見新技術在教育領域中的發展。技術的教學應用研究是核心研究，是教育技術的目的。需要在對新技術研究的基礎上進一步設計開發其在教學中的應用，通過技術在教育中的應用體現和提升其價值。表1和圖2分析了技術發展周期模型與教育技術研究各個階段的關系。

（2）基于Hype Cycle模型的移動學習與增強現實分析

我們綜合分析了Gartner最新提出的關于教育、新型技術、情境感知、人機交互等領域的分析，對其中與移動學習、增強現實、移動應用等相關的項目進行了分析，作出圖3分析。

由圖3中各項技術所處的發展階段，得到如下分析結果：

●增強現實：處于快速發展階段末期，理論研究逐步成熟，但在行業上的應用尚未成熟，需要進一步探索技術的行業應用模式。

●移動學習：Gartner將移動學習分為了兩類，一類為低階（Low-range/Midrange）手持設備，一類為智能終端設備。兩類移動學習當前都尚處于應用模式探索階段。

●移動應用開發：與增強現實相關的移動應用開發研究，如位置服務應用、移動開發平臺等，技術相對成熟，已經具有相關的應用模式，處于技術的穩定應用期。

●情境感知：情境感知是與增強現實密切相關的一個研究領域，當前主要處于理論研究的快速發展時期。

2.地平線報告分析

我們對新媒體聯盟歷年發布的地平線報告中，與移動學習和增強現實有關的項目進行了分析。從2006年至今，在地平線報告中，每年都有移動技術和移動學習相關的項目，2005、2006、2010和2011年四年的地平線報告中，也都關注了增強現實在教育領域中的應用。

從地平線報告分析可以發現，手機、移動寬帶、移動設備、移動計算等技術在近年被提及的次數最多，移動技術在教育中具有巨大的應用空間和發展潛能，移動學習是教育信息化發展的重要趨勢。增強現實也在近年逐漸得到教育領域的關注。在2012年地平線報告中，與移動學習和增強現實有關的項目有如下變化。首先，“增強現實”這一項在2012年地平線報告中已不再出現。而在2011年地平線報告中排列第二位的“移動設備”，2012年從關注硬件設備轉為關注如何通過移動設備更好地進行各種應用研究。2012年提出的“移動應用程序”（Mobile Apps）和“平板電腦應用”，強調的都是“應用”（Tablet Computing）。2013年地平線報告中再次強調了“平板電腦應用”（Tablet Computing）。分析這種變化，在于傳統增強現實和移動相關的理論與技術研究相對成熟，未來關注的重點是學習應用模式的研究與創新，這與Garter的預測模型分析結果是一致的。

3.分析

基于Hype Cycle模型和地平線報告，我們分析如下：

（1）傳統增強現實、移動設備、移動計算等理論與技術已趨于發展成熟，為增強現實和移動學習的發展提供了支持，未來將更多的關注應用模式的創新研究。

（2）增強現實技術在理論研究上日趨成熟，需要進一步探索其行業應用模式，隨著移動學習和泛在學習的發展，教育應用將是增強現實應用開發和價值體現的重要領域。

（3）基于智能設備的移動學習正處于應用模式的發現和創新階段，增強現實為移動學習提供了新的學習情境和交互方式，帶來了新的研究場景和研究思路，將有效推動新的移動學習模式的研究。

（4）移動學習和增強現實二者相互融合，相互推動，共同發展。隨著未來在情境感知等領域研究的發展和成熟，也將進一步推動增強現實的應用研究。

三、基于增強現實技術的移動學習分析

基于增強現實技術的移動學習研究在國內外還處于起步階段，還需要我們更多的探索。

1.研究現狀分析

已有研究中，學者們對增強現實技術應用于移動學習領域的有效性進行了分析，指出其在多個方面的優勢。

（1）在學習情境創設上，基于增強現實的移動學習可以創建符合情境的學習環境，支持泛在的、協作的情境學習，豐富了個人學習環境的建設。

（2）在增強學習體驗上，增強現實促進學習者與多種形式的情境信息進行交互互動，使學習信息的搜索更加便捷、學習體驗更加真實，學習交互更加自然。

（3）在促進學習與能力培養上，增強現實型學習軟件在注意力保持、學習遷移方面等優于文本型、圖文型、計算機多媒體型等類型，有助于提高學習有效性。

2.學習案例分析

當前增強現實在教學領域的應用案例主要集中在泛在學習和游戲等方面。Star Walk（星空漫步）是一款典型的基于iOS系統的天文地理學習軟件，如圖4所示。

在使用時，當學習者開啟Star Walk后，將攝像頭對準天空，軟件將對屏幕內的對象信息進行分析處理，及時提供關于對象的信息，呈現學習對象的增強實時互動三維模型，是一種即指即現的方式。學習者可以實時根據所處的經緯度、時間，學習所在位置的星空圖，并可以通過“時間機器”功能，使學習者觀察過去、現在的星相信息。軟件通過維基百科鏈接描述天體條目的信息，并能夠設置標簽，通過微博等社交網絡與其他學習者交互。Star Walk增強現實軟件拉近了學習者與星空、天文學的距離，并且使用方法簡單、界面設計美觀、功能強大，是增強現實技術在移動學習中應用的成功案例。

3.Speeht的增強現實學習模式

對Star Walk學習案例進行分析，可以發現，增強現實應用綜合了學習者的位置、時間、環境和社會關系等情境信息，創設了完善的移動學習體驗。Marcus Speeht等提出了一個基于增強現實的學習分析模式，如圖5所示。

模式基于增強現實的情境增強維度和學習目標維度進行分析，橫向維度分析了六種典型的移動學習情境：獨立情境，標識、位置、環境、關系與時間，縱向維度分析了六種不同層次的教學目標：資源描述、探索發現、內容理解、學習反思、團體合作、行為績效。

增強現實支持和滿足了學習對情境的要求，學習內容由移動學習系統通過感知學習者的學習情境自動推送給學習者，并且通過情境感知和處理，增強和創設新的學習情境。不同類型的增強現實學習，能夠滿足移動學習不同的情境需求，達到不同層次的教育目標。如StarWalk學習應用，基于學習者的位置情境、環境情境和時間情境，為用戶提供良好的學習體驗，將有助于學習內容的資源描述、探索發現、增強學習者的內容理解與協作學習。

Specht的分析模式對我們研究基于增強現實的學習具有借鑒和指導作用，從情境信息角度設計和分析移動學習應用，為學習者創設完善的學習情境，將增強移動學習的智能性和適應性，有助于學習支持系統功能的進一步完善，是移動學習可以深度擴展的方向。四增強現實學習系統設計

本節提出一個增強現實學習系統的設計與開發模型。在前期研究中，我們曾提出了一個面向位置服務移動學習的開發模型，在此基礎上，我們對前期模型進行了擴展和細化，新的模型不僅適用于基于增強現實的系統開發，也能夠對各種移動學習系統的開發提供框架指導，如圖6所示。

增強現實學習系統的設計與開發包括需求分析、功能設計與技術實現三個模塊。在需求分析階段，要從用戶角度和資源特點出發，對所要開發的軟件進行分析。并非所有的學習活動都適用于移動學習形式，因此，需求分析是首要步驟，目的在于判斷學習是否適合于增強現實類型。不恰當的應用移動設備不僅會造成資源上的浪費，還可能對學習的最終效果產生負面作用。在功能設計階段，結合增強現實軟件的特點和移動學習應用模式要求，進行媒體設計、交互設計、三維模型設計、位置服務和社交服務設計。在技術開發階段，基于相應的移動平臺，進行應用程序的開發。三個模塊對應的層次包括系統層、服務層、應用層和開發層。系統層為手機提供底層的軟硬件支撐，包括手機硬件平臺和操作系統。服務層提供應用程序開發的接口和模塊，我們將服務層進一步細化為兩個層次：操作系統平臺類庫和第三方支持類庫。不同類型移動學習系統開發涉及的功能模塊，主要在服務層提供的各種開發包的支持下實現。其中基礎服務層主要包括操作系統平臺類庫，如傳感器編程組件、位置服務組件等。開發服務層包括第三方支持類庫，地圖引擎，增強現實開發的相關工具開發包如ARToolKit、Layar、高通Vuforia，以及各種相關移動開發框架等。應用層向上為用戶提供學習應用，向下選擇和使用服務層的相關功能。根據對移動學習系統的應用需求、功能模塊、學習目標等的分析，選擇適當的移動學習應用模式。具體的開發結合選用的平臺，基于服務層的支持實現。在用戶層，學習者通過智能手機終端，使用相應的學習軟件。

五、結束語

增強現實領域當前還處于應用模式的探索時期，如何將增強現實有效地應用到教育與學習領域還需要我們持續深入的研究。下一步將對基于增強現實的學習模式和學習活動進行研究，如如何設計新型學習資源和資源呈現方式，如何構建有意義的問題情境，增強學習動機，如何設計有效的移動學習活動等。