增強現實在混合教學課堂的應用探索

凌財進++曾婷

DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2016.07.024

摘 要： 介紹了增強現實（AR）技術的基本原理及其在各個領域的應用。AR是將虛擬物體渲染到真實的場景中，是對現實環境更加逼真的補充。以混合式學習理論為指導依據，探討增強現實技術在混合課堂的教學應用，以高中化學教學中一個實例的開發和操作演示過程作為案例，展現了增強現實技術在混合式教學課堂中的應用優勢，為增強現實進入教學領域提供了借鑒。

關鍵詞： 增強現實（AR）； 混合式學習； 混合教學； AR應用

中圖分類號：G434 文獻標志碼：A 文章編號：1006-8228（2016）07-81-04

The application of augmented reality in the blended teaching

Ling Caijin， Zeng Ting

（Heyuan Polytechnic， Heyuan， Guangdong 517000， China）

Abstract： This article introduces the basic principle of AR （augmented reality） technology and the application in various fields. AR renders the virtual objects into the real scenario， which is a complement to realistic environment. Guided by the blended learning theory， the application of augmented reality in the classroom of blended teaching is discussed. Taking the development and demonstration of the operation process of an instance in the high school chemistry teaching as an experimental example， the advantages of AR in teaching are demonstrated， which provides a reference for the application of AR in the field of teaching.

Key words： augmented reality； blended learning； blended teaching； application of AR

0 引言

增強現實（augmented reality，AR），也被稱為混合現實，是在虛擬現實技術（virtual reality，VR）基礎發展而來的一項技術。增強現實是把真實環境和虛擬現實的景象疊加起來，在同一個畫面或空間同時存在，并強調虛擬對象與真實世界物體的交互。虛擬現實技術則注重運用計算機創造一個人機交互的3D虛擬空間，為使用者提供關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，用戶完全沉浸在一個虛擬的合成環境中，無法看到真實環境。增強現實能夠把計算機虛擬信息（物體、圖片、視頻、聲音等）融合在現實環境中，用戶觀察的真實場景與虛擬物體共存一個視覺感知空間，把現實世界豐富起來，對現實環境進行了更逼真的補充，增強了用戶對真實環境的理解。增強現實的使用可比喻成在用戶的現實世界里開了個窗口，或者將來視角足夠大的時候，把呈現在我們面前的現實世界做一個疊加的、真實的注解。VR與AR兩者由于技術原理不同，各自的應用領域不盡相同，兩者都致力于塑造具有真實感的感官輸入、交互的環境。

1 混合教學模式

傳統教學模式以系統知識傳授為主的路線進行教學設計，課堂教學多采用粉筆+黑板等講授法、演示法、討論法等。傳統教學模式能發揮教師在課堂的主導作用，幫助學生高效掌握系統的知識技能，同時也有利于師生情感的交流，充分發揮情感因素在教學中的作用[1]。這種教學模式有它的局限性，如不利于實踐課程的教學，對抽象事物表達不夠具體，缺乏師生、學生之間的課堂互動，不利于激發學生的自主學習興趣，課堂過分依賴教師的“教”的過程，忽視了學生“自主學習”過程。

傳統課堂的不足及“混合學習”（Blending learning）概念的興起，引起了教育研究界的注意，“混合學習”即兩種以上學習方式（或教學方式）的結合，在認知主義、建構主義等學習理論的指導下，一種新型的“混合式教學模式”把傳統課堂的優勢和技術的優勢結合起來，在課堂的組織形式上采用“教師主導地位、學生自主學習”的觀念，既能發揮教師在課堂的啟發、引導、監控作用，又能有效地激發學生“自主學習”的興趣。

目前，在混合課堂中最常用的是“講授—演示”法，教師演示事先準備相關的視頻、課件、教學軟件等，同時講授相關的知識點，學生還是被動地接受所有內容，課堂缺乏實時交互，在抽象、邏輯性強的教學內容的表達上，這種教學方法、手段不能直觀表達知識的全面性，學生不能從抽象的事物理解其實質。本文嘗試在課堂教學設計中結合AR應用的“沉浸性”、“交互性”解決目前教學中遇到的問題。

2 增強現實的原理及應用分析

2.1 AR技術原理應用分析

AR技術結合計算機圖形圖像、移動設備、可穿戴設備等把用戶帶入到“真實世界”中，通過聽覺、視覺、觸覺等虛擬信息來增強對現實世界的感知，實現了從“人去適應機器”到“以人為本”的轉變。AR APP應用的原理是：在計算機編程中被寫入在特殊的3D程序中，這種程序允許開發者連結動畫或者情景數字信息，其目的是增強現實標記的一個真實世界。當一個計算設備的AR應用程序或瀏覽器插件從已知標志接收數字信息時，它開始執行標記的代碼和圖層正確的圖像。圖1通過使用移動設備端的APP端完成虛擬模型與現實場景中的疊加，合成虛擬模型標志物，使用移動設備終端APP掃描標志物，通過運行增強應用系統服務器端識別捕捉標志物位置，學習者通過屏幕終端觀察虛擬合成物，具體步驟如圖1所示的AR技術原理應用模型圖。

2.2 AR技術市場應用前景

最早進行AR技術的研發應屬索尼公司，1994年就在二維碼的基礎上連續發布兩款關于增強現實的游戲.蘋果公司最近也獲得多項增強現實系統專利，IBM Smarter Commerce也推出了一款零售店的增強現實應用，用戶用移動設備的攝像頭對準零售店里貨架上的商品，識別實時視頻物體并將信息疊加顯示在圖像上[2]，屏幕上會出現虛擬的商品信息。創業公司Daqri打著做增強現實界Photoshop的旗號進行了第一輪融資。

增強現實技術軟硬件應用范圍從工業領域逐漸延伸到了醫療、教育、游戲、娛樂等，圖2所示為AR目前在各個領域的應用。目前開發者可選的AR開發工具還是很多的，比較主流的有Qualcomm推出的Vuforia SDK，它既支持iOS和Android平臺，又為Unity3D引擎的用戶提供Vuforia擴展插件。Anatomy4D是一款免費的、很好用的APP，主要幫助了解人的身體構造，并提供一個互動4D人體解剖學的經驗，具有極強的視覺沖擊力和完全互動效果。Chemistry101是一款應用于教育的APP，想象一下在化學課堂中，對準寫有化學元素名或化學式卡片，用手機或平板就可以顯示出三維效果的分子結構式。

3 增強現實在混合式教學課堂的應用

教學的目的就是以最有效的方式向學習者傳授和遷移知識，新行為主義和認知主義的學習理論都強調知識的傳授和遷移，這就是課堂中的“教”，建構主義學習理論強調把教學目標設計在真實的情境中，強調以學生為中心，通過問題情境促進知識獲得的協作交流和建構，這就是課堂的“學”[3]。移動通信設備、可穿戴設備及AR應用為混合教學課堂提供了數字化支持，AR技術改變了學生與“世界窗口”的交互，AR把真實環境和虛擬物體結合在一起，設想教師的課堂教學會不會因為AR技術的應用變得越來越生動呢？學生們是不是會更加積極響應問題并且自主地去學習呢？

3.1 增強現實的教學需求

隨著多媒體教學及各種教學軟件平臺在教學課堂上的廣泛使用，各學科的數學化學習，已經營造了一種數字化學習環境。目前各類信息技術應用于教學課堂中，其中有些多媒體類及軟件類教學資源只能快速地、簡單地復制教材某些知識點，對于部分復雜抽象的知識內容缺乏完整的構建過程，學生之間、教師與學生之間并沒有進行充分的交互，最終造成學生對于知識目標的構建有可能只是片面的，或者對于抽象內容只能記憶或者接收來自教學視頻或廣播的內容，不能完成教學內容的構建。

為了嘗試解決這些問題，部分研究者已經將增強現實技術引入課堂教學中，Kikuo Hideaki指出，AR可以為學習者提供一種新型的學習工具，AR的真實環境與虛擬物體的“二合一”，為學習者提供了真實的“沉浸式”環境，對于真正實施建構主義的“混合式課堂”學習活動，建構主義理論下特別強調學習環境的設計[4]，AR技術工具應用到課堂教學設計中，正是支持學習者進行建構性學習的各種數字學習資源的應用。

3.2 基于移動設備APP的增強現實案例

高中化學有機物化合物分子的結構式是教學的難點，用傳統講授法很難把有機化合物分子結構式和物理性質的關系直觀表現出來，對于抽象思維還需繼續完善的高中生來說，很難掌握、理解分子結構式與物理性質（溶解度、沸點、熔點等）之間的結構關系。因此，教師可在課堂創建虛擬真實的“學習情境”去解決這些傳統教學課堂存在的問題。Augment 3D是一款移動設備App，最初是使用在超市選購商品的3D模型。經過開發商不斷改進和用戶長時間的應用，Augment3D成為一款應用于銷售、娛樂、游戲、醫學教育等完美的應用軟件。此款軟件擁有一個強大3D模型庫，所有的用戶可以調用其模型圖。它提供了3D模型的接口，用戶可以任意為模型庫添加3D模型圖，模型庫已具有各種類型的3D模型圖（包括3D動畫模型）。有機物化合物分子的結構式決定了其化學物的物理屬性，因此，學生能夠在最佳的技術工具和學習環境支持下，自主構建化學物分子結構圖，這對掌握其物理性質、發生化學變化的原理具有重大的意義。在混合式教學課堂中，教學設計更加注重支持問題探究的虛擬情境工具。在移動設備（手機、平板等設備）安裝Augment3D APP，把C60的分子結構式3D模型導入到軟件中，然后拍攝課本中C60的分子二維平面結構圖，再把平面圖導入到數據庫中，建立3D模型和二維平面結構圖的對應關系，至此，一個形象逼真的C60分子結構式的增強現實環境已經構造完成。

圖3所示為C60的分子結構式虛實結合界面操作效果圖。用手機啟動Augment3D應用，用攝像頭掃描已經和3D模型建立關系的課本C60二維平面結構圖，在C60平面結構圖將會呈現出一個“真實”的3D模型，用戶還可以與手機進行交互，軟件提供對3D模型旋轉、拖曳、縮放等功能，在應用AR技術工具的課堂教學環境下，學習過程中體現空間感，教學交互性強，用戶可以直觀地觀察抽象的物體，并且能夠吸引學習者的注意力。使用平板掃描用Augment3D APP打印的乙烷的C2H5的分子結構式的效果圖片，用平板的攝像頭進行掃描，圖4是乙烷C2H5的分子結構式虛實結合界面操作效果圖。

3.3 課堂效果評價

我們對AR技術的教學案例運用到混合式教學課堂中，開展問卷調查，在250名學生中，對使用增強現實為開發工具的混合教學課堂非常滿意的有187人，占74.8%；基本滿意的有40人，占16%；不滿意的僅為9.2%。其中不滿意的學生中，大部分是由于APP暫時不能同步顯示出化學反應的過程。調查數據表明，增強現實的混合式課堂能夠體現增強現實技術學習資源設計理念，有助于構建基于情境的、資源的、問題的以及協作學習的模式[5]，能使信息技術優質教育資源得到最有效的利用，讓課堂教學的潛能更好地發揮，在學生中認可度較高，在教學中占據著不可取代的地位。

4 結束語

本文探討了增強現實技術用于混合式課堂教學，構建以學生為中心、開放式的人性化的教學。實踐證明，混合模式的課堂教學提高了學生的自主學習興趣，為抽象學習創造了“真實”情境，為課堂提供了數字資源環境。雖然目前增強現實還未普及和規模化應用，但其未來發展空間極大。作為一種全新的人機交互技術，完善硬件設備。AR現實場景和虛擬場景結合，將這種增強現實技術應用到教學中，將會創新課堂教學模式，為教學提供了學習情境，有很高的應用價值。

參考文獻（References）：

[1] 張寶運，惲如偉.增強現實技術及其教學應用探索[J].實驗技

術與管理，2010.10：135-138

[2] 洪雁菲.在虛擬和現實里游刃有余：增強現實技術的那些事

[EB/OL].http：//www.geekpark.net/topics/199704，2014.3.5.

[3]余勝泉，路秋麗，陳聲健.網絡環境下的混合式教學——一種

新的教學模式[J].中國大學教育，2005.10：50-56

[4] 嚴云芬.建構主義學習理論綜述[J].教育探索與實踐，2005.8：

35-36

[5] 王萍.移動增強現實型學習資源研究[J].電化教育研究，

2013.12：60-67