HoloLens教育應用述評

□李 娣 王 玉 劉雙健

近年來，移動增強現實技術發展迅速，并在教育中得到了廣泛應用。它能將真實環境和虛擬現實的景象進行結合，強調通過虛擬對象手段與真實世界物體進行交互。這種基于現實世界、由虛擬數據增強的交互手段，給教育提供了全新的方式，此類最貼近自然的交互方式為學習者搭建了一個自主探索的空間[1]。近年來，越來越多增強現實技術產品出現在大眾視野。2015年1月微軟公司發布了一款增強現實產品HoloLens，它是首個無線纜約束的移動計算設備，支持用戶和構建出的虛擬影像進行交互，帶來了良好的用戶體驗。HoloLens的應用特點拓寬了其應用領域，除了在游戲領域已開發出較多優秀的應用外，其應用于教育行業也必將成為一種趨勢。

一、HoloLens應用于教育的特性

雖然HoloLens在教育實踐中已有一定的探索，但由于技術門檻高，開發難度大，所用工具的靈活便捷性以及成本的問題，在教育行業的廣泛普及還存在較多問題，HoloLens技術的進一步發展，模式應用的自身特性使其在教育方面發展有很大的優勢，并且會變得愈加成熟，主要體現在以下三方面：

1.不受線纜限制，佩戴方便，便于使用。Holo?Lens是一款不受線纜限制的裝備，佩戴自由，它是一種特殊的眼鏡，學習者可以根據實際情況調整到適宜的位置，即使自身戴著眼鏡，也不會受到任何干擾，對觀看體驗沒有影響。設備的設計考慮了使用者的感受，人性化設計，采用非封閉式結構，不會給使用者帶來沉悶的厚重感，長時間使用也不會因為出汗帶來任何影響。由于視野中呈現的是現實生活中的場景、佩戴舒適感強，使用者可以自由行動，在移動過程中不必擔心受到障礙物的羈絆，體驗更加自然，與周圍環境的溝通更加流暢。

2.延時低，提高學習效率。HoloLens首先通過掃描檢測周圍所處環境，并在此基礎上構建展示的虛擬世界。實際應用過程中，延遲效果控制在實時幀率內。圖像跟隨頭部運動而轉動且具有穩定性，以避免卡頓和晃動的現象。HoloLens的優勢之一在于可以對環境進行實時渲染，令其生成的全息圖像和所處環境協調地融合在一起。

3.多種交互方式。HoloLens主要通過手勢、聲音與凝視三種方式實現學習者與虛擬物體的交互。手勢的交互符合學習者使用習慣，學習者只需將手抬到相應位置，根據眼前的提示進行操作即可。此交互方式方便易行，無須額外的學習負擔，識別率高。目前可識別的手勢有抓取、旋轉、移動等。因其貼近人們的生活習慣，因此使用范圍最廣，并成為主要的操作方式。HoloLens中有捕捉語音的設備，目前支持英文發音，由于發音個體的差異，有些許延遲，但總體而言，其效果能滿足學習者語音交互需求。通過語音可以導航、控制應用等，設備可以根據學習者的語音指示完成任務。HoloLens的內置傳感器，支持頭部凝視功能，即光標可以跟隨轉動的頭部，去選擇某個按鈕或畫面。學習者在實際的應用過程中可以通過根據個人喜好選擇交互方式進行學習。

二、HoloLens的教育方式

計算機圖形和虛擬現實技術專家蔡蘇博士研究指出，無論針對學科學習還是非正式學習模式，應用增強現實學習環境進行教育學習的方法大致可以分為以下兩類：基于任務設計的方法和基于具身認知的AR教育方法[2]。通過使用適當的指導性方法，增強現實環境可以開發與預期學習目標一致的情境支持，同時影響學生學習的內容和方式。

1.基于任務設計的HoloLens教育。基于任務設計的HoloLens教育通常包括一個或一系列任務，這些任務與具體學科相結合并具有一定的挑戰性和趣味性，也可以簡單地理解為游戲性教育方式。例如，在微軟官方提供的Fragments應用中，用戶可以扮演一名偵探，使用先進的工具并依靠相關的設備偵破案件，與原物一樣大小的全息角色可以感知用戶的存在，用戶需要通過與全息物體進行交互從而推進劇情的發展。這種角色扮演的方式可以讓使用者有身臨其境之感，鍛煉換位思考能力，促進跨領域知識與方法的融合，更好地激發創造力。可以根據具體的教育內容設置相應的任務，在HoloLens營造的虛實結合的學習環境中，真實世界中的問題解決和游戲中的問題解決之間的界限變得模糊。

2.基于具身認知的HoloLens教育。具身認知理論，強調身體運動能夠促進學習者從外在感知方面更好地進行知識建構[3]。認知是情境化的，環境也是認知系統的一部分，人們可以通過外在環境來降低認知負荷。傳統的音樂鑒賞課都是教師通過外放設備為學生播放音樂，而通過HoloLens我們可以讓學生置身于全息交響樂團當中，如果學生想要聽到更多的鋼琴部分，就可以走近全息鋼琴師，鋼琴部分會變得更清晰響亮，這就帶來了比傳統課堂更深刻的外在感知。微軟官方提供的開源應用Galaxy Explorer中，學生可以借助HoloLens近距離觀察銀河系、太陽系以及太陽和八大行星，由于HoloLens允許多人通過局域網同時觀察同一全息物體，學生可以通過手勢對行星模型進行旋轉、平移和放縮，相較于使用鼠標或鍵盤進行控制的虛擬現實軟件操作，HoloLens所提供的凝視、語音和手勢操作更加符合常人的操作習慣，這種調動學習者具身認知的智能技術能夠提高學習者的興趣和學習效果。

三、HoloLens的教育應用案例

HoloLens應用于教育逐漸成為一種趨勢，目前關于HoloLens在教學方面的開發和應用盡管也有了一些實踐的探索，但主要集中于數學、地理、化學等幾門學科。在非教學領域，也著重于職業培訓等方面的開發，并進行了一些實踐。總體來看，此類研究已經取得了一定的成果。

1.教學領域。（1）數學。數學中的幾何學習，對學生來說都是一大難題，傳統授課方式中，教師大多在黑板平面上繪制三維圖像，但過于抽象，學生很難在腦海中構建出其全貌。借助于HoloLens設備，可以讓學生更加全面直觀地觀察幾何圖形，不僅可以在三個維度上全方位地觀察，并且可以與虛擬物體交互，加深對其印象，促進學生的理解。

（2）地理。地理學科的學習經常涉及學習者生活中難以接觸到的學習場景，例如，低溫、高壓以及真空等極端環境。借助于HoloLens使得有危險的操作性實驗或生活中難以觀察到的現象也可以原原本本地呈現在學習者面前，加深學習者的記憶。比如在星系的學習中，學生們能夠真切的觀察到太陽系的構造，HoloLens創造出的場景能夠展現移動的衛星等。

（3）化學。針對化學學科中元素周期表的學習，HoloLens開發了一款應用軟件“MyLab”，將完整的元素周期表呈現在學習者眼前，學習者除了可以和單個的元素進行互動，還可以將不同的元素進行組合，觀察元素組合之后的效果[4]。傳統學習中，學習者只能看到書面上的符號，靠死記硬背來記憶，無法與真正的化學元素以及各元素間的相互作用產生聯系，“MyLab”將元素周期表中各元素可視化，令學生不再僅局限于課本。

2.非教學領域

（1）醫學。在醫學的解剖課的學習中，學生無法以三維視角進行學習，即使通過對照書上的插圖以及尸體標本，也無法深入了解，并且此種學習方式費時費力，效果也不顯著。HoloLens可以從全局或者局部明確顯示身體的任何部位，半透明的呈現方式，讓學習者更易快速掌握解剖學知識。

（2）旅游業類。“東方博物館（Oriental Muse?um）”和“探索古埃及的秘密（Secrets Of Ancient Egypt）”是兩款文化教育類的應用，用戶佩戴Holo?Lens設備，結合多種呈現方式，如文字、圖片、語音、視頻等讓用戶了解紫禁城和古埃及，用戶可根據自己喜好觀看建筑的全貌或者局部景觀。

四、總結與展望

與傳統學生聽、教師講，然后進行測試的教學方式相比，HoloLens技術具有以更現代的方式來改變教育的能力，可實現真正的情境學習，使得學習課題對于學生而言，更加真實，而不僅僅存在于講座、書籍和PPT演示文稿中。但是目前HoloLens也存在一些尚待解決的問題，首要的問題是佩戴舒適度問題，長時間佩戴HoloLens會導致不適。當前HoloLens采用Ste?reoscopic技術實現三維成像，Stereoscopic的問題在于無法實現主動選擇性聚焦，因而長時間佩戴會出現暈眩現象；其次是HoloLens的重量問題，長時間將其佩戴在頭上的體驗并不舒適；另外HoloLens的全息成像也并非可以以假亂真，除了游戲場景之外，我們觀察正常的窗口邊緣都會發現有彩虹狀的油彩色，這會影響沉浸式學習情境的構建；最后由于機型成本和性能的限制，HoloLens的視場角（FOV， Field of Vi?sion）只有不到40度，并且無法同時呈現多個場景，切換到新的場景時舊的場景就會銷毀，令用戶體驗大打折扣。

大量的HoloLens教育應用案例和討論表明，Ho?loLens技術在教學支持和非教學領域上具有很大的發展潛力和應用前景。但也應當看到，HoloLens作為微軟首款不受線纜限制的全息計算機設備，目前還并未推出較為成熟的消費者版本，盡管HoloLens的開發版本價格昂貴，并且具有較多的不足之處，但是Holo?Lens的未來版本顯然可以深刻地改變我們與計算機甚至與周邊環境之間的關系，佩戴HoloLens感覺就像瞥見了未完成的未來。

[1]蔡蘇，王沛文，楊陽，等.增強現實（AR）技術的教育應用綜述[J].遠程教育雜志，2016，（5）:27-40.

[2]蔡蘇，薛曉茹，張晗.增強現實（AR）在K-12教育的應用實踐[J].中小學信息技術教育，2017，（11）:71-75.

[3]Hung I C，Lin L I，Fang W C，et al.Learning with the Body:An Embodiment-Based Learning Strategy Enhances Performance of Comprehending Fundamental Optics[J].Inter?acting with Computers，2014，26（4）:360-371.

[4]R Furlan.The future of augmented reality:Hololens microsoft's ar headset shines despite rough edges[J].IEEE Spectrum ，2016，53（6）:21.