增強現實技術在教學活動中的應用研究

何朝杰 彭韌 張雪

摘要：增強現實技術是虛擬現實技術的一個分支，它通過將計算機生成的虛擬信息和真實世界進行融合，讓用戶在虛實結合的環境中進行體驗和互動。在教學活動中運用增強現實技術對學生創新和應用能力的培養都有積極的作用。文章簡要論述了如何在教學活動中利用增強現實技術幫助學習過程更加簡單易懂，并提高學習者的興趣和學習效率。

關鍵詞：增強現實 虛擬環境 教學應用 教育游戲

中圖分類號：G434文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2019）01-0100-02

Abstract： Augmented reality technology is a branch of virtual reality technology. It combines computer-generated virtual information with the real world to allow users to experience and interact in a virtual and integrated environment. The use of augmented reality technology in teaching activities has a positive effect on the cultivation of students1 innovation and application ability. The article briefly discusses how to use augmented reality technology to help the learning process become easier to understand and improve learners' interest and learning efficiency in teaching activities.

Keywords： Augmented reality Virtual environment Teaching application Educational game

一、增強現實技術簡介

（一）技術定義

增強現實技術（Augmented Reality，AR），是一種在現實基礎上進行加強的技術。區別于虛擬現實技術（VirtualReality，VR）構建的完全虛擬世界中的沉浸感體驗，增強現實技術的目的是將計算機生成的虛擬世界與用戶切實體驗的真實世界進行疊加和融合，以此來拓展和增強用戶的視、聽覺系統。通過計算機技術，將真實場景和虛擬信息實時疊加在同一個畫面或空間中，實現虛擬世界和真實世界的和諧共存[1]。

增強現實的定義主要有兩種[2]，一種是將真實環境與虛擬環境放置在兩端，靠近真實環境的稱為增強現實，靠近虛擬環境的稱為增強虛擬，位于中間的則稱為混合現實;另一種是以虛實結合、實時交互、三維注冊為特點，利用附加的圖片、文字信息對真實世界進行增強的技術。

（二）技術實現

目前增強現實技術的實現可以分為三類，首先是顯示在可穿戴式設備上，例如眼鏡等，其次是在計算機、手機等智能設備上顯示，最后是利用投影設備直接在現實中投影顯示。究其本質而言，都是虛擬景象與現實場景的結合，因而下文并不做過多區分，將重點放在應用的本身上。

二、增強現實技術與教學活動的結合

（一）學習教學的理論

學習教育是一個與大腦記憶相關聯的過程，在這一基礎上，許多學習理論相繼被提出[3]：“情境認知理論”認為：學習應隨著情景發生變化，學習應該發生在真實的情景中，學習需要交互和合作;“協作學習理論”認為：學習者以小組形式或團隊形式參與，可以促進學習最大化;“沉浸理論”認為：當人們投入到一種活動中去而完全不受外界的干擾時，會充滿興趣與毅力去完成這項活動。

（二）增強現實的教學應用

結合教學理論和不同場景下的教學需求，可以構建增強現實技術在教學活動中的多種應用，以此來提高教學的效率和水平。

1.增強現實拓展閱讀：好奇心、游戲心理、形象化識別是多數學生，尤其是低齡學生的基本心理需求[4]。相對于對著乏味的文字，他們更樂于看到更有趣的表現方式。將增強現實技術和書籍閱讀的過程進行結合，可以將書籍中平面的文字和圖片內容用更生動、具象的方式表現出來，例如視頻影像的播放、虛擬模型的演示、小游戲的互動等，通過這些引人入勝的方式更加真實、易懂地展現書籍的內容，將閱讀變成一個主動體驗的趣味過程。

增強現實拓展閱讀最直接的應用方法是利用帶有攝像頭的智能移動設備，當使用特定的應用掃描書籍中的文字或圖片時，就會在屏幕上顯示出相關的立體影像，例如在閱讀《魯賓遜漂流記》中海船遇到風浪沉沒的過程中，使用設備掃描書籍中沉船的圖片，就能看到在暴風雨中掙扎的海船以及其最終沉沒的過程，伴隨著豐富的音效和動畫，讓讀者能夠從更生動和主觀的角度閱讀和理解書籍中的故事。

此外，還有專門為增強現實閱讀開發的硬件設備，例如索尼公司開發的Wonderbook，這是一款PS3的增強現實外設，它的外形就像一本真實的圖書，用戶可以通過動作控制器和攝像頭與圖書互動，以此來探索其中的故事，當讀者想要看下一個故事時，只需要翻頁即可，實現了“一本書，一干個故事”。

利用增強現實技術，在閱讀的過程中，讀者從被動的信息接受者變為主動的發現者、探索者。主動交互體驗是增強現實拓展閱讀的核心部分，它帶給讀者視覺、聽覺上的多維度體驗，讓讀者更深刻地了解和吸收更豐富的知識內容。

2.增強現實立體演示：在開展教學活動的過程中，教師最常用的方法就是立體實物演示。例如在高中化學課中，教師使用球棍模型等實體教學模具給學生演示化學分子結構。但是這種模型一般只能演示幾種簡單的分子結構，對于復雜一些的結構，教師就只能靠平面圖形來進行演示。在這個過程中結合利用增強現實技術進行立體演示，只要給出一個分子式，就能夠投影顯示出三維分子結構模型，教師和學生可以直接旋轉、移動、觀察這個分子模型，從而對其組織結構有清晰的了解認知。此外，對于化學反應式，增強現實技術能立體直觀地顯示出反應過程中各個分子結構的打散和重組過程，學生可以在任何時間和位置對這個過程進行暫停、放大等操作，幫助學生更簡單地了解化學反應過程。

目前在智能移動設備上就有一款基礎的化學教學增強現實應用：ChemistrylOl。只需要在手機或平板電腦上下載和打開這款應用，將攝像頭對準寫有化學元素名或分子式的卡片，在屏幕上就會顯示出該元素或分子的立體化學結構。

對于其他課程，例如將增強現實技術應用到高中地理課教學中，當教師講述洋流變化時，傳統教學中學生只能對著平面圖片上的箭頭學習，利用增強現實技術，可以將立體的世界洋流的模型展現在學生的面前，學生可以主動隨意操作模型，觀察任何時間，任何海域的洋流，可以跟隨任意一條洋流的流動;教師可以指著具體的洋流過程給學生講解，可以將模型自由旋轉、放縮，靈活地展示各個知識點。

利用增強現實技術，使得原本枯燥、難懂的模型結構，能夠生動、靈活地呈現出來，在教師授課和學生學習的過程中，可以更方便和明了地直接觀察知識點。當出現困難疑問時，不再紙上談兵，直接通過虛擬立體演示，讓學生充分了解復雜變化的過程，通過交互增強對知識的理解和印象，提高學習效率。

3.增強現實教學游戲：游戲具有娛樂性、自由性、幻想性等特點，通過寓教于樂的方法，把學習教學過程與游戲過程相結合，能達到事半功倍的效果。教育游戲[5]是將教育與游戲有機融合的一種既具爸趣味性，同時又兼顧知識性，且二者比重相當的應用型軟件。

例如，在一款解密益智手機游戲《涂鴉上帝》中，玩家扮演上帝的角色，利用最開始的風火水土四種元素的組合，創造出新的事物，又可以利用新產物進一步進行創造。這種益智的游戲方式，很適合低年齡的孩子學習一些常識性的知識。將增強現實技術與這款游戲結合，讓孩子在立體空間中進行切實的操作。孩子只要用手拖動材料，例如，將沙子和火焰結合，就能產生玻璃這個全新的產物，孩子在這種新奇的方式中，通過自己的雙手，知道了玻璃是沙子經過火的鍛煉而產生的。當孩子通過自己的努力實踐完成一項合成時，自然地產生一種自豪感，這種自豪感能幫助孩子更好、更深刻地記憶知識。

例如，當游客來到一座陌生的城市進行游玩時，需要對本地的景點、地標、文化底蘊等內容的進行教學。傳統的方式是通過游客自己搜索知識信息，或者通過導游的介紹等，而通過增強現實手機應用，可以簡化這個過程。在應用中會提供城市的地圖，當用戶打開這款應用在城市中游玩時，就像在游戲中探索迷宮一樣，到達過的區域的迷霧將消失。當用戶到達一個景點，使用應用掃描景點里的標識時，手機屏幕上就會浮現出介紹這個景點的特色、歷史、淵源等知識的文字、圖片、視頻、語苜等多種多樣的息。

將增強現實游戲廣泛用于科普教學等方面，通過游戲的趣味性誘導玩家在游玩的過程中得到學習，可以幫助學習者更有興趣投入到學習之中，可以更好地記憶知識。

4.增強現實教學場景構建：在教學的過程中，教師可能需要一些比較特殊而且又不容易實現的情景。例如對于汽車維修教學，如果要提供各種類型車輛的各種不同的故障情形，就可能需要許多車型，或者將一輛車搞得七零八落。如果使用增強現實技術，教學過程中只需要一輛真車，學生使用手持智能設爸上的專門應用掃描，在屏幕上就會顯示出教師要教學的特殊的故障點以及各種說明。更進一步的應用情況是將虛擬的車輛模型投影在學生面前，教師可以隨意開閉、拆卸車輛的零部件，可以將損壞的部位單獨放大、提出進行講解等。

德國大眾就曾經推出一款名為“MARTA”的修車軟件。這款APP利用影像分析技術，當用戶將手機攝像頭對準汽車零部件時，會在屏幕上顯示汽車零件名稱以及各種相關信息，更能利用動畫顯示的方式告訴用戶該如何拆解這零件，極大地幫助用戶簡化維修流程，提高修理效率。

三、增強現實教學應用的優勢

在教學過程中引入增強現實技術具有以下優勢：

①增強現實技術將原本復雜或枯燥的教學內容用直觀、新穎的方式直觀地呈現出來，減少了傳統教學模式中教師能力對教學效率的決定性影響，在減輕教師負擔的同時，能有效地吸引學生的注意力，激發和增強學生自主學習的興趣和熱情。

②增強現實技術打破了傳統教學平面、單一的模式，將視覺、聽覺等多維度融合，構建三維立體的模擬環境，使得一些抽象的、復雜難以理解的教學內容以具象的、開放易懂的方式呈現，同時以調動學生眼、耳、手、腦等多方面能力的方式提高學生吸收知識的能力，增強教學的效率。

③增強現實技術構建的學習環境具有沉浸性和交互性，給學生提供可以直接動手觀察和操作的機會，超越了傳統的學生被動接受的教學過程，讓學生主動參與到教學活動中，有助于發展學生獨立探索的思維方式和面對三維空間信息的活躍、開闊的思維能力，同時培養學生的自主動手能力，激發學生的拓展性和開創性。通過親身體驗，學生也能加強對知識的理解和記憶，增強教學的效果。

④建立虛擬教學環境和實驗環境，能有效減少教學過程中所需要的昂貴的設備以及材料的購買以及維護開支，降低教學成本，同時也減少環境污染和管理上的不方便。

總結和展望

將增強現實技術加入到課堂教學中，不僅僅是工具上的進步，更是課堂教學方式的轉變，學生從被動接受者轉化為主動探求者，教師也不僅僅扮演一個灌輸知識的角色，而是一個啟迪者、引路人，增強現實技術下的教學是一個參與、交互、傳遞、反饋、發現、強化的過程。

目前增強現實技術在工程、游戲等領域中都有優秀的表現和前景。將增強現實技術構建出的虛擬場景與真實場景的交融帶來的沉浸性和交互性應用到教學領域上，為教學物體模擬、教學過程體驗、教學結果呈現和師生交互方面都提供了新的可能[6]。在這種新環境下，如何設計適合各種不同條件下的教學環境的增強現實技術的展現方式和交互方式將成為教學領域中增強現實技術研究的難點和熱點。

當下的技術發展都是呈加速發展趨勢的，在終身教學成為社會發展的必然要求且競爭日益激烈的信息時代，將增強現實技術特有的人機交互方式和信息呈現方式與教學過程相結合，增強現實技術必定能在教學領域中大展身手。

參考文獻

[1]柳祖國等.增強現實技術的研究進展及應用[J].系統仿真學報-2003，2（15）.

[2]王宇希，張鳳軍，劉越.增強現實技術研究現狀及發展趨勢[J].科技導報，2018，36（10）：75-83.

[3]張洪波.增強現實技術在教學中的應用研究[D].開封：河南大學，2012.

[4]蔡新元，陸晴漪.增強現實技術在傳統兒童書籍中的應用研究[J].湖北大學學報（哲學社會科學版），2013，40（4）：100-103.

[5]朱丹丹.虛擬現實技術與教育游戲結合的發展前景初探[J].當代電影，2018（2）：164-167.

[6]蔡蘇，宋倩，唐瑤等.增強現實學習環境的架構與實踐[J].中國電化教育，2011，（8）：114-119.

[7]劉佳.計算機輔助工業設計課程組教學模式研究[J].設計，2017，30（7）：106-107.

[7]弘韜.圖形創意課程教學實踐創新研究張[J].設計，2017，30（7）：108-109.