AR技術在教學演示中運用研究思路探析

姚英

目前國內的AR技術主要應用于實際項目，但作為教學手段進行教學仍處于探索研究階段。本課題主要研究通過增強現實技術，實現“透視學”課程教學中演示效果、師生交互、學習興趣、教學效果的提高;AR技術在教育教學演示中的應用對推進教育信息化，促進教育教學改革具有積極的意義和深遠的影響。

1 前言

《國家中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》中提出：“提高教師應用信息技術水平，更新教學觀念，改進教學方法，提高教學效果” 。《教育部關于“十三五”高等學校設置工作的意見》指出：“積極鼓勵廣大師生在日常教學與學習過程中根據需要廣泛應用已較為成熟的各類信息技術、設備和工具，探索使用新技術、新設備與新工具”。隨著現代信息技術、多媒體技術和網絡通信技術的迅猛發展，對教育工作者在實際教育教學中提出了更高的要求。

2 AR技術在教學演示中運用的研究意義

目前的本科教學中演示過于單一，大多用多媒體課件演示呈現，學生處于被動接收的狀態，存在忽視課堂生成性、缺少學生參與、缺乏交互性等問題，不能激發學生的學習興趣，教學效果不理想。而“透視學”課程作為環境設計中最重要的課程之一，由于學生的空間感不足，透視原理是其學習過程中最難掌握的，復雜的三維空間狀態的透視關系很容易使學生感到困頓與枯燥乏味。

增強現實技術（增強現實，簡稱AR技術），是通過計算機系統提供的信息增加用戶對現實世界感知的技術，將虛擬的信息應用到真實世界，并將計算機生成的虛擬物體、場景或系統提示信息疊加到真實場景中，從而實現對現實的增強。將AR技術運用在教學中可以改變現有的傳統教學演示形式。使用AR技術，如聲音技術、三維圖像、動畫制作和用戶交互，許多在現實世界中難以表現的對象和環境可以是虛擬的。將計算機產生的虛擬信息疊加到真實的透視場景中，互相增強或互為補充;實現了透視學課程中的物體結構透視、室內與建筑場景的透視、室外透視等演示，為學生提供一個三維的虛擬透視環境，通過與虛擬場景交互獲得透視知識，解決teachin中存在的許多問題，大大增強了教學演示的趣味性和實用性，激發學生的興趣與積極性，提高學生的學習效率。

3 AR技術在教學演示中運用的研究現狀

3.1 國外研究現狀

AR技術起源于20世紀60年代，90年代迅速發展，較著名的研究機構主要集中在美國麻省理工大學、哥倫比亞大學、日本、德國和新加坡等發達國家的實驗室。哈佛大學教育研究院克里斯托弗﹒德迪教授等人研究了基于AR的課程學習模型，設計并開發了一個AR移動課程項目。新加坡國立大學志應洲等人開發了wiz-Qubes娛樂教學系統，利用AR技術向兒童講述故事;日本的Kikuo Asai為學習者提供了一種新的學習工具，具有很大的發展空間。奧地利維也納大學設計了一個增強現實的數學教學系統，它可以通過眼睛看到真實空間中的三維數學模型;Kaufmann H教授.研究了基于增強現實技術的工具在空間幾何教學中，它可以為師生提供一個面對面的交流與合作平臺。

國外學者將AR技術推廣到高等教育領域，停止了系統的理論和實驗研究。Brett E.Shelton（2002年）發表的《增強現實和教育：當前的任務和課堂學習的潛力》中探析了增強現實技術對促進學習具有巨大的潛力。2011年11月，未來實驗室首席科學家理查德桑福德，提出了“走出課堂回歸現實世界：用手機和增強現實技術講授理科課程”的主題，探討了增強現實技術在移動學習中的可用性和可行性。

3.2 國內研究現狀

AR技術在中國尚處于起步階段，在工業、旅游、文物修復、展覽、影視娛樂等領域的研究非常活躍，而涉及到教育教學演示的研究為數不多。浙江大學開發了一個“基因剪刀”項目，將AR技術應用于科學博物館，以提高兒童對理解和學習科普科學的興趣。“數字頤和園”，由北京理工大學王涌天教授等采用AR技術開發，利用AR技術將真實場景與當年未被破壞的場景結合起來，在圓明園遺址相關的復原。中韓合作開發了首款AR技術涂色游戲書，這本書將形成一個完整模型的應用程序。

近年來國內高校教育工作者對于AR技術在教學演示工具的開發及其在教學中的應用進行了一些有效的研究。如陳向東，張茜（2012），《基于增強現實的教學演示》論文中初步探討了AR技術在教學演示中的形式與方法，并以進行案例分析與研究;陳向東，喬辰（2014），《增強現實學具的開發與應用》，以“AR電路學具為例”闡述了其作用原理與使用方法; 周大榮“基于增強現實的體驗式教學演示軟件的設計與實現”;徐媛的《增強現實技術的教學應用研究》與李婷的《基于“視聯網”增強現實技術的教學應用研究》。

AR技術在教育中的應用主要集中在兒童電子書、工業培訓技能、創造幼兒學習環境、中小學教育游戲等領域，而這種教學手段用于環境設計專業教學的研究很少、有值得進一步研究和挖掘的空間。

4 AR技術在教學演示中運用的研究思路

4.1 AR技術在教學演示中運用的框架和具體內容

通過研究相關的國內外文獻資料與實踐探索現狀，從AR技術的發展與應用技術研究，以及在教育教學相關領域的應用情況研究等幾大塊入手，探索出AR技術系統的教學演示開發工具與平臺，以及AR技術在教學演示的基本內容與類型，進一步明確整體的設計框架;

4.2 AR技術在教學演示中運用的設計流程與方法

通過對增強現實技術的概念、發展階段、關鍵技術和核心特征的研究，分析了增強現實技術的優勢和基本開發過程，以及基于增強現實技術設計和開發的教學演示軟件的功能和優勢。

探索出互動AR技術教學演示工具系統開發的基本流程，研究互動AR技術教學演示系統的基本架構方法;通過構建一個基于AR技術的教學演示工具，改變傳統單一的知識呈現方式，拓展了AR技術的應用領域與教學演示的表現形式，創新教學模式;

4.3 AR技術在教學演示中運用的具體開發

通過深入研究各理論模型及對基于AR技術的教學演示軟件設計開發的啟示，研究設計步驟、關鍵技術點和開發工具。從教學設計和AR技術的角度，探索軟件應遵循的設計思想和原則，研究出軟件的總體框架和各個功能模塊，并提出了一個科學合理的設計模型。

從而開發適合環境設計透視學課程的AR教學演示工具，并研究出如何使軟件模型和場景更加真實美觀與立體，并使教學演示交互界面具有互動性與趣味性;通過AR技術的虛實疊加、實時交互、增添定位等功能特點，為教學提供豐富生動的演示，降低教師教學壓力， 提高學生學習效果;

4.4 AR技術在教學演示中運用的具體實施

通過研究AR技術設計開發教學演示軟件的一般過程，其中包括：教學設計和軟件設計、實現，來開展實踐應用;探索出AR技術教學演示與目標主體相融合，進行人機交互，創新教學模式;研究如何使新的教學模式能更好地激發學生的學習積極性，提高學習效果。通過構建真實的、虛擬的交互學習環境，以及反復的物理操作演示設計，學習者可以更好地理解、掌握和鞏固自己所學到的技能，更好地培養學生的三維表現力;同時，AR技術具有可操作性、趣味性和交互教育功能，能更有效的吸引學生的注意力，提高學習積極性。

5結語

最后還應總結出本研究的創新之處和不足之處，試圖為AR技術在教學演示軟件建設中的應用打下基礎，并提出研究展望。因此，證明AR技術在教育和教學中具有重要的意義和巨大的潛力。

本文系湖南省普通高等學校教學改革研究項目《基于AR技術的環境設計專業“透視學”課程的教學演示研究》階段性研究成果（20161025）。

（作者單位：湖南信息學院）