AR技術在教育領域的應用

姚甜

摘? ?要：增強現實（AR）是一種新興的體驗形式，通過與特定位置或活動相關聯的計算機生成的內容來增強現實世界。文章通過分析AR技術的原理、技術特點和實現方式，并結合實際案例總結出AR技術運用在教育領域中的應用方向和特征優勢，為AR技術在教育中的設計應用提供理論指導。

關鍵詞：增強現實;學習;教學;虛擬現實

為了連接虛擬世界和現實世界，創造了增強現實（Augmented Reality，AR），是近年來的熱門話題，其可以應用于醫療、制造和維修、可視化、娛樂和教育等許多領域。與虛擬現實（Virtual Reality，VR）相比，AR在教育（尤其是兒童教育）方面具有更多優勢。因為孩子們只需要一個iPad或手機就可以通過AR進行學習，而且用戶的娛樂性、參與性和可用性也會更高。此外，虛擬物體和現實環境的共存可以可視化復雜的空間關系和抽象概念，體驗現實世界中不可能發生的現象，還可以與混合現實中的二維或三維合成對象、產生交互。這些教育優勢使AR在未來5年成為教育領域的關鍵新興技術之一。

1? ? AR技術簡介

AR是一種新興的體驗形式，通過與特定位置或活動相關的計算機生成的內容來增強現實世界。簡而言之，增強現實界面提供了真實世界與虛擬世界之間的無縫連接。使用增強現實系統，學習者可以自然地與3D信息、對象和事件進行交互。除了2D和3D對象之外，數字資產，例如音頻和視頻文件、文本信息、嗅覺或觸覺信息等也可以并入用戶對現實世界的感知中。總的來說，這些增強功能可以幫助和增強個人對周圍情況的理解。

用戶可以通過多種方式查看增強現實內容。一種是用戶可以通過應用程序中的網絡攝像頭掃描快速響應（Quick Response，QR）碼。當使用攝像頭掃描QR碼時，用戶可以查看疊加在其實際環境上的數字信息。通常，當用戶移動或旋轉掃描QR碼時，數字信息也將隨之移動和旋轉。另一種是使用頭戴式顯示器（Head Mount Display，HMD）。當用戶佩戴HMD時，用戶可以在HMD屏幕上以及其真實環境中通過屏幕看到數字信息（或通過連接的相機的屏幕顯示）。

根據增強現實的類型以及可供使用AR的設備，現在有許多工具可供開發使用。某些工具（例如Daqri，MixAR和ZooBrust）比較簡單，不需要編程知識或技能。其他工具包括SDK工具包，例如ARToolKit，Unifeye Mobile SDK和Wikitude，是為專業的AR開發人員開發的。這些套件功能強大，可讓開發人員針對各種設備設計各種AR應用程序。更高級的工具則需要計算機編程的知識和經驗。

2? ? AR技術在教育領域的應用

2.1? AR書籍

將AR技術用于書籍中能夠為用戶帶來豐富的感官體驗，將單調的信息轉化為立體、逼真的圖像，帶來全方位的視覺、聽覺和觸覺沖擊。用戶還可以通過與AR書籍的交互去探索和發現新的場景和情節，獲得個性化的閱讀體驗[1]。例如泰國教育科技研究所開發了3D增強現實地質學教科書，該書教學生有關地球各層的關系、差異和功能。還有針對學齡前兒童使用的AR字母書，兒童能通過查看每個字母的3D模型、動畫和對應的拼圖游戲進行更有趣的學習。

2.2? AR游戲

教育工作者經常利用游戲來幫助學生輕松掌握課堂上難以理解的概念。使用AR技術的游戲通常包括一塊平板或地圖，當用移動設備的攝像頭查看時，它會變成3D形式。這種游戲可以很容易地應用于一系列學科，包括考古學、歷史學、人類學、地理學等。增強現實游戲的另一種玩法允許玩家創建虛擬人物和物體，然后將這些綁定到現實世界中的特定位置。然后，玩家可以與這些數字對象互動。

一個名為Alien Contact的AR電子游戲被用于多個K-12班級，以提高學生的學習和參與度。游戲的目的是發現為什么外星人來到地球并降落在特定區域。通過收集證據并成功完成任務。參加游戲的學生與數字模擬的游戲角色、數字物品及其小組成員進行互動，以在游戲空間中繪制路線以達到預期的最終目標。AR游戲是一種非常有效的學習工具，可以在教授學生各種技能的同時吸引他們的興趣和注意力。

2.3? 物體建模

增強現實也可以用于建模，使學習者可以設想給定物體在不同設置中的外觀。模型可以快速生成、操縱和旋轉，學生可以立即收到相關的視覺反饋。新西蘭坎特伯雷大學人機界面技術實驗室的研究人員創建了一種工具，該工具可以將草圖轉換為3D對象，并且學生能夠通過AR技術探索對象的物理特性和相互作用。在巴西的毛里西奧·納索學院，建筑專業的學生正在探索增強現實技術對建筑進行比例模型設計的可能性，從而減少了所需的時間。

2.4? 技能培訓

增強現實具有強大的潛力，可以提供強大的學習體驗，同時促進在現實世界中發現信息的關聯性。AR護目鏡已被用來訓練個人，特別是在波音等公司的特定任務中，例如軍事上的硬件機械師或飛機維修等特定任務。AR護目鏡能夠顯示維修的每個步驟、確定所需的工具，并包括文字說明。北卡羅來納大學教堂山分校開發的一項醫學程序，用于醫師對孕婦進行超聲波培訓和練習。利用超聲波信息，該程序將婦女子宮的內部投射到醫生的眼鏡上。

2.5? 特殊人群康復與教育

AR技術在特殊人群的教育和康復方面也有突出的表現。相對于正常人來說，特殊人群可能會具有某部分的身體缺陷或是認知能力較弱等特征，使用AR進行學習能夠提高其學習效率和學習主動性，也能幫助其更好地進行一些康復訓練。ARVe是一個應用于植物領域的增強現實應用，它可以讓自閉癥兒童和智障兒童以簡單直觀的方式處理植物，并提供視覺、嗅覺或聽覺提示。認知障礙兒童能在使用該程序時表達一些積極的情緒。AR技術還可以運用到手語學習和教學中，幫助聾啞人以及與他們接觸的親人、社工、言語康復師等學習手語[2]。

3? ? AR技術應用在教育領域的特性

3.1? 增強學習動力

當學生使用AR進行學習時，往往能有更高的滿意度，體會到更多的樂趣以及會很愿意進行重復學習。學生能夠與AR物體產生交互，達到沉浸式的體驗或是通過游戲的方式進行學習，使他們主動地去探索知識，增強學生的學習動力。有時AR產品的易用性可能會低于非AR產品，但是AR產品的用戶動機卻明顯高于非AR替代品。如使用AR與PC端計算機輔助設計（Computer Aided Design，CAD）程序學習3D結構的學生認為即使AR程序的可用性被評為低于PC程序，但是用戶對AR程序的滿意度更高。與非AR版本的游戲相比，兒童頭戴式AR游戲的使用難度明顯要高得多，但是兒童認為AR版本的游戲更加有趣，并且他們愿意再次玩。

3.2? 體驗現實生活中無法做到的事件

AR學習應用實質上是交互式數字仿真，它能可視化抽象科學概念或使學生體驗到無法實現的現象。例如，AR可以允許學生改變空間比例以觀察正在運行的太陽系，或加快觀察植物生長的時間，或允許學生選擇化學元素，組成3D分子模型并旋轉模型。增強現實創建了新的可視化效果，能夠有效增強學生對抽象概念或現象的理解。

3.3? 加強團隊協作

AR可以加強團隊之間的合作，而且使用AR可以使互動和協作更加自然。AR系統通常比較容易使用，因為學生可以使用自然交互的方式來操縱內容，而不必花費很多時間去學習使用系統。例如當學生使用AR地圖進行導航的時候，創建了一個共享的空間，團隊成員可以協作并共享信息，能更有效地進行導航。此外，當學生通過聯網的移動設備以及面對面的互動進行協作時，社交互動可以得到增強。

3.4? 內容以新穎的方式呈現

AR可以使內容以多種形式呈現：靜態圖像變為動態圖像、二維變為三維、文本變為聲音、非交互式內容變為交互式。隨著信息變得更易于處理和多樣化的學習方式，表現形式上的變化可以提高教育的效率。在一個教學案例中，教師使用了包括白板、投影儀、攝像頭、AR磁貼和虛擬3D建模包在內的多種技術組合，以觀察和旋轉虛擬3D地球，以了解地球和太陽以及白天和夜晚之間的關系，證明AR可以使學生更有效地進行學習。

除了以上提到的特點外，將AR技術運用在教育中還具有培養學生的創造力和想象力、幫助學生按照自身步調和道路來控制自己的學習、更好地記憶學習內容等特點。

4? ? 結語

盡管AR并不是新生事物，但其仍處于起步階段，尤其是在教育應用方面。為了優化現有的AR應用程序和技術以用于教育，仍然有許多問題需要克服和探索。當前，盡管AR具有諸多優點，但是對于許多老師和學生來說，為AR創建3D模型的任務較為困難，因為其需要大量的技術知識。但是，許多公司正在投資易于使用的AR開發套件，開發困難的問題應該會隨時間推進慢慢得到解決。目前，教育工作者和研究人員應繼續跟進AR技術的發展，密切關注AR對社會的影響，有意識地評估AR對教育的影響，并不斷探索，尋求如何最好地應用AR以優化教學環境的方式。

[參考文獻]

[1]程鴻芳.移動增強現實技術在手語學習教學中的應用研究[J].蕪湖職業技術學院學報，2018（2）：81-83.

[2]汪行東，張飛英.增強現實技術在童書中的應用研究[J].西部廣播電視，2019（12）：62-63，68.