HoloLens在中小學教學場景的應用

吳丙朕 丁麗 李書蘭 劉衛青

【摘 要】混合現實技術的發展以及技術與教育的深度融合，催生出新的教學形式與方法。真實環境和虛擬現實相結合，多角度及可對內部細節的觀察交互，及時反饋的語音、畫面等，使得教學的沉浸感更強。本文介紹了現階段HoloLens資源獲取的主要方法，并從中小學教學領域綜述部分教育應用場景，分享已實踐的使用HoloLens的教學方式探索，分析其在實際應用中的不足之處與展望。

【關鍵詞】混合現實;HoloLens;沉浸式;教育應用

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2021）05-080-04

近幾年混合現實技術快速發展，并在教育中逐漸開始應用。HoloLens是一種混合現實設備，也是一臺全息電腦。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（圖1）。這種基于現實世界、由虛擬數據增強的交互手段，給教育提供了沉浸式的學習體驗，同時這種交互方式也為學習者創建了一個自主探索的空間。

熟悉資源與獲取資源的途徑

教師在使用Hololens前，可以先熟悉資源并有針對性地下載。第一種方法：在WIN10操作系統下，從“開始”菜單中打開 Microsoft Store，在搜索框中輸入Hololens，然后在結果選項中，分別選擇“應用程序”“教育”“Hololens”選項即可（圖2），點擊每個應用后，可以先查看應用介紹，找到合適的資源后在Hololens設備開機主界面Store中定點搜索安裝。

第二種資源獲取方法：Lifeliqe應用。Lifeliqe是數字化基礎教育K-12科學課程視覺發布平臺，其公司是美國虛擬及混合現實技術領域的教育企業，于2018年6月發布了其混合現實應用，可免費下載，它專為K—12科學教學而設計。迄今，該應用已包括21門教學計劃和40個互動模型，涵蓋了生物、化學、物理和地質學等。將這些模型作為虛擬物體投射到真實世界中，師生能夠圍繞著觀看，并深入探索它們，內容則與下一代科學標準和共用核心相一致，以此確保課堂上的適用性。

HoloLens的教育應用場景

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，但主要集中于生物、地理、物理、化學等幾門學科，其探索應用簡要介紹如下。

1.生物學科

借助于HoloLens設備，可以讓學生更加全面直觀地、近距離地觀察每個結構，不僅可以在腦海中構建出其全貌，還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，加深印象，促進學生的理解。例如，“Holoheart”通過“動態的真實的心臟”幫助學生更加容易理解心臟的內部結構和工作狀態;“Frog-life cyde”可展示兩棲動物的生殖發育、變態發育過程;“Dynamic Animation”可展示人體腿部結構，如肌肉組成、神經分布、骨的組成等;“HoloAnatomy”展示了心臟的結構、人體血液循環系統、神經系統、腦的結構、消化系統組成、骨骼結構等。

2.地理學科

“地震與海嘯”可以讓學生清晰直觀地看到地震發生后海平面的變化過程與海嘯場景;“成層火山”可以展示巖漿流動與火山噴發的形態;“Galaxy explorer”可以展現不同行星的運動軌跡和形態，還可以通過點擊將要講解的星球放大，展示后還可再拖回去;“MR Study”包含銀河系、太陽系、太陽及八大行星的直觀展示與講解。

3.化學學科

“Holoelements”元素周期表，可將每個元素單獨拿出來，看到質子、中子以及電子的運動，并包含熔點、沸點等特征數值;“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。

HoloLens應用于中小學的教學方式探索

現階段已篩選過的資源，最主要的教學方式探索集中在以下兩種。

一是錄制微課。設備配套系統包含視頻錄制功能，教師將應用調整至合適的大小與角度，然后演示應用每個細節，完成后再進行配音與剪輯。這種方式適合教學計劃類應用，因為應用內包含教學內容較多且相對系統，這樣既發揮了混合現實的教學優勢，同時節省了教學時間，給教師也留下了實踐成果。

二是學生具身體驗。課上由熟練的學生演示操作，將設備的實時內容投射到大屏幕上，同時采取教師或學生講解、問答或“做導游”等方式教學。這種方式適合互動模型類的教學內容，一般5～8分鐘可完成互動環節，優點是學生參與度高，視覺沖擊效果好。但是HoloLens采取的是浮空操作和語音控制，需要組織學生課下多次練習熟悉操作。

現摘要列舉幾個資源的教學方式探索，如表1所示。

應用展望

與傳統教學方式相比，HoloLens的混合現實技術可以將抽象的學習內容變得更加形象化，學生可以通過設備從多個角度對虛擬的 3D 模型進行觀察交互，并為學生提供了一個特殊的學習空間，增強學生的存在感，并及時地反饋語音、畫面等，沉浸式的環境使學生的專注度更高。

HoloLens作為微軟首款不受線纜限制的全息計算機設備，也有較多的不足之處。如佩戴體驗問題，由于重量達到579g（二代566g），長時間佩戴HoloLens會導致不適;因為需要實時計算環境，對設備資源要求非常高，操作延時3到5秒，運行一段時間后卡頓現象明顯，延時甚至10秒以上，此時需要重啟設備;輸出分辨率不高，僅為720P，清晰度還需繼續提升。由于設備昂貴，應用開發難度高周期長，Microsoft Store內全部應用約273個，教育應用僅38個（截止到2020年1月20日），資源數量整體上還是偏少，且與中小學課程內容貼近的就更是少之又少;Lifeliqe的混合現實內容教學計劃內容不夠充實且欠缺體系，HoloLens教育應用建設還有一段長路要走。

混合現實（MR）技術可以實現更加逼真的虛擬教學場景，為教師和學生提供更加自然、人性化的可交互式學習體驗，但教育需要能夠激發創造力的設備或系統，除了基于現實環境與虛擬圖像進行交互，更需要與老師或其他學生進行互動交流。如果有成熟的教育系統支持，使得個體在混合現實體驗中能與群體相連，學生既可以觀察全息影像渲染出來的虛擬物體，也可以與老師和同學充分展開互動，效果將會更好。利用 HoloLens 的手勢識別能力，學生通過手勢、注視等體感操作實現與演示模型的自然交互，在 HoloLens 實時通信功能的配合下，還可以與不同學生或老師進行交流，展開討論，將會更加促進學習與靈感的激發。例如，當教室中所有人在觀看同一個模型（且可控制是否以相同的視角）的時候，學生們不僅能夠聽到教師講解的聲音，還可以看到講解者的位置，通過觀察講解過程中的手勢動作，配合不斷變化的 360°三維全息影像，學生可以清楚了解正在講解的部分，清晰直觀地掌握相應知識點，這種支持對教學進度把控、教學效果的提升將會有很大的幫助。

通過感受混合現實技術、浮空控制、語音指令的優越性及體驗部分教育應用案例，可以預期其在教學支持上會有很大的發展潛力和應用前景，它將深刻地改變我們的學習方式，探索HoloLens教育應用就是在感知觸碰未來。

參考文獻

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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）.

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作者單位：廣東深圳市南山區園丁學校