增強現實技術的教育應用情況分析

高千茗，莊天寶

（沈陽師范大學 新聞與傳播學院，遼寧 沈陽 110034）

0 引言

AR 是廣義上虛擬現實的加強版。 AR［1］通過計算機技術將虛擬的信息疊加到真實世界,真實的環境和虛擬的物體實時融合到同一個畫面中,是伴隨計算機圖形學、人機接口技術和傳感技術的飛速發展而成長起來的一項技術。 AR 技術除了具備VR 技術所具備的“3I 特征”(沉浸性、交互性和構想性)外,還可以增強真實世界的體驗感,但這不是取代現實。

隨著技術的進步,AR 技術的應用領域逐漸拓寬。在藝術領域中,2013 年蛇年春晚歌曲《風吹麥浪》的舞臺效果就運用了AR 技術,構建出樹木、蝴蝶、金色的麥浪等自然風光。 在情感領域中,日本市一公司利用“AR+GPS”技術,推出“Spot message”軟件,當用戶置身于充滿回憶的景點時,可再現故人的身影。 在醫療領域中,微軟HoloLen 全息眼鏡應用AR 技術,可視化復雜的人體結構。 除此之外,AR 技術在整容手術、監測患者生命體征方面都有涉獵。

近年來,AR 技術的應用范圍逐步擴大,同時教育在國家的發展中占據極高的地位,在教學中適當地運用AR 技術,能夠顯著提升學生的學習質量,具有極高的研究價值。

1 AR 技術應用于教育的情況分析

1.1 國外AR 應用于教育的現狀

1.1.1 AR 技術應用于課堂教學

國外有多家技術公司可以提供實現AR 功能的支持技術,AR 軟件的開發持續掀起熱潮。 Shelton 和Hedley 將AR 技術運用到課堂教學中,進行九大行星課程的教學實驗。 根據美國最新的《新一代科學教育標準》,作為工具的Z Space 開發出了包含2—12 年級多門學科的課件,課件分布在6 款軟件之中,教師可采用軟件自帶課件實施教學計劃,也可創造性地開發新課程。 教育是發展中不可或缺的部分,將技術與教育深度融合也逐步成為開發的熱點方向。

1.1.2 AR 技術智能終端應用情況

隨著AR 技術在手機和平板電腦中的應用,國外設計了一款基于AR 的手機學習卡片(ARSC),將卡片和立體模型相結合,提供豐富的體驗。 該工具支持在線和離線兩種不同方式的學習,并可檢驗卡片學習的效果。 國外AR 應用于教育的現象逐漸增多,設計方式趨于多元化,功能開發體現其多樣性,進而創造出適應學習者學習方式的教輔工具。

1.2 國內AR 在教育中的應用現狀

1.2.1 “AR+教育”CNKI 發表趨勢分析

在CNKI 資料庫以“增強現實+教育”和“增強現實+教學”為主題詞,對近10 年相關文獻進行檢索,剔除無關的關鍵詞并篩選全部文章后,整理得知與文章相關的主題剩余640 篇。 其中學術期刊327 篇、學位論文211 篇、國內會議8 篇、國際會議5 篇,近10 年發表趨勢如圖1 所示。

圖1 近10 年發表趨勢分析

從表1 中可以看出,2012—2016 年“AR+教育”的引用量較低,持續在相對穩定的階段。 2016 年起出現了新的轉折點,連續3 年引用量飛速上漲,并于2019 年達到近10 年峰值。 至2020 年引用量有所下降,2021年又逐步提升。

除分析近10 年發表的整體趨勢外,在CNKI 上對“增強現實AND 教育”的主題分布情況進行細致分析,其中文獻發表情況如圖2—3 所示。

圖2 主要主題分布

圖3 次要主題分布

由圖可知,以“增強現實AND 教育”為主題詞搜索時,相關文獻多以介紹AR,AR 技術為主。 隨著技術的不斷變革,近年來AR 技術應用于各個領域,例如建筑、醫療、旅游等。 圖1 數據顯示AR 技術在教學中的應用發表文獻量處于第三的位置。

1.2.2 AR 技術對教學模式的構建

李小平等［2］擴展構建了教學系統框架,為提升智能增強現實或虛擬現實環境下的教學質量提出了一種可行的方法。 王培霖等［3］分析目前在教學中對AR 技術相關產品的需求,結合目前市場上AR 類產品的特點,提出了AR 出版物應滿足的特點,從而真正實現產學一體化。 “增強現實+教育”核心技術在于AR 是“互聯網+教育”的進一步深化,最終實現智慧教育的目標。

2 當前AR 研究存在的問題分析

不同于以前的新興技術工具走進課堂,AR 的引進有著太多的爭議。 通過文獻分析,當前AR 與教育的融合主要有兩大類問題,一種是技術問題,關注的主體是AR,主要分析當前的技術發展并不能滿足“增強現實+教育”繪制的藍圖；另一種是教育問題,關注的主體是教育,主要分析教育教學實施前后的問題,筆者將根據這兩點分開總結。

2.1 技術方面

2.1.1 AR 技術分析

“人工智能+教育”對數據的采集是多方面、動態的、及時的,包括學生課上課下的狀況、不同學科之間的狀況、人機交互時的狀況等,數據量大且范圍廣,同時還要及時進行識別篩選。 目前來看,AR 并不能完全分析處理所有的數據。

2.1.2 技術與教育的融合問題

AR 技術與教育融合已成為現階段熱議的話題。教育是個復雜的系統,涉及領域寬廣,包括眾多的學科知識,不同學科、同一學科的不同章節都會有教學方法和教學模式的差異,同時教學過程中教師和學生的主觀因素影響較大,作為課堂助手的AR 也要進行實時調整,目前的技術也是很難達到的。

2.2 教育方面

2.2.1 學校準備方面

王德宇等［4］研究了AR 技術在高校創客教育中的應用,借助AR 技術,將不同地點的教學內容或研發對象,進行異地實時交互呈現,實現協同設計、協同開發,甚至協同生產。 AR 是新興信息技術,學校是否有條件更新設備對接AR 教育,是否擁有符合專業水準的教師和管理者勝任AR 教育應用,這些都是不確定的。 但現階段學校將AR 應用于教育教學的方式逐步改進,從原有的投影設備到iPad、手機App,設備的優化為教學創造了便利條件。

2.2.2 學生對AR 的認同

AR 作為一種新型教學手段,可以將復雜的實驗過程簡單化。 通過創設仿真實驗室場景進而解決教學環境受限的問題。 AR 技術雖然會創造一種疊加于真實情境中的環境,但實踐起來對學校的經費需求較高,容易出現受現實條件的制約而無法實施的情況［5］。 不僅如此,師生交互、生生交互和人機交互依舊存在差別,學生對AR 頻繁出現在教育教學中的適應程度如何,低年級的學生在同AR 的交互中是否產生角色困惑,仍是值得關注的問題。 在大數據時代下,AR 技術是否會因為數據信息泄露而對個體產生傷害,進而不利于學生的成長仍舊需要思考和關注。

2.3 “AR+教育”發展評述

AR 技術與課程教學的融合,在很多課程中已被證實是有效的［6］。 在應用AR 的學習活動中,學生分析問題、解決問題的能力有所提高,但是部分學生由于對AR 技術不熟悉,存在動手性較弱的情況。 課程教學過程中,還存在某些不足,例如:處理AR 設備的細節問題,正確的使用方式會減少眩暈感；教師應做好課前準備,避免過多依賴媒體屬性進行教學,同時應把握好教學進程,講授知識的同時應注重學生的反饋。

3 結語

AR 和教育的融合前景是光明的,但是通往智慧教育的道路是坎坷的,這需要教育工作者和技術研究者的共同努力,也需要國家和社會的支持。 教育工作者積極探索教學模式,做好學術研究,為“增強現實+教育”搭好框架,探索可行的教學模式。 技術研究者應逐步加快AR 技術的研究,讓AR 可以更好地對接教育,更好地服務于教育教學。