增强现实技术在非正式学习空间中的应用探讨

程彤　汪存友

摘 要：学习空间即学习发生的场所，随着知识经济时代的发展，非正式学习空间相对于正式学习空间具有更加广泛的应用。增强现实是在虚拟现实基础上发展起来的一种新兴技术，它为非正式学习空间的学习提供了技术支持。从非正式学习空间与增强现实技术的内涵出发，探讨将增强现实技术应用于非正式学习空间的现状、特点与优势，并提出其未来的发展方向。

关键字：非正式学习空间；增强现实；互动；沉浸

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2015）22-0083-03

计算机和互联网的发展加快了人类知识更新的速度，知识更新周期变得越来越短，传统校园的课堂学习已经无法满足互联网时代对知识快速更新的要求，人们开始借助互联网等技术满足其对于知识的渴求，开始寻找一种适合在任何时间、任何地点展开学习的方式，进而一个新的概念随之产生，即非正式学习空间。增强现实技术能够摆脱教室这一正式学习空间对学习者的束缚，为学习者在非正式学习空间中开展学习活动提供技术支持。

一、非正式学习空间

学习空间即学习发生的场所。非正式学习空间是相对于正式学习空间而言的，传统的正式学习空间主要以接受正规学校教育或继续教育中的教室课堂为主，而非正式学习空间可以是工作、生活或社交中，在任何时间、从事非正式学习的任何空间，如户外、博物馆、咖啡馆等等。正式学习与非正式学习最重要的区别在于正式学习是由外界发起、组织的，而非正式学习是由学习者自我发起、自我调控、自我负责的学习。[1]因此，非正式学习空间更加强调学习空间对学习者的吸引力，以及学习空间能否更好地激发学习者的学习动机，能否为学习者提供更多促进其开展自主学习的学习环境。

二、增强现实技术

增强现实（Augmented Reality，简称AR）技术诞生于20世纪60年代，它是在虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）的基础上发展起来的一种新兴技术。增强现实比虚拟现实更加接近于现实。虚拟现实创建了一个完全虚拟的、与现实割裂的世界。无论在场景还是物体方面，虚拟现实创建的都是虚拟的内容，而增强现实将虚拟的信息叠加到现实世界中，创建了一个虚实结合的世界。在增强现实中，场景中的某些部分是存在于现实中的。就目前来说，AR技术较多应用于商业领域，尤其是在广告和市场营销方面吸引着消费者的眼球。此外，增强现实技术在军事领域、工业领域、医疗领域、历史文化领域、纸媒行业和娱乐领域均有不同程度的应用。随着增强现实技术的不断发展，教育领域的一些专家和研究人员也开始逐渐尝试将增强现实技术引入教学领域，探索增强现实技术对于学习的作用。增强现实的定义目前还没有统一，目前较公认的是在增强现实领域具有较大影响力的Azuma提出的增强现实的三大特点，即虚实结合、实时交互与三维配准[2]。在增强现实技术创设的场景中，虚拟物体以三维立体形式呈现。通过增强现实技术，用户能够真实地体验到叠加到真实环境中的虚拟信息，如图片、文字、声音、视频和动画等等。同时，用户能够在真实的环境中与虚拟的三维物体进行互动。笔者认为，增强现实是在计算机的显示与交互、网络的跟踪与定位等技术的基础上，将计算机形成的虚拟信息叠加到现实中的真实场景，对现实世界进行了补充，使人们在视觉、听觉、触觉等方面增强对现实世界的体验。

三、增强现实技术在非正式学习空间中的应用

随着知识经济时代对于人们终身学习的要求，非正式学习在人们学习中所占的比重越来越大，自主学习的方式和场所也越来越多样化。增强现实技术为学生在非正式学习空间进行自主学习提供了一种很好的方式。增强现实技术在非正式学习空间中的应用可以从多角度进行分析。从开发机构的角度可以分为专业教育机构和一般商业机构，从学习者的受教育阶段的角度可以分为K12、职业教育和高等教育等阶段，从产品提供的主要用途的角度可以分为立体显示、指引操控、教育游戏等，从是否需要借助网络环境可以分为单机版应用和网络版应用，从增强现实使用的载体角度可以分为基于头戴设备与基于手持设备（平板电脑、智能手机）等。

1.从开发机构角度分析

最早涉足于增强现实技术研究的专业教育机构是美国的哈佛大学，Ivan Sutherland 教授发明的光学透明头盔显示器标志着增强现实技术的诞生。目前，从事增强现实技术应用程序研究的专业教育机构，除了哈佛大学外，还有哥伦比亚大学计算机图形与用户界面实验室、威斯康星大学麦迪逊分校教育学院、美国加州大学Davis分校、麻省理工大学、哥伦比亚大学、加拿大多伦多大学等等。在国内，北京理工大学是较早从事增强现实技术研究的科研院所之一，此外还有北京航空航天大学、北京邮电大学、浙江大学、武汉大学、上海大学和华南理工大学等。总体来看，国外教育机构相比国内来说，在技术和应用研究方面都更胜一筹。

在商业领域，德国Metaio集团是全球增强现实技术行业的领军者。该公司在技能培训方面开发了AR互动说明书，为用户提供轿车的增强现实使用说明书。英国Augmatic公司开发了一系列以显示3D模型为主、可应用于多学科的增强现实教学演示工具，为学生提供交互式和独立的自主学习体验。[3]新加坡的MXR Corporation Pte Ltd开发了名为wIzQubes的增强现实教育游戏，主要用于给儿童讲故事，对儿童产生了很强的吸引力。[4]与专业教育机构相比，商业公司对增强现实技术的研究更加深入，研究产品也更多。

2.从学习者的受教育阶段的角度分析

增强现实在教育方面的应用从学习者受教育阶段的角度分析，可以分为面向K12阶段的学生、面向职业教育阶段的学生和面向高等教育阶段的学生。

（1）面向K12阶段学生的教育应用

增强现实电子书与增强现实教育游戏的使用者以K12阶段的学生为主。增强现实电子书将数字化的内容融入到真实场景中，丰富了知识的表现形式，增强了阅读的趣味性，使学习对于K12阶段的学生来说变得更加容易。如《东京新闻》开发了一款AR News应用程序，用于辅助孩子们进行课外阅读。当孩子们用手机扫描特定的文章时，手机屏幕上会出现动画效果，同时伴有卡通人物为孩子朗读新闻内容。[5] 开发者通过这种方式将枯燥无味的新闻内容变得生动有趣，极大地提高了孩子们的阅读兴趣，同时，孩子们可以随时随地地阅读新闻，在很大程度上为孩子们开展课外阅读活动提供了方便。教育游戏能够为学生提供轻松自由的学习环境，使学生在宽松的学习氛围中获得思想的启迪和能力的培养。[6]Juan， Alem and Cano（2011）呈现了一款名为ARGreenet的增强现实教育游戏，旨在提高人们对于循环重要性的认识以及如何做到循环回收利用。在研究过程中，就循环这一主题，38个8到13岁的被试孩子使用不同顺序体验ARGreenet和普通移动手机游戏。研究数据表明，与普通移动手机游戏相比，69.4%的被试孩子更喜欢ARGreenet增强现实游戏，他们认为ARGreenet游戏在操作性、吸引力和乐趣方面更胜一筹。[7] 该增强现实游戏能够提供更具吸引力的学习空间，寓教于乐地促进游戏者对于知识的理解。

（2）面向职业教育和高等教育的教育应用

职业教育和高等教育阶段更加注重实践教学对于学习者的重要性。采用AR技术开展的实践教学活动为学习者提供了虚实结合的学习空间，使学习者真正参与到实践活动当中，体现了著名实用主义教育家杜威“做中学”的教学思想。如哥伦比亚大学计算机图形与用户界面实验室研发了增强现实维修系统（Augmented Reality for Maintenance and Repair， ARMAR）用来辅助新兵学习，士兵在实践学习场所佩戴上数据眼镜后，能够通过数据内容的指导在实际操作过程中快速掌握装甲车的维护等技能。[8]李青、张辽东（2013）等人开展了基于“微波技术与天线”课程的移动探究性实践学习活动，使用实验研究、问卷调查和深度访谈的研究方法，证明了基于增强现实技术的移动学习方式受到大部分学生的欢迎，能够提高学生的学习兴趣，并且对教学效果有正向促进作用。[9]

四、增强现实技术应用于非正式学习空间的特点

1.虚实结合的学习场景

与使用传统教学材料不同的是，增强现实技术采用计算机技术将数字化的学习资源融入真实的学习场景中，丰富了学习材料的表现形式，营造了虚实结合的学习空间。如增强现实电子书将抽象的、难以理解的学习内容通过生动具体的3D立体图像或动画展示出来，为读者提供更加直接的、具体的阅读体验，激发了读者的阅读兴趣。另外，在技能培训中，增强现实技术为实践教学提供了虚实结合的场景，通过其较强的交互性，为培训人员提供了实地的、及时的操作引导。如哥伦比亚大学计算机图形与用户界面实验室研发的增强现实维修系统也通过计算机技术增强了现实环境。

2.游戏化泛在学习

增强现实教育游戏为使用者提供了轻松自由的学习环境，虚实结合的场景为使用者带来更多方面的感官体验，很大程度上激发了学习者的学习兴趣，寓教于乐地满足了学习者泛在学习的需求。如Mitchlehan Media LLC公司开发的AR Flashcards-Animal Alphabet荣获2013年最佳移动APP荣誉，这是一款辅助小孩子学习字母的教育游戏，当孩子用摄像头对准打印的flashcard的时候，漂亮的3D动物将会在屏幕上弹出，点击动物将能够听到字母发音和动物名称，通过声音和3D模型的结合，极大地吸引了孩子们的学习兴趣。[10] 2014年PBS Kids公司开发了Fetch！Lunch Rush移动APP教育游戏，寓教于乐地训练儿童解决算术结果为1到10的数学运算能力。这款应用程序能让学生将标记贴在任何地方，同时使用大脑和身体来参与游戏，解放对学生学习空间的限制，并且对于运算结果有语音提示。[11]增强现实教育游戏相对于传统游戏具有更强的交互性与沉浸性。

3.移动化学习

随着知识经济时代的快速发展，人们迫切需要摆脱时间和空间对学习的限制，需要进行随时随地自主化的学习，移动学习恰恰能够满足人们对个性化学习的需求。增强现实技术在运行平台方面从成本高昂的桌面计算机或工作站逐渐转向成本较低的移动平台，在显示设备方面从头戴显示器、立体眼镜逐渐转向平板电脑或手机等移动终端，用户逐渐摆脱设备对使用环境的限制，开始能够走向室外体验增强现实所带来的乐趣。[5] 因此，增强现实技术为人们进行移动化学习提供了技术支持。同时，高普及度和便携性的移动设备为人们进行移动学习提供了设备支持，基于增强现实技术的移动APP为人们进行移动学习提供了必要的学习资源。如Metio公司为奥迪公司开发的增强现实互动说明书，能够帮助用户在汽车驾驶舱中随时了解汽车驾驶舱的内部按键和指示灯的功能，当使用者启动手机APP应用程序后，将摄像头对准驾驶舱中的部件，与之匹配的注释信息将出现在手机屏幕中，以此来帮助用户更好地了解驾驶舱。[12]

四、结束语

将增强现实技术应用于非正式学习空间具有一定的优势。首先，3D立体显示具有丰富的表现力，能够形象直观地显示教育内容，使学习者在理解一些抽象的几何和化学模型等方面变得容易；其次，增强现实技术具有更强的交互性，能够使学习者在接近真实的环境中实现“做中学”；再次，增强现实技术应用于非正式学习空间能够促进学生进行探究式的自主学习。基于增强现实技术的教育应用能够极大地引起学生的兴趣，使学生能够更加投入地沉浸在自主式探究学习活动中。增强现实技术借助于无线网络的发展，满足了学习者在任何时间、任何地点进行自主学习的需求。

未来，增强现实技术将结合当前迅速发展的云计算和云存储等技术继续向前发展。期待更多更好的增强现实技术产品应用于教育领域，促进我国教育信息化的进一步发展。

参考文献：

[1]余胜泉，毛芳.非正式学习——e-Learning研究与实践的新领域[J].电化教育研究，2005（10）：18.

[2]蒋中望.增强现实教育游戏的开发[D].上海：华东师范大学，2012.

[3]LearnAR[EB/OL].http：//www.learnar.org/.

[4]李海龙.增强现实多媒体教学环境设计[J].中国远程教育，2013（5）：87.

[5]王萍.移动增强现实型学习资源研究[J].电化教育研究，2013（12）：60-67.

[6]胡智标.增强教学效果拓展教学空间——增强现实技术在教育中的应用研究[J].远程教育杂志，2014（2）：106-112.

[7]Danakorn Nincarean， Mohamad Bilal Ali， Noor Dayana Abdul Halim， Mohd Hishamuddin Abdul Rahman. Mobile Augmented Reality： the potential for education[J]. Procedia-Social and Behavioral Sciences， 2013（103）： 657–664.

[8]Augmented Reality for Maintenance and Repair[EB/OL].http：//graphics.cs.columbia.edu/project/armar/.

[9]李青，张辽东.基于增强现实的移动学习实证研究[J].中国电化教育，2013（1）：116～120.

[10]AR Flashcards[EB/OL].http：//www.arflashcards.com/.

[11]Lunch Rush[EB/OL]. http：//pbskids.org/fetch/games/hollywood/lunchrush.html.

[12]奥迪A13D说明 [EB/OL].http：//v.youku.com/v_

show /id_XNDMxNjg2NDY4.html.

（编辑：鲁利瑞）