基于增强现实的新型职业教育学习模式探究

乔兴媚　杨娟

摘要：近年，新技术快速发展，如何发挥新技术的优势，服务于职业教育教学、改变职业教育的现状是值得探讨的问题。国外已出现将增强现实技术应用于职业教育的试验性项目，而国内对此的研究却十分少。结合传统学习模式，该文提出了结合增强现实技术的职业教育学习模式，即基于移动设备的VR+AR非沉浸式学习模式和基于可穿戴AR设备的沉浸式学习模式，分析了将增强现实技术融入现代职业教育可能带来的积极效应，进一步探讨了AR技术运用于学习模式中的关键因素：硬件设备、技术支持和教师意愿。AR技术对职业教育的促进主要表现在可以最大程度节约教学成本和与国际先进工业发展趋势保持同步。

关键词：增强现实；职业教育；学习模式；AR；VR

中图分类号：G434 文献标识码：A

增强现实（Augmented Reality，缩写为AR）技术指可以实时地将计算机所产生的图像信息直接或间接地重叠在真实世界的环境场景上的技术。增强现实技术作为一项长期为工业领域服务的技术有着广阔的应用前景，其价值不仅体现在商业、工业、医疗等实用领域，在教育领域也有显著贡献。

增强现实的应用通常可分为两类：基于标记（Marker-based）的增强现实和基于无标记（Markerless-based）的增强现实。无论哪一类增强现实，都是在真实场景基础上扩展了计算机产生的信息和影像，可以无缝连接真实世界和虚拟世界。因此，在学习和训练中使用AR可以更有效地加强学习者的学习动机、提升他们对学习的真实体验感。不仅如此，AR在基础教育以及高等教育的相关应用中都凸显了其在改善学生学习效果，协作、交互、学习态度以及学习体验方面的正面效应。因此，国际上出现了大量在职业教育中应用增强现实技术的相关研究，例如欧洲分别在2014年和2015年开展了将AR技术运用于职业教育的试验性项目（LARGE Project和ARAVET Project）。这些项目不仅提供相关职业培训的教学课程，还提供可创建不同教育AR场景的开发平台，同时包含关于AR在学习效果、有效促进学生学习动机以及其他的学习体验方面的研究及相关发现。即便如此，当前大部分在職教领域的AR研究仅仅关心AR技术的使用，并没有过多关注AR技术对职教课堂教学可能带来的教学模式变革以及这种新兴技术对职业教育可能在哪些方面的促进作用。相较于国际上AR在职业教育的应用现状，国内职业教育中AR的应用更加匮乏，不仅如此，连相关理论研究都十分少见。

接下来，我们将重点分析基于AR技术的新型职业教育学习模式和融入AR技术的关键因素，及其可为现代职业教育带来哪些广泛的正面效应。

一、基本原理

学习模式，是指在相应的理论基础上，为达成一定的目标而构建的较稳定的学习活动结构。乔伊斯等人认为学习模式即教学模式，因为学习模式既是教师教学的模式，也是学生学习的模式。采取何种学习模式，实则就是创设何种学习环境，使身处其中的学生学会学习并相互影响，而教师则帮助他们获取信息、思想、技能等。传统的学习模式中，通常依据的是客观主义的范式，教师在准备、组织和控制教学过程中，主要关注学生对知识的再现，重点培养学习者的基础知识、训练聚合型思维和近迁移能力。而在建构主义范式中，学生积极主动地自主学习更有利于促进学习者对高阶知识、复杂问题的探索，发散思维和远迁移能力的培养。

钟志贤根据学习模式中“学习活动性质”和“学习组织形式”两个变量，将学习模式分为了“个体—接受型”“群体—接受型”“个体—探究式”“群体—探究式”四大类。传统职业教育学习模式是一种客观主义倾向的模式类型，即主要应用“个体—接受型”和“群体—接受型”两种学习模式。但是，职教学生在这种传统学习模式下相较于普通高中或大学学生更突显了以下问题：缺乏学习热情，专注度不够，参与度不够，缺乏信心以及相关理论背景知识。因此，从传统的“个体—接受型”和“群体—接受型”职业教育教学模式转变为“个体—探究式”“群体—探究式”模式是必然趋势。基础教育领域的AR探索性运用均显示了其在加强学习动机、提高学习效果、增强协作沟通能力、端正学习态度等方面具有显著正面效应，因此，将AR作为职业教育“个体—探究式”教学模式工具载体是具有夯实的理论基础的。根据选用的增强现实设备及创设的学习环境的不同，可以分为基于移动设备的VR+AR非沉浸式学习模式和基于可穿戴AR设备的沉浸式学习模式两类。

二、主要类型

（一）基于移动设备的VR+AR非沉浸式学习模式

得益于广泛普及的电子设备智能化，电子设备已普遍实现软硬件分离，软件具备实时联入互联网进行数据交换、更新等功能。因此使用基于虚拟现实（VR）的仿真学习软件已成为当前职业教育辅助教学工具首选，并且已覆盖新能源、制造、CAD/CAM/CNC/等离子机械、电子电气、3D打印机、运输、通信、医务、工程、焊接、建筑等大部分职教从业领域。不仅如此，将这些仿真学习软件迁移到移动设备上也已经不是难事。但是也正由于这种完全虚拟的沉浸式环境，为学习者带来愉悦体验的同时也更大程度地让学习者脱离了实际应用场景。因此，半虚拟学习模式更适合于职业教育的特点和培养目标。

移动设备可通过标记技术或无标记技术实现虚拟场景的实时触发，基于移动设备的AR应用具有以下优势：移动设备易于获取，设备成本低廉，应用开发普及。但是也具有其局限性，例如屏幕所展示的视觉宽度有限，无法真实还原视觉信息；移动设备涉及的体感种类有限，仅限于部分肢体的触感体验。因此基于移动设备的AR应用适合于设计具有一定体感经历的体验式学习模式，如上述从业领域的基础操作类课程。

以运输业的汽车基础课程为例，基于虚拟现实的3D仿真软件虽然可以帮助学习者充分了解汽车技术的基本知识，并可帮助他们最终获得满足相关标准（NATEF，IMI，Lernfelder，TESDA等标准）的执业资质，但是脱离实际环境的知识及认知始终会产生偏差，如图1所示。图1是基于VR的发动机3D虚拟展示（图片来源于企业官方网站https：∥www.eonreality.com/），而图2则是实际车辆的发动机（图片来源于企业官方网站http：∥virtualwaregroup.com），以及由该真实发动机所触发的AR虚拟场景。从图1和图2的对比可看出，图1的3D模型虽然已经很接近真实的发动机，然而仍然无法让学生认知到发动机在汽车构造中确切的位置、与其他部件连接时所呈现的外观以及汽车从静止到启动后发动机工作状态的变化等精细知识。

在AR+VR的新型教学模式中，AR应用与VR应用可以双螺旋形式在时间线上交互使用，如图3所示。这种AR+VR教学模式以VR课堂教学为主，AR体验式教学为辅，教师可设计3：1：3：1：1：1比例的体验式课程，在课程初期利用VR应用在课堂中开展相关理论知识学习（30%课时），增强学习者学习动机和学习兴趣。接着可设计10%课时用于AR体验式学习，用于促进学习者对相关背景知识的深入理解和巩固，这部分学习可在实际场所开展，如实验室和车间。随后可开展课堂内基于VR的随堂实验（30%课时），用于学习和实习动作技能类知识，并伴随有10%课时的基于任务完成的虚拟实验。最后再次利用真实场景触发AR深度体验所学技能与相关背景知识。

（二）基于可穿戴AR设备的沉浸式学习模式

如前所述，当前许多职业培训多采用基于发VR的仿真软件模拟作业环境，这种纯粹虚拟的环境对于需要精细操作的职业培训来说仍然与实际运用有脱节。使用基于可穿戴AR设备的仿真作业系统则更能弥补这一鸿沟，这种通过实际场景所实时触发的仿真模拟可以达到在实际操作过程中补充学习背景知识，回忆规范作业流程等更高级的学习要求。例如在学习有行业标准要求的技术领域，若相关操作实验涉及到执业规范，可在执业流程关键点上设置AR触发，不仅可以在正确操作过程中提示学习者注意该节点，同时在学习者操作出现偏差时给出警报提醒。利用这种实时触发的AR技术在职业教育领域可以最大程度地在学习者学习阶段就为其建立相关职业领域规范的条件性操作反射，可以有效促进学习者结合相关背景理论知识对动作技能类知识的熟练掌握。基于可穿戴AR设备的沉浸学习模式更适合于对动作技能类操作有较高精细需求的高级技能类职业培训，例如在焊接专业中，可使用增强现实模拟设备来实现精细化焊接操作的演练，以提升学生实际焊接的技巧（如图4所示）。

这种沉浸式学习模式通常需要有可穿戴设备作为数据收集传递以及展示沉浸场景的载体，如头盔、眼镜以及传感器等。不仅如此，这种可穿戴设备并没有统一软件平台，因此一套设备会包含软硬件价格，成本会较基于移动设备的非沉浸式AR应用昂貴许多。另外由于技能操作虽具有连续性，同时也是由离散的独立动作组成，因此完全使用可穿戴AR设备进行学习也是没有必要的。无论从成本角度考虑还是从需求角度考虑，基于可穿戴AR设备的沉浸式学习模式均不适用于以课程基础教学为目标的课堂教学中，使用可穿戴AR设备可针对以下两类学习目标进行学习/教学模式设计。

（1）在熟练基本操作的基础上，以提升操作技巧为学习目标。在这种学习需求下，可穿戴AR设备可作为技能进阶或高阶学习的辅助手段，以课后开放或有限课后开放的模式为学生辅助训练使用。在这种学习目标下，可穿戴AR设备可用于自规律学习模式，即在无教师干预，学生具有自我学习的动机的情景下，建立以可穿戴设备为核心的开放实验室服务。

（2）以满足操作规范和达到执业标准为教学目标。在这种教学目标下，获得执业相关资格是学习者的最终目的，因此对实际操作有严格规范和流程要求，通常发生在一门或一系列课程的结束阶段。教师可设计以项目任务为训练模式，可穿戴AR设备为相关过程关键点提示工具的个体化学习模式。这种学习模式下，学习者一边操作一边回顾相关知识是不被允许的，因此使用可穿戴AR设备可保证学生即可流畅操作相关动作，同时可获得关键信息的提示或警示。

三、关键影响因素

根据Pmiect Tomorrow发布的一篇针对圣地亚哥一个AR增强现实试点项目的评估报告显示，在应用数字化内容、工具和资源的过程中，教师们列出的三个关键要素分别是：教室设备装置（56%）；持续的辅助课堂的技术支持（49%）；对数字内容的高效运用和专业技能提升（48%）。应该说，增强现实技术在教育行业中的应用并没有成熟，仍处于实验性的阶段。如何更好地融入教育，探索建立基于增强现实的新型现代职业技术教学模式，有三个方面的关键因素。

（一）硬件设备

增强现实的硬件技术有待进一步成熟。增强现实涉及到环境建模、立体声合成和立体显示技术、触觉反馈技术、三维交互技术、以及由于涉及大量感知信息和模型而异常重要的系统集成技术。显示技术是否可以实现全光场显示？机器对场景的识别和理解怎样做得更精确？在真实环境甚至受限环境中，如何提高智能交互的效率和准确度？这些都是需要解决的技术难题。目前，各大厂商对增强现实设备的开发主要集中于增强现实眼镜，谷歌公司的可穿戴设备Google Glass由于外观设计、性能、隐私等问题在消费市场折翼，微软的HoloLens也迟迟未能推出消费者版的头盔。以HoloLens为例，其最关键的零组件是光机和镜片。现采用的LCoS技术光效率高、成本相对低，但存在对比不佳和光机体积大等问题。Facebook旗下的Oculus Research研究所的首席科学家迈克尔-阿布拉什（Michael Abrash）在Facebook年度开发者大会上表示，只有当材料科学、光学和显示技术取得重大进步后，这种超级眼镜才有可能问世，这可能需要10年或20年的时间。为了解决目前AR眼镜应用服务不足，另一些厂商主要投入在AR应用功能的开发上。借助智能型手机和平板电脑等移动装置，许多AR创意APP出现在这些移动设备上，如去年风靡全球的任天堂AR手机游戏Pokeman Go，不仅让广大玩家体验了AR的与众不同，也带动了消费者对AR功能的潜在需求，反过来影响厂商在AR眼镜和AR应用服务商的开发策略。尽管借助智能型手机能够很便利的体验AR，但实现AR效果对手机性能要求颇高。因为AR是在真实的图像中叠加虚拟的景象，如果想要位置合适的话，手机就需要运行计算机视觉算法，这对相机的成像质量和手机处理芯片都有要求。也存在耗电、耗流量的问题。因此有研究者认为，手机硬件只能让用户在AR体验中“尝鲜”而已。

（二）技术支持

增强现实技术的教学应用需对其教学价值和技术特征进行分析，然后进行教学应用策略的制定，这为技术与教育的有机融合创造条件。增强现实尤其适用于情境学习、自主学习和协作学习。研制基于增强现实的教学培训大纲及配套教学资源，需要得到学校的大力支持。因为对于不同教材，需要进行定制化的研发，成本不小。目前。市面上的AR教学产品大多是一张纸和一个3D模型的形态，实际上只是非常表面的AR应用，因为深度的开发需要教育专家、技术专家的挖掘和协作。

（三）教师意愿

2016年作为增强现实的元年，其应用于教育领域的研究时间还相对较短，个案较多，缺乏有体系、有长时间跟踪的实证研究。因为可供借鉴的增强现实教学模式和教学经验很少，需要教师在实践中不断积累经验，重视教学效果测评，根据反馈修正相应的教学设计。在这一过程中，教师扮演了极为重要的角色。一方面，教师要及时提升自己融入新技术的教学设计能力，因为传统的课堂教学模式中无法无缝使用AR设备，因而必然会要求使用更灵活的课堂教学模式和教学设计，例如个体化教学、体验式学习、AR应用支持的协作学习等。这就需要教师在教材教法上给予更多的关注，以提升教学活动的适应性。另一方面，教师还要有追踪行业新技术的意愿。与vR相似，AR也可实时更新应用软件，因此这一特点使其可在很长一段时间内保持与行业技术的同步更新，这必然需要教师实时追踪本行业新技术，提升本职专业素质。

四、对教学的促进

（一）可最大程度节约教学成本

如前所述，基于VR的仿真学习软件已成为当前职业教育辅助教学工具的首选，并也已普遍运用到多个职教领域，其中甚至包括一些新兴的职业领域，如新能源和3D打印。而基于AR的应用則分为沉浸式和非沉浸式两种（有些文献分为三种，分别是沉浸式、半沉浸式和全沉浸式）。相较于基于VR的仿真学习软件，基于移动设备的非沉浸式AR应用并没有增加成本开销。因此从VR仿真学习软件过渡到基于移动设备的AR的应用不会造成额外的经济负担。另外，两种不同的AR应用所针对的专业类型也各有区别，培训机构或学校可根据自己的财政状况以及专业设置情况自主选择最适合本校学生的设备和教学模式。即使无法获得沉浸式教学设备，也可通过前述的利用基于移动设备的VR+AR教学模式来满足基本相关专业的基础课程教学目标（含动作技能教学目标）。

（二）与国际先进工业发展趋势保持同步

基于移动设备的AR技术由于其突出的可视特点，以及数据可共享、可迁移性等优点使其正在成为设备维护行业的潮流和新的作业规范。例如西门子公司为Vectron机车提供的AR设备维护服务，在该AR应用中，技师无需上火车，便可使用移动手持设备登录每个Vectron机车所提供的加密局域网，并访问加密的后台办公服务器。技师们直接通过在平板设备上手势操作进行任务和路线检测，不仅如此，还可以直接调出该机车车轮的CAD图以及上千页的操作手册，并且可看到别的技师所留下的维护记录。而博世公司则推出了汽车维修AR系统，在该AR汽车维修应用中，不仅提供给维修技师3D工作指令。所需工具。甚至提供相应教学视频。当手持移动设备的摄像头扫过发动机组件，相关的上下文信息立刻就被触发并推送到对应物理部件位置上。

由此可见，在职业教育培训阶段融入基于AR的体验式教学活动可以与国际先进工业发展趋势保持高度同步。不仅提升所培养人才的新技术适应能力，同时可缩小学校教学目标与企业需求之间差距。

五、总结与思考

正如前文所述，当前国外大部分在职教领域的AR研究重点关注AR技术的使用，并没有过多关注AR技术对职教课堂教学可能带来变革及促进。

本文在分析了增强现实技术在教育领域的相关探索性应用的基础上，结合当前职业教育学习模式分类，提出了两种新型的融合了增强现实技术的职业教育学习模式：基于移动设备的VR+AR非沉浸式学习模式和基于可穿戴AR设备的沉浸式学习模式。并根据增强现实技术的技术特点讨论了在职业教育活动中使用AR技术可带来的多重优势及需要重点关注的影响因素。当然，本文对基于AR的新型职业教育学习模式的探讨也属于探索性研究，需要进一步通过实践检验。