增强现实（AR）技术在教育中的应用案例研究

刘立云++李春燕++赵慧勤

摘 要：本文搜集了增强现实（Augmented Reality，简称 AR）技术在各个不同教育领域中的应用案例，分析并研究了增强现实（AR）在现代教学中的发展潜能和趋势。通过分析搜集的AR在教学学具开发、教育游戏开发、学科教学、电子书开发、物体建模、职业培训等六个教育领域中的应用案例，总结出AR在教育的应用中展现出的优势、不足，并给予相应的解决对策，为AR 在教育领域的应用研究提供一些参考资料。

关键词：增强现实（AR）；AR技术的开发；教育应用；AR应用案例

中图分类号：G434 文献标志码：B 文章编号：1673-8454（2017）17-0019-04

在如今的教育当中，大部分课堂教学依然是以传统的教学方式为主，老师讲课学生听，最多利用一些多媒体或者实验工具丰富一下枯燥的教学，把所教所学内容简单的丰富具象化，使学生更加容易去学习理解以及掌握。而此时，技术作为一种解决问题的手段，在教育教学中发挥着越来越重要的作用，比如增强现实技术就在很多教育领域中开始逐步运用，利用计算机技术来引领教育的发展与改革，促进教学效率，促进教学课堂中多元文化的发展，使教学形式多样化，形象化，不仅可以大大提高老师的教学质量和趣味性，也能使学生在愉快轻松的环境中更加快速地掌握知识，提高学习的效率。[1]

一、增强现实概念界定

增强现实（Augmented Reality）是虚拟现实（Virtual Reality）的延伸，在基于增强现实这门高新技术给传统的教学提供了新的多样化的传授知识的手段，用一种高科技的方法，为学习者提供一个更加真实有效的自主学习研究的环境。通过对现实中某些物体环境的增强显示，学生能在虚拟出的环境指导下接触并操作虚拟出的真实物体。

Milgram和Utsumi[2]通过广义层面和狭义层面来定义增强现实：广义上是指“增强自然反馈的操作与仿真的线索”，狭义则认为AR是“虚拟现实的一种形式，其中参与者的头盔式显示器是透明的，能清楚地看到现实世界”。也有一些科学家根据AR的功能来定义，例如Azuma[3]认为增强现实可以被认为是一个满足三个条件的系统：真实和虚拟世界的融合；实时交互、虚拟和真实物体在3D空间中的精确注册。

二、AR在教育中的应用案例

根据查阅的资料和文献内容，国外对于增强现实这门技术的研究主要集中于市场营销、机械制造工业、游戏设计开发和教育等领域。而我国对于增强现实技术的研究则比较晚，通过网上资料显示，对于增强现实技术研究的有关文献最早出现在1987年。

增强现实技术在教育领域中的应用研究主要体现在以下6个方面：①教学学具软件的开发：乔晨在他的《增强现实学具的开发与应用》当中就提到利用Metaio软件包制作电子电路可视化的教学学具；[4][5]②教育游戏：蔡苏在2012年对增强现实的技术研究中就提到基于ARToolKit制作3D教学游戏；[6]③学科教学：在我国近年，AR技术已经应用于美术、物理学等教育领域当中；④图书馆的开发：包括增强现实电子书和数字图书馆的研究；⑤技能训练：如魏国前在2007年的研究中就提到利用AR模拟技术来训练学生起重机实操技术；⑥物体建模：运用PianoAR系统开发钢琴模型辅助教学，广泛应用于音乐学科教学。

1.教学学具软件的开发

开发一种结合虛拟与现实的AR电路学具，可以不需要大量的设备就能体验方便快捷的与真实环境相同的实验。

AR电路学具的开发需要一种运算速度块、同时还可以为系统提供优良支持的开发工具，因此，设计者就用Metaio或者Dfusion等开发包，研究出了AR电路学具（如图1所示）。

学生在学习电路的串、并联时，先启动计算机中的AR程序，利用AR电路学具事先采集的资源配置电路图，并且可以通过变换电路中电阻的数量来检测电流和电压的各种变化，AR电路学具在提供学生学习的同时还为教师提供接口，以此实现师生互动，学生在学习当中出现的问题就会及时反馈给老师。教师也可以通过接口实时为学生提供信息和学习素材的更新。

2.基于AR的教育游戏——“弹弹岛”

基于AR技术开发出的教育游戏，利用增强现实技术搭建游戏平台，把现实中的场景融入到虚拟的世界当中，再利用网络数据加以支持，就形成了一套非常强大且高效的辅助教育的手段。利用增强现实开发的游戏使用一个摄像头或一个移动设备来提供视角的转换达到三维呈像的目的。这种类型的教育游戏可以广泛的应用到现代教育的辅助教学中，也能在各种不同的教育领域加以利用。

弹弹岛是利用增强现实技术设计出来的一款游戏，游戏内容是将英语单词按不同的类别划分到不同的情景之中，通过闯关、问答、探索等方式辅助学生进行对英语单词的学习和记忆。游戏的背景是一座大海中的孤岛叫弹弹岛，岛上的各种生物都有相互弹力的作用，学生的任务就是把每个单词中的各个英文字母正确的按顺序拼接起来。如果没拼对一组单词就有相应的过关奖励。

3.AR在学科教学中的应用

（1）colARmix在小学美术教学中的应用

在小学上的课有：手工课、绘画课、简单的实践课等。通过实际调查教学中发现，教师对生活中的美术媒体教材使用频率比较髙，在美术教学活动中使用这些媒体教材似乎已经不能引起学生的兴趣。但增加了AR这门高新技术，利用科技将虚拟与现实结合起来，比如当需要小朋友画一座小屋时，如果用传统的教学方法，只是在纸上画一个长方形然后再加以一些窗户门之类的修饰，这仅仅只是在一维空间的构想，但是利用AR技术，学生就可以在一个三维空间内绘制自己想象中的小屋，身临其境甚至可以走进小屋内进行对小屋的装饰，比如在小屋内添加一个花瓶，床，画像等等（如图2所示）。这样不仅可以充分调动学生的实践动手的积极性也可以更好地帮助他们构建自己的知识。endprint

colARFmix软件可在苹果系统iOS5.0或更高版本、安卓Android2.2或更高版本的环境下运行。利用投影仪、视频展示台、电脑、交换机、投影屏幕等设备就可以满足colARmix在小学美术教学中所需的硬件条件。

（2）Matlab、Simulink等AR技术在物理教学中的应用

来自美国路易斯安那州立大學的学者，将 VR 和 AR 技术在电磁学、力学和工程中的应用模式进行了对比实验，他认为不论是 VR 或是 AR 都能有效的提升和改善现有的教学形式与手段，从而使学生学习的质量得意提升，为此提倡将 VR 和 AR 技术与现有的科学研究软件，如，Matlab、Simulink 等进行整合。

Metaio SDK和Metaio Creator支持移动设备，就是典型的一种应用案例。物理学的核心内容不仅仅是可见的实验教学，还有很多抽象的且很难直接观察的物质对象，例如，电场、磁场等“场”的概念[7]。Chiang，Sun 和 Lee还在研发中将 AR 技术与微软 Kinect 体感交互技术相结合，利用增强现实体感技术，就可使人用肉眼看到音响发出的声波（如图3所示）。

4. AR电子书的开发

在2009年的第61届法兰克福图书博览会上，利奥纸品集团推出了ARIUXTM技术，即：“增强现实交互式用户体验技术”[8]。它的核心就是利用专利技术D.FusionA增强现实，同时将印刷和数码传媒技术进行结合，把二维的图像转换成3D，可以增强读者的阅读积极性，让读者在生动的读书环境中体验知识的浩瀚。

Tony DITerlizzi的新书《These chforwondLA》就利用这一技术，制作成了一本增强现实电子书。只要安装D.Fusion Player播放器，用户不论在哪，都可以通过网络，在任何有摄像头的计算机上阅读的这本书，而最近诞生了一种新的增强现实电子书格式，由韩国光州科学技术学院研制，这种AR技术的电子书允许每其中一页都出现3D的人物和场景[8]，使得阅读更加充满趣味性，有效地增强了教学的效率（如图4所示）。

5.AR物体建模

在钢琴教学中使用PianoAR系统建模，系统输出层模拟出的钢琴影像琴键面与实体钢琴的钢琴键面是一一对应，通过摄像机拍摄到的实体钢琴琴键界面，将琴键界面通过数据的形式传送到计算机屏幕上，计算机此时则在屏幕上创立一个二维坐标，将虚拟的钢琴琴键界面与实体钢琴琴键界面进行重叠，进而实现虚拟与现实的重合，再次通过摄像机采集钢琴演奏者的动作，把其传输到计算机上，就可以制作成3D教学视屏（如图5所示）。

接下来利用音频录音设备采集钢琴演奏的音频数据，并对音频数据进行加工分析，来识别不同音频的数据，然后上传给电脑。

钢琴教育中，老师不可能一天24小时在学生想学习的时候或者有些学过的地方忘记时随叫随到，这时就利用PianoAR系统进行教学，有针对的选择那些好听、简单、容易记忆，同时又能激发孩子学习兴趣的教材，PianoAR系统将这些教材进行采集上传，让学生随时随地都如同有老师在亲身教学一般。

在这当中，PianoAR系统还可以通过模拟琴键按压深度加强孩子的手指力度、支撑等能动性，根据学生现阶段的情况，适当地加一些《我们的太阳》、《幼儿初学指法练习曲》等练习曲，作手指的针对性练习（手指训练），通过PianoAR技术对真实环境中的钢琴进行建模，在虚拟的弹奏中体验真实的音乐效果，大脑与手并用，使得学生手指得到刺激，从而达到有效的练习。另外学生还可以在PianoAR系统中作一些简单的弹法训练。

6. AR在职业技能训练中的应用

起重机的驾驭和操作涉及安全性，熟练程度等多种因素，所以，起重机司机必须经过严格的考察之后，才能上岗。就目前来说，起重机司机在接受训练的实践操作是在工厂的起重机上进行，这种实地接受训练的方式，虽然能使工人得到充分的练习体验，但是对工人的人生安全存在很大的安全隐患，同时可供练习的机车有限、能耗浪费大、考核评估缺乏客观性，导致起重机培训的效果很不理想。

ARML技术是一种人机交互技术，通过ARML系统，创建与现实机器相同的物体大小，供详细的操作流程，学员利用ARML系统建立的操作机器，可以获得真实的操作体验，在虚拟与现实交合的环境中练习。ARML技术通过摄像机把现实中起重机的模型模拟出来，并通过计算机视景仿真技术在电脑端绘制一个三维工厂的场景，再把起重机的模型添加到虚拟场景中（如图6所示）。年轻的起重机司机在练习时，可以通过计算机，进行模拟训练，通过与ARML系统链接的遥控手柄进行与实地操作相同的起重机操作训练。这样不经可以节省大量能耗成本的开支，也可以使得起重机培训更加有效快速的进行。

三、AR技术在教育中应用案例分析

1.AR技术在教育中应用的优势

增强现实技术具有虚实结合、虚实同步、交互自然的特点，能够有效的弥补部分传统教学模式的缺陷，尤其是AR技术交互自然的特点能够弥补传统教学中师生一对多交互不足的缺陷。当现实的教具不足以支撑老师高效、快速的教学时，通过AR高新技术，就可以为学生老师创造更加方便、快捷、形象生动的教育器材，不仅节省了现实教具的投资，还促进了教学更加有效的实施。同时增强现实技术的这些特点大大的丰富了教学情境，有助于教师对学生抽象知识的教学。几乎所有的学习的知识都来源于真实的生活，增强现实技术就是通过将虚拟与现实的叠加，创设虚拟的学习环境。这样通过创建形象生动的学习环境，可以大大增加学生的学习积极性，创造性，而且还可以让学生、教师在互动中交流、成长，达到高效的教学水平。

2.AR技术在教育中应用的不足

增强现实技术在教育教学的领域中应用的关键技术大多是高新技术，不仅技术应用、运用困难，而且投资研究成本较高，另一方面，AR需要大量的技术支持才能很好的运用实现，而现如今对增强现实技术的研究开发还处于表面，不够深入。在课堂教学当中，能够运用到AR技术的教学不多，对于现在的课堂设备来说，运用增强现实技术进行教育教学还不是很方便，教师对于现在现有的AR技术设备的运用也不熟悉，难以发挥它在教育中的教学优势。endprint

3.解决方案

（1）适当加大增强现实技术在教育教学中具体科目的研究开发力度。

（2）要不断扩展分析AR技术究竟该如何有效的应用于学生学习和老师的教学。

（3）增强对教室中现有设备的运用力度，从简单的AR在课堂中的实现开始，比如利用投影仪、电脑等设备设计一个简单的虚拟场景。

（4）由于AR技术开发设备相对较贵，希望政府适当加大在增强现实技术方面研究的投资力度。

四、结束语

本论文主要分析探究了AR技术在教育教学中音乐、英语、图书馆等领域中的应用，开头从分析AR在现代社会中的现状，到通过初步定义AR的概念，由此开始讨论AR这门高新技术在教育之中应用的可能性以及应用潜力。然后通过列举一些不同教育领域之中AR的应用案例，以及AR技术在6个方面的主要应用研究，发觉增强现实这门技术在教育当中应用的特点，再通过列举大量国内外实例发掘增强现实技术与教育结合点。借着AR技术在教育领域应用案例的分析过程中，也列举出一些现代AR的产品是否可以在教学的过程当中有效的应用于教育教学。通过分析不同领域的课程性质，近一步剖析AR技术在教育之中的發展优势、限制以及发展趋势，最后提出相应的解决方案。

参考文献：

[1]张哄波.增强现实技术在教学中的应用研究[D].中国优秀硕士学位论文全文数据库，2012：1-3.

[2]Migram p.，Takemura H. ，Utsumi A.，et al.Augmented reality：A class of display on the reality-virtuality continuum [J].spie，1994，2351（34）：282-292.

[3]Azuma R .T..A survey of augmented reality[J].Presence：Teleopera-tors and Virtual Enviroment，1997，6（4）：355-385.

[4]陈向东，乔辰.增强现实学具的开发与应用——以“AR电路学具”为例 [J].中国电化教育，2014（9）2-3.

[5]徐剑坤，杨乾龙，杨乾霞.增强现实技术在采矿工程实验教学中的应用[J].实验室研究与探索，2013（2）：136-139.

[6]蔡苏.增强现实（AR）的5大功能4个平台3类方式20余案例[J].远程教育杂志，2016（6）.

[7]王志勇，葛娆.中学物理教学中多媒体技术的应用探讨[J].济宁师专学报，2011（4）

[8]许山杉.增强现实电子书的开发[J].中国优秀硕士学位论文全文数据库.2011.

（编辑：王晓明）endprint