全息技术教育应用与现实挑战

周进

【摘 要】科技的发展推动着全息技术在各领域展开有效的应用，并对教育领域产生重要影响。文章介绍了全息技术的概念、特征、分类及发展，并分析了全息技术在资源、教学、环境三个层面的应用。资源层面的应用有资源开发、全息存储和全息显示；教学层面的应用有远程教学、技能培训和3D设计；环境层面的应用有全息教室、移动课堂和虚拟情境。文章认为，全息技术教育应用是教育技术发展的必然趋势，但目前仍处于初级阶段，在实践过程中面临的挑战主要集中在技术与教学两方面，需要研究者进行不断地探索与实践。

【关键词】全息技术；教育应用；现实挑战

【中图分类号】G434 【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2017）12-0080-04

引 言

科技的快速发展，强烈地冲击着人类生产与生活的方方面面，成为当今社会发展的重要驱动力。全息技术（Holographic）作为各国政府及企业高度关注的前沿技术之一，已在通信、医学、军事等领域如火如荼地展开探讨与应用。比如，在通信领域，微软开发的一款名为全息传送（Holoportation）的产品可实现即时传输用户的图像与声音，并能与对方展开实时互动。在医学领域，纽约大学医学院推出的三维交互式生物数字人体（BioDigital Human）可视化程序，可用于解剖实验。在军事领域，美国国防高级研究计划局（DARPA）完成了一项为期五年的城市光学沙盘显示（UPSD）项目，用于协助军事指挥官制定作战计划。

随着全息技术理论的逐步深入与实践的不断拓展，国际上一些学者开始关注全息技术的教育应用。英国索尔福德大学的研究者随机挑选来自不同教育阶段的400位教师进行问卷调查，以评估教师对全息技术作为教学工具的看法。研究发现，60.8%的教师认为全息技术在未来会是有效的教学工具[1]。而当前全息技术的教育应用还处在起步探索阶段，缺乏清晰的应用思路。基于此，本文将对全息技术的基本概念与特征进行介绍，分析全息技术在教育中的应用与挑战，以期推动全息技术在教育领域中的应用进程。

全息技术概述

1. 全息技术的概念与特征

全息技术是综合运用互联网、人工智能和光电信息处理的一门技术。其原理是利用光的干涉与衍射，实现对物体信息的记录与还原，其中被记录的干涉条纹称为全息图。

与虚拟现实（VR）不同的是，全息技术本质上是一种投影技术，只需将影像投射到一定的介質上就可直接观看到逼真的立体影像，而无需借助特定的头戴式显示器。

全息技术具有四个基本特征：立体性、可分割性、缩放性及存储容量大[2]。其中，立体性是指观察者可从不同角度看到如同真实物体一样逼真的三维图像；可分割性表征的是被分割后的全息图也能完整再现被摄物图像，仅仅是分辨率受到一定的影响；缩放性是由于衍射角与波长的关系，使用不同的激光照射全息图会发生放大或缩小的图像；存储容量大是通过改变激光的波长、相位或角度，可在同一感光板上存储多个信息页。

2. 全息技术的分类与发展

根据对三维图像记录及还原的方式不同，全息技术一般可分为光学全息、计算全息和数字全息三类[3]。光学全息中的干涉与衍射是利用光学照明实现的，这种全息技术即为传统的光学全息。计算全息是利用计算机将光场分布模拟或计算出来，绘制并输出到胶片或显示器上，可突破现实世界物体的限制，实现对虚构物体的再现。数字全息是利用面阵光电探测器（如CCD、CMOS）和计算机实现对全息图记录、存储和再现全过程的数字化。

1947年，英国匈牙利裔物理学家丹尼斯·伽伯（Dennis Gabor）提出了全息技术的思想。但由于当时受光源条件的限制，研究进展缓慢，直到1960年激光器的出现才取得了实质性的进展。

全息技术的发展过程大体分为4个阶段[4]：第一阶段是在1960年激光出现以前，伽伯采用的同轴全息技术。该技术以汞灯为光源，并且参考光与物光共轴，但获得的图像与照明光混在一起，不易观察。第二阶段是激光出现后美国科学家利思（ Leith） 和乌帕特尼克斯（ Upa tnieks）提出的离轴全息技术。此技术是利用激光记录与再现，且形成的图像与照明光分离，易于观察。第三阶段是白光再现全息技术。其原理是使用激光记录，白光照明再现。第四阶段是白光全息技术。由于激光自身因素的影响，全息技术在实际使用中面临种种困难，于是，研究者们探讨使用白光记录与再现，从而促进全息技术的实际应用。

全息技术在教育领域的应用

全息技术在教育领域中的应用虽处在萌芽期，但早在2000年，英国伦敦南部一所学校已使用全息技术进行教学。该校数学老师凯瑟琳·达顿（Catharine Darnton）成功地将三维虚拟图像通过互联网传输到学校的展览中心，学生可以看到一个“虚拟教师”出现在教室里[5]。由于当时设备及网络的限制，传输的距离只有几英里，但充分说明全息技术在教育领域的应用价值不容小觑。

随着科技的快速发展，全息技术在教育应用中的作用越来越突出。通过文献调研与案例分析表明，全息技术教育应用主要集中在资源、环境与教学三大层面上。

1. 资源层面

信息技术的发展使得学习资源的呈现方式由2D呈现逐步过渡到3D呈现。3D数字化教学资源能将抽象内容直观化、形象化，从而为学习者创设沉浸性学习情境，激发学习兴趣，加深对学习内容的理解和内化。全息技术作为3D数字化教学资源开发的关键技术之一，其资源层面的应用主要包括三个方面。

（1）资源开发。应用全息技术开发3D数字化教学资源，能为学习者带来完整的学习体验，满足学习者个性化学习的需求。英国德蒙福特大学Martin Richardson教授一直从事如何提高学生语言学习方面的研究。其研究团队结合全息技术开发了独特的全息教学资源，能捕获3D口形，学生可从不同角度观看说话时嘴巴和舌头的不同动作。这有望成为语言治疗师的重要工具。当前，3D数字化学习资源较为稀缺，全息技术的实时交互性和立体性将成为3D数字化教学资源开发者的“香饽饽”。

（2）全息存储。知识经济时代下，互联网的快速发展带来了数字化信息资源的急剧增长，这对当前的信息存储技术提出了很大的挑战。而且随着计算机处理数据增多，操作任务复杂度增加，对存储设备的数据传输速度提出了更高的要求。全息存储具有高存储容量、高傳输速率、快速存取和存储可靠性高的优点正满足了上述需求[6]。美国加州大学河滨伯恩斯工程学院和俄罗斯科学院研究人员研发出了一种全息存储器，可以在电子设备中提供前所未有的数据存储容量和数据处理能力。

（3）全息显示。对教学资源的全息显示有助于增强学生的学习情感体验。2014年，在伊斯坦布尔举行的英国文化创意节上，德蒙福特大学成像与显示研究小组（Imaging and Display Research Group）展示了太阳年辐射全息数据可视化模型，这是该组全息数据可视化研究的第一个实例。郑州二中创新班学生利用平板电脑和有机玻璃四棱锥结合的方式实现对动画的3D全息呈现，培养学生主动探究、主动实践、主动创造的能力。

2. 教学层面

全息技术在教学应用中具有诸多优势。比如，作为教学工具可将复杂的主题内容简单化，以帮助学生更好地理解复杂的学习内容；作为学习辅助工具可成功吸引孩子注意力，增强孩子对事物的理解；作为专业知识学习工具可允许学习者全方位观察学习对象，促进学习者认知发展[7]。香港理工大学Hareton Leung 等人在香港小学进行2D教学与3D教学比较研究，发现3D教学比2D教学能达到更好的学习效果。Katie Monnin博士在幼儿教学中使用全息技术投影出一只小白兔作为教学助手站在教师旁边，成功吸引孩子的注意力并增强学习兴趣，提高了孩子的学习效率。全息技术作为教学的有效工具，其应用主要体现在以下三个方面。

（1）远程教学。利用全息技术能实现教师向全球多间教室提供课程教学与现场讲座。与传统的远程视频教学不同，学习者可看到立体、实时交互的“虚拟教师”，实现名师进课堂。近日，著名物理学家史蒂芬·霍金借助全息技术出现在香港科技园并进行主题演讲。该活动由网龙和ARHT Media公司共同实现。ARHT Media研发的HumaGrams是可信度和交互度较高的人体全息影像产品。教师利用该产品可不用离开学校就能进行远程教学与讲座。同时，学校也能邀请行业工程师进行客座讲学。因此，该产品受到了教育工作者、培训师、专家的青睐。墨西哥蒙特雷科技大学Eduardo Luévano等人将全息技术和机器人结合进行远程教学。研究发现，72%的学生认为全息技术与机器人结合能带来完整的学习体验[8]。

（2）技能培训。高危险、高费用和高复杂度的技能培训是现代职业教育的瓶颈，具有可缩放性和交互性的全息技术可有效解决技能培训难题。Robin在脑神经教学中利用全息技术展示三维模型并实时交互，为学习者带来完整的操作体验。Upadhye在工程图形教学中使用全息技术对复杂图形立体呈现，增强学生对内容的理解。美国EchoPixel公司开发的True 3-D系统可将CT和MRI扫描获取的数据转换为3D全息图，便于医生准确的诊断疾病和准备手术，该系统已在加州大学旧金山分校，斯坦福大学投入使用，助力医学技能培训。

（3）3D设计。随着教育信息化进程的推进，学生创新能力与创新意识的培养是教育工作者愈发关注的焦点。技术的教育应用需要满足学生创新能力的培养方能拥有发展的康庄大道。3D设计基于光学动作捕捉技术，实时跟踪眼部、手部位置，对虚拟模型进行设计与开发，再利用3D打印机对设计的模型进行打印。基于全息技术的3D设计是学生设计思维的个性化创造工具，可重塑教育对象与过程，打造虚实融合的教育应用创新服务平台，以培养学生创新创造的能力。

3. 环境层面

全息技术和虚拟现实技术在环境构建上的作用相似，主要是通过全息技术相关的软硬件来构建三维虚拟环境，并支持学习者与虚拟世界进行实时交互以便获取信息。同时，虚拟学习环境能提高学生学习动机、丰富个性化学习环境、促进知识和技能习得，实现“寓学于乐”。全息技术在环境层面的具体应用包括。

（1）全息教室。课堂教学是学校教育的主战场，也是人才培养的关键抓手，有效的课堂教学需依托数字化的学习环境。基于全息技术构建的全息教室能满足学习者多元及个性化课堂学习需求。美国InfiniteZ公司利用3D全息技术打造的ZSpace产品将作为教学工具推进高校课堂，旨在提高教学效果和推动科研进步。国内中视典公司将全息技术与虚拟现实、增强现实融合，发布了全息教室整体解决方案，开启了3D全息课堂教学新模式。澳大利亚优立全息公司为南京大学捐建全息影像室，将全息技术运用到学科虚拟教学中，旨在培养科技创新人才和创意创作人才。

（2）移动课堂。近年来，随着移动学习理论的逐步完善和通信技术的发展，基于手机、平板等移动学习新模式成为学者关注的焦点。然而，仅仅是利用移动终端对资源“携带”和简单再现似乎满足不了学习者的要求。美国Ostendo 科技公司研发的三维全息投影芯片，可以嵌入到移动设备中实现三维全息投影。在2014年，钛客科技在北京国家会议中心正式发布全球首款全息智能手机，即takee全息手机，由此，全息手机进入大众的视野。全息教学资源与全息手机的融合可打造便携式全息移动课堂，实现资源的立体交互，增强学习体验。

（3）虚拟情境。虚拟情境能调动学习者的视觉、听觉、动觉等多感官参与，给学生如身临其境般的感受，从而达到体验式学习的效果。利用全息技术为学习者创设虚拟的学习情境可模拟科学实验和重现历史遗迹、名人等。在虚拟情境中模拟科学实验，如化学反应、青蛙解剖、爆炸等，不必担心因操作失误而带来的各种危险；在重现的历史遗迹和名人面前，学习者可重游历史古迹，与历史名人对话交流。如在首尔的“活着画廊”项目中，利用全息技术使世界历史上许多哲学家和学者“活”了，实现了人们与历史的“跨时空”交流。

全息技术教育应用的现实挑战

1. 技术方面的挑战

当前，全息技术存在的现实挑战有：①互联网传输速度无法满足当前全息传送的需求，导致远程呈现的影像分辨率低、实时性差等问题。这大大降低了学习者的使用体验，在一定程度上影响了沉浸式学习环境的构建。②实现裸眼全息显示仍存阻力。谷歌、微软等科技公司研发的全息显示系统需借助全息眼镜等外在显示支持设备才能观看到立体影像，还无法实现裸眼观看。全息技术要在未来得到普及，必须实现裸眼观看3D影像。③缺乏触觉反馈。触觉技术是实现与全息影像交互的關键技术，充当着人与全息环境之间的桥梁。目前，人们仅仅是与全息虚拟影像进行语音交流，无法实现与虚拟影像犹如实物般的触觉交互与反馈。

2. 教学应用的挑战

全息技术的教学应用面临着诸多的现实挑战，主要包括：①全息资源设计和开发门槛高。学科教师很难像开发课件那样设计开发全息教学资源。信息技术公司尽管拥有专业的全息资源设计与开发团队，但由于设计和开发人员无法达到学科教师对教学内容和方法的理解与掌握程度，所以很难开发出适应教学的高质量全息资源。②平衡认知负荷。全息技术创建的沉浸式虚拟情境使学习者获取外界信息的通道变得多元化，包括视觉、听觉、触觉、动觉等。多通道的信息传递提高了学习者对复杂内容的认知效率，同时也会带来学习者的认知负荷超载。因此，在环境构建和资源呈现上应平衡学习者的认知负荷，避免出现信息冗余、注意分散等问题。③全息教育资源产权保护。信息网络时代，因网络资源的零成本复制问题，保护知识产权显得尤为重要。全息技术教育应用实践中会出现这种情形，即由于全息影像的可复制与存储功能，导致部分公司在未得到教师许可的情况下，借助教师的全息影像来伪造全息教学资源，这不仅侵犯教师的肖像权与著作权，也会增加全息资源产权保护难度。

总结与展望

全息技术作为一项前瞻性技术在各行各业中进行积极探索，以帮助实现行业的实质性转变，教育领域也不例外。从现有的研究来看，国外研究明显早于国内，在教育教学应用中的研究也比国内成熟，其中在远程教学、技能培训、工程教育等方面已取得了不少成效。而国内全息技术教育应用还处在初级阶段，在全息资源建设、全息虚拟环境构建和全息教学层面还需广大的教育工作者进行深入的研究，以推动全息技术在国内教育应用的进程。总之，全息技术的教育应用已呈现出一定的势头，伴随着互联网、人工智能与光电信息处理技术的快速发展，全息技术及相关产品在教育领域的广泛应用将成为必然趋势。

基金项目：江苏省研究生科研与实践创新计划项目“基于数字化场馆的探究性学习”（项目编号KYCX17_1673）；2017年江苏省高校哲学社会科学研究一般项目“苏北乡村教师TPACK影响因素与提升策略”阶段成果。