增强现实技术在教学活动中的应用研究

何朝杰 彭韧 张雪

摘要：增强现实技术是虚拟现实技术的一个分支，它通过将计算机生成的虚拟信息和真实世界进行融合，让用户在虚实结合的环境中进行体验和互动。在教学活动中运用增强现实技术对学生创新和应用能力的培养都有积极的作用。文章简要论述了如何在教学活动中利用增强现实技术帮助学习过程更加简单易懂，并提高学习者的兴趣和学习效率。

关键词：增强现实 虚拟环境 教学应用 教育游戏

中图分类号：G434文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2019）01-0100-02

Abstract： Augmented reality technology is a branch of virtual reality technology. It combines computer-generated virtual information with the real world to allow users to experience and interact in a virtual and integrated environment. The use of augmented reality technology in teaching activities has a positive effect on the cultivation of students1 innovation and application ability. The article briefly discusses how to use augmented reality technology to help the learning process become easier to understand and improve learners' interest and learning efficiency in teaching activities.

Keywords： Augmented reality Virtual environment Teaching application Educational game

一、增強现实技术简介

（一）技术定义

增强现实技术（Augmented Reality，AR），是一种在现实基础上进行加强的技术。区别于虚拟现实技术（VirtualReality，VR）构建的完全虚拟世界中的沉浸感体验，增强现实技术的目的是将计算机生成的虚拟世界与用户切实体验的真实世界进行叠加和融合，以此来拓展和增强用户的视、听觉系统。通过计算机技术，将真实场景和虚拟信息实时叠加在同一个画面或空间中，实现虚拟世界和真实世界的和谐共存[1]。

增强现实的定义主要有两种[2]，一种是将真实环境与虚拟环境放置在两端，靠近真实环境的称为增强现实，靠近虚拟环境的称为增强虚拟，位于中间的则称为混合现实;另一种是以虚实结合、实时交互、三维注册为特点，利用附加的图片、文字信息对真实世界进行增强的技术。

（二）技术实现

目前增强现实技术的实现可以分为三类，首先是显示在可穿戴式设备上，例如眼镜等，其次是在计算机、手机等智能设备上显示，最后是利用投影设备直接在现实中投影显示。究其本质而言，都是虚拟景象与现实场景的结合，因而下文并不做过多区分，将重点放在应用的本身上。

二、增强现实技术与教学活动的结合

（一）学习教学的理论

学习教育是一个与大脑记忆相关联的过程，在这一基础上，许多学习理论相继被提出[3]：“情境认知理论”认为：学习应随着情景发生变化，学习应该发生在真实的情景中，学习需要交互和合作;“协作学习理论”认为：学习者以小组形式或团队形式参与，可以促进学习最大化;“沉浸理论”认为：当人们投入到一种活动中去而完全不受外界的干扰时，会充满兴趣与毅力去完成这项活动。

（二）增强现实的教学应用

结合教学理论和不同场景下的教学需求，可以构建增强现实技术在教学活动中的多种应用，以此来提高教学的效率和水平。

1.增强现实拓展阅读：好奇心、游戏心理、形象化识别是多数学生，尤其是低龄学生的基本心理需求[4]。相对于对着乏味的文字，他们更乐于看到更有趣的表现方式。将增强现实技术和书籍阅读的过程进行结合，可以将书籍中平面的文字和图片内容用更生动、具象的方式表现出来，例如视频影像的播放、虚拟模型的演示、小游戏的互动等，通过这些引人入胜的方式更加真实、易懂地展现书籍的内容，将阅读变成一个主动体验的趣味过程。

增强现实拓展阅读最直接的应用方法是利用带有摄像头的智能移动设备，当使用特定的应用扫描书籍中的文字或图片时，就会在屏幕上显示出相关的立体影像，例如在阅读《鲁宾逊漂流记》中海船遇到风浪沉没的过程中，使用设备扫描书籍中沉船的图片，就能看到在暴风雨中挣扎的海船以及其最终沉没的过程，伴随着丰富的音效和动画，让读者能够从更生动和主观的角度阅读和理解书籍中的故事。

此外，还有专门为增强现实阅读开发的硬件设备，例如索尼公司开发的Wonderbook，这是一款PS3的增强现实外设，它的外形就像一本真实的图书，用户可以通过动作控制器和摄像头与图书互动，以此来探索其中的故事，当读者想要看下一个故事时，只需要翻页即可，实现了“一本书，一干个故事”。

利用增强现实技术，在阅读的过程中，读者从被动的信息接受者变为主动的发现者、探索者。主动交互体验是增强现实拓展阅读的核心部分，它带给读者视觉、听觉上的多维度体验，让读者更深刻地了解和吸收更丰富的知识内容。

2.增强现实立体演示：在开展教学活动的过程中，教师最常用的方法就是立体实物演示。例如在高中化学课中，教师使用球棍模型等实体教学模具给学生演示化学分子结构。但是这种模型一般只能演示几种简单的分子结构，对于复杂一些的结构，教师就只能靠平面图形来进行演示。在这个过程中结合利用增强现实技术进行立体演示，只要给出一个分子式，就能够投影显示出三维分子结构模型，教师和学生可以直接旋转、移动、观察这个分子模型，从而对其组织结构有清晰的了解认知。此外，对于化学反应式，增强现实技术能立体直观地显示出反应过程中各个分子结构的打散和重组过程，学生可以在任何时间和位置对这个过程进行暂停、放大等操作，帮助学生更简单地了解化学反应过程。

目前在智能移动设备上就有一款基础的化学教学增强现实应用：ChemistrylOl。只需要在手机或平板电脑上下载和打开这款应用，将摄像头对准写有化学元素名或分子式的卡片，在屏幕上就会显示出该元素或分子的立体化学结构。

对于其他课程，例如将增强现实技术应用到高中地理课教学中，当教师讲述洋流变化时，传统教学中学生只能对着平面圖片上的箭头学习，利用增强现实技术，可以将立体的世界洋流的模型展现在学生的面前，学生可以主动随意操作模型，观察任何时间，任何海域的洋流，可以跟随任意一条洋流的流动;教师可以指着具体的洋流过程给学生讲解，可以将模型自由旋转、放缩，灵活地展示各个知识点。

利用增强现实技术，使得原本枯燥、难懂的模型结构，能够生动、灵活地呈现出来，在教师授课和学生学习的过程中，可以更方便和明了地直接观察知识点。当出现困难疑问时，不再纸上谈兵，直接通过虚拟立体演示，让学生充分了解复杂变化的过程，通过交互增强对知识的理解和印象，提高学习效率。

3.增强现实教学游戏：游戏具有娱乐性、自由性、幻想性等特点，通过寓教于乐的方法，把学习教学过程与游戏过程相结合，能达到事半功倍的效果。教育游戏[5]是将教育与游戏有机融合的一种既具爸趣味性，同时又兼顾知识性，且二者比重相当的应用型软件。

例如，在一款解密益智手机游戏《涂鸦上帝》中，玩家扮演上帝的角色，利用最开始的风火水土四种元素的组合，创造出新的事物，又可以利用新产物进一步进行创造。这种益智的游戏方式，很适合低年龄的孩子学习一些常识性的知识。将增强现实技术与这款游戏结合，让孩子在立体空间中进行切实的操作。孩子只要用手拖动材料，例如，将沙子和火焰结合，就能产生玻璃这个全新的产物，孩子在这种新奇的方式中，通过自己的双手，知道了玻璃是沙子经过火的锻炼而产生的。当孩子通过自己的努力实践完成一项合成时，自然地产生一种自豪感，这种自豪感能帮助孩子更好、更深刻地记忆知识。

例如，当游客来到一座陌生的城市进行游玩时，需要对本地的景点、地标、文化底蕴等内容的进行教学。传统的方式是通过游客自己搜索知识信息，或者通过导游的介绍等，而通过增强现实手机应用，可以简化这个过程。在应用中会提供城市的地图，当用户打开这款应用在城市中游玩时，就像在游戏中探索迷宫一样，到达过的区域的迷雾将消失。当用户到达一个景点，使用应用扫描景点里的标识时，手机屏幕上就会浮现出介绍这个景点的特色、历史、渊源等知识的文字、图片、视频、语苜等多种多样的息。

将增强现实游戏广泛用于科普教学等方面，通过游戏的趣味性诱导玩家在游玩的过程中得到学习，可以帮助学习者更有兴趣投入到学习之中，可以更好地记忆知识。

4.增强现实教学场景构建：在教学的过程中，教师可能需要一些比较特殊而且又不容易实现的情景。例如对于汽车维修教学，如果要提供各种类型车辆的各种不同的故障情形，就可能需要许多车型，或者将一辆车搞得七零八落。如果使用增强现实技术，教学过程中只需要一辆真车，学生使用手持智能设爸上的专门应用扫描，在屏幕上就会显示出教师要教学的特殊的故障点以及各种说明。更进一步的应用情况是将虚拟的车辆模型投影在学生面前，教师可以随意开闭、拆卸车辆的零部件，可以将损坏的部位单独放大、提出进行讲解等。

德国大众就曾经推出一款名为“MARTA”的修车软件。这款APP利用影像分析技术，当用户将手机摄像头对准汽车零部件时，会在屏幕上显示汽车零件名称以及各种相关信息，更能利用动画显示的方式告诉用户该如何拆解这零件，极大地帮助用户简化维修流程，提高修理效率。

三、增强现实教学应用的优势

在教学过程中引入增强现实技术具有以下优势：

①增强现实技术将原本复杂或枯燥的教学内容用直观、新颖的方式直观地呈现出来，减少了传统教学模式中教师能力对教学效率的决定性影响，在减轻教师负担的同时，能有效地吸引学生的注意力，激发和增强学生自主学习的兴趣和热情。

②增强现实技术打破了传统教学平面、单一的模式，将视觉、听觉等多维度融合，构建三维立体的模拟环境，使得一些抽象的、复杂难以理解的教学内容以具象的、开放易懂的方式呈现，同时以调动学生眼、耳、手、脑等多方面能力的方式提高学生吸收知识的能力，增强教学的效率。

③增强现实技术构建的学习环境具有沉浸性和交互性，给学生提供可以直接动手观察和操作的机会，超越了传统的学生被动接受的教学过程，让学生主动参与到教学活动中，有助于发展学生独立探索的思维方式和面对三维空间信息的活跃、开阔的思维能力，同时培养学生的自主动手能力，激发学生的拓展性和开创性。通过亲身体验，学生也能加强对知识的理解和记忆，增强教学的效果。

④建立虚拟教学环境和实验环境，能有效减少教学过程中所需要的昂贵的设备以及材料的购买以及维护开支，降低教学成本，同时也减少环境污染和管理上的不方便。

总结和展望

将增强现实技术加入到课堂教学中，不仅仅是工具上的进步，更是课堂教学方式的转变，学生从被动接受者转化为主动探求者，教师也不仅仅扮演一个灌输知识的角色，而是一个启迪者、引路人，增强现实技术下的教学是一个参与、交互、传递、反馈、发现、强化的过程。

目前增强现实技术在工程、游戏等领域中都有优秀的表现和前景。将增强现实技术构建出的虚拟场景与真实场景的交融带来的沉浸性和交互性应用到教学领域上，为教学物体模拟、教学过程体验、教学结果呈现和师生交互方面都提供了新的可能[6]。在这种新环境下，如何设计适合各种不同条件下的教学环境的增强现实技术的展现方式和交互方式将成为教学领域中增强现实技术研究的难点和热点。

当下的技术发展都是呈加速发展趋势的，在终身教学成为社会发展的必然要求且竞争日益激烈的信息时代，将增强现实技术特有的人机交互方式和信息呈现方式与教学过程相结合，增强现实技术必定能在教学领域中大展身手。

参考文献

[1]柳祖国等.增强现实技术的研究进展及应用[J].系统仿真学报-2003，2（15）.

[2]王宇希，张凤军，刘越.增强现实技术研究现状及发展趋势[J].科技导报，2018，36（10）：75-83.

[3]张洪波.增强现实技术在教学中的应用研究[D].开封：河南大学，2012.

[4]蔡新元，陆晴漪.增强现实技术在传统儿童书籍中的应用研究[J].湖北大学学报（哲学社会科学版），2013，40（4）：100-103.

[5]朱丹丹.虚拟现实技术与教育游戏结合的发展前景初探[J].当代电影，2018（2）：164-167.

[6]蔡苏，宋倩，唐瑶等.增强现实学习环境的架构与实践[J].中国电化教育，2011，（8）：114-119.

[7]刘佳.计算机辅助工业设计课程组教学模式研究[J].设计，2017，30（7）：106-107.

[7]弘韬.图形创意课程教学实践创新研究张[J].设计，2017，30（7）：108-109.