AR技术在教育领域的应用

姚甜

摘   要：增强现实（AR）是一种新兴的体验形式，通过与特定位置或活动相关联的计算机生成的内容来增强现实世界。文章通过分析AR技术的原理、技术特点和实现方式，并结合实际案例总结出AR技术运用在教育领域中的应用方向和特征优势，为AR技术在教育中的设计应用提供理论指导。

关键词：增强现实;学习;教学;虚拟现实

为了连接虚拟世界和现实世界，创造了增强现实（Augmented Reality，AR），是近年来的热门话题，其可以应用于医疗、制造和维修、可视化、娱乐和教育等许多领域。与虚拟现实（Virtual Reality，VR）相比，AR在教育（尤其是儿童教育）方面具有更多优势。因为孩子们只需要一个iPad或手机就可以通过AR进行学习，而且用户的娱乐性、参与性和可用性也会更高。此外，虚拟物体和现实环境的共存可以可視化复杂的空间关系和抽象概念，体验现实世界中不可能发生的现象，还可以与混合现实中的二维或三维合成对象、产生交互。这些教育优势使AR在未来5年成为教育领域的关键新兴技术之一。

1    AR技术简介

AR是一种新兴的体验形式，通过与特定位置或活动相关的计算机生成的内容来增强现实世界。简而言之，增强现实界面提供了真实世界与虚拟世界之间的无缝连接。使用增强现实系统，学习者可以自然地与3D信息、对象和事件进行交互。除了2D和3D对象之外，数字资产，例如音频和视频文件、文本信息、嗅觉或触觉信息等也可以并入用户对现实世界的感知中。总的来说，这些增强功能可以帮助和增强个人对周围情况的理解。

用户可以通过多种方式查看增强现实内容。一种是用户可以通过应用程序中的网络摄像头扫描快速响应（Quick Response，QR）码。当使用摄像头扫描QR码时，用户可以查看叠加在其实际环境上的数字信息。通常，当用户移动或旋转扫描QR码时，数字信息也将随之移动和旋转。另一种是使用头戴式显示器（Head Mount Display，HMD）。当用户佩戴HMD时，用户可以在HMD屏幕上以及其真实环境中通过屏幕看到数字信息（或通过连接的相机的屏幕显示）。

根据增强现实的类型以及可供使用AR的设备，现在有许多工具可供开发使用。某些工具（例如Daqri，MixAR和ZooBrust）比较简单，不需要编程知识或技能。其他工具包括SDK工具包，例如ARToolKit，Unifeye Mobile SDK和Wikitude，是为专业的AR开发人员开发的。这些套件功能强大，可让开发人员针对各种设备设计各种AR应用程序。更高级的工具则需要计算机编程的知识和经验。

2    AR技术在教育领域的应用

2.1  AR书籍

将AR技术用于书籍中能够为用户带来丰富的感官体验，将单调的信息转化为立体、逼真的图像，带来全方位的视觉、听觉和触觉冲击。用户还可以通过与AR书籍的交互去探索和发现新的场景和情节，获得个性化的阅读体验[1]。例如泰国教育科技研究所开发了3D增强现实地质学教科书，该书教学生有关地球各层的关系、差异和功能。还有针对学龄前儿童使用的AR字母书，儿童能通过查看每个字母的3D模型、动画和对应的拼图游戏进行更有趣的学习。

2.2  AR游戏

教育工作者经常利用游戏来帮助学生轻松掌握课堂上难以理解的概念。使用AR技术的游戏通常包括一块平板或地图，当用移动设备的摄像头查看时，它会变成3D形式。这种游戏可以很容易地应用于一系列学科，包括考古学、历史学、人类学、地理学等。增强现实游戏的另一种玩法允许玩家创建虚拟人物和物体，然后将这些绑定到现实世界中的特定位置。然后，玩家可以与这些数字对象互动。

一个名为Alien Contact的AR电子游戏被用于多个K-12班级，以提高学生的学习和参与度。游戏的目的是发现为什么外星人来到地球并降落在特定区域。通过收集证据并成功完成任务。参加游戏的学生与数字模拟的游戏角色、数字物品及其小组成员进行互动，以在游戏空间中绘制路线以达到预期的最终目标。AR游戏是一种非常有效的学习工具，可以在教授学生各种技能的同时吸引他们的兴趣和注意力。

2.3  物体建模

增强现实也可以用于建模，使学习者可以设想给定物体在不同设置中的外观。模型可以快速生成、操纵和旋转，学生可以立即收到相关的视觉反馈。新西兰坎特伯雷大学人机界面技术实验室的研究人员创建了一种工具，该工具可以将草图转换为3D对象，并且学生能够通过AR技术探索对象的物理特性和相互作用。在巴西的毛里西奥·纳索学院，建筑专业的学生正在探索增强现实技术对建筑进行比例模型设计的可能性，从而减少了所需的时间。

2.4  技能培训

增强现实具有强大的潜力，可以提供强大的学习体验，同时促进在现实世界中发现信息的关联性。AR护目镜已被用来训练个人，特别是在波音等公司的特定任务中，例如军事上的硬件机械师或飞机维修等特定任务。AR护目镜能够显示维修的每个步骤、确定所需的工具，并包括文字说明。北卡罗来纳大学教堂山分校开发的一项医学程序，用于医师对孕妇进行超声波培训和练习。利用超声波信息，该程序将妇女子宫的内部投射到医生的眼镜上。

2.5  特殊人群康复与教育

AR技术在特殊人群的教育和康复方面也有突出的表现。相对于正常人来说，特殊人群可能会具有某部分的身体缺陷或是认知能力较弱等特征，使用AR进行学习能够提高其学习效率和学习主动性，也能帮助其更好地进行一些康复训练。ARVe是一个应用于植物领域的增强现实应用，它可以让自闭症儿童和智障儿童以简单直观的方式处理植物，并提供视觉、嗅觉或听觉提示。认知障碍儿童能在使用该程序时表达一些积极的情绪。AR技术还可以运用到手语学习和教学中，帮助聋哑人以及与他们接触的亲人、社工、言语康复师等学习手语[2]。

3    AR技术应用在教育领域的特性

3.1  增强学习动力

当学生使用AR进行学习时，往往能有更高的满意度，体会到更多的乐趣以及会很愿意进行重复学习。学生能够与AR物体产生交互，达到沉浸式的体验或是通过游戏的方式进行学习，使他们主动地去探索知识，增强学生的学习动力。有时AR产品的易用性可能会低于非AR产品，但是AR产品的用户动机却明显高于非AR替代品。如使用AR与PC端计算机輔助设计（Computer Aided Design，CAD）程序学习3D结构的学生认为即使AR程序的可用性被评为低于PC程序，但是用户对AR程序的满意度更高。与非AR版本的游戏相比，儿童头戴式AR游戏的使用难度明显要高得多，但是儿童认为AR版本的游戏更加有趣，并且他们愿意再次玩。

3.2  体验现实生活中无法做到的事件

AR学习应用实质上是交互式数字仿真，它能可视化抽象科学概念或使学生体验到无法实现的现象。例如，AR可以允许学生改变空间比例以观察正在运行的太阳系，或加快观察植物生长的时间，或允许学生选择化学元素，组成3D分子模型并旋转模型。增强现实创建了新的可视化效果，能够有效增强学生对抽象概念或现象的理解。

3.3  加强团队协作

AR可以加强团队之间的合作，而且使用AR可以使互动和协作更加自然。AR系统通常比较容易使用，因为学生可以使用自然交互的方式来操纵内容，而不必花费很多时间去学习使用系统。例如当学生使用AR地图进行导航的时候，创建了一个共享的空间，团队成员可以协作并共享信息，能更有效地进行导航。此外，当学生通过联网的移动设备以及面对面的互动进行协作时，社交互动可以得到增强。

3.4  内容以新颖的方式呈现

AR可以使内容以多种形式呈现：静态图像变为动态图像、二维变为三维、文本变为声音、非交互式内容变为交互式。随着信息变得更易于处理和多样化的学习方式，表现形式上的变化可以提高教育的效率。在一个教学案例中，教师使用了包括白板、投影仪、摄像头、AR磁贴和虚拟3D建模包在内的多种技术组合，以观察和旋转虚拟3D地球，以了解地球和太阳以及白天和夜晚之间的关系，证明AR可以使学生更有效地进行学习。

除了以上提到的特点外，将AR技术运用在教育中还具有培养学生的创造力和想象力、帮助学生按照自身步调和道路来控制自己的学习、更好地记忆学习内容等特点。

4    结语

尽管AR并不是新生事物，但其仍处于起步阶段，尤其是在教育应用方面。为了优化现有的AR应用程序和技术以用于教育，仍然有许多问题需要克服和探索。当前，尽管AR具有诸多优点，但是对于许多老师和学生来说，为AR创建3D模型的任务较为困难，因为其需要大量的技术知识。但是，许多公司正在投资易于使用的AR开发套件，开发困难的问题应该会随时间推进慢慢得到解决。目前，教育工作者和研究人员应继续跟进AR技术的发展，密切关注AR对社会的影响，有意识地评估AR对教育的影响，并不断探索，寻求如何最好地应用AR以优化教学环境的方式。

[参考文献]

[1]程鸿芳.移动增强现实技术在手语学习教学中的应用研究[J].芜湖职业技术学院学报，2018（2）：81-83.

[2]汪行东，张飞英.增强现实技术在童书中的应用研究[J].西部广播电视，2019（12）：62-63，68.