AR虚实融合推动教育改革

摘 要：受疫情影响各大高校实施“停课不停学”网络在线教育，这种教育方式充分展现了灵活便捷、资源丰富、个性化需求等突出优势。而AI、5G、物联网、云计算、数据挖掘、VR、AR等新兴技术领域与教育的结合终将改变传统教育模式。本文通过3D立体空间定位虚拟物体、实时交互及虚实融合等技术探讨AR在教育领域的应用，AR技术使得教学活动更加形象、生动、有趣，游戏学习法可大大提高教学效果。

关键词：虚拟融合;AR;3D立体;实时交互;教育改革

无论是现实还是虚拟，都是给人一种感受，人类曾经幻想过的那些科幻和魔幻，正伴随科学技术的发展、成熟逐渐成为可能。而增强现实AR的提出使得在现实世界中通过加入计算机运算产生的一种比现实世界感受更佳的体验成为可能。目前，AR[1]将应用在教育、娱乐、影视、医疗、工业、旅游等诸多领域。

1 AR技术概述

确切地讲，AR并非是一种的具体技术，可以说是一个目的或者一种新型体验方式。从概念定义上，AR具有虚拟和现实两个元素，在技术实现上，AR有多种实现方式，并呈现飞速发展态势，随着企业大量资金的注入及各大AR创业公司的兴起，印证着AR的发展比VR更受投资者青睐。

本质上，AR将数据和分析通过计算机运算转化成图像或动画，并将其叠加到现实世界中。从更深层次上来看，AR创建了一种新型信息呈现范式，让实时交互上升到全新境界。一种简单的游戏，任天堂AR卡片开启了基于AR卡片的AR游戏之旅，游戏玩家购买的掌机NDS利用摄像头扫描附带AR卡片（通过掌机NDS赋予新意义），从而在屏幕上幻化出不一样的画面。其实质上是获取AR卡片中存储的信息，使得人物呈现立体效果，用户可以实时交互开启游戏。还有基于场景的Night Terrors：The Beginning（惊悚夜：开始）这款游戏，一款于现实场景互动的AR恐怖游戏。

AR医疗在血管照明方面应用较为成熟，医务人员在手术中通过PC机应用软件进行助力可查看隐藏血管，例如此前的一个案例：借助谷歌眼镜疏通右冠状动脉阻塞，还有医疗设备营销可视化的应用都是这方面典型的例子。

基于3D模型的全息影像投射到现实世界中，终将开启另类现实生活，《幻乐之城》中“技术控”韩雪现场挑战AR全息投影，四种场景变换，八个人物演绎搭配音乐实现表演与影像的实时互动，早在多年前就已有该技术的舞台呈现，这也是一种全新的视觉盛宴。

AR旅游，华为和敦煌研究院合作，对莫高窟高精度扫描采集数据，通过厘米级空间识别技术复制了一个与实景相同的虚拟莫高窟空间，在华为AR地图中与真实景观合二为一，那么在游览的时候可以随时听取故事，观看相关介绍。以及关于故宫的AR旅游等等一系列科技为艺术注入了新的感知力，这使得我们未来的旅游体验更加具有趣味性和科学性。

2 AR+教育的优势

学生上课使用手机都是被认定为违反校纪校规的行为，现如今实行“停课不停学”网络在线教育以来，学生使用手机是一件非常光明正大的事情了，而这也正是教育变革的必经之路，谷歌在I/O推出的Bring the World into the Classroom（AR未来课堂计划），一旦实行，会不断听到AR刷新教学体验、推动教育事业变革的声音，这充分凸显了AR+教育的优势。

2.1 全新的课堂体验

AR虚实融合[2]连接现实与虚拟环境，打造3D立体内容，可以惟妙惟肖的模拟知识模型及内容，非常直观、生动、形象地展现课程内容，这样有助于学生更加深入理解和掌握知识，而书本也可以以立体方式呈现，有助于打开学生创新思维模式，我们看到的不再是2D投影、白板、黑板等平面内容，而是栩栩如生的三维动态画面，那么对于空间想象力的填补和一些肉眼不可见的内容，AR可以可视化呈现，形象地解决数学、物理、医学等领域的知识的枯燥性。这样的课堂体验无疑是一场视觉盛宴。

在课堂进行过程中，游戏教学法能够充分调动学生积极性，利用AR体验使学生进入游戏角色或虚拟游戏场景中，贯穿专业知识点，可大大提高学习效率。兴趣是最好的老师，这样的教学方法很容易让学生产生极大的兴趣，有了兴趣之后，学生的学习会更主动，学习动力更强，让整个课堂的氛围非常积极向上，非常和谐，无論对老师还是学生，无疑将会使得课堂体验上升到极致。

2.2 突破时间地域限制的先进

AR的引入使得远程教学更加形象、生动、逼真。现在的远程教学能够呈现的更多的还是基于二维空间的，局限性显而易见，使得学生的课堂体验停留在2D屏幕上，虽然跨越了传统教学模式，但学生学习仅停留在听觉和二维画面上，对于实验、实训及一些动手实操类的课程还是不能够更好地理解，但是AR的引入跳出了二维空间，可以使得教师、学生进入一个立体呈现出来的3D空间内，还有一些标本、实验器材可以立体呈现，碎片分割，使得学生理解课程更加深入、具体，特别是针对一些教育资源贫瘠的地区来说，无疑是一种全新的体验。对于教育资源匮乏的地区，能充分利用好AR将会让该地区的学生更容易接受一些晦涩难懂的知识点。

2.3 低成本高安全

对于一些需要器材、化学品、机械等实际存在的物理设备领域，AR引入将会使得实体物料需求量大幅度降低，比如物理领域课程，通过AR师生将实现边观看3D立体虚拟器材，边直接操控设备进行实验。这一技术的引用将大大降低学习的成本，学生不需要再交一些高昂的费用来做一些具体的实验才能学到某些知识。医学领域，通过AR将实现实时呈现3D虚拟人体，师生在虚拟人体上进行手术操作或者人体解剖，那么将无须携带人体模型上课了。学生可以近距离地观察每一个解剖动作，充分了解人体的每一个器官，不像传统的人体模型，学生只能靠想象。而这一技术的引入使得学生身临其境，完美地学习这些知识。通过AR不一样的课堂实训体验，学生不仅可以更加直观、生动地学习课程内容，了解生物构造，掌握操作技术，而且还可以大大缩减实验器材及生物标本的采购成本。对于生化和医学领域实验有很大的安全隐患，化学实验存在爆炸、辐射、腐蚀、中毒等系列伤害，医学实验有的必须要求无菌环境操作，借助AR技术[3]，将实现虚拟实验环境，用AR深入实验探索，甚至可置身于其中解决结束壁垒问题，更甚至降低实验风险。同时，虚拟的教学和实验实训、AR 3D虚实融合的教学模式更能帮助学生进入“沉浸式”教学中，大大提高学习兴趣和学习效率。

2.4 丰富的内容体验

就目前教育现状而言，线上教学、VR教育、AR教育等处于发展阶段，且机会与挑战并存。国外，AR教育存在较为丰富的表现形式，比如像AR沙盘。可以想象下，学生处在一个沙盘前，这个沙盘有丘陵、山谷、河流等，在沙盘上方，存在一个微软Kinect摄像头用来自动测量各个部分与沙子间的距离，并在沙盘空间内投射出高线和色彩，如暖色表示山峰，冷色表示洼地，那么学生可以不断把沙子推向山峰周边，此时颜色随之改变，可以形成色彩美妙的岛屿、海洋。当学生将自己的手放在山顶之上时，虚拟的细雨洋洋洒洒，雨水可能逐渐变大，然后从山峰留下汇聚，最终流入海洋，形成复杂的气象及地理学结合的过程，可以让学生充分感知学科的丰富性和美妙性。

3 AR教育走向多元化时代

AR虚实融合引领教育走向多元化时代。AR的迅速崛起，很大程度上得益于突破了在时间、空间和地域上人类感知限制，从最原始的线下发展到线上，通过AR让学生置身于三维环境中，进行人、物、景、境等的多重虚拟交互，可再现现实世界中无法靠眼睛真实观察到的多维画面和空间变化，带领学生走入虚拟的多维内景中，直观感受文字和语言所表达不到的那部分，医学解剖可以走入人体看到人体器官中心脏的构造和跳动，血管内血液的流动，手术整个过程的虚拟模拟，有助于学生深入掌握相关知识，文学鉴赏、文物甄别、历史故事等通过AR技术[4]可以使人仿佛穿越至当时，感受古人、古物带给你的视觉冲击。

甚至，学习计算机课程将让你感受到从程序编译到呈现出结果整个过程的神奇，及各个电子元器件的相互配合。

这一技术的引入，使得我们的学习有了方式，使得教育朝着多元化、精细化的方向发展。例如，建筑专业、设计专业可以使用AR建模让学习的人可以看到一个实际的项目在不同环境下的不同样子，快速生成模型，学习者可以操作旋转，可以及时地发现设计中的瑕疵。学校图书馆可以出一些AR图书，使用特定摄像头扫描书的内容时，3D动画、视频和音频接踵而來，甚至可以做一些互动元素，让学习易如反掌。此外，可以结合AR做一些发现式学习，可以在学校的展厅结合AR做一个古迹觅踪等类似的应用，让学生可以独自发现并学习一些历史知识，中华民族的5000年文化后继有人了。一些特殊的院校也可以结合AR来进行培训，对于军事学院，可以通过AR来进行三维仿真建模，将一些高精尖且昂贵的装备展示给祖国的精英们观看，详细讲解每个功能模块的功能与使用方法。对于医学院，也可以通过三维仿真建模在课堂上通过平板展示并且做一些互动让医生们清楚地学习到一场复杂的手术是如何完美完成的。

综上，AR教育趣味性高、节省时间、低成本、高安全，展现形式多样，必将引领教育走上新的台阶。

4 总结

AR技术目前的应用领域众多，在各行各业都有相关研究，在带给人们一定视觉冲击的同时，伴随着先进的科技感和全新体验。AR+教育的应用，将会更加促进和催化教育模式的转变，推动在线教育向更具吸引力、科学感、趣味性、体验性方向前进。AR虚实融合将开启教育新纪元，科幻是创新的源泉之一，可充分激发发明创造，引入AR技术，将打造下一代未来教育课堂新模式。

参考文献：

[1]佚名.AR（增强现实）[J].上海信息化，2016（10）：10-11.

[2]苏凯，赵苏砚.VR虚拟现实与AR增强现实的技术原理与商业应用[M].北京：人民邮电出版社，2017，443-460.

[3]季至宇.VR与AR技术教育应用研究[J].软件导刊，2017（10）：224-226.

[4]蔡苏，张晗.VR/AR教育应用案例及发展趋势[J].数字教育，2017（3）.

课题：2019年甘肃省高校科研项目：课题名称：精准扶贫背景下课程资源共享云平台的研究（课题编号：2019B-251）

作者简介：高政霞（1991—），女，硕士。