HoloLens在中小学教学场景的应用

吴丙朕 丁丽 李书兰 刘卫青

【摘 要】混合现实技术的发展以及技术与教育的深度融合，催生出新的教学形式与方法。真实环境和虚拟现实相结合，多角度及可对内部细节的观察交互，及时反馈的语音、画面等，使得教学的沉浸感更强。本文介绍了现阶段HoloLens资源获取的主要方法，并从中小学教学领域综述部分教育应用场景，分享已实践的使用HoloLens的教学方式探索，分析其在实际应用中的不足之处与展望。

【关键词】混合现实;HoloLens;沉浸式;教育应用

【中图分类号】G434 【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2021）05-080-04

近几年混合现实技术快速发展，并在教育中逐渐开始应用。HoloLens是一种混合现实设备，也是一台全息电脑。它能将真实环境和虚拟现实的景象进行结合，强调通过虚拟对象手段与真实世界物体进行交互（图1）。这种基于现实世界、由虚拟数据增强的交互手段，给教育提供了沉浸式的学习体验，同时这种交互方式也为学习者创建了一个自主探索的空间。

熟悉资源与获取资源的途径

教师在使用Hololens前，可以先熟悉资源并有针对性地下载。第一种方法：在WIN10操作系统下，从“开始”菜单中打开 Microsoft Store，在搜索框中输入Hololens，然后在结果选项中，分别选择“应用程序”“教育”“Hololens”选项即可（图2），点击每个应用后，可以先查看应用介绍，找到合适的资源后在Hololens设备开机主界面Store中定点搜索安装。

第二种资源获取方法：Lifeliqe应用。Lifeliqe是数字化基础教育K-12科学课程视觉发布平台，其公司是美国虚拟及混合现实技术领域的教育企业，于2018年6月发布了其混合现实应用，可免费下载，它专为K—12科学教学而设计。迄今，该应用已包括21门教学计划和40个互动模型，涵盖了生物、化学、物理和地质学等。将这些模型作为虚拟物体投射到真实世界中，师生能够围绕着观看，并深入探索它们，内容则与下一代科学标准和共用核心相一致，以此确保课堂上的适用性。

HoloLens的教育应用场景

目前关于HoloLens在教学方面的开发和应用尽管也有了一些实践的探索，但主要集中于生物、地理、物理、化学等几门学科，其探索应用简要介绍如下。

1.生物学科

借助于HoloLens设备，可以让学生更加全面直观地、近距离地观察每个结构，不仅可以在脑海中构建出其全貌，还可以在三个维度上全方位地观察，并且可以与虚拟物体交互，加深印象，促进学生的理解。例如，“Holoheart”通过“动态的真实的心脏”帮助学生更加容易理解心脏的内部结构和工作状态;“Frog-life cyde”可展示两栖动物的生殖发育、变态发育过程;“Dynamic Animation”可展示人体腿部结构，如肌肉组成、神经分布、骨的组成等;“HoloAnatomy”展示了心脏的结构、人体血液循环系统、神经系统、脑的结构、消化系统组成、骨骼结构等。

2.地理学科

“地震与海啸”可以让学生清晰直观地看到地震发生后海平面的变化过程与海啸场景;“成层火山”可以展示岩浆流动与火山喷发的形态;“Galaxy explorer”可以展现不同行星的运动轨迹和形态，还可以通过点击将要讲解的星球放大，展示后还可再拖回去;“MR Study”包含银河系、太阳系、太阳及八大行星的直观展示与讲解。

3.化学学科

“Holoelements”元素周期表，可将每个元素单独拿出来，看到质子、中子以及电子的运动，并包含熔点、沸点等特征数值;“MyLab”将完整的元素周期表呈现在学习者眼前，学习者除了可以和单个元素进行互动，还可以将不同的元素进行组合，观察元素组合之后的效果。

HoloLens应用于中小学的教学方式探索

现阶段已筛选过的资源，最主要的教学方式探索集中在以下两种。

一是录制微课。设备配套系统包含视频录制功能，教师将应用调整至合适的大小与角度，然后演示应用每个细节，完成后再进行配音与剪辑。这种方式适合教学计划类应用，因为应用内包含教学内容较多且相对系统，这样既发挥了混合现实的教学优势，同时节省了教学时间，给教师也留下了实践成果。

二是学生具身体验。课上由熟练的学生演示操作，将设备的实时内容投射到大屏幕上，同时采取教师或学生讲解、问答或“做导游”等方式教学。这种方式适合互动模型类的教学内容，一般5～8分钟可完成互动环节，优点是学生参与度高，视觉冲击效果好。但是HoloLens采取的是浮空操作和语音控制，需要组织学生课下多次练习熟悉操作。

现摘要列举几个资源的教学方式探索，如表1所示。

应用展望

与传统教学方式相比，HoloLens的混合现实技术可以将抽象的学习内容变得更加形象化，学生可以通过设备从多个角度对虚拟的 3D 模型进行观察交互，并为学生提供了一个特殊的学习空间，增强学生的存在感，并及时地反馈语音、画面等，沉浸式的环境使学生的专注度更高。

HoloLens作为微软首款不受线缆限制的全息计算机设备，也有较多的不足之处。如佩戴体验问题，由于重量达到579g（二代566g），長时间佩戴HoloLens会导致不适;因为需要实时计算环境，对设备资源要求非常高，操作延时3到5秒，运行一段时间后卡顿现象明显，延时甚至10秒以上，此时需要重启设备;输出分辨率不高，仅为720P，清晰度还需继续提升。由于设备昂贵，应用开发难度高周期长，Microsoft Store内全部应用约273个，教育应用仅38个（截止到2020年1月20日），资源数量整体上还是偏少，且与中小学课程内容贴近的就更是少之又少;Lifeliqe的混合现实内容教学计划内容不够充实且欠缺体系，HoloLens教育应用建设还有一段长路要走。

混合现实（MR）技术可以实现更加逼真的虚拟教学场景，为教师和学生提供更加自然、人性化的可交互式学习体验，但教育需要能够激发创造力的设备或系统，除了基于现实环境与虚拟图像进行交互，更需要与老师或其他学生进行互动交流。如果有成熟的教育系统支持，使得个体在混合现实体验中能与群体相连，学生既可以观察全息影像渲染出来的虚拟物体，也可以与老师和同学充分展开互动，效果将会更好。利用 HoloLens 的手势识别能力，学生通过手势、注视等体感操作实现与演示模型的自然交互，在 HoloLens 实时通信功能的配合下，还可以与不同学生或老师进行交流，展开讨论，将会更加促进学习与灵感的激发。例如，当教室中所有人在观看同一个模型（且可控制是否以相同的视角）的时候，学生们不仅能够听到教师讲解的声音，还可以看到讲解者的位置，通过观察讲解过程中的手势动作，配合不断变化的 360°三维全息影像，学生可以清楚了解正在讲解的部分，清晰直观地掌握相应知识点，这种支持对教学进度把控、教学效果的提升将会有很大的帮助。

通过感受混合现实技术、浮空控制、语音指令的优越性及体验部分教育应用案例，可以预期其在教学支持上会有很大的发展潜力和应用前景，它将深刻地改变我们的学习方式，探索HoloLens教育应用就是在感知触碰未来。

参考文献

蔡苏，王沛文，杨阳等. 增强现实（AR）技术的教育应用综述[J]. 远程教育杂志，2016（5）.

蔡苏，薛晓茹，张晗. 增强现实（AR）在K-12教育的应用实践[J]. 中小学信息技术教育，2017（11）.

李娣，王玉，刘双健. HoloLens教育应用述评[J]. 新课程研究·中旬，2018（5）.

作者单位：广东深圳市南山区园丁学校