增强现实多媒体教学环境设计

□ 李海龙

增强现实（Augmented Reality，简称AR），源自虚拟现实，是虚拟现实技术的重要分支。它将计算机生成的虚拟物体、场景或系统提示信息融合到真实世界中，从而实现对现实的增强，是通过计算机系统提供的信息增加用户对现实世界感知的技术，因此称之为增强现实技术[1]。增强现实技术综合了图像识别、空间定位、虚拟现实、计算机图形处理等学科，将数字信息和三维虚拟模型精确地叠加显示到真实场景，创新性地实现了人机交互。随着计算机软、硬件能力的提高，增强现实快速进入到大众视野，并在会展、营销、设计、出版、娱乐等领域发挥出越来越重要的作用，被《时代周刊》列为当前最具活力和前景的十大技术之一[2]。

一、引言

增强现实是近年来国外众多知名大学和研究机构的研究热点之一。除了应用于数据模型的可视化和虚拟训练等领域之外，由于它能使虚拟信息与现实世界进行真实的互动输出，在医疗研究与解剖训练、精密仪器制造与维修、军用飞机导航、工程设计和远程机器人控制等领域，具有比虚拟现实技术更加明显的优势[3]。随着增强现实技术研究的不断深入，其在教育领域的研究也逐步展开。目前，国外的研究主要集中在少儿早期教育上。奥地利维也纳大学利用头戴式设备完成了一个增强现实的数学教学系统，学生可以通过眼镜在真实的空间中看到三维数学模型，并完成简单操作[4]；2007年Dunser与Horneker以寓言故事作为学习内容并添加3D角色、声音及互动道具来观察5-7岁儿童如何利用增强现实技术进行互动与合作学习[5]；2011年El Sayed等人设计了一款增强现实学习卡片[6]。国内教育技术领域一般集中在增强现实技术的教学应用方面，如李婷等的《基于“视联网”增强现实技术的教学应用研究》[7]和徐媛的《增强现实技术的教学应用研究》[8]，多为宏观的描述性介绍，没有涉及实践领域的研究成果。本文将增强现实技术与多媒体教学媒体进行融合，以创设增强现实的多媒体教学环境。这样的教学环境可以满足对复杂抽象实验内容的教学活动，能够为学习者提供互动协作的学习条件，便于学习者进行实时交互交流和深度沉浸，同时也有助于学习者之间的情感交流。

二、增强现实的教育应用及教学环境设计类型

（一）增强现实的教育应用现状

增强现实技术在教育领域的应用已经取得了不少进展。哈佛大学的Dede等人[9]研究了基于AR的课程学习模式，设计并开发了一个AR移动课程项目；新加坡国立大学的ZhiYingZhou等人[10]开发了wIz⁃Qubes娱教系统，采用AR技术给儿童讲故事，其非线性的交互控制方式改变了传统的阅读习惯，对儿童有很强的吸引力；日本的Kikuo Asai等为学习者提供了一种新型的学习工具，具有很大的发展空间[11]。我国的浙江大学开发了将增强现实技术应用于科技馆中的“基因剪刀”项目，对提高儿童理解和学习科普知识的兴趣具有显著的效果。但从当前的状况可知，增强现实技术在教育领域的应用更多是单一的项目，对具体问题进行解决，没有上升到综合系统的层面。

（二）增强现实教学环境设计的类型

增强现实技术在教学环境设计中的运用主要包括两大类：针对传统课程教学环境的设计和针对实验课程教学环境的设计。马莉和沈克[12]构建的基于增强现实技术的外语教学环境是针对传统课程的教学环境设计；而沈克[13]利用增强现实技术在计算机导论实验教学环境设计方面所做的研究，则是对相关实验课程的设计。在传统课程教学环境设计中，主要强调利用增强现实技术提升学习者对复杂学习内容的认知水平，以及通过真实环境再现的手段，弥补传统教学环境的不足。例如，增强现实外语教学环境对单词理解的认知水平和真实场景下的口语交际能力具有促进作用。在实验课程教学环境设计中，更加侧重于对复杂抽象实验操作能力的培养。无论是传统课程还是实验课程，基于增强现实的教学环境其设计核心是利用虚实结合、三维呈现以及实时交互的特点，弥补传统教学环境的不足。其主要技术特征则是结合增强现实技术的特点，进行由虚拟信息到真实呈现的过程，主要包括：虚拟信息的识别、虚拟信息的分析处理和虚实场景的呈现三个部分。但从目前来看，增强现实教学环境设计较多利用技术本身在单一层面的运用，而没有站在更高的层面从系统论的角度出发进行全面的设计和实施。

三、增强现实多媒体教学环境的设计

（一）增强现实技术的原理和特点

1.增强现实技术的基本原理

增强现实技术的基本原理是通过摄像装置摄取使用者提供的识别卡片，捕捉卡片提供的信息、卡片的位置和活动情况，对捕捉的信息进行相应的技术处理，把摄取的真实图像信息和卡片识别信息经过技术处理后生成的虚拟3D图像一并通过显示设备呈现出来，通过使用者对卡片的触碰等，控制行为产生不同的效果，最终呈现出现实场景和虚拟影像的实时互动叠加（如图1所示）。

图1增强现实基本原理图

增强现实技术的出现依赖于包括图像识别、空间定位、虚拟现实、计算机图像在内的各类计算机相关技术的发展。其中，图像识别技术识别使用者提供的各类真实信息，供计算机进一步处理；空间定位技术能够准确捕捉并识别卡片转动或移动的信息，为在投影平面中的映射位置添加虚拟信息提供依据；虚拟现实技术为建立一种同时包括虚拟世界和真实世界两种要素的环境提供了可能；而计算机图像技术则能够给使用者提供更加逼真的视觉效果。正是有了多种相关技术的融合使用，增强现实技术才能将计算机所生成的虚拟物体、虚拟场景或相关信息叠加到真实世界情境当中，将用户所感知的当前现实情境进行“增强”与“扩张”，按照用户的要求将计算机产生的虚拟内容实时叠加到视频流，将三维虚拟物体放进用户的环境中。随着计算机视觉技术的发展，系统模型更具灵活性和真实感。用户通过增强现实置身于虚实难辨的情境中，自身与真实世界的联系仍存在，这种交互方式增加了用户的沉浸感。

2.增强现实技术的主要特点

增强现实技术主要包括以下三个特点：第一，现实和虚拟的自然融合。将显示器扩展到真实环境，使计算机窗口与图标叠映于现实对象；让三维物体在用户的全景视野中根据当前任务或需要交互地改变其形状和外观；对于现实目标通过叠加虚拟景象产生类似于X光透视的增强效果。第二，虚拟图像以三维形式呈现。通过对识别卡片信息的技术处理，利用计算机产生三维空间图像，用户对虚拟图像的可操作程度最大限度地接近真实和自然，为虚拟与现实的融合提供有利条件。第三，现实和虚拟的实时交互。使交互从精确的位置扩展到整个环境，从简单的人机屏幕交流发展到将自身融合于周围环境中。交互性不再局限于具体明确的位置，而是扩展到整个环境，可以根据使用者的真实活动调整计算机产生的增强信息。

（二）增强现实多媒体教学环境的架构

1.传统多媒体教学环境的不足

随着信息化的发展，多媒体技术在教学活动中得到了广泛的运用。现有多媒体教学环境普遍存在以下几个问题：第一，不能满足微格教学的需要。为了解决在教学过程中存在的问题，改进教学方法，教学活动往往需要被实况录制下来。传统的多媒体录制设备，只能单纯地录制视频和音频，无法多维度地录制教学活动的全过程。第二，不能实现优质精品视频课程的制作与传播。对于优秀教师的讲课实例，通常都需要拍摄成精品课程以进行评比或资源共享，现在教学过程中经常运到多种多媒体设备，传统的拍摄手段已经无法完美地诠释课堂教学的精华。第三，不能满足多媒体教学资源的广泛利用。受教学场地的限制，现有多媒体教学系统只能满足少数学习者的学习需求，如何更经济、更有效地扩大受众面积，最大限度地发挥优质教学资源的效果，也是一个很重要的问题。第四，不能实现学习者对复杂抽象实验内容的学习要求。现有的多媒体技术不能实现学习者与学习内容的真正交互，较为复杂抽象的理化生实验教学内容难以被学习者直观地感受和理解。而基于增强现实的多媒体教学环境可以有效地解决上述问题。

2.增强现实多媒体教学环境的设计

针对传统多媒体教学环境在示范性、共享性和演示性等方面的缺陷，基于增强现实的多媒体教学环境通过配合使用电子白板和自动视音频录制设备，解决教学示范性问题；通过以云存储资源服务器为中心的网络通讯技术，解决教学资源共享性问题；利用增强现实技术，解决教学演示问题。解决示范性和共享性问题的工作模块包括：①使用电子白板为核心的多媒体设备完成基本的教学活动；②利用自动捕捉设备对教学活动进行实时监控和录制；③教学资源通过互联网实时广播，与远程学习者互动交流；④对录制的教学活动进行编辑、加工，制作成精品视频课程，并通过互联网实时发布。

解决多媒体教学环境中的示范性、共享性和演示性问题，不是单一技术设备的叠加运用，而是根据需要，结合教学内容，加以综合设计与运用。例如，有些教学内容强调对学习者感知能力的培养，重视示范和演示；有些教学内容则强调学习者的互动交流和共享。

3.增强现实多媒体教学环境的使用

使用增强现实的多媒体教学环境，首先要进行前端需求分析。分析的内容主要包括两个方面：教学内容和教学过程，即根据教学目标选择适当的教学内容，并确定教学过程的基本流程。分析教学内容，选择适当的多媒体教学材料（识别卡片）。根据所确定的教学过程，有针对性地选择偏重示范演示或偏重协同操作的识别卡片。识别卡片的选择直接影响着后续信息的采集、处理、呈现以及互动等教学过程的展开。同时，依据教学过程的不同，选择适当的多媒体设备，支持教学活动的实施。根据需求分析的结果选择识别卡片和多媒体设备，随后是教学活动的具体实施过程。传统课程的教学实施偏重示范演示，实验类课程的教学实施则偏重互动操作，强调动手能力的培养，教师根据教学内容对识别卡片实施不同的操作，以呈现不同的效果。对教学效果的测评，也主要通过教学内容和教学过程两个方面。教学内容方面主要考核识别卡片的选择和功能是否得当、有效；教学过程方面主要考核在增强现实多媒体教学环境中整个教学过程的实施情况。通过考核，可以丰富教学材料，完善教学过程，不断提升整个教学环境的利用效果。图2显示了增强现实多媒体教学环境的具体使用流程。

图2增强现实教学环境的架构

教学演示问题是多媒体教学环境设计的核心，需要通过增强现实技术来实现。具体的流程包括：①视频设备采集识别卡片上的信息，通过增强现实软件系统地处理信息，将真实的图像和生成的三维物体图像呈现在显示设备上；②教师讲解的同时，配合变换识别卡片的角度和触碰卡片上的标记，显示设备上就会呈现出三维物体的不同角度，可以与三维物体进行互动；③通过多媒体设备，将整个增强现实教学环境下开展的学习活动录制下来并进行编辑制作、网络直播互动和后期点评。增强现实教学环境的主体如图3所示。通过视频采集设备获取教师手中识别卡片的信息，通过增强现实软件系统对信息进行处理后，将多媒体教室中的现实环境和教师的真实影像信息与经过处理后生成的虚拟三维图像一并呈现在多媒体显示设备上，教师通过现场讲解，加以对识别卡片的触碰等控制行为，在显示设备上产生虚实结合的三维效果，最终呈现真实场景和虚拟影像的实时互动叠加，为学习者呈现实时、互动、虚实结合的立体教学环境。也可以将整个教学活动的资料进行多媒体编辑，利用互联网设置为教学云资源，以实现点播或直播的功能。远程学习者也可以参与到整个教学活动中，实现远程学习者与教学现场及其他远程学习者之间的三方互动交流，最大限度地共享多媒体教学环境和学习资源。

图3增强现实教学环境的主体

四、增强现实多媒体教学环境的应用和意义

（一）增强现实多媒体教学环境的应用

基于增强现实的多媒体教学环境，最大程度地提供了对复杂抽象甚至涉及危险的实验内容的教学支持。比如，物理实验中涉及很多宏观的、抽象的实验教学内容，生物实验中则涉及很多微观层面的教学内容，化学实验中更是涉及不少危险的教学实验内容。增强现实技术具有现实和虚拟自然融合、虚拟信息三维动态呈现以及现实和虚拟实时交互的特点，恰好弥补了现有多媒体技术的不足，将复杂抽象的实验内容通过技术处理，制作成相应的识别卡片（如图4所示）。在进行这些实验内容教学时，可以利用相应的识别卡片，通过使用增强现实多媒体教学环境，为学习者呈现更加贴切的学习资源，实现学习者与抽象学习内容的真实交互，获得更好的学习效果。

基于增强现实的多媒体教学环境在笔者所处的物理与电子工程学院得到了初步展示和使用，主要应用涉及基础物理和电子电路实验两个课程。本文结合设计的应用框架对两门课程进行了尝试性的实验。学生普遍感觉新颖、生动、有吸引力，直观教学效果良好，更深层次的效果有待进一步观察。通过对两门课程的教学实验，笔者认为，根据教学内容的不同，教学环境支持的侧重点也不同。针对传统课程的教学活动主要解决示范性和演示性问题。例如，在基础天体物理学的教学过程中，涉及对天体温度、密度、光度、化学成分的分析以及天体间彼此运动现象规律的分析，乃至黑洞相关知识的讲解，与较为直观的化学、生物知识不同，此类教学内容呈现虚拟、抽象的特点，是教学的难点。传统课堂教学活动中以说教为主，缺乏示范演示，即使引入多媒体教学设备，也很难实现较好的呈现效果。增强现实多媒体教学环境恰能发挥其优势，弥补教学不足。针对实验类的教学活动，则主要解决演示性和操作性问题。例如，在电子电路实验教学中，涉及电路设计、电子仪器的操作以及电子电路的分析设计等，不但需要大量的动手操作和学习者的相互配合，还涉及部分危险的实验项目和其他难以开展的实验课程。增强现实多媒体教学环境的使用，不但消除了操作的危险性，节约了设备资源，同时提升了学生的学习兴趣，强化了学习动机，增强了学习注意力的持久性。

图4识别卡片构造3D效果

目前，基于增强现实的多媒体教学环境初露锋芒，正在迅速发展。笔者认为，增强现实多媒体教学环境的使用，是在整体教学设计的指导下，加以现代化多媒体设备的配合，发挥增强现实技术优势，最大限度地弥补教学过程中示范性、共享性和演示性的不足，是辅助教学活动的环境保障和技术支持。

（二）增强现实多媒体教学环境的意义

第一，创设了新型情境教学环境。情境教学的理论基础要求创设现实世界的真实场景与个体的交互环境，学习要在真实的学习情境中展开，如果创设的学习环境脱离现实世界，情境教学就毫无意义，不可能达到理想的教学效果。情境学习认为在特定情境中获得的知识比所谓的一般知识更有用，要求知识在真实的环境下呈现[14]。也就是说，情境教学环境注重知识构造的情境性和真实性，注重强调学习者在现实环境中获取知识的效果，因此，情境教学环境的关键在于创设真实的教学情境。而增强现实多媒体教学环境为创设真实的教学情境提供了技术条件，它能够快速定制复杂、逼真的情境，较少受物理条件、经济条件等的束缚，能够通过叠加扩增内容的方式适时提供支撑，是辅助开展情境学习的理想工具[15]。

第二，解决了复杂抽象实验教学的困境。在理化生实验教学过程中，教具昂贵且易老化、实验本身具有危险性等问题成为实验教学的最大限制，而单一的多媒体课件，则有体验感不够、难以调动学生的积极性等问题。将虚拟现实发展到实景体验的增强现实技术，为复杂抽象的实验教学提供了新途径，使复杂抽象的理化生实验内容不再是课件上的简单图片，而是可以实时互动的三维模型。增强现实为揭示一个模糊的现象、演示一个复杂的规律、解释一个抽象的科学原理提供可能。另外，抽象数学问题的可视化模拟等也具备与增强现实技术有机融合的条件。

第三，提供了互动协作的学习条件。教学环境应该为学习者提供互动协作的条件。利用现代化多媒体设备对教学过程进行辅助支持，对教学资源进行后期处理，不但为现场学习者提供互动协作的机会，也为远程学习者提供了实时互动的可能。增强现实技术构建的虚拟物体储存在计算机中，呈现于计算机的输出设备，具有虚实融合、信息三维动态呈现以及现实和虚拟实时交互的特性，使学习者具有极大的自由度，便于学习者进行实时交互交流和深度沉浸，同时也有助于学习者之间的情感交流。

五、小结

本文通过对增强现实技术的基本原理和技术特点进行论述，针对当前多媒体教学环境存在的诸如不能满足微格教学的需要、不能实现优质精品视频课程的制作与传播、不能满足多媒体教学资源的广泛利用，以及不能实现学习者对复杂抽象实验内容的学习要求等问题，结合增强现实技术和多媒体技术的特点，构造了基于增强现实的多媒体教学环境，并在教学实践中进行实验应用。该环境具有教学内容虚实结合与三维呈现、学习者与学习内容真实交互以及学习资源实时共享的特点。增强现实多媒体教学环境创设了新型的情境教学情景，解决了对复杂抽象实验内容的教学困境，为学习者提供了互动协作的学习条件，有效地强化了学习者的实时交互。由于教学环境的搭建刚刚起步，多媒体设备和识别卡片等基础设施尚不完备，支持新环境下的教学理论也不完善，因此，基于增强现实的多媒体教学环境的设计理论和实践，都有待进一步充实。

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