增强现实技术在在线教育中的应用研究

蔡金玲

摘要：增强现实（AR）是虚拟现实（VR）技术的一个分支，增强现实交互手段给教育者为学习者提供了新的方式表达和贴近自然的交互方式，为学习者搭建一个自主探索的空间。在线教育作为教育的外延，给社会和学习者带来开放的教育资源。利用增强现实的特点，创建基于角色扮演、基于位置和基于任务的三类增强现实学习环境，给在线教育带来新的挑战和发展机遇。

关键词：在线教育；增强现实；仿真；交互控制

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2017）06-0148-02

Abstract：Augmented reality is a branch of virtual reality （VR） technology. The interactive methods base on augmented reality for educators provides a new way of expression for learning objects. Also the closest natural interaction to build an independent space for learners to explore. Online education as an extension of Education brings open education resources to the society and learner. Creating the augmented reality learning environment brings new challenges and opportunities for online education. The environment is based on Augmented Reality features， including role based and location based and task base.

Key words： online education； augmented reality； the simulation； interactive control

1 增强现实技术的概念和特点

增强现实技术Augmented Reality是虚拟现实技术的一个分支，原本在现实世界一定时空范围内难以体验到的视觉、声音、触觉等实体信息，在科学技术模拟仿真作用下，叠加在现实世界中再被人类感官所感知，从而实现超越现实的感官体验的一种技术。其核心在于利用技术手段实现使用者在增强现实环境的沉浸式体验[1]。

增强现实技术一般具有三个明显特点：虚拟事物和真实环境的结合，虚拟世界和真实世界的实时同步交互，在三维尺度空间中增添定位虛拟物体。这三大特点，也使得AR技术在教育领域的应用有更显著的优势，这些优势体现在：AR技术能为学习者提供3D动画等区别于一般视频的数字内容，这些内容更能吸引学习者；增强现实技术所提供的虚拟结合的学习环境，为学习者带来更好的沉浸感体验；增强现实技术的虚实交互的特点，使得抽象的学习内容具象化、可视化，能让学生更容易理解其概念；增强现实技术所带来的真实世界和虚拟物体的交互方式，有利于锻炼学习者动手能力，有利于学习者自学。

此外，增强现实技术通过与移动式计算的结合，能更好地被应用到非正式学习环境中，从而将学习活动和社会活动更融洽地合并起来。杜威和陶行知两位先生都曾提出“生活即教育，教育即生活”的教育观点，而AR技术的优势势必会在教育领域再一次掀起“做中学”的热潮[2]。

2 在线教育的现状与存在问题

中国教育一直面临资源分配不均、投入产出不平衡这样一个困境，最直接的结果就是导致素质教育水平较低，而在线教育使得教学内容更加多样化，不受时间空间限制，还可以结合手机等移动终端实现碎片化学习。“互联网+”时代为在线教育发展提供契机，从2012年开始我国在线教育市场步入快速发展时期，截至2016年6月，我国在线教育用户规模达1.18亿人，较2015年底增加了775万①。随着在线教育平台的市场推广、用户使用习惯的培养等原因，未来几年，在线教育用户数将不断增长。

按照教育实质的不同，在线教育大致可分成K12教育（涵盖小学、初中、高中教育，共12年）、职业考试、技能培训、语言学习、出国留学、兴趣教育、高等教育（包括大学、研究生教育）、早教、综合教育等九大领域。其中，K12阶段教育用户数量最大，使用率达37.7%。技能培训和职业考试紧跟其后，用户使用率都在20%以上。随着经济的发展、社会的需要，企业对员工的要求不断提高，预测这两大领域会有更广阔的发展前景[3]。

目前，在线教育平台资源多是由视频资源组成，尽管易懂易学，可以反复观看，但其呈现方式是平面化的，这种交互未能给用户带来切身的实际体验，随着虚拟现实技术的发展，AR这种虚拟物体和真实世界在3D空间的表现方式优势明显，将其引入在线学习平台中，作为辅助学习的一种手段，作为传统课堂的延伸，未尝不可。

3 增强现实技术在在线教育中的应用

在线教育帮助学习者利用碎片化时间进行学习，何时何地都能够自由学习，不受时间和地域的限制，随时随地学习到他们想学的课程；学习者对课程有高度的选择权，学习者搜索自己感兴趣的内容。趣味性强的内容对学习者而言有更强的吸引力。相比文字、音乐、视频等教学内容，AR内容的趣味性和形象性都会好很多。

1992年Louis Rosenberg开发出了首个可实际运行的增强现实AR系统Virtual Fixtures 。经过数十年发展，如今由于可穿戴设备的出现，以及手机性能的进一步提升，让增强现实技术持续升温，也让我们在今年看到了不少基于增强现实技术开发的新应用。当基于地理位置的增强现实游戏Pokémon Go刷爆朋友圈的时候，具体到教育等领域来看，AR因其交互性、现实增强感被认为更具前景。而在在线教育领域，AR技术的应用主要体现在实物展示、仿真教学、虚拟实验、技能训练等。

3.1 实物展示

实物展示主要是通过三维仿真方式展示实物或商品模型。摄像头识别相应的纸质识别码后，以三维模型方式在显示屏上展现，学习者可在现实环境下互动地体验虚拟的实体。在理工科类课程中，主要用于立体展示教学仪器和设备，学习者能直观地观察设备结构和零件内部构造，快速、准确地掌握设备工作原理；在儿童教育领域，交互式教育资源内容可以覆盖自然、动物、植物、地理、历史等多方面的科普型知识。在儿童教育领域，AR更是没有缺席。有些儿童没有亲眼见过直升机，如果你直接用语言描述直升机和一般飞机的区别（类似直升机比一般飞机体积小很多，机翼位置不同），由于对语言的理解能力有限，儿童不一定能理解你的描述。这个时候，如果使用AR进行三维展示，儿童能直接用手操作三维模型，旋转、分解、组合、对比，直升机和一般飞机的不同一目了然。比如有学生空间想象力比较弱，对几何图形等课程难以上手，这时借助虚拟环境进行实时交互，提升学生的想象空间能力②。除了学习，在儿童娱乐方面，AR也不遗余力。通过AR技术，孩子们即可化身“神笔马良”，把画纸上的龙变成一条摇头摆尾的龙。

3.2 仿真教学

仿真教学主要利用在计算机中模拟真实自然现象或社会现象，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界中，学习者可以模拟某一角色进行技能训练的一种教学方法，这种教学方式可以为学习者提供近似真实的训练环境。将虚拟现实技术应用儿童安全教育课程中，让儿童直观地对火灾、地震、防空等灾害，引导教育他们做出快速准确的紧急避险判断和应急措施，有助于整体提升我国儿童的安全知识水平，在遇到现实情况时，能尽量地减少伤亡。再比如在初中物理课上就阐述过的磁场，它是不可视、不可摸但又确实存在的，Cai，Chiang，Sun，Lin 和 Lee[4]利用AR和Kinect相关设备，设计并制作了体感教学软件，磁场变得可视化，学习者还可通过手势与磁场发生实时自然的交互。

3.3 虛拟实验

虚拟实验主要利用真实环境和虚拟情景中的仪器或物品进行实验操作，就小学化学实验而言，传统教学中，老师认为化学物品不安全，实验部分取消，取而代之是影片观看等常规动作。有了AR技术后，在线教育可以在不接触危险化学物品的前提之下，让学生可以直观地看到整个虚拟的化学实验过程之外，还可以实现“往试管里添加物品”等真实动作，让实验更有体验感。在建筑设计类课程中，学习者扫描尚未设计布局的空房间，则会调动组合相应的设计装潢元素，让学习加以选择或匹配，在学习者完成设计后，系统会给学习者的设计给出评价和建议。诸如此类的教育应用，带给学习者带来无限的延展空间与创意启示。

3.4 技能训练

技能训练是指学习者借助AR技术强大的真实沉浸感和交互性成为虚拟学习环境的参与者，比如飞行员和航天员通过模拟仓进行飞行、降落或遇到险情时的应急训练，外科医生使用虚拟现实手术室（VR OR）系统③进行模拟医疗训练（包括虚拟病人、手术室团队和医疗设备等）。在一些理工科类设备故障维修课程教学中，戴上AR智能设备，可以教你拆卸零件，这种交互方式区别于鼠标、键盘操作，相对自然，更接近于做真实实验时的感觉AR技术可以3D显示人体器官和骨骼，训练外科医生和医务工作者，例如：在消化外科手术，先用CT或MRI扫描病人，然后利用仿真技术和3D建模技术，生成虚拟的人体，看起来是全透明的，外科医生可以用真实的外科手术工具在虚拟人体上进行手术训练，并且在手术训练过程中可以实时互动跟踪。

4 思考的问题

4.1 硬件瓶颈

在线教育中，越来越多的用户倾向于使用移动设备观看和使用线上教育资源，AR类产品对硬件要求比较高，而且现在目前移动设备的硬件水平参差不齐，AR类教育资源涉及美术、三维空间等的设计，开发周期较长，既要带给用户丰满的视觉元素，又需要它可以在目前的硬件条件当中流畅运行如何在效果和效率之间寻找平衡点，是每一个AR线上资源在开发过程中需要思考的问题。

4.2 研发成本

目前的AR教育类产品多集中在童书、语言学习、拼图等幼教类产品。AR走进在线教育其他的学科领域需要做好充分的调研。“不同的教材，需要进行定制化的研发，研发团队就需要齐备教育专家、技术专家，成本不小”，在这样高成本的投入下，如果得不到学习者的认可，课程无法推广，会造成资源的严重浪费。

注释：

① 数据来源于中国互联网络信息中心（CNNIC）发布的《第38次中国互联网络发展状况统计报告》.

②Realmax与世界著名的朗文教育母公司Pearson教育集团合作，将AR技术与教学完美结合，解决许多教学难题.

③ 由3D 打印行业巨头 3D Systems打造.

参考文献：

[1]周洋.增强现实技术（AR）在游戏上的运用研究[J].无线互联科技，2016（7）：144-145.

[2] 柳虹，厉小军.在线教育现状分析及对策研究[C].人才培养与教学改革-浙江工商大学教学改革论文集，2014（00）：232-239.

[3] 网易科技道[EB/OL].http：//tech.163.com/16/0122/13/BDUIEVI0000915BF.html.

[4] Cai S，Chiang F K，Sun Y，et al. Applications of augmented reality-based natural interactive learning inmagnetic fieldinstruction[J].Interactive Learning Environments，2016：1-14.

[5] 你不知道的AR增强现实八大领域[EB/OL]. http：//mp.weixin.qq.

[6] 金振威.移动学习环境下增强现实技术的应用[D].长春：东北师范大学，2014.

[7] 胡智标.增强教学效果 拓展学习空间——增强现实技术在教育中的应用研究[J].远程教育杂志，2014（2）：106-112.

[8] 姚远.增强现实应用技术研究[D].杭州：浙江大学，2006.

[9] 汪存友，程彤.增强现实教育应用产品研究概述[J].现代教育技术，2016（5）：95-101.