增强现实（AR）在K—12教育的应用实践

蔡苏　薛晓茹　张晗

【摘 要】随着教育形式的多样化以及前沿信息技术在教育领域的深入应用，人们更乐意使用图像更直观、内容更丰富、操作更自然的学习方式。增强现实（AR）作为一种虚实融合且交互性极强的新兴技术，逐渐应用于各类教育当中。本文阐述了AR技术的特性、在教育应用中的潜力，并介绍AR技术在学科和非学科学习领域的K-12教育应用，分析总结AR学习环境的教学方式以及AR技术在K-12教育中应用的挑战和展望。

【关键词】STEM教育；信息素养；增强现实；探究式学习

【中图分类号】G434 【文献标识码】A

【论文编号】1671-7384（2017）11-0071-05

AR的特性以及教育潜力

增强现实（Augmented Reality，简称AR）可以被定义为一个满足以下三个基本特征的系统：真实和虚拟世界的融合；实时交互；虚拟和真实物体在3D空间中的精确注册[1]。它将虚拟三维模型动画、视频、文字、图片等数字信息实时叠加显示到真实场景中，用户可在现实环境中与虚拟信息实现人机自然交互。当前另外一个概念即虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）很热门，从学术的角度来看，虚拟现实的范围很广，它包括增强现实，所以增强现实其实是广义上虚拟现实的扩展，但是现在常把VR和AR并列提出，此时VR就是狭义VR。

由于AR较VR更加强调现实和虚拟的融合，使之在游戏、娱乐方面应用广泛，比如近期风靡全球的AR游戏“Pokemon Go”。除了游戏方面的成功应用，增强现实在教育方面的潜力也逐渐引起人们的关注，主要体现在：（1）抽象的学习内容可视化、形象化；（2）支持泛在环境下的情景式学习；（3）提升学习者的存在感、直觉和专注度；（4）使用自然方式交互学习对象；（5）传统学习与新型学习相结合[2]。与Flash课件和其他3D建模软件相比，AR软件具有更强大和更方便的交互性，因此它逐渐被应用到教育中，使学生更直接、更自然地探索知识。

新媒体联盟近几年发布的地平线报告中将VR/AR列为未来几年最具潜力的六个技术之一，如表1所示。从最早的“简单增强现实”到“增强现实”的字眼变化可以看出这门技术正在迅速走向成熟应用，而且现在也逐渐将增强现实纳入广义的虚拟现实范畴。

AR教育应用案例

近年来，随着AR技术的发展以及人们对教育新科技的不断追求，市面上出现了各种各样的AR开发与制作工具，设计人员和开发人员也利用这些工具为教育行业创造出了一些精彩案例，涵盖各个学科的正式学习及非正式领域学习。

（一）学科领域

与VR体验式学习不一样，AR所需要的硬件設备要求不高，只要有移动设备，如平板和手机即可学习，并且移动设备上展示的内容可以多人实时分享，因此可以直接进入到教室、课堂和课桌上，很方便地开展教学活动。

继2015年底谷歌公司推出探险先锋计划VR版以来，今年谷歌又推出了在教室里运用AR技术辅助学习的探险先锋计划AR版（https：//edu.google.com/expeditions/ar/）。通过平板或手机启动探险程序通过平板或手机启动探险程序，教师在无线互联网的环境下带领学生一起探究以往很难看到的场景。目前，探险先锋计划AR版提供的内容包括小行星带、染色体、DNA双螺旋结构、龙卷风等，这些内容直接以虚实结合的方式在教室里呈现在学生面前，如图1所示。

国内最早开展课堂内AR教学并一直持续探索的团队是北京师范大学教育技术学院“VR/AR+教育”实验室（http：//ar.bnu.edu.cn）。该团队从2009年开始就一直致力于研究AR技术在学科教学中的课堂应用，团队协同特级教师进行案例开发，群策群力探讨符合教育规律的产品，并深入深圳梅山中学、天津南开外国语中学、山东莱芜市花园学校、南京外国语学校仙林分校、北京市第五十中分校等一线学校进行实证案例教学，不断循环迭代，探究AR学习环境如何支持教与学。同时对中小学教师进行 VR/AR作品制作简明教学，将新技术与课堂深度整合，在最贴近自然的交互形式下为学生搭建一个学习空间，使学习者能够在虚实融合的教学环境中进行自主探索。图2所示为该团队开发的数学、外语、物理、化学以及其他学科的AR应用案例。例如数学学科的“复数学习”和“概率学习”，英语学科的“快乐记单词”，物理学科的“凸透镜成像”“双缝干涉”“光电效应”和“磁场可视化”，化学学科的“微粒可视化”和“H2O2实验”，以及地理导览的“校园导览”和游戏领域的“未来之书”“自闭症儿童动作训练”“Magic piano”等，这些应用都在学校进行了实证研究，得到了实验学校以及相关教育人士和社会大众的认可[3]。AR技术凭借其现实与虚拟的完美融合，极大地吸引了使用者的兴趣，再将其与教学知识点内容深入融合，就能打造全新的受教师和学生们喜爱的互动课堂。

（二）非正式学习领域

1. 特殊教育

当前，AR技术主要是被运用在科学、工程、语言等的教学中，除此之外，AR还可以被运用到其他领域中，比如在信息技术支持的社会背景下，对特殊教育的解决有了新的突破。Zhu等人[4]就尝试使用自然交互设备与AR技术相结合的方式训练自闭症儿童的精细动作和认知能力，研究证明他们的实验具有良好的效果。

2. 幼儿教育

从20世纪90年代开始，数字媒体技术就已经开始运用到儿童教育当中，这些数字媒体技术帮助儿童在与形象逼真、生动有趣的角色互动中，既可以学到知识，又可以愉悦身心。在众多数字媒体技术中，如何让幼儿有效地接收到设计者想要传达的内容信息是非常重要的。这就要求设计者设计出来的产品必须是简单易操作、交互性较强的产品。《涂涂乐》结合AR技术，将孩子的涂鸦绘画作品变成跃然纸上的3D动画，有声有色能互动，“视·听·说·触·想”多感体验，触发孩子无限艺术灵感。只需用手机或平板下载本书自带的APP，孩子们便可以在手机、平板电脑上看到自己创作的静态涂鸦画作变成了立体的动画浮现在纸上，交互式的体验激发孩子的创作激情与想象力。如图3所示便是《涂涂乐》的创作效果图。

3. 远程教育

现代远程教育已成为国际教育发展的共同趋势，提供大规模、高效益、个性化的远程教育服务已成为人们共同追求的目标。北京师范大学教育技术学院蔡苏博士等人设计了一套基于增强现实技术的一对多远程视频学习系统[5]，其中包括三个功能模块：图形渲染与合成、内容广播和自主学习。图形渲染与合成模块的功能是为了解决AR标签和虚拟模型的相互匹配，通过相机捕获特定标签，然后呈现相应的三维模型和动画。内容广播模块通过广播实时呈现教学视频，如图 4所示。自主学习模块是为学生自主探索学习而设置的，在该模块中，学习者可以选择观看教学视频或者亲自使用AR标签与虚拟三维物体进行交互，观察实验现象，如图5所示。

4. 科普场馆

谷歌联合艺术科学博物馆、联想、世界自然基金会（WWF）等使用 Tango（https：//get.google.com/tango/）技术在博物馆内打造了一个供游客互动体验的AR常设展览项目——“荒野探秘：一场身临其境的虚拟冒险”（https：//mp.weixin.qq.com/s/fZGwPyGuUFJYXVzxkhIfqQ），这个展览项目结合了AR技术，让游客借助一部智能手机便可以探索整个热带雨林。如图6所示，当游客在探险之旅中种下一棵虚拟树后，将会走进用科技打造的变化莫测的世界，如同置身于电影之中，来感受这庞大的热带雨林的无限魅力。“荒野探秘”的最后会为游客带来身临其境的观影体验，将整个展览推向高潮。

AR学习环境的教学方式

不管是学科学习还是非正式学习，增强现实学习环境的教学方式大致可以分為以下两类：基于任务设计的方法和基于具身认知的AR教学方式。通过使用适当的指导性方法，增强现实环境可以开发与预期的学习目标一致的情境支持，同时影响学生学习的内容和方式。

（一）基于具身认知的AR教学

基于具身认知的AR教学方式，更注重学习者和物理环境的交互。具身认知主要指生理体验与心理体验之间有强烈的联系[6， 7]。认识是具身的，身体又嵌入到环境之中。认知、身体和环境就是一个动态的系统。使用这些方式的AR环境能够充分利用移动技术的优势，通过移动装置和地理定位系统，当学习者到达确切的位置时，就有了将信息联系起来的途径[8]。

认知过程操作中，我们如果把环境结构纳入到认知加工，不会让学生有“这全都是虚拟的”感觉。当在自己熟悉的真实环境中，对相关问题作出知情决策成为重要的学习目标时，学生就能够在第一时间获取基于当前地点的学习内容和周边环境信息，并能够通过与同伴分享的方式进行认知强化[9]。

（二）基于任务的AR教学

1.基于游戏

基于游戏的学习，包括角色扮演、挑战活动、争夺空间以及系统中嵌入真实的资源和工具[10]。游戏通常包括一个或一系列任务，具有娱乐、挑战和好奇心相结合的特征。学习者被赋予了明确的角色，这种自我表征方式会让学生置身于一个逼真的场景，锻炼换位思考能力，促进跨领域知识与方法的融合，更好地激发创造力。例如，在Outbreak@ The Institute的AR游戏中[11]，学生一起合作来防止一种感染性病毒的进一步扩散。学生可以选择医生、医药技术人员和公众健康专家等不同角色扮演，并可以通过与虚拟角色之间的交互来收集真实信息，或通过从植入在系统中的真实资源和工具获取虚拟数据。

2.基于问题

基于问题的学习，学生从解决的问题开始学习，在一个真实的情境中对问题展开探究。通常被用来促进自主学习、自我鼓励、解决问题的手段以及知识应用的技巧[12]。学习者能投入到问题之中，通过设计真实性的任务，小组合作或自主探究而学习科学知识，形成解决问题的技能。在AR虚实融合的学习环境中，真实生活中的问题解决和游戏中的问题解决之间的界限变得模糊。

AR技术教育应用的现状、挑战和展望

全世界众多互联网巨头都已加入到了AR/VR领域的竞争当中。著名投行高盛公司在投资者报告中对于VR/AR市场规模、人口规模做了数据分析和预测，前景可观[13]。而被称为“VR元年”的2016年关于VR/AR的媒体报道层出不穷，同时也得到了政府的大力支持。国务院、发改委、工信部、文化部及各个地方政府均制定了相关的配套文件，对VR/AR创业团队、VR/AR技术进行政策鼓励、产业标准、产业联盟方面的支持，并推动行业规范[14][15]。VR/AR在国内的火爆程度超乎预期，在教育领域也不例外。2016年浙江高考、大学英语六级、北京中考等大型考试先后都以虚拟现实为主题作为大作文题，2017年北京高考阅读部分也出现“VR+文物保护”的题目，一些中小学也开始建立虚拟现实教学实验室，这些都表明虚拟现实教育已经从“概念”开始走向“落地”。

不过，相比其他更成熟的技术在教育中的研究， AR在教育中应用的研究总体尚在早期阶段，许多研究仍然集中在开发和简单应用方面。AR教育应用的实证研究还是相对比较简单、短期的、小样本的探索设计。值得提出的是北京师范大学“VR/AR+教育”实验室已经攻克增强现实中的摄像机标定、三维模型及场景建模、虚拟行为交互设计、三维数据高效传输及处理等关键技术难题，制作了若干在K-12教育领域尤其是进入教室和课堂的相关案例，并深入学校开展了实证研究。

在教育领域要实现AR技术应用的可推广性，必须要实现技术与教学的深度融合。以教学的实际需求依托增强现实技术的优势，合理地为技术做加法和减法，为技术在教育教学中的应用量身定制专属的教学设计模式。将AR技术融入教学从而解决教育领域中的问题，并形成一套系统的理论体系，这将会为我国教育指引出一条新的道路。

参考文献

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