增强现实技术在职业技术教育中的应用现状及发展策略

贺 熙 ，王 锦 ，张旻旸

（1.天津职业技术师范大学 电子工程学院，天津 300222；2.山西师范大学 教育技术学院，山西 临汾 041000）

一、背景

2016年，伴随着虚拟现实技术飞速发展的浪潮，增强现实技术也变得日趋成熟并为大众所知。增强现实（Augmented Reality，简称AR）技术在游戏、医疗等领域的应用所获得的良好效果，让人们开始思考是否能够将其更好地应用于教育领域。

同年，新媒体联盟出版的《地平线报告》将增强现实技术列为在未来2至3年内会对教育教学产生重要影响的技术[1]。

虽然增强现实技术从出现至今已有将近30年的历史，然而其在教育领域中的应用却仅局限于早教和青少年教育领域。职业技术教育因其独特的教学内容和人才培养目标，实际上是增强现实技术应用的一片肥沃土壤，如何促进AR技术与职业技术教育深度融合，使之更好地为实现职业院校数字校园服务、丰富教学形式、提高教学质量，就显得尤为重要。本文试图通过对增强现实技术的基本概念、在教育领域中的应用现状进行分析，明晰增强现实技术在职业教育领域中应用的逻辑价值，探索其未来进一步的应用策略。

二、增强现实技术概述

1.增强现实技术的缘起和定义

1990年，波音公司为了提高机械师的工作效率，设计了一个能够将简单线条绘制的布线路径和文字提示信息实时叠加在机械师视野中的系统，帮助机械师完成复杂的机械拆卸工作，减少出错，从而最早提出了增强现实概念[2]。1994年，Milgram、Takemura、Utsumi和 Kishino对AR从广义和狭义两个角度进行了定义：广义上讲AR被定义为 “用模拟线索增强自然场景并反馈给操作者”；从狭义角度来看，AR被定义为“是一种参与者戴着透明的头盔显示器以清晰看到真实世界的虚拟现实的形式”[3]。

随着信息技术的进步，各类传感器及反馈设备都变得更加精准、更加智能化。同时，智能手机和平板电脑的功能也日益强大，且在大众中广泛普及，这使得增强现实技术无论在软件开发还是硬件设计方面的发展都有了强有力的技术保证。

2.增强现实技术的特征

1997年HRL实验室的 Ronald Azuma给出了增强现实的三大技术特征：虚实结合、实时互动、三维注册（又称配准、匹配或对准）[4]。

（1）虚实结合

虚实结合是指AR的情景特征——AR能够通过技术手段将虚拟对象投射到现实世界之中，实现对现实世界中声、光、物、形的增强。在职业技术教育中，AR技术的应用可以为职业技术院校的学生创设虚实结合的学习情境，增强学习者视觉、听觉、触觉等观感的体验。这种多元化的感官刺激可以促进学生对知识更加直观、深入的认识。

（2）实时交互

实时交互是指AR的操作特征——利用AR技术，能够使传统的人机交互更加深入、更加高级。目前的AR技术，不再局限于通过屏幕在真实情景基础上叠加3D虚拟图像，而是通过可穿戴设备、多种传感设备与用户产生交互。这种交互融合了真实的情境，更加逼真、自然，能够使学习者更加深入地投入学习之中。同时，这种实时交互能及时对学生的行为作出反馈，使得学生在实践操作中得到及时正确的指导，提高了学习效率，增强了学习效果。

（3）三维配准

三维配准是指AR的显示特征——AR技术能够对虚拟的物体进行3D显示。通过计算机系统对实时环境信息进行识别，准确地将虚拟物体投射在显示设备或真实情境中。这种三维配准，可以使被显示物体与环境近乎真实的融合，符合物理学以及人的视觉规律，并且根据显示设备位置的改变或学生手势的操作而产生相应的位置、角度变化。这一特性契合了职业院校学生喜欢直观感受、乐于与学习对象产生交互这一特点，激发了学生的学习积极性，并很好地维持了学生的学习动机，实现了深层次的意义建构。

这些技术可以在现实情境下生成虚拟物体以增强现实。因此，当我们在职业技术教育教学中遇到具有较高成本、对条件保障有较高要求、高危险性、有污染、不可及等特点的设备、实验、系统等教学场景时，则可以采用增强现实技术辅助教学，从而达到更高的教学效率，实现更好的教学效果。

三、应用现状

通过阅读并整理相关文献我们不难发现，当前我国增强现实技术在教育领域的应用主要集中在幼儿教育与青少年教育阶段，以4D认知卡、AR图书、AR游戏等产品形式出现[5]，娱乐价值远高于教育价值。在职业技术教育方面，AR技术的应用尚局限于理论层面，实际的结合相当匮乏。

当前，AR技术在教育领域的应用主要有以下两类：基于位置的AR教学模式、基于学习任务的教学模式[6]。

1.基于位置的AR教学模式

这种教学模式重视学生与真实地理位置的交互，当学生携带AR设备移动时，系统会对学生进行实时的GPS定位。当学生移动到某一位置，并触发了此处的任务指令时，需要根据任务指令做出反应，完成此处的学习任务。通过完成多个位置的学习任务，学生最终可以在由AR构建的近似于实景的学习环境中完成知识框架的建构。这种学习方式与现实情境紧密结合，为学生带来身临其境的真实感。

2.基于学习任务的教学模式

这种教学模式常常将问题解决和学习游戏结合起来，是目前学生最乐于接受的一种教学模式。以问题为导向的学习，可以锻炼学生解决问题和知识迁移的能力。以游戏为外在形式的学习充满娱乐性及趣味性，通过小组成员之间共同完成任务，培养了学生的团队协作精神、领导力、责任感、奉献精神等；同时，小组成员的不同分工，可以充分考虑到不同学生的个性特点和能力差别；以游戏为载体，通过关卡的设置、小组间的竞争，学生们的好奇心和好胜心得以激发，会更加积极主动地参与到学习中来。基于学习任务的AR教学，可以使学生在完成任务后获得成就感与荣誉感，实现学生的自我激励、自我认同。

四、应用优势

事实上增强现实技术虚实结合、实时交互、三维配准的技术特征与职业技术教育独特的教学内容、人才培养目标、课程设置有着极高的契合度，增强现实技术在职教领域有着极高的应用价值。

1.增强学习临场感，提高学习参与度

从AR技术所具有的特性来看，它可以将人类肉眼无法看到的物体内部结构以及较为抽象的立体几何图形在真实情境下清晰地展现出来。例如，汽车专业为学生讲解曲轴连杆的工作原理，电子专业为学生展示电磁场、电流在电路中的走向时，通过增强现实技术的展示，可以让学生更好地理解事物运行的原理。同时，通过学习者的手势操作、位置变化等改变，AR技术所呈现出的三维物体也会与之发生交互，并伴随着指令的变化给出不同的反馈。这些反馈均符合视觉成像、重力学等原理，使学习者可以从多个角度观察物体，对物体产生更全面的认识。通过可穿戴设备及各类感官反馈，学生可真实地体会到实际操作的感觉，如体验真实焊接的效果。以上这些技术特性可以极大地提高学习者学习的临场感，使得学习者产生身临其境的感觉，有助于改善职业技术院校学生对理论学习不感兴趣而又缺乏相应实验条件来提供实景学习体验的窘境。另外，这种实时互动的教学模式，确立了学生在学习中的主体地位，增强其参与感，更好地激发了学习动机，保持了学生的学习兴趣。

2.增加实践机会，锻炼动手能力

在AR技术的支持下所构建的虚实结合、实时交互的实训情境，可以为学生提供近似于真实设备的操作体验。AR技术与实训结合，有效地解决了一些装置设备具有危险性、成本过高、无法演示内部结构原理等问题，为学生提供了更多实践操作的机会，更好地锻炼了学生的操作技能。在实际操作中，AR技术可以为实验设备、实验步骤等进行叠加注解，使学生方便、清晰地获取所需信息；通过各类传感技术，增强现实可穿戴设备可以对学生的错误操作、不规范操作进行识别、报警并提示正确的操作方法，使学生能够更高质量地完成实训任务。AR技术与实训的结合，增加了学生动手实践的机会，且能在实际操作的过程中学会相关知识，体现了“动手动脑、全面发展”的教育理念。

3.促进职业教育普及，推动终身职业教育

我国已进入中国特色社会主义新时代，各行各业对于专业型人才的需要越来越高，这为职业技术教育带来全新的挑战与机遇。目前职业教育主要集中在职业院校的学习、企业培训、乡镇街道组织集中学习等形式。由于时间、地点等限制，许多人没有条件接受统一的、由专家教师统一授课的职业教育，从而失去了继续学习的机会。AR技术最初产生的目的便是提升波音公司机械师的职业技能，它与职业教育的融合，使职业教育不再受时间、环境等条件限制，使每个人可以根据自己的需求制定学习计划，随时随地接受职业再教育。人们可以购置相关在线课程及配套设备，利用碎片化的业余时间进行学习。系统会在用户家中、办公室等真实情境中叠加3D虚拟图像，通过各种传感系统及反馈系统对用户进行讲解和指导，以此来训练用户的职业技能，提升其就业竞争力。

在人生的不同时期，我们对职业技能的诉求都有所不同。为了满足这种诉求，我们就需要接受终身化的职业教育。AR技术以其不受时间、地点、资源等条件限制以及可私人订制的特点，能够满足任何年龄、任何职业的人接受继续职业教育，使他们不断提升职业技能、发展和完善自我，实现职业教育的终身化学习。

五、发展策略

1.促进AR技术与职业技术教育的深度融合

目前，AR技术在教育方面的应用多面向幼儿教育和青少年教育开展，且多是简单的、增强教学娱乐性的物理叠加，如4D认知卡、AR图书等，尚未实现与教育的深度融合。而在我国面向职业技术教育方面的实际应用又相当匮乏，因此，促进AR技术与职业技术教育的深度融合势在必行。

这种深度融合，不仅仅是借助简单的显示设备在视觉上呈现一个更加直观的效果，增强学习的娱乐性，从而达到吸引学生注意力、提升学生积极性的目的。这种深度融合，是借助可穿戴设备（如AR眼镜、数据手套、3D手柄等）、各类传感技术（视觉传感，眼球追踪，声、光、触觉传感等）、在线云端数据分析技术、情感计算、人工智能科技以及相关教育学、心理学知识[7]，构成一套智能学习系统，依据每个学生的实际情况私人订制最适合其本身的学习方案。这种私人订制的方案，不仅满足了学生课上的需求，同时也支持学生在课余时间随时随地练习，实现泛在学习。

2.重视教学资源的开发

目前在我国职业技术教育中无法深入应用AR技术的原因之一便是教学资源的稀缺。以往的职业教育中，在课程的开展中往往采用以教师为中心的“个体—接受型”“群体—接受型”课堂[8]。但是由于职业院校的学生大多存在知识背景较差、对学习没有足够的热情、课堂纪律性差、没有自信心等特点。因此，在基于AR技术的职业教育资源开发的过程中，我们要遵循教育规律、符合教学活动设计的基本原则，将教学模式转变为“个体-探究式”“群体-探究式”等方式，能让职教学生更加主动地参与进来，利用AR技术多感官联动特点，对知识进行掌握和理解，并形成记忆。

尤其需要注意的是，课程开发者在课程的设计中要注意“度”的控制，防止学生将更多的注意力集中到内容展示的外在形式上，而忽略了知识技能本身，产生“注意力隧道”效应。

由于职教学校学科门类较为复杂，AR所需呈现的场景多种多样，而学校的资金又十分有限，因此若能开发出一套适合多种课程、多种科目的AR教学资源，并能开发出与之配套的教材及课程，就能很好地解决这一问题。

3.注重教师培训

首先是让职业院校教师从观念上接受AR教学模式。在大多数职业院校，以往的课堂模式往往是以教师为中心，学生的互动与参与度较低，这种课堂模式不利于学生对知识技能的理解与掌握。而新型的AR教学模式使教学方法由“教师中心”逐渐转化为“学生中心”，教师更多起到的是引导作用，学生动手操作实践的机会大大增多，这使得在课堂的主导以及课堂纪律的维持等方面都对教师提出了更高的要求。同时，由于AR技术是新兴技术，需要教师掌握计算机技术、多媒体技术、软件工程技术、人工智能技术以及教育心理学等多门知识技能，大大提高了对教师技术能力的要求，增加了教师的工作量。因此，在AR与职业教育结合的实施过程中，可能会遇到教师不愿配合的阻力。因此，转变教师观念，让其接受并乐于践行“AR技术进课堂”活动就显得尤为重要。

其次是相关部门应定期组织职业学校教师参与AR技能培训，使之掌握教学过程中所需的技术，以免在课堂上当设备出现问题后手足无措、无法解决，导致课堂瘫痪。通过对AR技术的学习，职业学校教师也可以依据实际情况自主设计研发适合本校学生的课程，实现更好的教学效果。

4.组建教育企业联盟，打造AR教育产业链

政府引导、高校研发、企业参与、市场导向，通过“政、产、学、研”的有机结合，为AR技术深入融入职业技术教育领域提供了政策保障、技术支撑和运营支持。政府部门应积极倡导AR技术在职业技术教育领域中的推广，通过制定相关政策、增加拨款、号召企业赞助支持等方式鼓励各地区职业技术院校在教育教学过程中广泛使用AR技术。要充分认识到AR技术促进职业教育教学领域变革的积极意义，鼓励基于AR技术引领职业技术教育教学改革的方向，探索与创新职业教育教学新模式，为职业教育教学改革开拓新源泉[9]。

由于AR技术与职业技术教育的融合尚处于起步阶段，需要强大的智力资源来推动它不断地发展创新。高校在理论研究和创新创造能力方面具有巨大的优势，建立高校研发基地，能为AR教育提供源源不断的技术支持。首先，高校可以从国家教育发展的战略高度出发，为AR技术与职业教育的融合探索新的方向，提出相关建议；其次，结合职业技术教育的实际需求，研发相应的AR软件系统及硬件可穿戴设备等；最后，指导AR教育示范职业院校进行改革，组织教师技能培训，并对AR技术在职教领域的实际应用给出指导意见。

职业技术院校及合作企业应准确把握职业技术教育的发展方向，为AR技术真正进入课堂提供资金保障和技术支持。企业可为职业院校提供意见和建议，以市场为导向与学校共同确立培养目标，根据课程需要和本校学生特点成立相关项目，开发相关的教学资源（如教材、软件及配套设备），研发适合的AR课程。职业院校也可以根据企业用人需求设立AR相关专业，开设AR软件开发、基于AR技术的建模、基于AR技术的设计等方面的课程[10]，将学生培养成为能很好地适应人工智能时代的高级技术人才。为更好地解决AR技术成本较高这一问题，学校之间还可以采取多校合用设备、合用AR实训基地等方式解决。

六、结束语

增强现实技术在提高职业教育的教学质量、提升学生的实践能力、促进我国职业技术教育的普及化和终身化等方面都发挥着相当重要的作用。促进AR技术与职业教育的深度融合，重视教学资源开发和师资建设，打造“政、产、学、研”产业链，将会使我国职业技术教育信息化发展产生重大变革。面对全新的发展机遇，我们应该精准地把握职业技术教育的发展脉络，借助AR技术等新时代信息技术，为“中国制造2025”计划培养出更多、更好的具有创新意识和创造能力的高端技术技能型“大国工匠”。