HoloLens教育应用述评

李娣 王玉 刘双健

摘 要：移动增强现实技术的发展，技术与教育的深度融合，更新了教育的形式与方法，HoloLens出现将真实环境和虚拟实景结合起来，提供了学习过程交互方式的多样性。本文首先分析了HoloLens应用于教育的特性，重点探讨了当前教育环境下HoloLens的教学方式，并从教学领域以及非教学领域两个角度综述了HoloLens的教育应用案例，最后分析了HoloLens在实际应用中的挑战以及对其未来发展的展望。

关键词：增强现实技术；HoloLens；教育应用

作者简介：李娣，王玉，刘双健，华中师范大学国家数字化学习工程技术研究中心。（湖北 武汉 430079）

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1671-0568（2018）14-0119-03

近年来，移动增强现实技术发展迅速，并在教育中得到了广泛应用。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。这种基于现实世界、由虚拟数据增强的交互手段，给教育提供了全新的方式，此类最贴近自然的交互方式为学习者搭建了一个自主探索的空间[1]。近年来，越来越多增强现实技术产品出现在大众视野。2015年1月微软公司发布了一款增强现实产品HoloLens，它是首个无线缆约束的移动计算设备，支持用户和构建出的虚拟影像进行交互，带来了良好的用户体验。HoloLens的应用特点拓宽了其应用领域，除了在游戏领域已开发出较多优秀的应用外，其应用于教育行业也必将成为一种趋势。

一、HoloLens应用于教育的特性

虽然HoloLens在教育实践中已有一定的探索，但由于技术门槛高，开发难度大，所用工具的灵活便捷性以及成本的问题，在教育行业的广泛普及还存在较多问题，HoloLens技术的进一步发展，模式应用的自身特性使其在教育方面发展有很大的优势，并且会变得愈加成熟，主要体现在以下三方面：

1.不受线缆限制，佩戴方便，便于使用。HoloLens是一款不受线缆限制的装备，佩戴自由，它是一种特殊的眼镜，學习者可以根据实际情况调整到适宜的位置，即使自身戴着眼镜，也不会受到任何干扰，对观看体验没有影响。设备的设计考虑了使用者的感受，人性化设计，采用非封闭式结构，不会给使用者带来沉闷的厚重感，长时间使用也不会因为出汗带来任何影响。由于视野中呈现的是现实生活中的场景、佩戴舒适感强，使用者可以自由行动，在移动过程中不必担心受到障碍物的羁绊，体验更加自然，与周围环境的沟通更加流畅。

2.延时低，提高学习效率。HoloLens首先通过扫描检测周围所处环境，并在此基础上构建展示的虚拟世界。实际应用过程中，延迟效果控制在实时帧率内。图像跟随头部运动而转动且具有稳定性，以避免卡顿和晃动的现象。HoloLens的优势之一在于可以对环境进行实时渲染，令其生成的全息图像和所处环境协调地融合在一起。

3.多种交互方式。HoloLens主要通过手势、声音与凝视三种方式实现学习者与虚拟物体的交互。手势的交互符合学习者使用习惯，学习者只需将手抬到相应位置，根据眼前的提示进行操作即可。此交互方式方便易行，无须额外的学习负担，识别率高。目前可识别的手势有抓取、旋转、移动等。因其贴近人们的生活习惯，因此使用范围最广，并成为主要的操作方式。HoloLens中有捕捉语音的设备，目前支持英文发音，由于发音个体的差异，有些许延迟，但总体而言，其效果能满足学习者语音交互需求。通过语音可以导航、控制应用等，设备可以根据学习者的语音指示完成任务。HoloLens的内置传感器，支持头部凝视功能，即光标可以跟随转动的头部，去选择某个按钮或画面。学习者在实际的应用过程中可以通过根据个人喜好选择交互方式进行学习。

二、HoloLens的教育方式

计算机图形和虚拟现实技术专家蔡苏博士研究指出，无论针对学科学习还是非正式学习模式，应用增强现实学习环境进行教育学习的方法大致可以分为以下两类：基于任务设计的方法和基于具身认知的AR教育方法[2]。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。

1.基于任务设计的HoloLens教育。基于任务设计的HoloLens教育通常包括一个或一系列任务，这些任务与具体学科相结合并具有一定的挑战性和趣味性，也可以简单地理解为游戏性教育方式。例如，在微软官方提供的Fragments应用中，用户可以扮演一名侦探，使用先进的工具并依靠相关的设备侦破案件，与原物一样大小的全息角色可以感知用户的存在，用户需要通过与全息物体进行交互从而推进剧情的发展。这种角色扮演的方式可以让使用者有身临其境之感，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。可以根据具体的教育内容设置相应的任务，在HoloLens营造的虚实结合的学习环境中，真实世界中的问题解决和游戏中的问题解决之间的界限变得模糊。

2.基于具身认知的HoloLens教育。具身认知理论，强调身体运动能够促进学习者从外在感知方面更好地进行知识建构[3]。认知是情境化的，环境也是认知系统的一部分，人们可以通过外在环境来降低认知负荷。传统的音乐鉴赏课都是教师通过外放设备为学生播放音乐，而通过HoloLens我们可以让学生置身于全息交响乐团当中，如果学生想要听到更多的钢琴部分，就可以走近全息钢琴师，钢琴部分会变得更清晰响亮，这就带来了比传统课堂更深刻的外在感知。微软官方提供的开源应用Galaxy Explorer中，学生可以借助HoloLens近距离观察银河系、太阳系以及太阳和八大行星，由于HoloLens允许多人通过局域网同时观察同一全息物体，学生可以通过手势对行星模型进行旋转、平移和放缩，相较于使用鼠标或键盘进行控制的虚拟现实软件操作，HoloLens所提供的凝视、语音和手势操作更加符合常人的操作习惯，这种调动学习者具身认知的智能技术能够提高学习者的兴趣和学习效果。

三、HoloLens的教育应用案例

HoloLens应用于教育逐渐成为一种趋势，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，但主要集中于数学、地理、化学等几门学科。在非教学领域，也着重于职业培训等方面的开发，并进行了一些实践。总体来看，此类研究已经取得了一定的成果。

1.教学领域。（1）数学。数学中的几何学习，对学生来说都是一大难题，传统授课方式中，教师大多在黑板平面上绘制三维图像，但过于抽象，学生很难在脑海中构建出其全貌。借助于HoloLens设备，可以让学生更加全面直观地观察几何图形，不仅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，加深对其印象，促进学生的理解。

（2）地理。地理学科的学习经常涉及学习者生活中难以接触到的学习场景，例如，低温、高压以及真空等极端环境。借助于HoloLens使得有危险的操作性实验或生活中难以观察到的现象也可以原原本本地呈現在学习者面前，加深学习者的记忆。比如在星系的学习中，学生们能够真切的观察到太阳系的构造，HoloLens创造出的场景能够展现移动的卫星等。

（3）化学。针对化学学科中元素周期表的学习，HoloLens开发了一款应用软件“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的元素进行互动，还可以将不同的元素进行组合，观察元素组合之后的效果[4]。传统学习中，学习者只能看到书面上的符号，靠死记硬背来记忆，无法与真正的化学元素以及各元素间的相互作用产生联系，“MyLab”将元素周期表中各元素可视化，令学生不再仅局限于课本。

2.非教学领域

（1）医学。在医学的解剖课的学习中，学生无法以三维视角进行学习，即使通过对照书上的插图以及尸体标本，也无法深入了解，并且此种学习方式费时费力，效果也不显著。HoloLens可以从全局或者局部明确显示身体的任何部位，半透明的呈现方式，让学习者更易快速掌握解剖学知识。

（2）旅游业类。“东方博物馆（Oriental Museum）”和“探索古埃及的秘密（Secrets Of Ancient Egypt）”是两款文化教育类的应用，用户佩戴HoloLens设备，结合多种呈现方式，如文字、图片、语音、视频等让用户了解紫禁城和古埃及，用户可根据自己喜好观看建筑的全貌或者局部景观。

四、总结与展望

与传统学生听、教师讲，然后进行测试的教学方式相比，HoloLens技术具有以更现代的方式来改变教育的能力，可实现真正的情境学习，使得学习课题对于学生而言，更加真实，而不仅仅存在于讲座、书籍和PPT演示文稿中。但是目前HoloLens也存在一些尚待解决的问题，首要的问题是佩戴舒适度问题，长时间佩戴HoloLens会导致不适。当前HoloLens采用Stereoscopic技术实现三维成像，Stereoscopic的问题在于无法实现主动选择性聚焦，因而长时间佩戴会出现晕眩现象；其次是HoloLens的重量问题，长时间将其佩戴在头上的体验并不舒适；另外HoloLens的全息成像也并非可以以假乱真，除了游戏场景之外，我们观察正常的窗口边缘都会发现有彩虹状的油彩色，这会影响沉浸式学习情境的构建；最后由于机型成本和性能的限制，HoloLens的视场角（FOV， Field of Vision）只有不到40度，并且无法同时呈现多个场景，切换到新的场景时旧的场景就会销毁，令用户体验大打折扣。

大量的HoloLens教育应用案例和讨论表明，HoloLens技术在教学支持和非教学领域上具有很大的发展潜力和应用前景。但也应当看到，HoloLens作为微软首款不受线缆限制的全息计算机设备，目前还并未推出较为成熟的消费者版本，尽管HoloLens的开发版本价格昂贵，并且具有较多的不足之处，但是HoloLens的未来版本显然可以深刻地改变我们与计算机甚至与周边环境之间的关系，佩戴HoloLens感觉就像瞥见了未完成的未来。

参考文献：

[1] 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）： 27-40.

[2] 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）： 71-75.

[3] Hung I C， Lin L I， Fang W C， et al. Learning with the Body： An Embodiment-Based Learning Strategy Enhances Performance of Comprehending Fundamental Optics[J]. Interacting with Computers，2014， 26（4）： 360-371.

[4] R Furlan.The future of augmented reality： Hololens microsoft's ar headset shines despite rough edges[J].IEEE Spectrum ， 2016 ， 53 （6） ：21.

责任编辑 程 华