增强现实技术在教育领域的应用现状及对策研究

张菊芳?王海燕

摘 要：增强现实技术在各个领域都有广泛的应用，但目前国内的教育应用还不够成熟，就市场需求来说，其发展空间巨大。本文通过查阅国内外相关文献，主要论述了增强现实技术在正式学习和非正式学习领域的教育应用，在此基础上分析增强现实技术在教育领域应用的优势和不足，并提出相应的建议，从而为增强现实技术在国内教育领域的应用提供有价值的参考。

关键词：增强现实技术;正式学习;非正式学习;建议对策

一、引言

增强现实（Augmented Reality，AR）是虚拟现实（Virtual Reality，VR）的延伸，它是将现实世界与虚拟世界无缝融合，从而丰富现实世界的一种技术应用。在教育领域，AR在最贴近现实情景的基础上为学习者创建探索性的学习氛围，以增强学习者在现实世界的体验。随着技术的发展，AR的用途越来越广，迄今为止，AR已应用于工业、观光、学具开发、游戏、学科教学、图书出版、职业培训、文物的复原和保护、医学、市场营销、建筑等多个领域。目前关于AR在教育领域的探索大多集中于产品开发及针对技术本身的研究，在教育市场中的应用研究还远远不够。因此，为了更为深入地了解技术及其应用背后的影响因素，有必要回顾以往的研究和阐明当前的现状，为接下来的教育实践研究提供借鉴參考。

二、增强现实技术在教育领域的应用现状

笔者以“增强现实”为主题词进行专业学术检索，中文文献选择中国知网中文期刊全文数据库，截至2018年7月，共检索到3246篇，与教育相关的研究有287篇，其中2042篇期刊文章。从2011年开始文献数量呈快速上升趋势，且多数文献来自计算机、信息、工业领域。英文文献选择SSCI引文索引数据库Web of Science，并选择所有内含数据库，以“augmented reality”为主题共检索到6322篇，其中科学技术领域5304篇，社会科学领域2535篇，艺术人文领域542篇。在这个检索结果里以“in education”为检索主题，共检索到918篇，并且从2015年教育领域的研究开始呈现逐年上升的趋势。

由上可得，相对计算机和科学技术领域，AR技术在教育领域的发展稍显逊色，但是随着AR技术的日渐成熟，其在教育领域的研究成果越来越多，国内外涌现诸多特色应用，AR技术作为当前研究的热点，在未来教育市场发展空间巨大。结合国内外的研究文献，笔者认为AR在教育领域的应用主要分为正式学习领域和非正式学习领域。其中正式学习领域主要包括教学学具开发、教育游戏开发、学科教学等;非正式学习领域主要包括电子书开发、物体建模、职业培训、展览参观、古迹复原和数字化遗产保护等。

（一）正式学习领域

1.教学学具开发

基于AR技术，增强现实学具将传统的学具和计算机所制作的虚拟的、数字化资源结合起来，为学习者更好地进行学习、开发学习工具提供条件。考夫曼（Kaufman）教授在教学过程中利用名为Construct 3D

的AR教具将复杂抽象的空间几何图形以三维立体形式呈现，在增强师生兴趣的同时也提高了学习者的学习效率[1]。为解决传统教材的局限，有研究团队将AR技术与现行的教学资料相结合[2]，利用3Ds Max、Unity 3D、Node.JS、MySQL等软件和技术，基于Vuforia AR平台以及Easy AR图像识别系统开发了一款跨平台的辅助学习类软件系统，主要立足于机械制图等课程，具有自主识别、实时展示立体模型以及动态形成过程、手触控制、多场景选择等功能，为学习者提供多场景、多学科、跨领域的知识。

AR学具也能够引导和提示学习者自主学习，提高学习的真实性和自主性。刘立云等人阐述了利用Metaio软件包制作电子电路可视化的教学学具[3]，即AR电路学具，学习者可以通过自己选择串联、并联的模式来观察电路不同的效果，也可以通过自主控制电路元件的属性来观察电流、电压的各种变化。

2.教育游戏开发

当前寻宝游戏和拼图游戏是基于AR技术的两种主要教育游戏类型，寻宝游戏的任务主要是在物理环境中搜索AR标记，并且通过移动设备（如照相机）找到并激活标记来呈现各种游戏内容。在拼图游戏中，玩家通过选择正确的选项来完成挑战。如在Tangram AR中，玩家必须通过选择拼图并将其排列成所需形状来完成挑战。此外，以故事展开的冒险类游戏也是AR技术在教育游戏应用中的代表，其中一些还提供了跨越虚拟世界和现实世界的游戏场景，如在游戏Luostarinm?ki Adventure中，玩家不仅可以在生活博物馆中体验冒险，同时还可以与过去的虚拟角色交谈。在国内，2015年，徐敏等人在增强现实技术研究中也提到了基于AR Tool Kit制作3D教学游戏。

3.学科教学

近年，AR技术已经应用于数学、物理、生物、化学、地理、语言等多种学科领域中。如为了清楚解释物理学中磁场的概念，借助AR技术和体感技术，就可以将肉眼不可见的磁场可视化[4]。化学与物理有很多相似之处，在学习分子、原子结构，观察有机物分子化学反应过程中原子位置的空间变化时，可以借助AR展现虚实融合的操作实验，学习者虽然身处真实世界，却能够对虚拟出来的微观世界中的分子、原子进行操作[5]。当然对某一门学科也可以有针对性地开发相应的系统，如为帮助学习者学习地理学科中关于大气知识而开发的天气系统 Weather Observers、为帮助学习者学习同一词语在不同语种中的表达而开发的系统MOW及外国学者给学龄前儿童开发的识字游戏“ABC3D”等都很好地借助了AR独特的优势。

（二）非正式学习领域

1.电子书开发

AR卡片、AR电子书的出现对传统纸质书籍带来了挑战，AR电子书利用摄像机标定、三维注册等技术实现虚拟与现实的结合，例如实现与恐龙互动的《恐龙》一书、用于儿童认物识字的“AR涂涂乐”等。国内较近的应用案例就是2017年西北工业大学发出的首封AR高考录取通知书。基于AR的电子书使用过程相当简单，如“AR涂涂乐”的操作过程包括用手机扫描书本上的二维码→下载安装应用程序→打开软件激活，通过借助手持终端进行涂鸦、扫描、跟读、互动等过程完成认物识字的学习，这样就可以巧妙地将纸质书籍与移动终端（如手机、平板电脑等）结合，不仅充分利用了现存的学习资源，而且使学习过程更加轻松。

2.物体建模

利用AR技术可以展示三维立体物体和场景，还可以针对教学场景中一些难以用传统媒体表现或复杂难懂的内容，建立三维模型来辅助教育教学。通过手动控制三维模型来形象地了解所学知识，解决了传统课堂的技术局限性问题。

由于物体模型的创建是一项艰巨的任务，通常需要专业的建模工具或设备，而对于那些想要创建简单三维模型的非专家用户来讲，他们也需要深入研究和学习复杂的建模工具。有团队基于AR技术开发了一个建模系统，允许业余爱好者以交互方式创建简单的三维模型，还在系统中设计了一种有形设备——AR笔，为用户选择、翻译、旋转和修改模型提供便利[6]。Alexandre Borrel（亚历山大·博雷尔）等人设计了Reality Convert软件工具和相关网站，它们主要用于辅助生物和化学教学[7]。在化学学科中，软件允许用户轻松地将分子对象转换为高质量的三维模型，除了生成物质的三维模型，Reality Convert还可以生成图像跟踪器，用于使用AR应用程序时调用和扫描特定的三维模型。

3.职业培训

基于AR技术的技能培训，为技术类学习者开展实践课程提供了便捷直观的教学环境。例如工程类教学可以使用AR技术清楚识别零部件，模拟组装专业设备;人体教学利用AR技术深刻了解人的身体构造;医学院可应用AR技术提高认知的准确度;等等。如相关团队基于AR技术为认知障碍人群开发了一个职业任务提示系统，该系统提供了图片提示，实时识别不正确的任务步骤，并帮助用户进行更正[8]。同样乔兴媚等人研究了AR技术在职业培训中的应用[9]，提到在有专业标准要求的技术领域，可以通过设置AR触发点，提示学习者在操作过程中应该注意的节点，再提醒学习者的操作是否出现偏差，这样可以有效促进学习者对动作技能类知识的熟练掌握。

4.展览

蔡苏等人在2010年第17届北京国际图书博览会上利用AR技术展示了“未来之书”[10]，即一本增强现实技术应用演示方面的书，书中选取了物理学中的单摆、牛顿定律等实验，为读者呈现了虚实相结合的效果。作为国内较早的关于增强现实的立体化书籍，2010年第17届北京国际图书博览会上“未来之书”参展获得了与会者的一致好评。

欧洲列支敦士登大学开展的运用AR技术的数学展览，旨在研究AR对非正式学习环境中学习者知识建构过程的影响。实验者招募了101名参与者，通过 Aurasma Studio 2.0设计，对比实验结果得出，体验AR的参与者的测试成绩明显优于未体验者[11]。未来AR技术在展览馆里的角色不再是简单的学习工具，更会作为一门新兴的技术来更好地服务社会。

5.古迹复原和数字化遗产保护

古迹和文化遗产将我们与历史自然地联系在一起，由于种种客观原因，它们给予我们一种永远无法了解其前世今生的神秘感。然而，利用AR技术就可以模拟各种工艺流程，再现人们当时生产、建设以及制作的活动场景，让学习者参与其中，充分感受、感知，帮助他们更好地理解古代历史各种文化的奥秘和精髓。如Isabel Pedersen（伊莎贝尔·彼得森）等人开发的Tomb Seer是一种增强现实应用程序[12]，旨在通过全息摄影的界面让用户沉浸在博物馆空间中，用户通过视觉观看和手势触摸两种方式进行操作，其中，手势交互还可以将虚拟的历史文物“恢复生机”。

此外，Tinaj AR也是一个基于AR的应用程序[13]，为AR在文化遗产保护中提供了诸多可能性，如Tinaj AR采用基于视频的多标记AR技术，通过虚拟陶瓷碎片解释陶器的形成过程，还基于西班牙北部储藏葡萄酒的酒窖AR标记，向大众解释酒窖的用途。Tinaj AR不仅是文化传递的载体，也是一种艺术表现形式，在西班牙拉里奥哈的陶瓷展期间获得了广泛好评。

三、增强现实技术在教育领域的发展优势

（一）有效的技术支持

硬件方面，AR是在VR的基础上发展起来的，相比于VR硬件要求较低，因为AR用户不再需要戴沉重的头盔，一般情况下只需配置一台电脑和一个摄像头，或者是仅需平板电脑/手机就可以在适宜的场所使用。如借助AR学习车辆构造时，学习者可以利用手机终端任意扫描随处可见的汽车，从而了解汽车的构造板块、工作原理及组装过程。

软件方面，AR系统软件可以实时查看学习者的学习轨迹和学习状态，并在其操作错误的地方及时给予提醒，这些提示功能有助于学习者减少错误和试错时间，同时能防止任务中断，使得移动学习和泛在学习更加容易实现。除此之外，利用AR技术还可以开发多种支持学习的系统软件，如在兽医学和外科教学中，神经解剖对于师生来说都极具挑战，为了创建一个简单的学习解剖的途径，教师可以借助AR技术创建基于动物头部解剖的程序软件，让学生利用此软件进行交互学习[14]。

（二）丰富的学习资源

AR使学习内容的表现形式更加丰富，除了利用3D显示和多点触摸技术，还融合了多媒体技术的各種元素，使得视听效果非常好。AR提供的现成学习资源，不仅避免了教学工作中技术开发所带来的人力、物力消耗，还能够促进学习者参与和协作，学习者在一个既定的系统程序中学习，通过在给定的学习任务中与他人一起观察和讨论，有效地加强了学习的深度。同时AR提供现实世界很难获取或者接触到的教学资源，有助于为学习者再现现实生活中无法观察到的事物及事物的变化过程，如学习者可以观看火山爆发时火山喷涌的现象，感受地表的移动和岩浆流淌过程中温度的变化等。

（三）真实的学习场景

AR使学习感受更加真实、深刻，人机互动更加高效，比如我们在借助AR进行文字输入时，利用真实的键盘，而不是像VR一样在虚幻的环境中输入，这种触摸的真实感使输入更加精准。如在职业培训领域，可利用AR展示的功能为学习者展现拆卸和组装汽车器件的工作场景，这与教师现场演示的一样真实。

由于AR技术的真实情景感受、跨越时空界限、动感交互穿越的特点极大地激发了学习者的学习兴趣，同时提供的可观察、可操作的实践机会使学习者更容易自己探索和建构知识，这种新颖的学习方式和丰富的学习体验极大地提升了课堂的趣味性。同时AR为学习者学习微观的事物提供了更加真实的情景，可以将数学的立体几何、物理的电磁场、生物的细胞结构、化学的微观粒子、地理的天体运动等表现得真实可见。这为教师教学提供了极大的便利，使那些用文字语言无法实现的教学过程变得生动直观，这无疑能帮助学习者更好地理解和记忆。

四、增强现实技术应用过程中存在的问题及对策分析

（一）技术带来的问题及未来发展路径

1.技术带来的问题

第一，由于技术的不成熟，AR显示常常有使人眩晕、画面不清晰和不稳定的问题伴随，再加上相关教学资源的匮乏，一些资源往往是Flash动画等内容的移植，并未凸显出AR的独特性与优越性，更谈不上提供针对学习者设计的个性化的学习资源。除此之外，AR设备价格高昂，就像计算机刚刚面世一样，不容易在大范围内快速推广。由于AR技术开发的系统、相关软件与学校教育教学的实际需求并不完全对口，导致广大教师不知道如何将教学内容与之融合。

第二，AR技术刚刚起步，除技术与资源的不足之外，AR方面的探索者也仅限于高校专家学者及高端企业，即使是在经济条件较好的中小学应用也不是很广泛，中小学教师没有接触过AR，怎么能将此技术更好地应用于教育教学呢？

第三，AR技术的实现至少需要一台电脑和一个摄像头，或者是平板电脑和手机，对于一般的中小学校教学，学习者带手机上课是绝对不允许的，更何况贫困地区的学习者不具备人手一机的条件。同时AR技术还需要无线网络和GPS定位，当前应用除了定位的準确性，在这些条件的支持上还有困难。

第四，AR系统一般都是由多种硬件和软件设备组成的，导致设备之间的接口众多;多设备传输时信息量分配并不均匀，导致画面停顿或延迟。此外，使用的设备多使得出现故障的概率增加，所以保持多台设备的兼容与稳定将成为问题的关键。

2.未来发展路径

针对上述问题，目前AR系统出现的画面眩晕感已经在逐步得到控制，此后应思考如何更好地增强用户在情境中的沉浸感和存在感。此外，GPS系统定位不精确甚至定位错误给师生带来诸多不便，但庆幸的是，由于无线移动技术的快速发展，系统的兼容性和稳定性都可以解决。同时可以肯定的是，随着移动设备（如平板电脑、智能手机等）的CPU处理速度越来越快，内存和硬盘容量越来越大，AR系统的技术问题将随着智能手机和穿戴式设备的成熟逐渐得以解决。

高校专家学者通过讲座及项目的方式将AR技术往教育教学方面渗透，企业也紧紧抓住商机，以期AR技术更好地与教育教学融合。为设计基于AR技术的课堂教学方案，促进各方面的人才培养，AR未来课堂教学形式可以根据其特点分为三个形式，分别是全沉浸式、环幕互动式、实践教学式[15]。全沉浸式与AR技术的沉浸式特点相对应，如数学中学习立体几何时可以借助AR将二维的书本知识转化成三维的立体知识，学习者借助可视化和可触摸的移动设备进行实践操作，全身心地沉浸于教学场景，有助于提高注意力，加强记忆和理解;环幕互动式是借助AR创建一个四维的互动讨论区，通过三通道偏振立体环幕技术，将学习内容投放到120度环形大屏幕中，让学习者在动态的知识情境中亲身体验每堂课的内容，主要是借助身临其境的氛围促进学习者学习;实践教学式是为加强教学的实践性，结合相应的教学内容，借助AR技术创建特定的模拟场景，让学习者自己动手模拟操作或者使用手势与移动设备交互，形象生动的三维场景使得实践内容不再枯燥，操作过程更贴近生活实际，从而增加学习者的兴趣。

（二）教育应用中出现的问题及对策

1.教育应用中面临的问题

第一，AR系统中包含的教学资源往往是针对既定的教学过程开发的，在实际应用中缺乏灵活性和通用性，造成了与其他类型的教学过程不匹配，使得教师无法根据教学需求自主选择资源。

第二，虽然AR能直观迅速地呈现出真实的场景，激发学习者的学习兴趣，不可避免的是AR同样会限制学习者的想象力，将知识立体化的同时阻塞了知识其他方面的表现路径，同样会限制学习者个性化的发展。

第三，利用AR设计的课堂教学目前仅限于观察、体验，交互性不强，从演示的内容中获取知识，但仅是教师操作、学习者观看，学习者很难参与其中，而且只能按照设定的程序走，观看完毕则是继续按照传统的方式授课。由于技术的阻碍，教师很难将AR融入教学的全过程，因此并没有带给学习者明显的学习效果。

第四，AR提供的信息量过大，在完成复杂的任务时，学习者不得不处理陌生的技术，很容易导致学习者认知超载，使他们手忙脚乱、不知所措。比如空间导航、互动协作、技术操作和数量估算等。

第五，在实际的教学实施过程中，平衡虚拟与现实是很难做到的。比如AR系统中GPS定位可以极大地促进学习者的情境化学习，但是不一定所有活动都要去实际情境中调研，因为去户外势必产生大量时间和交通成本。

2.未来发展路径

针对前三个问题，教师可以根据实际的课堂活动个性化地设计、开发相应的资源，不过这会对教师的信息素养、时间精力等提出较高的要求，所以需要教师不断提高相应的专业理论素养和实践技能。此外，高质量的AR教育资源开发费时费力，需要借助一个稳定的系统平台来创建。但是由于企业的生存问题，教师想获得免费易用的优质资源平台也是不易的，故政府需要给予资金及政策支持。当然还有研究者建议通过增强软件平台的开放性和授权工具的使用来强化师生对AR资源的个性化选择和设计[16]，让师生有权在软件平台上创建和修改属于自己的AR作品，以满足个性化的需求。针对第四个关于学习者的困惑和迷失于游戏的问题，应当增强AR平台的易用性，如操作简易流畅，设置特别操作提醒学生回到现实世界。针对第五个问题，因为AR自身的虚拟创造性、生成增强性也同时可以帮助学生给自己熟悉的地点位置设计新的内涵，在身边的环境中找到替代，所以可根据实际情况选择是否去实地调研。

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Research on the Application Status and Countermeasures of Augmented Reality Technology in Education

ZHANG Jufang，WANG Haiyan

（School of Education，Shaanxi Normal University，Xian，Shaanxi，China 710062）

Abstract： Augmented Reality（AR）technology has been widely used in various fields.However，currently the application of AR technology in education in China is not mature enough.In terms of market demand，it has huge room to expand.Through consulting relevant literatures at home and abroad，this paper mainly reviews the educational applications of AR technology in formal learning and informal learning.On this basis，it analyzes the advantages and disadvantages of AR technology in the field of education，and puts forward corresponding suggestions.Hence，it will provide valuable references for the application of AR technology in the education field in China.

Key words： Augmented Reality technology;formal learning;informal learning;recommended countermeasures