基于增强现实技术的沉浸式教学方法设计研究

雷浩鹏，辛 玲

（1. 江西师范大学 计算机信息工程学院，江西 南昌330022；2. 江西师范大学附属小学，江西 南昌 330027）

1 背景及现状

近年来，随着信息化技术的迅速发展，新的教学方法正在不断涌现，其中虚拟现实（Virtual Reality, 简称VR）作为当前最具活力和前景的技术之一，已在教学实践中得到一定程度的普及与应用[1-2]。增强现实技术（Augmented Reality，简称AR）是虚拟现实领域中一个重要的分支，通过将计算机生成的虚拟物体和场景无缝嵌入到真实世界中而产生的一种特殊可视化环境，用户通过戴上AR眼镜、数据手套等特殊设备便可以进入该环境中进行人机交互，从而实现对现实信息的增强。同传统的VR技术相比，AR可以让现实的物体场景和数字化虚拟对象很好地融为一体，有着更强的真实感，三维建模工作量也大大减少，所以具有更加明显的技术优势。

由于AR能直接带给用户身临其境的感受，因此把该技术作为一种新的教学媒体无疑会对高校教学产生深远的影响。传统基于PPT等二维文本、图像等静态平面式多媒体教学环境，将向更为逼真的三维交互式学习环境方向发展。增强现实技术本身所具备的沉浸性和交互性等特征可使高校教师形象生动地展示教学内容，学生也能更直观地理解相关知识点，从而把被动灌输式学习转化为主动兴趣式学习，进而大大提高教师的教学效率和学生的接受能力。因此，如何将AR运用到高校教学，正成为当今高等教育领域的研究热点。

在国外，基于AR的教育项目正成为一种越来越普及的教育媒体设计方案。美国华盛顿大学开发名为“Magic Book”的增强现实系统，使传统出版读物的图文描述转变为三维立体成像，开创了增强现实技术在教育教学中应用的初倪。文献[3]采用AR 技术把计算机生成的动画故事叠加在现实世界真实环境中。文献[4]详细介绍了AR在培训、探究学习等方面的应用情况。如今在AR应用研究方面，国外成熟的系统遍地开花，并结合相关的教学理论和学习理论进行了多方面的论述，成果斐然。

在国内，许多高校已开展虚拟现实和增强现实方面的研究工作。其中最有代表的就是北京师范大学现代教育研究所研发的“未来之书”，该团队制作了一本虚实融合的立体交互书，利用增强现实的图像识别、三维成像等技术克服传统图书的不足，带来了新的教学模式和方法[5]。文献[6]通过对增强现实教学媒体成熟案例的分析，从学习内容、情境增强、交互互动和学习模式4个方面探讨了增强现实教育系统的设计模型。文献[7]分析并研究了增强现实在现代教学中的发展潜能和趋势，通过搜集AR在教学学具开发等教育领域中的应用案例，总结AR在教育应用中展现出的优势和不足。

据《2017年中国虚拟现实产业走势》得知，我国VR产业规模已达到170.5亿元，并且已经开始在电影、游戏、医疗、工程设计等领域得到广泛应用[8]。同时，我国正逐渐加大对VR和AR产业的政策引导和扶持，让其能够迅速得到发展，力争全方位打造VR和AR产业大国。然而，如何将AR引入到高等教育领域，从而形成先进的教学理念和方法，并为广大高校教师和学生提供更加优质的教学资源，此方面有关研究工作相当稀少，这也是当今教学改革的当务之急[9]。

2 教学方法设计中需解决的关键问题

AR作为教育领域内最有发展前景的多媒体技术，将其引入到高校教学中可以极大促进教学工作，提高教学质量，突破传统教学方式所带来的各种限制，使得学习过程变得更加生动。但是要利用AR设计好一堂课程，对于教师来讲是一个极大的挑战：既要让学生觉得有趣，又要起到传道解惑的作用。此外，由于在教学方法各个环节的设计上与传统的教学方法设计也完全不同，以前的教学经验在很多时候并不适用。总体来讲，应用AR到教学之中有以下几个关键问题需要得到解决。

1）基于AR的教学场景中各个功能模块的构建。

基于AR的教学场景设计要点是将虚拟元素加入真实教学环境，以此来引导学生逐渐进入情境课堂，并提供有效的交互来刺激感官。这个过程涉及的关键技术繁多，包括三维显示、虚实合成和人机交互等。在教学硬件上，一方面需要能够采集真实世界信息的设备，另一方面需要实时媒体能够融入虚拟内容的设备。因此如何结合教学内容来运用相关技术设备，从而设计出基于AR教学场景的各个功能模块（如教学内容显示、教师讲解、学生感知交互等模块），成为着重考虑的内容。

2）基于AR的交互式教学方法和教学内容的设计。

基于AR的教学方法和教学内容的设计与传统课堂的教学方法和内容大不相同：传统教学方法设计以教师为中心，在教师的讲授中仅以文字和静态课件的形式强化教学内容，缺少教学信息与学生之间的互动；基于AR的教学方法和内容设计则需考虑如何突出学生的主体地位，进而让学生体验学习，通过三维虚拟数字内容来传递知识，实时交互让学生深入理解教学内容，同时还要避免三维动画场景引发学生注意力转移的弊端。

3）基于AR的教学效果评价体系设计。

在教学中引入AR的目的是为了让学生更好地掌握课程知识，所以必须要设计合理和科学的教学效果评价体系来保障教师实现课程目标。由于基于AR的教学还属于新兴事物，目前处于探索阶段，所以与传统的教学效果评价标准不同。设计基于AR的教学效果评价体系必须要充分分析教学目标和教学对象，要建立学习结果与学习过程并重的评价机制，做到评价目标多元化、评价手段多样化、定性评价和定量评价并举，这样才能发现教学过程中所遇见的问题，进而对基于AR的教学方法进行改进。

3 基于AR的教学平台和教学方法构建

自2016年以来，江西省南昌市正在着力发展成为世界级的AR和VR产业中心，力争占领全国虚拟现实产业的制高点。依托省政府出台的各项促进AR/VR产业发展的鼓励政策，借鉴国内外高校的成功经验，并结合江西师范大学传统优势教育学科基础，笔者搭建了一套基于AR/VR现实技术的教学平台系统，将AR独特的交互性、沉浸性和想象性等特点应用到教学实践中，创建逼真的三维学习情境，帮助学生更有效地达到掌握知识的目的。

3.1 教学场景的搭建

搭建基于AR的教学场景是整个教学过程中最重要的一步，设计核心是利用虚实结合、三维呈现以及实时交互的特点来弥补传统教学环境的不足。AR教学场景的创建不仅要遵循真实的教学情境设计原则，还要能形象直观地呈现学科知识。除此之外，该教学平台必须操作简便，随时随地能够使用，且成本不宜太高，否则会影响平台进一步地推广，所以这对整个教学场景的硬件和软件的搭建都提出了很高的要求。因此，笔者对整个教学平台的功能进行模块化处理。在硬件显示终端，笔者选取SHINECON Y012 AR Glass和3D显示头盔，学生通过佩戴AR眼镜等方式在显示设备上呈现真实教学场景和虚拟影像实时叠加的三维立体教学环境，如图1(a)所示。此外，在教学过程中学生可以运用AR手柄和数据手套来操纵显示内容，进行交互学习。在软件平台，笔者选取ARToolKit开发包和Unity引擎开发教学相关的三维场景和模型。为了丰富教学内容，笔者使用3D max、OpenGl等三维图形建模工具并按照不同学科内容构建不同的三维模型，例如建筑设计专业中的三维建筑模型、化学专业中的蛋白分子模型、医学专业中的人体骨骼模型等。除此之外，笔者还利用Google 3D warehouse，3D café等三维搜索引擎扩展教学平台中的三维模型和虚拟信息资源，通过Unity引擎将这些模型导入到AR系统中，并进行场景匹配和目标识别，直接将相关资源加载到真实场景中，实现虚实结合，如图1(b)所示。在授课时，教师可以根据不同学科专业的教学内容调用AR教学平台中对应的三维模型资源，与学生进行互动展示。

图1 基于AR教学场景的搭建

3.2 教学方法和策略的设计

教学方法和策略是在不同的教学情境下，为达到不同的教学结果所采用的手段，是教学规律和教学原理的具体化。基于AR的教学方法要求把课堂内容和虚拟环境有效结合，将教学内容和资源合理地存放于教学平台中进行信息传递，既要调动学生主观能动性，也要充分发挥教师的引导性,从而为复杂抽象的教学内容提供合理的解决方案。因此，根据AR具有沉浸性等特点，笔者采用探索式教学方法，让教师引导学生进入情境，学生利用增强现实设备主动探究，从而调动学生主观能动性，完成知识构建。例如，计算机辅助建筑设计专业学生面临繁重的学习任务：一方面必须掌握建筑结构、空间、材料等建筑学的基本概念；另一方面要求能够将这些抽象概念进行准确表达，并通过CAD等计算机辅助工具描绘出来。这就需要该专业的学生有很强的理解能力和十分丰富的空间想象能力。但是，传统的教学方式无法让学生观察到真正的实体建筑模型，只能让学生在抽象层面上进行理解，缺乏感性认识。因此，在教学实践中，笔者在应用基于AR的教学平台给该专业学生授课时，首先通过三维建模等方式将一些经典建筑实例的三维模型导入到平台中，再利用AR强大的可视化技术将这些经典的建筑逼真地显示出来，让学生在课堂上以沉浸式漫游的方式直观地观察建筑内部的三维结构。同时，在此过程中，教师不断地进行引导，直接将建筑学中的概念引入到演示内容中，并且让学生对演示内容进行自由交互，根据自身需求从不同层面和角度观察三维建筑模型，帮助学生真正体会和理解相关知识。实践证明，这种教学方式可以充分激发学生的学习兴趣和热情，取得较好的教学效果。

3.3 教学质量评价机制的建立

教学评价是依据教学目标对教学过程及结果进行价值判断，并为教学决策服务的活动，是教师改进教学策略、完善教学功能的重要依据。基于AR的教学方法尚不成熟，并不一定能够取得立竿见影的效果，还有很多地方需要改进和创新，因此必须要建立针对基于增强现实教学质量的评价机制。该机制需结合教学环境、教学条件、教学内容等特点，并且要充分考虑学生的学习心理及认知规律等因素，及时反馈学生掌握知识的程度和情况，从而对教师的整体教学设计、教学组织和实施等方面进行综合分析和判断。笔者结合基于AR的教学特点分别从教学内容、教学组织、教学能力和教学效果4个方面建立教学质量一级评价指标，每个一级评价指标下又包含若干个教学质量二级评价指标，整个基于AR的教学质量评价体系如图2所示。

这套评价体系分别从学生和教师两个不同的方面对基于增强现实技术的教学平台进行评价，既包含了对于平台所展示的教学内容学生是否觉得具有趣味性、科学性和创新性等，也包含了平台在教学能力上是否帮助教师讲授知识和提高教学效率等。笔者采用调查问卷和现场打分等多种形式，分别让使用过教学平台的教师和学生进行教学反馈，相应的评价标准按照师生的体验性划分为优秀、良好、一般和较差4个等级，此外也考虑了同行和专家的评价意见，最后评价结果如图3所示。

图2 基于AR教学质量评价体系

图3 基于AR教学质量评价结果

根据评价结果，我们可以得知在教学内容上利用AR得到了师生比较好的评价，特别在创新性和趣味性等方面带给了学生耳目一新的感觉；在教学效果上也能够有效地启发学生思维，帮助学生理解知识。对于教师而言，在一定程度上可以提高教师的教学能力，但是基于不同的专业背景，很多教师对于操纵基于AR的教学平台并不是很熟悉，因此影响老师的教学体验。此外，该平台在教学组织方面则略显不足。经调查得知，主要还是基于AR的教学，虽然提供学生强大视觉感染力，但是也分散了学生的注意力，影响了课堂秩序。此外，有些学生反映在佩戴增强现实眼镜时间过久的情况下，尤其当出现三维画面旋转时就会造成头晕、恶心等症状，从而影响学习效果，这些都是进一步设计基于AR的教学方法需要改进的地方。

4 结 语

相对于传统二维化的平面教学，AR不仅给学生提供更加生动的教学环境，还具备新媒体教学系统强大的互动性，让学生沉浸于虚拟和现实营造的学习氛围中。可以预见的是，AR将为高等教学提供一条新的途径和思路，并能够为广大高校的教师和学生提供十分丰富的教学手段和内容。与此同时，笔者还结合慕课、微课等互联网教育新形式，制作视频课程，与远程学习者进行互动交流，从而将AR推广到更多应用领域。