AR技术课程设计应用研究

张 悦，肖 霞，李 珩，2

(1.重庆大学 应用技术学院；2.重庆大学 教师教学发展中心，重庆 400044)

1 AR技术应用国内外发展现状分析

课程设计是保证后续教学实施、教学质量的关键。在VR技术(Virtual Reality,虚拟现实)基础上，进一步发展出的AR技术(Augmented Reality,增强现实)为课程设计中的两大关系优化提供了可能[1]。自VR/AR技术发展以来，就受到广泛的关注，其根本原因在于通过这样的技术为存在于同一平行空间的理论与现实、抽象与直观提供了转换的可能。通过在中国知网、Science-Direct等数据库搜索关键词“AR技术的应用(Application of AR Technology)”，将检索出文献归类后可出构成得如图1所示。

图1 AR技术的应用相关文献研究方向饼状构成

从图1可看出：当前在国内外AR技术应用比例最多的就是“计算机软件及计算机应用”与“教育理论与教育管理”，分别为33.9%和30.6%。单方面整合教育类的应用(结合“教育理论与教育管理”“职业教育”“高等教育”)比例高达45.2%，反映出AR技术在教育领域的应用研究已成为热门。

1.1 国内教育领域应用研究

针对国内相关研究的单方面数据分析，基于中国知网检索平台，输入关键词“AR技术在教育的应用”，在知网导航“指数”栏中可看见文献曲线图如图2所示。

图2表明，2014～2015年有关于AR技术在教育中应用相关研究的关注度不超出5%，呈萌芽阶段，几乎呈负增长趋势。2015～2018年间研究热度明显提升，其中2015～2017年环比增长较快，接近于200%，但2017～2018年间又有所下滑。这也说明：当前在国内AR技术在教育应用上的研究突破力还需继续提升，还需不断探索，进一步完善。

1.2 国外教育领域应用研究

在进行国内数据分析后，基于知网平台，附加“国内外研究”的比较条件，可得出曲线图如图3所示。

图2 AR技术在教育的应用(国内)文献量曲线

图3 AR技术在教育应用(国外)文献量曲线及其与国内文献量比较曲线

图3表明：国外相关研究(以国外外文文献数据为准)关注度2014～2018年增长水平较高，基于2.5K-5K水平范围内，其环比增长率水平也集中于近125%左右，显示了国外对AR技术在教育的应用十分重视，研究热度保持高涨。

另外，国内外相比较(国内研究以中文&国外中文文献数据为准)，国内无论是文献数量还是环比增长率相较国外而言，均处于较低水平。结合文献收集可以发现，当前国内对AR技术在教育应用方面，多数文献是以已有应用研究为主的综述性文献，另一部分是集中于综合意义上的广泛应用，其中较侧重的是职业教育与高等教育研究。尽管当前在江浙沪一带有对于AR技术在课程研发或具体教学中的尝试应用，但提供的有关基础教育应用的理论资料仍是稀缺，落实到课程设计更是少之又少，为此，加强AR技术课程设计相关研究是十分必要的。

2 AR技术课程设计应用构思

要追溯AR技术落实到教育领域课程设计方面的应用[2]，首先，应明确构成课程的主要成分是必须把握的关键，涉及课程设计，在大方向上要明确是侧重于理论(理论知识体系学习)，还是侧重于应用(问题解决)；其次要把握中心论，也就是常提及的基于“学科”“学生”“问题解决”的“三大中心”[3]。AR技术在基础教育课程设计上的应用构思应围绕这“三大中心”分析研究。

2.1 以学科设计为中心的AR技术应用

(1)AR技术直观化学科核心概念。学科设计是课程设计重要组成部分，对于不同学科来说，把握相应的学科概念是提高学习效率的关键。在基础教育阶段的自然学科中，数学学科的抽象性是较为突出的属性之一，为了便于理解抽象数学概念，将概念直观化是帮助学生理解的有效途径。

结合数学学科课程标准进行课程设计时，将应用AR技术；如：AR技术可以将高中数学中有关于空间几何位置关系的相关内容可视化处理，使学生在学习该部分概念时，通过基于AR技术平台(如美国Infinite Z公司研发的Z Space显示屏[4])所呈现出的立体结构，将概念可视化、情境化，将相应的位置关系及判定原理直观化，帮助学生理解，提升学生对相关概念的敏感度，达到预期数学学科课程设计中对概念理解的基本要求。同样，针对其他学科的抽象概念AR技术平台也可将其直观化、可视化，达到相应学科课程设计中对概念理解的标准。

(2)AR技术突出学科知识结构。在应用AR技术实现概念直观化的基础上，运用该技术可以将学科知识结构明显突出，特别是连续性和相关性较强的知识板块。如地理学研究地壳板块运动所引发的地震、海啸以及火山喷发等连带诱发现象；生物学中研究细胞变化过程与生物个体成长的关系、光合作用与呼吸作用之间的联系等，这些需要一个整体知识结构体系的集合体，可以通过仿真三维动画制作，再运用AR技术将其展现出来。

这样的设计应用将在直观化基础上，凸显出学科知识结构体系的关键性特征，确保了学科课程设计更贴切于学科本源，贴近实际，有效达到学科课程设计的预期目的。

2.2 以学生为中心的AR技术应用

在满足学科上的要求后，AR技术在课程设计的应用需聚焦在第二大中心点——“学生中心”上。一直以来，教育工作都是要以学生为核心的，课程设计也是为达到一定培养目标而设定。因此，AR技术在课程设计上的应用也应围绕学生为中心的理念进行。

(1)AR技术推动学习主体学习情境融入。AR技术在教育领域应用的核心目的就是为了给学生创立贴近生活，贴近真实的知识背景，建立一个以虚拟现实为基础的学习情境[5]，使得学生可以接近知识本源，融入情境中。

该方式将难以理解的知识断点，通过身临其境的模拟现实帮助学生将其理解，在理解过后将断点之处加以拼接，确保了知识结构的完整性。与此同时，也提高了学生学习效率，调动了学生学习兴趣。

(2)AR技术引发学习主体深度思考。在AR技术创立情境下，基于知识理解的层面，引发深度思考是这项技术在课程设计中呈现的一大亮点。通常情况下，深度思考需建立在对基础知识结构体系十分清晰的前提下进行，而这一点，凭借AR技术在课程设计上的应用，其实现的可能大大提升，因此，引发学生深度思考不再像是传统课程设计那样难以实现，深度思考将随着技术的不断优化趋于常态化。

2.3 以解决问题为目标的AR技术应用

(1)AR技术模拟实际问题情境构建。与课程设计中学科方面的应用类似，AR技术在解决问题为目标的课程设计中的应用仍基于情境的构建[6-7]。之所以问题解决需要情境构造是因为部分问题和一些学科知识拥有类似属性——抽象性，而解决一个抽象的问题，最好的方式就是将其现实化、直观化。当把这个抽象的问题转化为虚拟现实情境时，原来真实情境中已有经验为解决这一问题提供了思路。

(2)AR技术引导将抽象问题建模解决。基于真实情境中已有经验，在抽象问题虚拟情境化的基础上，使得个体利用已有经验中的方案模型，面对的抽象问题，经多次尝试将其解决。能够将已有经验中的模型加以运用，需归结于抽象问题的虚拟现实情境转换，而这一转换是由AR技术实现的，因此，本文在这里提出AR技术引导将抽象问题建模解决的表现特征。

3 AR技术课程设计应用实例

3.1 AR技术在人文社科类学科的应用

人文学科最具代表性的就是语文与历史，AR技术在语文学科课程设计的应用就是将文章或诗词的意境再现，特别是寓情于景的散文与诗词。朱自清《荷塘月色》一文，借助AR技术将景象还原，结合人机交互技术，让学生切身感受，对于文章的理解便会提升。当这样的应用落实到整体语文学科的课程设计中，则更接近于所期望的多维目标。

历史学科的AR技术应用，首要的是把握好历史学科课程体系的基本表征，其最关键的表征是：“在一定的时代背景、时代特征下，有一定时间顺序的所发生的一系列事件，且其对当时社会会产生一定程度的(正/反向)影响作用，同时伴有一定的标志性意义”。结合这样的特征，借助AR技术、人机交互技术和三维成像技术，还原历史场景，让学生“置身”于相应情境中，会更好帮助学生理解历史事件发生始末，避免了传统历史学科课程设计在落实教学中的学生“死记硬背”现象。

3.2 AR技术在自然(实验)学科的应用

与人文学科不同的是，自然学科受涉及一定的操作性。因此，在AR技术基础上，人机交互技术、体感技术也是必不可少的“参与者”。为了更好帮助学生学习自然学科，AR技术课程设计应用需把握它们的共性——实验基础。

无论物理学、化学还是生物学，知识结构的建立均离不开实验的。物理学中研究运动学问题[8-9]，以匀变速运动为例，传统课程设计中有关于“打点计时器”的实验，往往得出近似的结论，原因在于真实环境下无法避免空气阻力因素。在AR技术条件下，模拟设备可创设不计空气阻力的虚拟现实实验场景。另外，结合人机交互技术进行虚拟现实情境下的物理实验，相较真实环境下实验结果更精准，也就更具说服力。同物理学类似，化学实验会涉及物质间的反应与变化，比物理实验更具危险性，且在真实环境下进行的实验存在现象不明显或是难以在教学中落实等情况。利用 AR技术在初中化学学科课程设计中的应用，在实验教学环节中针对物质结构的内容借助3D演示系统、智能手机、头戴显示器等技术工具进行了虚拟融合操作实验 。酯化反应的微观分子结构下的实验操作，通过AR技术，可以将该反应中各物质的球棍模型得以呈现，将整个反应利用三维动画模拟，最终呈现反应全过程，切身感受反应原理，促使学生在掌握酯化反应的本质。

3.3 AR技术模拟实际问题应用

除了学科应用之外，AR技术为解决实际问题也提供了更多的可能。针对桥梁的设计，利用AR技术还原各部分仿真模拟的桥梁组建模型，基于桥建的标准参考数据，利用数据分析软件对于各部分组建的承重度、拉伸程度等进行分析，初步判断是否可以建造成功，再结合人机交互技术、体感技术使实验者更具真实性的参与进来，进行模拟搭建。处于这样的环境中对于实际桥梁设计的问题会有更贴切地感受，使得学习效果更佳，避免了仅停留于抽象环境下解决实际问题导致的短板。

4 AR技术学习课程设计应用优势与挑战

4.1 应用优势

(1)推进课程设计更加合理化、人性化。AR技术创立的虚拟情境为课程设计打开了科学的设计大门，无论是人文社会科学，还是自然科学与工程技术科学，AR技术的应用使得原本课程在设计形式上更具人性化，呈现形式更加多样化，呈现效果更佳。在落实到教学环节时，对于课堂氛围和课堂效果都有着促进作用，推进了预期课程设计原则及教学目标的实现。

(2)助力校本课程设计。现今学校教育对于校本课程设计是十分关注，原因在于校本课程是体现一个学校校园文化、学校特色的关键所在，AR技术为校本课程设计提供了模拟真实校园特色的平台基础，为校本课程设计提供一定辅助作用。

另外，创新型课程研发是处于当前基础教育阶段教育环境下研究型教师的必备技能，随着大数据技术在教育领域应用的不断延伸，AR技术为课程研发者提供了更多趋向于模拟现实的课程研发的思路方向[12]，为创新型课程研发者提供了更广泛的思考与发展空间。

(3)教学环节提供了便捷教学手段与多样学习空间。在传统课程设计中，尽管包含着课程活动实施、拓展材料阅读等一系列的设计，但在AR技术平台下，课程设计中教学环节可以拓展更多的实施手段。对学生来说，学习空间范围也拓宽了许多，不再仅仅局限于教材、教室、教师讲授的维度下，AR技术平台打开了更多样的学习空间，创立了更广的学习维度。

(4)助力学习效率与参与度的提升。在传统课程设计层面，最难以保障的就是实施环节中学生的学习效果。如理科学科中知识体系过度枯燥和抽象，导致学生产生了一定程度的学习疲劳，影响学习效率，干扰学习效果。但在AR技术的影响下，理科学科的枯燥与抽象程度有了明显削弱，很大程度上缓解了疲劳效应，学生在学习效率及参与程度上均有了明显提升。

4.2 应用挑战

(1)缺乏合理课程设计。尽管AR技术提供了有利的技术平台，也为课程设计多样化提供了有效指引，但当前AR技术在实际课程设计中仍存在一定的制约，其并不是所有教育工作者都能在AR技术应用于课程设计时，保证了一定合理性；且对于合理性的标准也尚未统一。此外，对于相应的课程设计所达到的实施效果也并不能作出绝对判断，仍需要一定时间周期考量。只有这样才能确保该技术的持久应用。

(2)区域经济水平差异制造“屏障”。经济水平是确保技术普及应用的关键，就国内情况而言，能够将AR技术大力推广到各级教育单位的当前只有江浙沪地区、沿海地区、中部地区，西部偏远地区，全方位普及AR技术仍有一定难度。

(3)教师技术水平提升。AR技术普及教育时，对教师技术层面的要求不断提升。无论是AR技术理论还是实践操作，都是不断更新的。为此，教师需要不断学习，不断充实自我，突破现有的对AR技术的应用能力，进一步深化对AR技术的应用，综合提升AR技术的应用水平。

(4)对学生学习效率影响有待进一步检验。相比较传统的课程设计，AR技术环境下的课程设计确实来不少新的思路，也为教学提供了更开阔的平台。但对于该技术环境下课程设计的考量标准仍需要结合学生最终的学习效果，以及给学生学习效率所造成的影响力水平确定。

然而AR技术所造成的影响并不一定是绝对有利的，如果没有恰到好处的设计，效果必将与预期背道而驰，其根本原因在于：一切技术在课程设计上的使用都需建立在合适的课程主题、适当的课程(学科)角度、恰当的课程内容上，不是任何课程内容都适合与一切技术相结合，AR技术也不例外。