浅谈扩展现实技术及其在远程教育的应用

（吉林广播电视大学吉林省远程教育技术科技创新中心，吉林 长春 130022）

一、引言

扩展现实（Extended Reality,XR）可概括为虚拟现实（Virtual Reality,VR）、增强现实（Augmented Reality,AR）及混合现实（Mixed Reality,MR）等一系列技术的总称，就是通过传感器为人类实现虚拟世界与现实世界的信息交互融合技术的集合，包括视觉、触觉、听觉、嗅觉。扩展现实在经济各个方面发挥作用并蓬勃快速发展，有分析[Accenture,The Rapid Growth of Extended Reality.]指出在人机+机器协作可不断提高生产力，尤其在医疗保健和社会服务、制造业和建筑业中，可以增加30%。通过扩展现实与人工智能、大数据等结合实现数字孪生，可进行生产过程仿真、实训仿真、智慧园区、智慧城市等，实现智慧管理可视化，让使用者沉浸于虚实融合的平行世界。扩展现实依靠云计算、边缘计算、深度计算等技术，还可实现运算优化、传输优化、环境感知。

随着5G 技术应用与发展，边缘云渲染、高质量渲染、高刷新率渲染等不再受基带瓶颈限制，扩展现实能为使用者带来更好的移动体验。教育领域中，扩展现实不仅可以拓宽现实环境中与教师的交互，提高教学方式的互动化与智能化，还极大增强了知识的可视化、形象化。

《教育信息化2.0 行动计划》中指出，要适应网络技术发展，服务全时域、全空域、全受众的智能学习，以示范性虚拟仿真实验教学项目等建设为载体，加强大容量智能教学资源建设，加快建设虚拟工厂等智能学习空间。XR 技术与教育的深度融合，已成为教育变革创新的一大课题。

二、扩展现实技术发展及特点

1.虚拟现实、增强现实、混合现实的发展及特征

随着计算机仿真技术的发展，扩展现实技术中VR、AR、MR 都有自己的发展进程，为用户提供不同程度的虚拟与现实环境的融合体验。

（1）虚拟现实的发展及其特征

1935 年，小说家Stanley Weinbaum 在其撰写的小说《皮格马利翁的眼镜(Pygmalion‘s Spectacles)》中描述了一款眼镜为基础的VR 眼镜，其有视觉，触觉，嗅觉等全方位沉浸式体验的虚拟现实概念。由于早期人类科技技术限制，虚拟现实经历了其原型机阶段、技术积累阶段。直到1990 年，虚拟现实技术才真正开始向应用转型。从2016 年——虚拟现实元年至今，基于数字技术的虚拟现实设备已集成化，并以结合互联网等技术逐步扩展其应用范围，进入虚拟现实的全面爆发阶段。

现如今，以VIVE（HTC）、Oculus Rift、Gear VR（Sumsung）等主流的HMD（Head-Mounted Display）设备已实现强大的内容交互体验。而以Cardboard（Google）等基于智能手机的原型设备，只能够实现3D 眼镜功能，实现全景、双目媒体展示等。

以VIVE 为例，其设备定位布局不止在文化（娱乐传媒）产业，还在文化（艺术）、教育等产业有所深入，并已融合会议、协作等功能。综合利用数字图像处理、声场声音处理混合及各类感应设备数据处理，在与现实世界隔绝的封闭式设备系统中生成实时交互三维环境，通过设备取代用户的现实世界视觉、听觉感官，以创造沉浸式体验环境。因此，其特征为沉浸性、交互性及构想性，虚拟现实技术还称为灵境技术。因为其完全沉浸封闭，严重限制了用户在现实世界的移动性。

2、增强现实的发展及其特征

增强现实早期应用以HUD（Head-up Display）平视显示为主，用作以驾驶员为中心的盲操作、多功能仪表盘光学透视显示器（Optical See-Throught）系统。随着感应设备的发展，VST（Video See-Throught）视频透视技术逐渐普及在智能设备中。通过成像器件（感光元件）、陀螺仪、重力感应器等对现实世界的图像、运动（位置及方向）、重力等数据的捕捉、识别处理，将虚拟物按照自然规律（三维注册）融合实时互动显示。

3、混合现实的发展及其特征

混合现实实际产生在虚拟现实与增强现实的基础上，它融合了虚拟与现实，能够保证实时可视化环境中虚拟及现实中对象共存、互动。虚拟对象完全依照现实世界位置、大小等物理属性同步，同时进行现实世界中的对象感知，将虚实对象进行注册实例化及数据关联。混合现实设备现以Hololens（Microsoft）、Magic Leap One（Magic Leap）为代表，以视觉感知为主。Hololens 其定位在工业，可实现远程协同、实训指导等。

（1）扩展现实的提出及展望

扩展现实可追溯到60 年代，1961 年Charles Wyckoff 为记录原子实验，便开发出能够使人类观看超出常规视野事物的摄影技术及专利，还将HDR（High-Dynamic Range）图像处理技术与之结合。之后，Unity 公司明确了涵盖性术语“扩展现实”，包括虚拟现实、增强现实、混合现实。

针对现有技术构成展望，扩展现实技术的实现技术包括感知追踪、数据及处理、输出系统及技术环境，如图1 所示。

图1 扩展现实技术的实现技术结构图

三、扩展现实在远程教育中的应用

1.扩展现实技术在教育领域的应用

扩展现实技术在教育领域，主要集中在虚拟现实和增强现实两个方面，并已积累了大量案例，内容则以知识教育、技能培训等为主，层次目标以小/初/中/K12 及通识为主。应用方式上，一是依靠各自生态链构建的软硬件系统来构建模块化内容并实现学习体验，再就是通过扩展现实通用开发框架进行开发内容，以通用操作系统应用程序的形式在HMD、AR 眼镜或智能设备中执行实现交互体验。通用开发框架包括Unity XR、UE XR、WebXR 等。

2.扩展现实技术的远程教育应用场景分析

（1）职业教育

因为扩展现实技术本身的沉浸性等特点，如机械、建筑工程、室内设计、土木工程、旅游、汽车、数控技术、艺术设计等方面内容具备良好的交互特征，尤其在大型设备等特种作业实训方面体验明显。以化工机械为例，学员用户通过使用远程教育平台XR 内容不受地域、时间限制进行交互学习，进行虚拟拆装、运动仿真等。通过内容程序化设定及对学员操作流程监控，可实现程序自动化考核其操作规范程度。XR 内容还可包括在线故障实操，通过振动形变、声响及其他特效等实现故障模拟。从而有助于激发学员学习兴趣，通过网络实时小组合作，还可以实现多人协作。与此同时，还大大降低培训机构购置设备的教学成本。

（2）老年继续教育

针对老年继续教育，因设备如HMD 存在笨重无法长时间佩戴、造价昂贵等问题，扩展现实技术应用更多的应该在于艺术设计、通识知识等方面的传授。如艺术设计方面，可以通过平台设计出艺术品后，进行3D 打印或4D 打印，实现虚拟设计的真实物创造。针对与职业教育相同的专业内容，可在职业教育内容基础上调整，实现相同专业方向不同教育对象的内容差异化应用。

（3）特殊教育

特殊教育学员在肢体、感官、心理等方面都存在缺陷或障碍，那么通过采用不同感应设备，可以实现个体差异化应用。比如患有孤独症谱系障碍 (Autism Spectrum Disorder,ASD)的学员对象，一般其存在交流、互动、想象三方面能力缺失。扩展现实技术的沉浸性可为其治疗干预提供内容可控的交流，互动性提供了反馈可测的互动，想象性提供了泛化想象空间。针对语言功能障碍的学员，通过实时在线语音识别文字进行专业内容学习，并可进行实时哑语手势识别提高其社会信息交流能力。扩展现实营造的学习资源和学习情境，更易于填补其感知不足辅助认知。在未来，部分生理缺陷群体将能够通过扩展现实技术弥补真实世界的感知缺陷。

（4）智慧智能学习环境

智慧学习是学员按需获取学习内容，个性化开展学习活动，快速构建自己的知识网络与人际网络的学习过程。作为涵盖沉浸式技术的扩展现实技术，远程教育

平台可通过其对学员个体各类生理数据、环境感知数据的获取，实现个体交互式学习活动计划设定；也能够通过学员学习行为、内容关注度等不同维度监测构建学员学习画像，为学员智能无缝地提供符合需求导向的学习内容。

四、结束语

随着扩展现实技术的发展，结合云计算、人工智能、大数据等，在教育阶段中全覆盖并会延伸到终身教育，其在远程教育中的发展前景也会越来越广。扩展现实技术的广泛应用，对于“发展未来学校”、“智慧课堂改革”具有重大意义。远程教育资源利用最大化、学习行为自主化、教学形式修改化、教学管理自动化等优势，结合扩展现实技术后，势必会掀起全纳教育泛在学习热潮。