AR技术在教育领域的应用研究

周世明 燕飞

摘要：随着社会的进步以及经济的发展，一些先进的技术手段和设备被逐渐应用到经济社会发展的方方面面。伴随着多媒体技术、实时影像技术以及三维建模等技术的不断发展，增强现实（AR）技术应运而生。伴随着社会生产力不断提升的迫切需要，增强现实技术现被应用于多个领域，尤其是教育领域和医疗领域，增强现实技术的介入对提高教育质量和医疗质量起到了积极的辅助作用，并且在一定程度上影响着教育和医疗领域今后的发展方向。因此，本文对增强现实技术在教育领域的应用进行相关研究。

关键词：增强现实；教育领域；应用研究

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1674-8883（2021）02-0061-02

课题项目：本论文为吉林省教育科学“十三五”规划2020年度一般规划项目“应用型本科高校数字媒体艺术专业‘四维双程’校企协同育人模式的理论研究与实践探索”研究成果，项目编号：GH20487

在传统的教育模式中，对学生的教学往往依靠老师在讲台上讲，学生在讲台下听的模式开展，而随着时代的发展，多媒体技术被逐渐应用于课堂教学，课堂教学逐渐被赋予趣味性和灵活性[1]。基于技术手段的更新，多媒体技术也在不断地更新换代，多种技术同时应用于课堂教学中，因此课堂教学逐渐变得绘声绘色，不再显得枯燥乏味。技术的发展往往能够带动多个领域的共同发展，智能设备的快速普及以及物联网技术的不断突破，推动现代教育不断朝着智能化、多元化的方向发展，提高教学质量、保证教学效果成为先进技术在教育领域应用的一大目标[1]。

一、增强现实技术概述

增强现实技术是目前高精尖技术的一个代表，被广泛应用于民用和军用。增强现实技术是通过将系统中的一系列虚拟信息与现实世界中的场景相结合，从而使人体感官获得全新的体验，能够实现实时交互等特点。得益于计算机网络技术、影像技术以及大数据技术等多领域技术的共同发展，增强现实技术在理论与技术研发层面很快取得了突破。一般来说，增强现实技术的定义分为广义和狭义。从广义层面来讲，增强现实技术可以通過操作者进行的一系列操作，从中获得相应的反馈[2]。而狭义层面则认为增强现实技术是在虚拟现实基础上的一个分支，由于操作者在使用可穿戴式设备的过程中既能看到虚拟画面，又能看到现实世界，因此被认为是VR技术的一部分，目前我国北京理工大学的王涌天教授是该领域较为权威的专家[2]。

二、增强现实技术在教育领域应用的理论基础（一）情境认知与学习理论

情境化学习理论认为学习的过程应当是场景和现实的融合，学习应当是一个重构学生心理的过程，同时应该具备实践性。简单来说，情景化学习是让学生在学习某样知识和技术的过程中能够身临其境。例如，在学习修车这一技术的过程中，应亲自到修车厂去学习，因此情景化学习理论更加注重的是一个学习者学习过程种全身心投入的过程，同时也是一个身体各感官共同配合的实践过程。一般来说，在情景化学习的过程中，学习者能够在其中找到适合自己并且感兴趣的内容，同时这个过程也是一个持续性的过程。因此，增强现实技术在教育领域应用的一个理论基础就是情境认知与学习理论，能够通过结合现实空间与虚拟空间，将体验者带入一个全方位的学习环境中，并且能够通过大数据技术源源不断地为体验者提供学习内容，使其获得更好的教学体验[3]。

（二）沉浸理论

增强现实技术应用于教育领域，一个重要的理论基础就是沉浸式学习体验。基于增强现实技术中的影像和音像技术，体验者能够在学习过程中不受外界干扰，能够摒弃其他杂念，从而沉浸在虚拟与现实交织的学习环境中。另外，在这种环境下，体验者的意识和行为相互配合。这一理论目前已被广泛应用于各个领域。

三、增强现实技术在教育领域的应用案例

（一）教学学具软件的开发

增强现实技术在教育领域的应用首先需要教学学具软件的配合。由于教学过程中，学生和教师不可能同时穿戴大量的设备，因此需要教学学具软件对资源进行整合，从而避免同时使用大量的穿戴设备。此外，目前相关领域设计者一般采用Metaio等开发包开发AR学具。目前AR教学学具在教育领域的应用逐渐广泛，在教学中使用增强现实学具的过程中还可以实现端口互联，学生能够与老师在虚拟与现实中互动。学生在启动学具之后，教学学具内的电路图就能按照操作者需求进行电阻的变化检测电压或者电流，创造出现实与虚拟空间。

（二）基于增强现实技术的教育游戏

目前，增强现实技术被广泛应用于游戏制作领域，通过技术手段，增强现实技术能够将现实世界中的空间结构以及物体的摆放和布置以信息和数据的方式录入系统当中，再使其与虚拟环境相结合。弹弹岛就是基于增强现实技术开发出来的一款教育游戏，其通过这种原理，是面向低年龄段儿童所制作的一款游戏。学生能够通过可穿戴式设备或者是手持智能设备的方式获取视觉信息，通过移动设备来达到三维立体成像的目的。

（三）增强现实技术在学科教学中的应用

第一，美术课程中colARmix的应用。美术课程是增强现实技术在学科教育中应用较为广泛的一门学科，尤其是在绘画课程以及3D制图等课程中的应用，并且覆盖的年龄段以及级别范围较广，从基础的小学美术课程到大学室内设计等课程中均有应用。对于小学美术课程来说，一般的多媒体教学虽然相较于传统的教学来说，具有一定的优势，但仍然具有一定的局限性，小学生的理解能力以及空间思维能力有限，仅通过传统教学只能使其达到一维空间的构图思想。而colARmix的应用能够使学生在三维空间内绘制各种物体，充分释放和发挥小朋友的想象力。除此之外，colARmix等AR教学软件具有较好的优化功能，能够在多种设备中运行，在5.0以上的苹果系统以及2.2以上的安卓系统手机上均能运行。另外，通过电子投影仪等方式可以获得更佳的使用效果[4]。

第二，MATLAB等在高等物理课程中的应用。MATLAB被国内外诸多高等院校应用于教学当中，尤其是电磁学、力学以及医疗教学中，如电磁学中很多的内容具有较高的抽象性，理解起来相对较难，如其中的电场和磁场等都是肉眼无法见的，通过增强现实技术能够有效地促进人与环境的互动，使学生能够通过技术手段感知电场和磁场的存在，增强教学效果。

（四）增强现实技术在职业技能训练中的应用

例如高空塔吊以及特種驾驶等诸多特殊行业具有较大的危险性，尤其是对于刚刚接触到这类工作的学生来说，有一定的风险，特别是在初期的职业训练中极易造成安全隐患。通过应用增强现实技术，对高空塔吊这类特殊工种的教学和训练，运用虚拟与现实结合的方式能够模拟出一个较为逼真的、互动性较强的高空塔吊现场，模拟出实际的训练场景。尤其是在增强现实技术与各种重型机械教学相结合的过程中，能够有效地解决传统模式下重型机械教学和培训的难题，既能够增强员工的临场驾驶或者操作能力，又能够保证其安全性。

四、增强现实技术发展展望

目前，我国在AR教学领域做底层技术公司或机构相对不多，大多数高新技术企业或相关机构对AR技术在教育领域开展的平台研究多停留在理论层面，另外多是利用现成的技术，如传统的UNITY3D等进行内容开发。尽管国家和教育领域近年来一直在关注AR教育相关的技术研究，但就目前来说，所谓的AR SDK主要还是局限在2D平面图的识别和跟踪上，比较有名的有Vuforia、Metaio以及Wikitude等，实用性相对较强。而我国在这方面也有HiAR、EasyAR、VoidAR等，均有较高的实用价值。但仅仅停留在二维层面的AR距离真正的增强现实技术还有很长的一段路要走。在教育领域，AR技术的发展任重道远，与现实场景三维画面的融合应当是我国各个相关企业和机构主要应该攻克的方向。

增强现实能够通过技术手段将现实世界中的空间结构等以数据的方式导入系统中，从而使其与虚拟环境相融合，创造出一个具有较强感官性和互动性的虚拟现实场景。另外，随着技术的不断革新，AR设备的研发成本和制造成本将会逐渐降低，并且也会逐渐区域智能化和人性化。伴随着教育发展的需要，增强现实技术将会在教育领域得到更加广泛的使用，并且采购成本会不断降低，增强现实技术将会以更加简单、更加方便的形式进入教育教学领域，并且实现学科的细分，提高教学质量，推动现代教育不断发展[5]。

五、结语

增强现实技术是基于影像技术、计算机网络技术等多技术领域发展到一个全新高度诞生的新技术，由于其能够将体验者带入一个虚拟与现实相结合、具有高互动性和高感官性的环境，因此被广泛应用于社会生产的方方面面。本文主要介绍了增强现实技术在教育领域的应用，通过理论和实际应用对其进行了分析，并对AR技术未来的发展寄予希望。

参考文献：

[1] 赵晓嬿.增强现实技术在基础教育教材领域的应用现状及发展策略[J].出版科学，2019，27（06）：93-97.

[2] 何向琴.增强现实技术在学前教育领域的研究综述[J].科教文汇（下），2019（04）：148-150.

[3] 张菊芳，王海燕.增强现实技术在教育领域的应用现状及对策研究[J].数字教育，2018，4（05）：60-65.

[4] 周森，尹邦满.增强现实技术及其在教育领域的应用现状与发展机遇[J].电化教育研究，2017，38（03）：86-93.

[5] 贺熙，张旻旸，王锦，等.增强现实技术在职业教育领域应用现状调查——以天津市5所职业院校为例[J].高等职业教育（天津职业大学学报），2019，28（02）：75-79.

作者简介：周世明（1985—），女，吉林长春人，硕士，讲师，研究方向：设计艺术学、数字媒体艺术。

燕飞（1996—），男，河南方城人，本科在读，研究方向：数字媒体艺术。