AR技术应用要点研究

2021-12-08何立志王先财

科技视界 2021年32期

何立志王先财

（湖南工程职业技术学院，湖南长沙410151）

0 引言

现代AR技术（增强现实技术），是在计算机增强现实技术（增强现实技术）的基础上发展起来的一项创新技术。AR技术以现实世界为基础，在学习内容和真实场景之间建立了双重叠加关系，完美地弥补了现实技术与现实世界隔离的缺陷。如果没有复杂的计算机设备，AR技术可以在小型智能手机的帮助下完成现实世界的增强现实。它能为学习者所接受，可为新时代教育教学改革注入新的活力。

1 AR技术的发展

20世纪50年代，英国著名物理学家查尔斯·惠斯通（Charles Wheatstone）根据人眼左右视差原理发明了立体镜，这种立体镜使用左眼和右眼看到的细微差别图像来构建立体图像。通过立体镜观察物体可以给观察者一种深度感和沉浸感，使人眼具有立体真实感，这与“情境建构”理论所倡导的真实实践教学理念有深度关联，为今后计算机辅助教育技术与现代教育的结合奠定了基础。

1.1 国外研究

AR技术已经在很多场景中得到了应用。基于AR技术的儿童图书《魔术书》已经应用到教学中，它完美地结合了3D动画、视频、纸质文本和图片，小学生戴着AR眼镜或手持小型智能手机，可以呈现AR场景。通过扫描书中的静态图片，使3D虚拟场景、动画和视频“跃于纸上”，不喜欢阅读的孩子会被这种基于视频的三维虚习场景深深吸引，并有意识地学习视频中展示的知识和内容。一些外国专家通过实验表明，对于儿童和职业教育学生等特定群体，AR技术可以通过“电子书”积极帮助个人构建和内化知识。

德国摄影师莫顿·海格（Morton Heig）开发了一种类似于3D技术的机器，它根据特定的旋转角度围绕拍摄对象旋转360度，机器处理该组照片并合成具有3D视觉效果的照片。机器可以戴在观众的头上，观众可以通过机器看到三维画面，具有很强的立体感和真实感。受此启发，哈佛大学的Lvan Sutherland教授创造性地借用现代计算机技术来设计AR头部显示器，并将其应用于波音公司，以解决大规模电缆布线问题。近年来，AR技术发展非常迅速，尤其是谷歌AR眼镜的大面积使用，使得AR技术家喻户晓。

根据美国新媒体联盟发布的信息报告，AR技术连续五年被选为影响全球教育领域的新兴技术。美国高等教育信息化协会预测，新兴的AR技术与教育的结合将成为未来教育领域特别是职业教育领域的发展趋势之一。

1.2 国内研究

在我国，AR技术的发展落后于国外一些欧美国家，AR技术与教育的融合还处于起步阶段。国内大部分增强现实技术的研究都集中在虚拟校园的实现上，AR技术则集中在增强现实理论的讨论上。目前，AR可穿戴设备价格昂贵、佩戴复杂，增强现实技术在我国的应用受到限制。北京大学航空航天学院是中国一所将增强现实技术应用于航空航天教学的大学，建立了分布式虚拟环境和增强现实系统平台实验室，学生可以在实训基地学习实际操作，通过AR技术的嵌入，进一步提高教学效率和质量。

与昂贵的虚拟现实技术设备相比，性价比高的智能手机的普及在一定程度上推动了AR技术的发展。AR技术与教育领域相结合，它的主要应用场景是中小学的科学课堂，用来表示教师难以用语言描述的抽象实体。通过构建旋转运动三维模型的三维动画，学生可以充分理解模型的构成和结构原理，突破传统课堂的局限性。

2 AR技术的教学应用

社会人的选择机制在一定程度上影响着教育教学的方式，使应试教育不会在短时间内消失。传统的应试教育往往对知识和技能认识肤浅，不适应时代发展的主题，极大地制约了个体身心的和谐发展。AR技术与现代教育的深度融合，知识和技能的真实性和可视化，极大地促进了教育由表层向内涵的转化，将学生从传统的、机械化的、僵化的应试教育中解放出来，充分挖掘和展示个人的潜力和能量。

2.1 AR系列图书教学

AR系列教材在英语教学中的应用有助于提高学生的人文素养，激发学生的学习兴趣。作为AR技术与教育融合的一个实践案例，AR系列教材被引入北京市第一中学和第一小学的课堂，帮助学生学习个性化的英语词汇。相关专家对AR系列教材在教学实践中的应用进行了对比研究实验，深入研究AR技术对学生学习习惯和学习情绪的潜移默化的影响。在AR系列教材用于教学实践之前，对学生的年龄、认知水平、学习习惯和学生人数进行分组，采用不同的教学方法：在教学实践中，A组采用传统的教学方法。教师授课，学生背诵和记忆英语单词。在老师的指导下，B组学生通过自学AR系列教材、扫描图片、观看视频、音频和动画测试来学习，实验中学生使用低成本智能手机进行AR扫描学习。经过一段时间的研究，专家们按照统一的标准进行了测试，根据测试数据和结果可以发现，使用AR系列自主学习教材的B组学生的能力测试平均得分为73.125分，比传统教学中的A组学生高出50.776分。AR系列教材对工科学生的学习兴趣起着重要的作用。

AR系列动漫启迪儿童智慧生长，在儿童心理、情绪、价值取向塑造方面起到一定的作用。在德国，德国儿童百科全书AR特别版《有趣的透视立体书》出版，这本书的每一页都是空的，上面有许多图片。阅读时，可以跳出书中的AR模型，通过手机扫描将模型完全显示出来。在中国，AR系列图书近年来发展迅速，京东与小萌儿童图书合作出版了第一本AR图书《我不跟你走》，构建了30多个不同的场景角色和模型，并应用全3D场景和AR跟踪技术将儿童置于真实场景中，帮助家庭了解儿童的自我保护意识。

2.2 AR校园导游系统

AR校园导游系统是一个成熟应用AR技术的场景显示系统。AR校园导游系统是一个基于三维模型的高度人性化的导游系统，使用小型智能终端设备扫描网页或特定码，可以在三维模型的基础上，完全加载网页链接、三维动画、地图等各种媒体信息，实现校园环境的AR表达。

AR校园导游系统具有真实、信息丰富、界面友好的特点，可以帮助浏览者快速获取多种媒介信息。设计开发主要包括以下几个方面：

第一，构建基于模型的增强现实管理系统平台。设计者可以基于3dsMax软件虚拟建模，也可以采用Autodesk 123D软件建模，当然也可以采取Revit等软件建模，前提是模型能够导入3dsMax平台；在虚拟模型的基础上，可以采用3dsMax进行模型动画创作，也可以将模型纳入unity3d软件进行动画创作，如设计者C语言水平较高，使用unity3d软件更为便捷。

第二，进行交互式信息设计。AR校园导游系统界面友好，可通过各种媒体进行表达，原因是设计师进行的交互信息设计。在设计之前，构思要显示的信息、信息的表达媒体形式以及它们之间的逻辑关系，并将这些信息上传到指定的服务器上；在设计过程中，设计师可以使用AI开发软件中的特定功能块，设置多种可实现链接的按钮，链接出各种媒体信息资源。

第三，场景测试。将设计出的3dsMax模型与现实实景进行位置匹配，测试位置的感应精准度，观察模型与实景的真实贴近度，进一步优化链接资源展示先后逻辑，达到界面友好、真实美观、信息丰富的效果。

2.3 融合AR技术的游戏化学习

传统的教学方式，从信息媒介的角度来讲，书本是一种静态的媒介，教师的语言是一种偏单一的语言媒介。教育应以学习者为中心，以学习者的体验感、满足感为尺度，最好的教育是培育学习者的兴趣，提升学习者的思维能力，传统的教育并不能达到这些要求。随着AR技术的发展，AR技术可互联海量多维信息的特征，能够更好地满足学习者的体验，在此基础上计算机专家周以真教授，提出了计算思考的理论构建，并提出了游戏化学习理念。以特定的知识点为中心，通过AR技术链接多种动态、静态媒介信息资源，借用游戏闯关或游戏娱乐的方式，在游戏开展的过程中，使与特定知识点相关的信息不断进入学习者的脑海，在潜移默化中增进其对知识的理解，提升其逻辑思维能力，提高其知识的探究能力，最大限度地激发学习者的学习能力，提升学习者的学习效果。

台湾师范大学许庭嘉教授借用AR技术开发了一款推箱子的AR游戏，用以帮助学习者掌握电子线路设计的逻辑关系。在该款AR游戏中，电子线路设计的逻辑关系被巧妙地设计在游戏中，箱子被设计成具有典型的两种运行轨道，只能遵照这种典型逻辑轨道，箱子才能顺利前移，才能避开障碍物，不然无法完成游戏。通过挖掘、凝练特定知识点背后的逻辑规律，在此基础上开发出AR游戏，借用游戏，学习知识。这种融合AR技术的游戏化学习，是深度的沉浸式学习，知识、逻辑、架设、实操在学习者身上不断上演，大幅度地提升了学习者的探究能力、创新能力、试错勇气与团队合作精神，是计算机技术发展印发的教育领域的变革方法。随着科学技术的飞速发展，虚拟现实技术在游戏文本教学、游戏计算思维学习等方面发挥着更大的潜力。

3 AR技术赋能教学变革

3.1 从同一教育到个性化知识生成

传统的知识讲授是单一的媒介表达方式，对特定的学习者是合适的，诸如，学习欲望强烈的、可控思维联想丰富的学习者，但对于绝大多数学习者，并不恰当，需要多种维度的媒介信息进行有效刺激。AR技术可链接大量的多种媒介信息，可满足不同学习者的学习特征，在有意无意间，契合学习者的特质。丰富的感知信息比书本的间接经验更形象、更真实、更准确，AR技术可推动教学改革，可以帮助不同的学习者构建个性化的知识体系、认知体系。

3.2 从机械学习到混合式学习

对绝大多数学习者而言，假如没有了解知识背后的背景假设、没有理解知识背后的客观逻辑、没有理解知识背后的价值取向，或者想象不出知识所对应的场景，是很难谈得上“理解”了知识，这也催生出了应试教育中死记硬背。AR技术可以对特定知识的背景假设、客观逻辑与价值取向，甚至是真实场景，进行多种媒介的全方位展示或解读，学习者可以快速地立体式理解该知识。疫情期间，自控能力偏差、学习习惯僵化、学习能力偏弱的学生，由老师专门将他们组成一个群，采用AR技术教学，基于多种丰富的媒介资源开展线上学习，取得了较好的教学效果。

3.3 从外在灌输到内在兴趣驱动

学习动机是影响学习效果的重要因素，有外部动机和内部动机之分，老师、学校制度、课堂制度等属于外部动机范畴，而学习者学习欲望、思维能力、学习快乐等属于内部动机范畴。外部影响是表面的、短期的、不可持续的，对少部分学习者有效，能够在短时间内改变学习动机，对绝大多数学习者用处有限。AR技术提供多媒介信息资源用于教学，提升学习者的兴趣，是真正激发学习者的学习动机，是质变过程。