增强现实技术在高职教学中的应用研究

胡振华

（武汉软件工程职业学院，湖北武汉 430000）

一、增强现实技术概述

增强现实（Augmented Reality，简称 AR），是指通过电脑技术，将虚拟的信息、图像与真实场景进行贴合的技术。这种技术的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动。增强现实系统可以将计算机生成的信息 (包括文字、图像、三维物体等 )以视觉融合的方式叠加至真实场景中。在用户眼前呈现出“增强”了的世界。在理想情况下，用户无法辨别哪个是虚拟物体，哪个是真实物体，看到的将是完整的融合显示场景。因此。增强现实从字面上来说就是对现实的增强，而不是对真实环境的取代[1]。这种技术1990年被提出，具有虚实结合、实时交互、三维注册的新特点。自20世纪70年代早期，美国雅达利公司的《PONG》（一款模拟两个人打乒乓球的游戏）进入了电子游戏厅以来，视频游戏走进人们的生活已达30多年了，但是一直局限在屏幕中的2D世界中，而增强现实这一新技术到来后，通过增强我们的见、声、闻、触和听，进一步模糊真实世界与计算机所生成的虚拟世界之间的界线。

增强现实技术包含了多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器融合、实时跟踪及注册、场景融合等新技术与新手段。通过AR技术与视频图像算法、视频压缩及传输、云计算、大数据等科学技术的深度融合，视频监控系统作为关键性内容的输入端和图像、数据的处理端，立足VR/AR用户体验，可以有效针对虚拟现实场景，强化其内容拼接、色差消除、景深调整、数据处理、结构化数据提取和分析等技术处理效果，为用户提供浸入式的视频感知体验，因此得到了广泛的应用。

二、增强现实技术的教学应用需求

随着信息技术的不断进步，多媒体技术被广泛应用于教学，目前已在各个学科的学习中普遍应用。目前使用的这种多媒体技术在应用之初，以其新颖性吸引了学生的注意力，并且能够快速高效地传递知识，但也存在难以表达知识的完整性，仅能使学习在视觉、听觉上进行，缺乏选择性、互动性和情境沉浸性等缺点。另外，书本上的很多内容都需要学生自己展开立体化的想象，但由于书本这种载体的局限性，这些内容在书本上只能以平面方式呈现出来。增强现实技术的引进可以说是补足了教科书在这方面的缺陷，让书本中的内容得以用立体的形式呈现。

这种技术应用于教学环境之下，将会给每个学生营造一个更为独立的学习环境，学生可以在虚拟和真实的两种环境中方便地进行互动，实现教学过程中不同环境的无缝切换，也可以根据自己的需求和薄弱环节展开学习。这种相对独立的学习环境与以往的多媒体教学有类似之处，但却更易于移动和携带，它利用移动终端，不仅能够实现学生的自主学习，更能与传统意义上的教学环境相融合，为教育教学活动带来新的契机。所以，Kikuo Hideaki指出，增强现实技术一种新型的学习工具，而且具有很大的发展空间[2]。

随着5G技术的发展，AR眼镜将成为与普通眼镜无异的智能设备。5G的速率实现跨级提升，AR终端将不再需要强大的本地计算性能，云端即可完成大部分的计算。“计算上云”不仅让AR眼镜的算力有了更大的想象空间，同时也节省了本地存储和计算的硬件要求，极大地减少了设备的体积和重量，产品形态得到改善，AR眼镜成为可以长时间佩戴的随身产品，为教学提供了便利的条件。

三、增强现实技术在教学中的应用

如何将增强现实技术应用于教学之中呢？目前主要有两种途径：

(一)自己开发增强现实电子教材与App，让教材“动”起来

基于AR技术的电子书，也被称为互动3D图书，是指在传统纸质图书的基础上，通过增强现实的图像识别，融入“真实的场景”，从而能够显示虚拟三维景象的电子图书。增强现实电子书保留了传统书籍的形式，通过在书中插入虚拟对象，丰富了内容的表现形式，读者可以与书中的“真实场景”进行交互，使阅读变得更加有趣[3]。

教师在教学过程中，通过不断积累、开发立体资源,然后利用AR（增强现实）技术，将虚拟的信息、图像与真实场景进行贴合，使学生下载专用App，用手机“扫一扫”就能马上看到自己想要学习的知识，如图1和图2。这种新技术实时地呈现出多样性的学习内容，使原本枯燥的纸质教材能够随着手机“扫一扫”“动”起来，不但带给学生极大的乐趣，而且通过AR中虚实结合的交互，进一步激发学习者的学习动机，使手机从课堂管理的“老大难”变为了学习的利器。

图1 立体教材App样例

图2 立体教材App内部

但是，AR教材的开发过程繁重、耗时长、经费高，需要一整个团队的力量才能开发完成。有没有一种方法是教师一个人就可以完成，并且还能将AR技术应用于任意学科呢?

（二）利用在线增强现实App，让老师和学生“动”起来

手机上有现成的免费增强现实App，如Aurasma（如图3），它是一个在线AR应用，此软件可以通过手机摄像头识别图片（如图4），然后与服务器端数据库做出精确比对，提供与图像相符合的影片播放给大家。它可以使任何东西都变成增强现实多媒体。学生可以用它扫描图像，然后跳转到带链接的视频、图片或网站。

图3 Aurasma App

图4 用Aurasma扫描图片

具体的操作步骤如图5所示：

图5 Aurasma操作流程图

教师在课前给每一个知识点创建简短的视频，时长在1至2分钟。为了让视频更具完整性及吸引力，还可以使用视频编辑软件给视频制作片头、增加字幕及背景音乐。视频制作完成后，将视频上传至Aurasma ，并用一张图片来创建一个“触发器”。触发器的工作原理就像二维码：当学生用手机或平板电脑扫描图片时，就会在自己的手机上展现出教师创建的视频。与普通的二维码不同，教师可以创建任何喜欢的触发器形式。例如，讲解发光二极管时，可以利用教材上的发光二极管图片作为“触发器”，也可以将发光二极管的照片放在学案上作为“触发器”。

触发器可以让学生在手机上看到相应的视频。视频中有足够的信息来引导学生往正确的方向走，从而完成本次课的教学任务。学生在完成任务后，也可用同样的方法将自己的学习成果制作成视频上传至Aurasma，而教师则通过扫描学生的触发器图片就能即时看到学生的学习成果，从而轻松实现生生互评和师生互评，极大地提高课后评价效率和效果。

扫描图像就能立即出现视频，这让学习更具互动性，老师和学生都愿意“动”起来，都能体会到教学过程中的乐趣。最重要的是，这样的AR操作简单、灵活，教师自己一个人就可以完成，并且可以随时插入任意学科的教材或是案例里，适用范围非常广泛。

四、增强现实技术在教学中的技术优势

(一)激发兴趣，深度互动

增强现实技术作为一种高效的互动工具，可以让教师呈现丰富的媒体信息来刺激学生的感官，激发学生的学习动机；学生则可以自由地徜徉在知识的海洋中，通过学习过程中的情境学习和深度互动在“做中学”，完成知识、经验的获取与建构。老师与学生间、学生与学生间通过及时反馈、合作交流等环节形成良好的互动。

（二）多向传递，多元交互

在增强现实教学系统环境下，知识的传递是多向的、交互是多元的，学生在非线性的学习过程中，掌握学习的主动权，自行决定学习路线、学习节奏，真正做到自己是学习的主人。和碎片式的学习内容交互的过程充满了不确定性，这是一种发散性思维的学习环境。在这种环境下，学生根据自身情况自定步调，完成个体知识的意义建构。当遇到疑惑或不确定性时，可以方便地与同学交流或得到教师的帮助。

（三）分层教学，全面发展

教师通过增强现实技术可以轻松地实现分层教学，布置多重由简到难的学习任务，通过“扫一扫”引导学生的学习逐步走向深化。对于学有余力的学生，要求他们完成学习任务制作的视频精良、完整。学生能够利用各种手机App软件美化、剪辑、编辑视频，并熟练地发布到在线AR应用上，如Aurasma。使学生各方面技能得到全面发展。

（四）积累资源，远程支持

通过一段时间的实践和累积，教师就能够建立一个视频库，无论是自己开发AR教材还是发布到Aurasma上，都将是一笔宝贵的数字资源，而且在今后的教学中还可以一次次重复使用。

AR技术还可以让不同地区的老师、学生聚集在一个虚拟课堂中上课，并且达到真实、实时的互动。

（五）对特殊专业具有较高的实用价值

AR技术对于在实践操作具有危险性的专业而言，具有很强的实用价值。如教师难以教授、学生又难以理解的问题，因为教师难以将抽象的理论知识呈现给学生，只能用语言为学生讲解，学生在单调乏味的环境难以吸收同化枯燥的理论，加之具有很大的危险性，学生无法到真实场景中去实践感知，增AR技术的出现将极大地弥补这样的不足,AR技术可以为师生提供逼真形象的学习情境，即使不去到真正的现场，也能够让学生在几近真实的情境中有效学习。

五、结束语

随着科学技术的迅速发展，在现今这个信息化时代，增强现实技术更是发展得如火如荼，但是所有的变革都需要时间的沉积，增强现实技术也是一样。未来，基于增强现实技术自身的特点，其在教育教学中的应用，将较多地体现在教育游戏和自主学习中，增强现实技术将能够为教育游戏提供3D虚拟世界和3D虚拟环境，可以让学习者在增强现实的学习空间中进行更高效的学习。纵观增强现实技术在不同领域的应用，站在教育的视角下冷静思考增强现实技术与教育教学的结合，笔者发现今后要解决的是积极开发增强现实教育软件或课程资源，提高教学效率,革新教学方式,把增强现实技术转化为可以真正让各科老师和学生上手的教育教学工具。给学习者提供轻松的学习环境和自由的学习时间，培养学生们正确的学习观、掌握知识与技能并能迁移于生活实践的能力。