增强现实技术的教育应用情况分析

高千茗，庄天宝

（沈阳师范大学 新闻与传播学院，辽宁 沈阳 110034）

0 引言

AR 是广义上虚拟现实的加强版。 AR［1］通过计算机技术将虚拟的信息叠加到真实世界,真实的环境和虚拟的物体实时融合到同一个画面中,是伴随计算机图形学、人机接口技术和传感技术的飞速发展而成长起来的一项技术。 AR 技术除了具备VR 技术所具备的“3I 特征”(沉浸性、交互性和构想性)外,还可以增强真实世界的体验感,但这不是取代现实。

随着技术的进步,AR 技术的应用领域逐渐拓宽。在艺术领域中,2013 年蛇年春晚歌曲《风吹麦浪》的舞台效果就运用了AR 技术,构建出树木、蝴蝶、金色的麦浪等自然风光。 在情感领域中,日本市一公司利用“AR+GPS”技术,推出“Spot message”软件,当用户置身于充满回忆的景点时,可再现故人的身影。 在医疗领域中,微软HoloLen 全息眼镜应用AR 技术,可视化复杂的人体结构。 除此之外,AR 技术在整容手术、监测患者生命体征方面都有涉猎。

近年来,AR 技术的应用范围逐步扩大,同时教育在国家的发展中占据极高的地位,在教学中适当地运用AR 技术,能够显著提升学生的学习质量,具有极高的研究价值。

1 AR 技术应用于教育的情况分析

1.1 国外AR 应用于教育的现状

1.1.1 AR 技术应用于课堂教学

国外有多家技术公司可以提供实现AR 功能的支持技术,AR 软件的开发持续掀起热潮。 Shelton 和Hedley 将AR 技术运用到课堂教学中,进行九大行星课程的教学实验。 根据美国最新的《新一代科学教育标准》,作为工具的Z Space 开发出了包含2—12 年级多门学科的课件,课件分布在6 款软件之中,教师可采用软件自带课件实施教学计划,也可创造性地开发新课程。 教育是发展中不可或缺的部分,将技术与教育深度融合也逐步成为开发的热点方向。

1.1.2 AR 技术智能终端应用情况

随着AR 技术在手机和平板电脑中的应用,国外设计了一款基于AR 的手机学习卡片(ARSC),将卡片和立体模型相结合,提供丰富的体验。 该工具支持在线和离线两种不同方式的学习,并可检验卡片学习的效果。 国外AR 应用于教育的现象逐渐增多,设计方式趋于多元化,功能开发体现其多样性,进而创造出适应学习者学习方式的教辅工具。

1.2 国内AR 在教育中的应用现状

1.2.1 “AR+教育”CNKI 发表趋势分析

在CNKI 资料库以“增强现实+教育”和“增强现实+教学”为主题词,对近10 年相关文献进行检索,剔除无关的关键词并筛选全部文章后,整理得知与文章相关的主题剩余640 篇。 其中学术期刊327 篇、学位论文211 篇、国内会议8 篇、国际会议5 篇,近10 年发表趋势如图1 所示。

图1 近10 年发表趋势分析

从表1 中可以看出,2012—2016 年“AR+教育”的引用量较低,持续在相对稳定的阶段。 2016 年起出现了新的转折点,连续3 年引用量飞速上涨,并于2019 年达到近10 年峰值。 至2020 年引用量有所下降,2021年又逐步提升。

除分析近10 年发表的整体趋势外,在CNKI 上对“增强现实AND 教育”的主题分布情况进行细致分析,其中文献发表情况如图2—3 所示。

图2 主要主题分布

图3 次要主题分布

由图可知,以“增强现实AND 教育”为主题词搜索时,相关文献多以介绍AR,AR 技术为主。 随着技术的不断变革,近年来AR 技术应用于各个领域,例如建筑、医疗、旅游等。 图1 数据显示AR 技术在教学中的应用发表文献量处于第三的位置。

1.2.2 AR 技术对教学模式的构建

李小平等［2］扩展构建了教学系统框架,为提升智能增强现实或虚拟现实环境下的教学质量提出了一种可行的方法。 王培霖等［3］分析目前在教学中对AR 技术相关产品的需求,结合目前市场上AR 类产品的特点,提出了AR 出版物应满足的特点,从而真正实现产学一体化。 “增强现实+教育”核心技术在于AR 是“互联网+教育”的进一步深化,最终实现智慧教育的目标。

2 当前AR 研究存在的问题分析

不同于以前的新兴技术工具走进课堂,AR 的引进有着太多的争议。 通过文献分析,当前AR 与教育的融合主要有两大类问题,一种是技术问题,关注的主体是AR,主要分析当前的技术发展并不能满足“增强现实+教育”绘制的蓝图；另一种是教育问题,关注的主体是教育,主要分析教育教学实施前后的问题,笔者将根据这两点分开总结。

2.1 技术方面

2.1.1 AR 技术分析

“人工智能+教育”对数据的采集是多方面、动态的、及时的,包括学生课上课下的状况、不同学科之间的状况、人机交互时的状况等,数据量大且范围广,同时还要及时进行识别筛选。 目前来看,AR 并不能完全分析处理所有的数据。

2.1.2 技术与教育的融合问题

AR 技术与教育融合已成为现阶段热议的话题。教育是个复杂的系统,涉及领域宽广,包括众多的学科知识,不同学科、同一学科的不同章节都会有教学方法和教学模式的差异,同时教学过程中教师和学生的主观因素影响较大,作为课堂助手的AR 也要进行实时调整,目前的技术也是很难达到的。

2.2 教育方面

2.2.1 学校准备方面

王德宇等［4］研究了AR 技术在高校创客教育中的应用,借助AR 技术,将不同地点的教学内容或研发对象,进行异地实时交互呈现,实现协同设计、协同开发,甚至协同生产。 AR 是新兴信息技术,学校是否有条件更新设备对接AR 教育,是否拥有符合专业水准的教师和管理者胜任AR 教育应用,这些都是不确定的。 但现阶段学校将AR 应用于教育教学的方式逐步改进,从原有的投影设备到iPad、手机App,设备的优化为教学创造了便利条件。

2.2.2 学生对AR 的认同

AR 作为一种新型教学手段,可以将复杂的实验过程简单化。 通过创设仿真实验室场景进而解决教学环境受限的问题。 AR 技术虽然会创造一种叠加于真实情境中的环境,但实践起来对学校的经费需求较高,容易出现受现实条件的制约而无法实施的情况［5］。 不仅如此,师生交互、生生交互和人机交互依旧存在差别,学生对AR 频繁出现在教育教学中的适应程度如何,低年级的学生在同AR 的交互中是否产生角色困惑,仍是值得关注的问题。 在大数据时代下,AR 技术是否会因为数据信息泄露而对个体产生伤害,进而不利于学生的成长仍旧需要思考和关注。

2.3 “AR+教育”发展评述

AR 技术与课程教学的融合,在很多课程中已被证实是有效的［6］。 在应用AR 的学习活动中,学生分析问题、解决问题的能力有所提高,但是部分学生由于对AR 技术不熟悉,存在动手性较弱的情况。 课程教学过程中,还存在某些不足,例如:处理AR 设备的细节问题,正确的使用方式会减少眩晕感；教师应做好课前准备,避免过多依赖媒体属性进行教学,同时应把握好教学进程,讲授知识的同时应注重学生的反馈。

3 结语

AR 和教育的融合前景是光明的,但是通往智慧教育的道路是坎坷的,这需要教育工作者和技术研究者的共同努力,也需要国家和社会的支持。 教育工作者积极探索教学模式,做好学术研究,为“增强现实+教育”搭好框架,探索可行的教学模式。 技术研究者应逐步加快AR 技术的研究,让AR 可以更好地对接教育,更好地服务于教育教学。