增強現實教育應用產品研究概述*

汪存友　程　彤

（山西師范大學 教育技術與傳媒學院，山西臨汾 041004）

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增強現實教育應用產品研究概述*

汪存友程彤

（山西師范大學 教育技術與傳媒學院，山西臨汾 041004）

摘要：增強現實技術是在虛擬現實的基礎上發展起來的一種新興技術，它將虛擬信息疊加到真實環境中，實現了虛擬對象與真實環境的結合。通過闡述增強現實技術的概念、特點及教育優勢，文章著重介紹了 2010～2016年間國內外增強現實教育應用產品的新進展，進而分析了其在技術開發、功能設計等方面所呈現的新特點，并對其發展趨勢進行了展望。

關鍵詞：增強現實；教育應用；新產品；新特點

引言

增強現實（Augmented Reality，AR）又稱“擴增實境”或“擴增現實”，是在虛擬現實（Virtual Reality，VR）的基礎上發展起來的一種新興技術。早在1960年，Morton Heilig成功研制了混合實境系統“Sensorama”，他被認為是混合實境領域的思想引領者。1989年，Jaron Lanier首次提出了“虛擬現實”的概念。隨著技術的不斷發展，Tom Caudell于1990年首次提出了“增強現實”的概念，即將電腦呈現的材料疊加到真實的環境中［1］。從此，增強現實技術（以下簡稱AR技術）開始進入成長階段，并得到了越來越多的關注與應用。目前，AR技術較多地應用于商業領域，尤其是在廣告和市場營銷方面非常吸引消費者的眼球。此外，AR技術在軍事領域、工業領域、醫療領域、歷史文化領域、紙媒行業和娛樂等領域也均有不同程度的應用。隨著 AR技術的不斷發展，教育領域的一些專家和研究人員開始嘗試將該技術引入教學領域，探索該技術對教學的作用。2012年NMC《地平線報告》將AR技術認定為一項與教學和創造性探究高度相關的新興技術，并預計到2015年將會被廣泛應用于教育領域。有專家斷言，教育領域是AR應用最有發展前途的領域之一。

本研究從AR技術的概念、特點及教育優勢出發，著重介紹了2010～2016年間國內外增強現實教育應用產品的發展情況，分析了增強現實教育應用產品在技術開發、功能設計、應用載體等方面呈現出的新特點，并展望了增強現實教育應用產品的發展趨勢，以期對 AR技術在教育領域的應用有所裨益。

一　增強現實概述

1 增強現實的概念及特點

早在20世紀60年代，國外研究者就率先在增強現實這一領域展開了研究。1994年，多倫多大學工業工程系的米爾拉姆（Paul Milgram）提出了從真實環境到虛擬環境的連續體的概念模型［2］。他從宏觀的角度解釋了AR與虛擬環境、真實環境之間的關系，將真實環境和虛擬環境看作是連續體的兩端，其間的部分稱作混合現實。在混合現實中靠近真實環境的部分稱之為增強現實，靠近虛擬環境的部分稱之為增強虛境，如圖1所示。由此可見，增強現實比虛擬現實更加接近于現實。

圖1　關于真實環境與虛擬環境的連續體

Azuma于 1997年提出了增強現實的三大特點，即虛實結合、實時交互與三維配準［3］。在AR技術創設的場景中，虛擬物體以三維立體形式呈現。通過AR技術，用戶能夠真實地體驗疊加到真實環境中的虛擬信息，如圖片、文字、聲音、視頻和動畫等。同時，用戶能夠在真實的環境中與虛擬的三維物體進行互動。

本研究認為，增強現實是基于計算機的顯示與交互、網絡的跟蹤與定位等技術，將計算機形成的虛擬信息疊加到現實中的真實場景，以對現實世界進行補充，使人們在視覺、聽覺、觸覺等方面增強對現實世界的體驗。在AR中，R為A提供了一個現實的環境，A要通過虛擬的信息在R提供的環境中發揮作用。

2 增強現實教育應用的優勢

前文提及的增強現實的三大特點，使得 AR技術應用于教育領域具有一定的優勢，主要體現在：AR技術能為學生提供多種形式的數字內容（如聲音、3D動畫等），對學生具有一定的吸引力；AR技術能為學生提供虛實結合的情景化的學習環境，增強了學生在學習中的存在感和沉浸感；AR技術能通過 3D模型使抽象的學習內容變得可視化，幫助學生理解抽象的概念；AR技術通過其更加自然的交互方式，增強了學生的動手操作能力，提升了學生的感性認識和體驗，推動學習者在自主探究中進行自主學習。此外，AR技術通過與移動計算的結合，能夠被很好地應用于非正式學習環境中，從而更好地將學習活動與社會活動融合在一起。美國實用主義教育家杜威及其學生陶行知先生都曾提出“生活即教育，教育即生活”的教育觀，而AR技術的這些優勢無疑會在教育領域重新掀起一股“做中學”的熱潮。

二　增強現實教育應用產品的分類

目前，增強現實教育應用產品按功能劃分主要包括：AR閱讀、教學演示、動作指引和教育游戲。此外，近期在教育領域還出現了由公司開發的工具類應用產品。

1 AR閱讀

AR閱讀是通過圖像識別技術，將計算機形成的虛擬3D圖像或動畫疊加到傳統的紙質書本上，為讀者帶來更具吸引力的閱讀體驗。

2013年，科學普及出版社出版了由英國著名的DK出版公司開發研制的一系列基于AR技術的有趣的3D立體書，所含的主題有人體、恐龍、太空和地球。該AR閱讀的使用對象可以是兒童、青少年，也可以是成人。該書采用圖像識別技術將紙質圖書上使用文字和插圖描述的知識與計算機形成的虛擬3D影像相結合，當讀者將電腦攝像頭對準相關頁面上的特定標記時，電腦顯示器上就會出現與真實場景相疊加的數字圖書內容，如3D模型或動畫，從而將抽象的內容以一種形象生動的方式展示給讀者［4］。同年，湖南第一師范學院李勇帆、李里程［5］研發的基于增強現實的交互式兒童多媒體科普電子書提供類似的閱讀體驗。

2 教學演示

教學演示是教學過程中一種常用的教學手段。基于AR技術的教學演示不同于以往采用2D平面方式進行的多媒體演示方式，它更多的是通過疊加在真實場景中的3D模型或動畫，從多個角度對教學內容進行動態、立體的展示。

美國肯塔基大學的Nedim Slijepcevic［6］于2013年開發了一款“太空月相現象AR教具（Lunar Phases Astronomy AR Lesson）”，用來輔助大學生學習月相知識。該教具通過不同標記，使學生能夠看到以3D動畫形式顯示的月相變化的四個階段。而且，該教具可以在不聯網時使用，能更好地與傳統課堂相融合。使用該教具需要的基本配置包括帶有攝像頭的計算機、BuildAR查看器（免費下載安裝）、月相場景程序包（scene5.scn）、標記（markers）。具體使用該教具時，學習者只需打開計算機的BuildAR查看器，調用月相場景程序包，將攝像頭對準打印好的標記，就可以在查看器中看到3D呈現的月相現象。通過手動調整標記的位置或角度，學習者可以從不同的方位觀察月球、地球和太陽的空間關系。

2015年，北京郵電大學的李鐵萌等［7］針對兒童的漢字和英語學習，設計開發了基于增強現實技術的學前兒童識字系統，并以30名幼兒園大班兒童為研究對象，利用該系統進行了對比實驗。研究結果表明，該系統能提升學前兒童的識字能力，且其教學效果明顯優于傳統講授方式。

3 動作指引

在技能培訓過程中，常常需要進行動作指引。AR技術具有較強的交互能力，能夠為培訓人員提供一種實地的、及時的操作引導，就像是有一位資深的指導教師陪伴在身邊一樣。在機械、建筑等需要實際操作的領域中，往往以動作指引類產品居多。

哥倫比亞大學計算機圖形與用戶界面實驗室于 2011年開展了維修與保障增強現實（Augmented Reality for Maintenance and Repair，ARMAR）項目，來探究使用增強現實技術幫助對設備進行維修，該系統可以作為維修模擬與培訓工具［8］。維修人員戴上數據眼鏡后，能夠在數據眼鏡追蹤到的數據內容（如子組件標簽、引導保養步驟、實時診斷數據和安全警告）的指導下完成對設備的維修工作。該原型系統融合了最新的運動跟蹤技術、移動計算、無線網絡、3D建模和人機交互技術，在提高工作效率、準確率和維修人員的安全性上具有一定的積極作用。

2013年，Metaio公司為奧迪公司開發了增強現實互動說明書，來幫助用戶了解汽車駕駛艙內按鍵和指示燈的功能。當用戶啟動應用程序后，將智能手機攝像頭對準駕駛艙內相應的部位，與之匹配的注釋信息將出現在手機屏幕中，以此幫助用戶更好地了解部件的功能［9］，如圖2所示。相比于傳統的紙質說明書，該增強現實互動說明書能為用戶提供更多的便利和即時的幫助。

圖2　奧迪AR使用說明書演示截圖

4 教育游戲

基于AR教育游戲目前發展較快。AR教育游戲通過虛擬游戲與現實世界的結合，使游戲者沉浸在一個接近現實的環境中體驗現實中所體驗不到的情景。它兼具游戲的娛樂性與教育的引導性這兩大特性，寓教于樂，使游戲者在輕松的娛樂過程中學到知識。

美國 Mitchlehan Media LLC公司開發的用于輔助少兒學習字母的教育游戲 AR Flashcards-animal Alphabet（http：//www.arflashcards.com/），榮獲2013年最佳移動APP稱號。當孩子們用攝像頭對準打印的Flashcard時，漂亮的3D動物將會在屏幕上彈出，點擊動物將能夠聽到字母發音和動物名稱。該應用采用單點觸屏交互技術，通過聲音和3D模型的結合，極大地吸引了孩子們的注意力并激發了學習興趣，如圖3所示。此外，大連新銳天地傳媒有限公司于2013年也開發了能夠進行多點觸屏的AR School之神奇語言卡（http：//www.armagicschool.com）。

圖3　AR Flashcards-animal Alphabet教育游戲演示截圖

PBS Kids公司的Cyberchase Shape Ques（thttp：//pbskids.org/apps/cyberchase-shape-quest.html）應用于2014年研發而成，是一款采用AR技術的3D拼圖游戲，用于培養兒童的空間推理和問題解決能力。孩子們將平板電腦的攝像頭對準打印好的標記，現實世界便與游戲中的數字內容結合起來，孩子們通過旋轉、移動3D模型為動物們拼好回家的路——孩子們不僅可以坐下來玩這款游戲，還可以移動身體來參與游戲。同年 6月，該公司推出了“Fetch！ Lunch Rush”（http：//pbskids.org/fetch/games/hollywood/lunchrush.html ）移動APP教育游戲，寓教于樂地訓練兒童解決算術結果為1到10的運算能力。這款游戲允許孩子們將標記貼在任何地方，但需要使用大腦和身體來參與游戲，故解放了學習空間。針對運算結果，這款游戲還設有語音提示。

2015年，華東師范大學的陳向東和曹楊璐［10］設計開發了名為“快樂尋寶”的戶外移動增強現實教育游戲。該游戲結合基于位置和圖像的跟蹤定位技術，多名玩家通過尋找任務、回答知識、交流與協作共同完成室外尋寶活動。初步應用該游戲后發現，它能使學習者感受到一定的臨場感和沉浸感，并能順利完成設定的學習任務。

5 工具類

語言翻譯器和計算器是我們日常生活、學習中常用的工具。目前，已經有公司開發出了基于 AR技術的語言翻譯器和計算器。使用者不再需要進行手動輸入，而只需將設備的攝像頭定位在需要解決的問題上，結果便會在設備顯示屏中顯示出來。

2013年，Quest Visual公司開發了一款部分免費的、基于光學字符識別技術的增強現實實時翻譯軟件Word Lens。目前，免費版的Word Lens僅支持英語與俄語、葡萄牙語、意大利語、法語、西班牙語、德語之間的互譯。當用戶需要翻譯不認識的外文時，只需啟動應用程序，將攝像頭對準需要翻譯的內容，翻譯結果就會疊加到真實情景中，除了語言發生變化外，攝像頭所對準的場景并不發生變化［11］。當用戶出國旅游卻又不懂當地語言時，這款軟件便是一個很好的助手。

2014年，MicroBLINK公司開發了世界上第一款免費的照相式計算器PhotoMath［12］。當用戶啟動應用程序后，智能手機自動進入拍照模式，用戶將攝像頭對準需要解決的數學試題，運算結果便會在手機上實時顯示出來，并能夠提供較為詳細的解題步驟。目前的版本還不能支持手寫體的數學試題，只支持印刷體基本的算術運算、簡單的方程、線性方程組和對數的運算，如圖4所示。

圖4　AR計算器PhotoMath工具演示截圖

三　增強現實教育應用產品的新特點

1 以圖像識別為主要跟蹤技術

跟蹤定位技術是AR的關鍵技術之一。從跟蹤定位技術的角度，AR系統可以分為基于位置型（Location-based）與基于圖像型（Image-based）［13］。其中，基于位置型的AR系統通常利用GPS與Wi-Fi，并依賴使用者的位置信息向使用者提供服務，如“快樂尋寶”就采用了該技術。基于圖像型又可分為基于標記型與無標記型——基于標記型要通過人工標記定位真實對象，如有趣的3D立體書、Fetch！ Lunch Rush與PhotoMath等；無標記型則依賴于環境中真實對象的自然特征，如奧迪AR使用說明書等。從對所收集的AR教育應用產品的分析情況來看，目前比較流行的是基于圖像型的跟蹤技術，因為它使得跟蹤定位的對象具有實體意義，而不再是抽象的無意義符號，因此更契合教育的應用需求。

2 功能多樣化

過去增強現實教育應用提供的功能主要有3D立體顯示（AR閱讀和教學演示）、動作指引、教育游戲等，近期在教育領域還出現了工具類應用產品。如Word Lens和PhotoMath，類似這樣的工具類軟件是對過去翻譯器和電子計算器的改進，它們使人們的生活和學習變得更加便捷，縮短了學習與生活之間的距離，使學習與生活相互融合。基于 AR技術的產品在功能上越來越多樣化，今后在教育領域也將會有更加廣闊的發展空間。

3 平臺移動化、小型化

在運行平臺方面，AR技術從成本高昂的桌面計算機或工作站逐漸轉向成本較低的移動平臺；而在顯示設備方面，AR技術從頭盔顯示器、立體眼鏡逐漸向平板電腦或智能手機等移動終端轉變，如AR Flashcards-animal Alphabet、PhotoMath、奧迪AR使用說明書等都是在移動終端運行的 AR應用程序。當增強現實與移動設備相結合時，增強現實的作用被進一步擴展。用戶可以逐漸擺脫設備對使用環境的限制，能夠走向室外體驗增強現實所帶來的樂趣。

4 觸屏交互技術

過去 AR系統的人機交互技術常以鍵盤和鼠標為主要交互方式，而目前較為流行的人機交互技術是觸屏交互技術。觸屏交互技術將數據的輸入和輸出融為一體，采用該技術的人機交互界面是一種更加簡單和友好的交互界面。觸屏交互技術包括單觸屏技術和多觸屏技術［14］——單觸屏技術是屏幕在同一時間只能對單個點的觸摸作出反應，如AR Flashcards-animal Alphabet和Fetch！ Lunch Rush等應用的單點觸屏交互方式；多觸屏技術是屏幕能同時對多個點的觸摸做出響應，如AR School之神奇語言卡中使用雙手指對虛擬圖像進行縮放。雖然目前大多數產品采用的是單觸屏技術，但也已經逐漸出現了多點觸屏的應用程序。多觸屏技術是比鼠標操作更自然的、且更接近人類行為習慣的一種操作方式，可以預計它將有望取代目前所使用的鍵盤和鼠標交互方式，并以其更人性化的特點成為未來的一種主要操作趨勢。

5 可達性與普及度提高

在AR技術發展初期，由于AR系統的開發成本高、設備笨重、體積龐大，通常只有實力雄厚的研究機構或公司才能接觸到AR系統。而今，AR應用程序已經逐漸進入普通百姓的生活中，這主要得益于智能手機和AR相關技術的發展。目前，大多數智能手機都具有內置攝像頭、GPS定位器、傳感器和高速的網絡接入設備，這使得智能手機具備了運行 AR系統所需要的硬件設備；同時，由于智能手機在計算能力、存儲能力方面的不斷提高，智能手機也具備了相應的技術條件，故基于智能手機的增強現實移動APP也就越來越多。智能手機的高普及度與它在硬件、軟件和技術條件都能夠滿足AR技術的情況下，使得人們接觸AR技術也變得越來越容易。

四　結語

本文梳理了自2010年以來AR技術在教育領域中的應用，并總結了AR教育應用產品的新特點。增強現實技術將虛擬對象與真實環境相融合，通過其較強的交互性給學習者帶來了更多的學習樂趣，并為學習者提供了一種新的學習媒體和學習體驗，促使學習者在更加愉悅的狀態下進行自主探究。未來的 AR技術將結合更多的高新科技如云技術、大數據和移動技術等，而隨著AR技術的發展，將會有越來越多的學習者從這項新技術中受益，今后AR技術在教育領域的發展前景也將會越來越廣闊。

參考文獻

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編輯：小米

A Review of Research about Augmented Reality Product Applied in Education

WANG Cun-youCHENG Tong

（School of Educational Technology and Communication， Shanxi Normal University， Linfen， Shanxi， China 041004）

Abstract：AR （Augmented Reality） is a new technology emerged from virtual reality， which makes virtual information overlay to the reality and virtual object integrate seamlessly with real scenario. The paper firstly expounded the conception， characteristics and educational advantage of AR technology， introduced some excellent AR softwares that applied in education from 2010 to 2016， then analyzed and summarized the new characteristics of AR technology in the aspects of technological development and functional design， finally expected the development trend of AR technology.

Keywords：augmented reality； applications in education； new product； new characteristic

【中圖分類號】G40-057

【文獻標識碼】A 【論文編號】1009—8097（2016）05—0095—07 【DOI】10.3969/j.issn.1009-8097.2016.05.015

*基金項目：本文為山西基礎教育質量提升協同創新中心課題“信息化與基礎教育教學深度融合的理論與實踐研究”（項目編號：XTB1606）的階段性研究成果。

作者簡介：汪存友，副教授，博士，研究方向為多媒體認知與測評技術，郵箱為522744743@qq.com 。

收稿日期：2015年8月21日