基于增強現實的新型職業教育學習模式探究

喬興媚　楊娟

摘要：近年，新技術快速發展，如何發揮新技術的優勢，服務于職業教育教學、改變職業教育的現狀是值得探討的問題。國外已出現將增強現實技術應用于職業教育的試驗性項目，而國內對此的研究卻十分少。結合傳統學習模式，該文提出了結合增強現實技術的職業教育學習模式，即基于移動設備的VR+AR非沉浸式學習模式和基于可穿戴AR設備的沉浸式學習模式，分析了將增強現實技術融入現代職業教育可能帶來的積極效應，進一步探討了AR技術運用于學習模式中的關鍵因素：硬件設備、技術支持和教師意愿。AR技術對職業教育的促進主要表現在可以最大程度節約教學成本和與國際先進工業發展趨勢保持同步。

關鍵詞：增強現實；職業教育；學習模式；AR；VR

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A

增強現實（Augmented Reality，縮寫為AR）技術指可以實時地將計算機所產生的圖像信息直接或間接地重疊在真實世界的環境場景上的技術。增強現實技術作為一項長期為工業領域服務的技術有著廣闊的應用前景，其價值不僅體現在商業、工業、醫療等實用領域，在教育領域也有顯著貢獻。

增強現實的應用通常可分為兩類：基于標記（Marker-based）的增強現實和基于無標記（Markerless-based）的增強現實。無論哪一類增強現實，都是在真實場景基礎上擴展了計算機產生的信息和影像，可以無縫連接真實世界和虛擬世界。因此，在學習和訓練中使用AR可以更有效地加強學習者的學習動機、提升他們對學習的真實體驗感。不僅如此，AR在基礎教育以及高等教育的相關應用中都凸顯了其在改善學生學習效果，協作、交互、學習態度以及學習體驗方面的正面效應。因此，國際上出現了大量在職業教育中應用增強現實技術的相關研究，例如歐洲分別在2014年和2015年開展了將AR技術運用于職業教育的試驗性項目（LARGE Project和ARAVET Project）。這些項目不僅提供相關職業培訓的教學課程，還提供可創建不同教育AR場景的開發平臺，同時包含關于AR在學習效果、有效促進學生學習動機以及其他的學習體驗方面的研究及相關發現。即便如此，當前大部分在職教領域的AR研究僅僅關心AR技術的使用，并沒有過多關注AR技術對職教課堂教學可能帶來的教學模式變革以及這種新興技術對職業教育可能在哪些方面的促進作用。相較于國際上AR在職業教育的應用現狀，國內職業教育中AR的應用更加匱乏，不僅如此，連相關理論研究都十分少見。

接下來，我們將重點分析基于AR技術的新型職業教育學習模式和融入AR技術的關鍵因素，及其可為現代職業教育帶來哪些廣泛的正面效應。

一、基本原理

學習模式，是指在相應的理論基礎上，為達成一定的目標而構建的較穩定的學習活動結構。喬伊斯等人認為學習模式即教學模式，因為學習模式既是教師教學的模式，也是學生學習的模式。采取何種學習模式，實則就是創設何種學習環境，使身處其中的學生學會學習并相互影響，而教師則幫助他們獲取信息、思想、技能等。傳統的學習模式中，通常依據的是客觀主義的范式，教師在準備、組織和控制教學過程中，主要關注學生對知識的再現，重點培養學習者的基礎知識、訓練聚合型思維和近遷移能力。而在建構主義范式中，學生積極主動地自主學習更有利于促進學習者對高階知識、復雜問題的探索，發散思維和遠遷移能力的培養。

鐘志賢根據學習模式中“學習活動性質”和“學習組織形式”兩個變量，將學習模式分為了“個體—接受型”“群體—接受型”“個體—探究式”“群體—探究式”四大類。傳統職業教育學習模式是一種客觀主義傾向的模式類型，即主要應用“個體—接受型”和“群體—接受型”兩種學習模式。但是，職教學生在這種傳統學習模式下相較于普通高中或大學學生更突顯了以下問題：缺乏學習熱情，專注度不夠，參與度不夠，缺乏信心以及相關理論背景知識。因此，從傳統的“個體—接受型”和“群體—接受型”職業教育教學模式轉變為“個體—探究式”“群體—探究式”模式是必然趨勢。基礎教育領域的AR探索性運用均顯示了其在加強學習動機、提高學習效果、增強協作溝通能力、端正學習態度等方面具有顯著正面效應，因此，將AR作為職業教育“個體—探究式”教學模式工具載體是具有夯實的理論基礎的。根據選用的增強現實設備及創設的學習環境的不同，可以分為基于移動設備的VR+AR非沉浸式學習模式和基于可穿戴AR設備的沉浸式學習模式兩類。

二、主要類型

（一）基于移動設備的VR+AR非沉浸式學習模式

得益于廣泛普及的電子設備智能化，電子設備已普遍實現軟硬件分離，軟件具備實時聯入互聯網進行數據交換、更新等功能。因此使用基于虛擬現實（VR）的仿真學習軟件已成為當前職業教育輔助教學工具首選，并且已覆蓋新能源、制造、CAD/CAM/CNC/等離子機械、電子電氣、3D打印機、運輸、通信、醫務、工程、焊接、建筑等大部分職教從業領域。不僅如此，將這些仿真學習軟件遷移到移動設備上也已經不是難事。但是也正由于這種完全虛擬的沉浸式環境，為學習者帶來愉悅體驗的同時也更大程度地讓學習者脫離了實際應用場景。因此，半虛擬學習模式更適合于職業教育的特點和培養目標。

移動設備可通過標記技術或無標記技術實現虛擬場景的實時觸發，基于移動設備的AR應用具有以下優勢：移動設備易于獲取，設備成本低廉，應用開發普及。但是也具有其局限性，例如屏幕所展示的視覺寬度有限，無法真實還原視覺信息；移動設備涉及的體感種類有限，僅限于部分肢體的觸感體驗。因此基于移動設備的AR應用適合于設計具有一定體感經歷的體驗式學習模式，如上述從業領域的基礎操作類課程。

以運輸業的汽車基礎課程為例，基于虛擬現實的3D仿真軟件雖然可以幫助學習者充分了解汽車技術的基本知識，并可幫助他們最終獲得滿足相關標準（NATEF，IMI，Lernfelder，TESDA等標準）的執業資質，但是脫離實際環境的知識及認知始終會產生偏差，如圖1所示。圖1是基于VR的發動機3D虛擬展示（圖片來源于企業官方網站https：∥www.eonreality.com/），而圖2則是實際車輛的發動機（圖片來源于企業官方網站http：∥virtualwaregroup.com），以及由該真實發動機所觸發的AR虛擬場景。從圖1和圖2的對比可看出，圖1的3D模型雖然已經很接近真實的發動機，然而仍然無法讓學生認知到發動機在汽車構造中確切的位置、與其他部件連接時所呈現的外觀以及汽車從靜止到啟動后發動機工作狀態的變化等精細知識。

在AR+VR的新型教學模式中，AR應用與VR應用可以雙螺旋形式在時間線上交互使用，如圖3所示。這種AR+VR教學模式以VR課堂教學為主，AR體驗式教學為輔，教師可設計3：1：3：1：1：1比例的體驗式課程，在課程初期利用VR應用在課堂中開展相關理論知識學習（30%課時），增強學習者學習動機和學習興趣。接著可設計10%課時用于AR體驗式學習，用于促進學習者對相關背景知識的深入理解和鞏固，這部分學習可在實際場所開展，如實驗室和車間。隨后可開展課堂內基于VR的隨堂實驗（30%課時），用于學習和實習動作技能類知識，并伴隨有10%課時的基于任務完成的虛擬實驗。最后再次利用真實場景觸發AR深度體驗所學技能與相關背景知識。

（二）基于可穿戴AR設備的沉浸式學習模式

如前所述，當前許多職業培訓多采用基于發VR的仿真軟件模擬作業環境，這種純粹虛擬的環境對于需要精細操作的職業培訓來說仍然與實際運用有脫節。使用基于可穿戴AR設備的仿真作業系統則更能彌補這一鴻溝，這種通過實際場景所實時觸發的仿真模擬可以達到在實際操作過程中補充學習背景知識，回憶規范作業流程等更高級的學習要求。例如在學習有行業標準要求的技術領域，若相關操作實驗涉及到執業規范，可在執業流程關鍵點上設置AR觸發，不僅可以在正確操作過程中提示學習者注意該節點，同時在學習者操作出現偏差時給出警報提醒。利用這種實時觸發的AR技術在職業教育領域可以最大程度地在學習者學習階段就為其建立相關職業領域規范的條件性操作反射，可以有效促進學習者結合相關背景理論知識對動作技能類知識的熟練掌握。基于可穿戴AR設備的沉浸學習模式更適合于對動作技能類操作有較高精細需求的高級技能類職業培訓，例如在焊接專業中，可使用增強現實模擬設備來實現精細化焊接操作的演練，以提升學生實際焊接的技巧（如圖4所示）。

這種沉浸式學習模式通常需要有可穿戴設備作為數據收集傳遞以及展示沉浸場景的載體，如頭盔、眼鏡以及傳感器等。不僅如此，這種可穿戴設備并沒有統一軟件平臺，因此一套設備會包含軟硬件價格，成本會較基于移動設備的非沉浸式AR應用昂貴許多。另外由于技能操作雖具有連續性，同時也是由離散的獨立動作組成，因此完全使用可穿戴AR設備進行學習也是沒有必要的。無論從成本角度考慮還是從需求角度考慮，基于可穿戴AR設備的沉浸式學習模式均不適用于以課程基礎教學為目標的課堂教學中，使用可穿戴AR設備可針對以下兩類學習目標進行學習/教學模式設計。

（1）在熟練基本操作的基礎上，以提升操作技巧為學習目標。在這種學習需求下，可穿戴AR設備可作為技能進階或高階學習的輔助手段，以課后開放或有限課后開放的模式為學生輔助訓練使用。在這種學習目標下，可穿戴AR設備可用于自規律學習模式，即在無教師干預，學生具有自我學習的動機的情景下，建立以可穿戴設備為核心的開放實驗室服務。

（2）以滿足操作規范和達到執業標準為教學目標。在這種教學目標下，獲得執業相關資格是學習者的最終目的，因此對實際操作有嚴格規范和流程要求，通常發生在一門或一系列課程的結束階段。教師可設計以項目任務為訓練模式，可穿戴AR設備為相關過程關鍵點提示工具的個體化學習模式。這種學習模式下，學習者一邊操作一邊回顧相關知識是不被允許的，因此使用可穿戴AR設備可保證學生即可流暢操作相關動作，同時可獲得關鍵信息的提示或警示。

三、關鍵影響因素

根據Pmiect Tomorrow發布的一篇針對圣地亞哥一個AR增強現實試點項目的評估報告顯示，在應用數字化內容、工具和資源的過程中，教師們列出的三個關鍵要素分別是：教室設備裝置（56%）；持續的輔助課堂的技術支持（49%）；對數字內容的高效運用和專業技能提升（48%）。應該說，增強現實技術在教育行業中的應用并沒有成熟，仍處于實驗性的階段。如何更好地融入教育，探索建立基于增強現實的新型現代職業技術教學模式，有三個方面的關鍵因素。

（一）硬件設備

增強現實的硬件技術有待進一步成熟。增強現實涉及到環境建模、立體聲合成和立體顯示技術、觸覺反饋技術、三維交互技術、以及由于涉及大量感知信息和模型而異常重要的系統集成技術。顯示技術是否可以實現全光場顯示？機器對場景的識別和理解怎樣做得更精確？在真實環境甚至受限環境中，如何提高智能交互的效率和準確度？這些都是需要解決的技術難題。目前，各大廠商對增強現實設備的開發主要集中于增強現實眼鏡，谷歌公司的可穿戴設備Google Glass由于外觀設計、性能、隱私等問題在消費市場折翼，微軟的HoloLens也遲遲未能推出消費者版的頭盔。以HoloLens為例，其最關鍵的零組件是光機和鏡片。現采用的LCoS技術光效率高、成本相對低，但存在對比不佳和光機體積大等問題。Facebook旗下的Oculus Research研究所的首席科學家邁克爾-阿布拉什（Michael Abrash）在Facebook年度開發者大會上表示，只有當材料科學、光學和顯示技術取得重大進步后，這種超級眼鏡才有可能問世，這可能需要10年或20年的時間。為了解決目前AR眼鏡應用服務不足，另一些廠商主要投入在AR應用功能的開發上。借助智能型手機和平板電腦等移動裝置，許多AR創意APP出現在這些移動設備上，如去年風靡全球的任天堂AR手機游戲Pokeman Go，不僅讓廣大玩家體驗了AR的與眾不同，也帶動了消費者對AR功能的潛在需求，反過來影響廠商在AR眼鏡和AR應用服務商的開發策略。盡管借助智能型手機能夠很便利的體驗AR，但實現AR效果對手機性能要求頗高。因為AR是在真實的圖像中疊加虛擬的景象，如果想要位置合適的話，手機就需要運行計算機視覺算法，這對相機的成像質量和手機處理芯片都有要求。也存在耗電、耗流量的問題。因此有研究者認為，手機硬件只能讓用戶在AR體驗中“嘗鮮”而已。

（二）技術支持

增強現實技術的教學應用需對其教學價值和技術特征進行分析，然后進行教學應用策略的制定，這為技術與教育的有機融合創造條件。增強現實尤其適用于情境學習、自主學習和協作學習。研制基于增強現實的教學培訓大綱及配套教學資源，需要得到學校的大力支持。因為對于不同教材，需要進行定制化的研發，成本不小。目前。市面上的AR教學產品大多是一張紙和一個3D模型的形態，實際上只是非常表面的AR應用，因為深度的開發需要教育專家、技術專家的挖掘和協作。

（三）教師意愿

2016年作為增強現實的元年，其應用于教育領域的研究時間還相對較短，個案較多，缺乏有體系、有長時間跟蹤的實證研究。因為可供借鑒的增強現實教學模式和教學經驗很少，需要教師在實踐中不斷積累經驗，重視教學效果測評，根據反饋修正相應的教學設計。在這一過程中，教師扮演了極為重要的角色。一方面，教師要及時提升自己融入新技術的教學設計能力，因為傳統的課堂教學模式中無法無縫使用AR設備，因而必然會要求使用更靈活的課堂教學模式和教學設計，例如個體化教學、體驗式學習、AR應用支持的協作學習等。這就需要教師在教材教法上給予更多的關注，以提升教學活動的適應性。另一方面，教師還要有追蹤行業新技術的意愿。與vR相似，AR也可實時更新應用軟件，因此這一特點使其可在很長一段時間內保持與行業技術的同步更新，這必然需要教師實時追蹤本行業新技術，提升本職專業素質。

四、對教學的促進

（一）可最大程度節約教學成本

如前所述，基于VR的仿真學習軟件已成為當前職業教育輔助教學工具的首選，并也已普遍運用到多個職教領域，其中甚至包括一些新興的職業領域，如新能源和3D打印。而基于AR的應用則分為沉浸式和非沉浸式兩種（有些文獻分為三種，分別是沉浸式、半沉浸式和全沉浸式）。相較于基于VR的仿真學習軟件，基于移動設備的非沉浸式AR應用并沒有增加成本開銷。因此從VR仿真學習軟件過渡到基于移動設備的AR的應用不會造成額外的經濟負擔。另外，兩種不同的AR應用所針對的專業類型也各有區別，培訓機構或學校可根據自己的財政狀況以及專業設置情況自主選擇最適合本校學生的設備和教學模式。即使無法獲得沉浸式教學設備，也可通過前述的利用基于移動設備的VR+AR教學模式來滿足基本相關專業的基礎課程教學目標（含動作技能教學目標）。

（二）與國際先進工業發展趨勢保持同步

基于移動設備的AR技術由于其突出的可視特點，以及數據可共享、可遷移性等優點使其正在成為設備維護行業的潮流和新的作業規范。例如西門子公司為Vectron機車提供的AR設備維護服務，在該AR應用中，技師無需上火車，便可使用移動手持設備登錄每個Vectron機車所提供的加密局域網，并訪問加密的后臺辦公服務器。技師們直接通過在平板設備上手勢操作進行任務和路線檢測，不僅如此，還可以直接調出該機車車輪的CAD圖以及上千頁的操作手冊，并且可看到別的技師所留下的維護記錄。而博世公司則推出了汽車維修AR系統，在該AR汽車維修應用中，不僅提供給維修技師3D工作指令。所需工具。甚至提供相應教學視頻。當手持移動設備的攝像頭掃過發動機組件，相關的上下文信息立刻就被觸發并推送到對應物理部件位置上。

由此可見，在職業教育培訓階段融入基于AR的體驗式教學活動可以與國際先進工業發展趨勢保持高度同步。不僅提升所培養人才的新技術適應能力，同時可縮小學校教學目標與企業需求之間差距。

五、總結與思考

正如前文所述，當前國外大部分在職教領域的AR研究重點關注AR技術的使用，并沒有過多關注AR技術對職教課堂教學可能帶來變革及促進。

本文在分析了增強現實技術在教育領域的相關探索性應用的基礎上，結合當前職業教育學習模式分類，提出了兩種新型的融合了增強現實技術的職業教育學習模式：基于移動設備的VR+AR非沉浸式學習模式和基于可穿戴AR設備的沉浸式學習模式。并根據增強現實技術的技術特點討論了在職業教育活動中使用AR技術可帶來的多重優勢及需要重點關注的影響因素。當然，本文對基于AR的新型職業教育學習模式的探討也屬于探索性研究，需要進一步通過實踐檢驗。