全息技術教育應用與現實挑戰

周進

【摘 要】科技的發展推動著全息技術在各領域展開有效的應用，并對教育領域產生重要影響。文章介紹了全息技術的概念、特征、分類及發展，并分析了全息技術在資源、教學、環境三個層面的應用。資源層面的應用有資源開發、全息存儲和全息顯示；教學層面的應用有遠程教學、技能培訓和3D設計；環境層面的應用有全息教室、移動課堂和虛擬情境。文章認為，全息技術教育應用是教育技術發展的必然趨勢，但目前仍處于初級階段，在實踐過程中面臨的挑戰主要集中在技術與教學兩方面，需要研究者進行不斷地探索與實踐。

【關鍵詞】全息技術；教育應用；現實挑戰

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2017）12-0080-04

引 言

科技的快速發展，強烈地沖擊著人類生產與生活的方方面面，成為當今社會發展的重要驅動力。全息技術（Holographic）作為各國政府及企業高度關注的前沿技術之一，已在通信、醫學、軍事等領域如火如荼地展開探討與應用。比如，在通信領域，微軟開發的一款名為全息傳送（Holoportation）的產品可實現即時傳輸用戶的圖像與聲音，并能與對方展開實時互動。在醫學領域，紐約大學醫學院推出的三維交互式生物數字人體（BioDigital Human）可視化程序，可用于解剖實驗。在軍事領域，美國國防高級研究計劃局（DARPA）完成了一項為期五年的城市光學沙盤顯示（UPSD）項目，用于協助軍事指揮官制定作戰計劃。

隨著全息技術理論的逐步深入與實踐的不斷拓展，國際上一些學者開始關注全息技術的教育應用。英國索爾福德大學的研究者隨機挑選來自不同教育階段的400位教師進行問卷調查，以評估教師對全息技術作為教學工具的看法。研究發現，60.8%的教師認為全息技術在未來會是有效的教學工具[1]。而當前全息技術的教育應用還處在起步探索階段，缺乏清晰的應用思路。基于此，本文將對全息技術的基本概念與特征進行介紹，分析全息技術在教育中的應用與挑戰，以期推動全息技術在教育領域中的應用進程。

全息技術概述

1. 全息技術的概念與特征

全息技術是綜合運用互聯網、人工智能和光電信息處理的一門技術。其原理是利用光的干涉與衍射，實現對物體信息的記錄與還原，其中被記錄的干涉條紋稱為全息圖。

與虛擬現實（VR）不同的是，全息技術本質上是一種投影技術，只需將影像投射到一定的介質上就可直接觀看到逼真的立體影像，而無需借助特定的頭戴式顯示器。

全息技術具有四個基本特征：立體性、可分割性、縮放性及存儲容量大[2]。其中，立體性是指觀察者可從不同角度看到如同真實物體一樣逼真的三維圖像；可分割性表征的是被分割后的全息圖也能完整再現被攝物圖像，僅僅是分辨率受到一定的影響；縮放性是由于衍射角與波長的關系，使用不同的激光照射全息圖會發生放大或縮小的圖像；存儲容量大是通過改變激光的波長、相位或角度，可在同一感光板上存儲多個信息頁。

2. 全息技術的分類與發展

根據對三維圖像記錄及還原的方式不同，全息技術一般可分為光學全息、計算全息和數字全息三類[3]。光學全息中的干涉與衍射是利用光學照明實現的，這種全息技術即為傳統的光學全息。計算全息是利用計算機將光場分布模擬或計算出來，繪制并輸出到膠片或顯示器上，可突破現實世界物體的限制，實現對虛構物體的再現。數字全息是利用面陣光電探測器（如CCD、CMOS）和計算機實現對全息圖記錄、存儲和再現全過程的數字化。

1947年，英國匈牙利裔物理學家丹尼斯·伽伯（Dennis Gabor）提出了全息技術的思想。但由于當時受光源條件的限制，研究進展緩慢，直到1960年激光器的出現才取得了實質性的進展。

全息技術的發展過程大體分為4個階段[4]：第一階段是在1960年激光出現以前，伽伯采用的同軸全息技術。該技術以汞燈為光源，并且參考光與物光共軸，但獲得的圖像與照明光混在一起，不易觀察。第二階段是激光出現后美國科學家利思（ Leith） 和烏帕特尼克斯（ Upa tnieks）提出的離軸全息技術。此技術是利用激光記錄與再現，且形成的圖像與照明光分離，易于觀察。第三階段是白光再現全息技術。其原理是使用激光記錄，白光照明再現。第四階段是白光全息技術。由于激光自身因素的影響，全息技術在實際使用中面臨種種困難，于是，研究者們探討使用白光記錄與再現，從而促進全息技術的實際應用。

全息技術在教育領域的應用

全息技術在教育領域中的應用雖處在萌芽期，但早在2000年，英國倫敦南部一所學校已使用全息技術進行教學。該校數學老師凱瑟琳·達頓（Catharine Darnton）成功地將三維虛擬圖像通過互聯網傳輸到學校的展覽中心，學生可以看到一個“虛擬教師”出現在教室里[5]。由于當時設備及網絡的限制，傳輸的距離只有幾英里，但充分說明全息技術在教育領域的應用價值不容小覷。

隨著科技的快速發展，全息技術在教育應用中的作用越來越突出。通過文獻調研與案例分析表明，全息技術教育應用主要集中在資源、環境與教學三大層面上。

1. 資源層面

信息技術的發展使得學習資源的呈現方式由2D呈現逐步過渡到3D呈現。3D數字化教學資源能將抽象內容直觀化、形象化，從而為學習者創設沉浸性學習情境，激發學習興趣，加深對學習內容的理解和內化。全息技術作為3D數字化教學資源開發的關鍵技術之一，其資源層面的應用主要包括三個方面。

（1）資源開發。應用全息技術開發3D數字化教學資源，能為學習者帶來完整的學習體驗，滿足學習者個性化學習的需求。英國德蒙福特大學Martin Richardson教授一直從事如何提高學生語言學習方面的研究。其研究團隊結合全息技術開發了獨特的全息教學資源，能捕獲3D口形，學生可從不同角度觀看說話時嘴巴和舌頭的不同動作。這有望成為語言治療師的重要工具。當前，3D數字化學習資源較為稀缺，全息技術的實時交互性和立體性將成為3D數字化教學資源開發者的“香餑餑”。

（2）全息存儲。知識經濟時代下，互聯網的快速發展帶來了數字化信息資源的急劇增長，這對當前的信息存儲技術提出了很大的挑戰。而且隨著計算機處理數據增多，操作任務復雜度增加，對存儲設備的數據傳輸速度提出了更高的要求。全息存儲具有高存儲容量、高傳輸速率、快速存取和存儲可靠性高的優點正滿足了上述需求[6]。美國加州大學河濱伯恩斯工程學院和俄羅斯科學院研究人員研發出了一種全息存儲器，可以在電子設備中提供前所未有的數據存儲容量和數據處理能力。

（3）全息顯示。對教學資源的全息顯示有助于增強學生的學習情感體驗。2014年，在伊斯坦布爾舉行的英國文化創意節上，德蒙福特大學成像與顯示研究小組（Imaging and Display Research Group）展示了太陽年輻射全息數據可視化模型，這是該組全息數據可視化研究的第一個實例。鄭州二中創新班學生利用平板電腦和有機玻璃四棱錐結合的方式實現對動畫的3D全息呈現，培養學生主動探究、主動實踐、主動創造的能力。

2. 教學層面

全息技術在教學應用中具有諸多優勢。比如，作為教學工具可將復雜的主題內容簡單化，以幫助學生更好地理解復雜的學習內容；作為學習輔助工具可成功吸引孩子注意力，增強孩子對事物的理解；作為專業知識學習工具可允許學習者全方位觀察學習對象，促進學習者認知發展[7]。香港理工大學Hareton Leung 等人在香港小學進行2D教學與3D教學比較研究，發現3D教學比2D教學能達到更好的學習效果。Katie Monnin博士在幼兒教學中使用全息技術投影出一只小白兔作為教學助手站在教師旁邊，成功吸引孩子的注意力并增強學習興趣，提高了孩子的學習效率。全息技術作為教學的有效工具，其應用主要體現在以下三個方面。

（1）遠程教學。利用全息技術能實現教師向全球多間教室提供課程教學與現場講座。與傳統的遠程視頻教學不同，學習者可看到立體、實時交互的“虛擬教師”，實現名師進課堂。近日，著名物理學家史蒂芬·霍金借助全息技術出現在香港科技園并進行主題演講。該活動由網龍和ARHT Media公司共同實現。ARHT Media研發的HumaGrams是可信度和交互度較高的人體全息影像產品。教師利用該產品可不用離開學校就能進行遠程教學與講座。同時，學校也能邀請行業工程師進行客座講學。因此，該產品受到了教育工作者、培訓師、專家的青睞。墨西哥蒙特雷科技大學Eduardo Luévano等人將全息技術和機器人結合進行遠程教學。研究發現，72%的學生認為全息技術與機器人結合能帶來完整的學習體驗[8]。

（2）技能培訓。高危險、高費用和高復雜度的技能培訓是現代職業教育的瓶頸，具有可縮放性和交互性的全息技術可有效解決技能培訓難題。Robin在腦神經教學中利用全息技術展示三維模型并實時交互，為學習者帶來完整的操作體驗。Upadhye在工程圖形教學中使用全息技術對復雜圖形立體呈現，增強學生對內容的理解。美國EchoPixel公司開發的True 3-D系統可將CT和MRI掃描獲取的數據轉換為3D全息圖，便于醫生準確的診斷疾病和準備手術，該系統已在加州大學舊金山分校，斯坦福大學投入使用，助力醫學技能培訓。

（3）3D設計。隨著教育信息化進程的推進，學生創新能力與創新意識的培養是教育工作者愈發關注的焦點。技術的教育應用需要滿足學生創新能力的培養方能擁有發展的康莊大道。3D設計基于光學動作捕捉技術，實時跟蹤眼部、手部位置，對虛擬模型進行設計與開發，再利用3D打印機對設計的模型進行打印。基于全息技術的3D設計是學生設計思維的個性化創造工具，可重塑教育對象與過程，打造虛實融合的教育應用創新服務平臺，以培養學生創新創造的能力。

3. 環境層面

全息技術和虛擬現實技術在環境構建上的作用相似，主要是通過全息技術相關的軟硬件來構建三維虛擬環境，并支持學習者與虛擬世界進行實時交互以便獲取信息。同時，虛擬學習環境能提高學生學習動機、豐富個性化學習環境、促進知識和技能習得，實現“寓學于樂”。全息技術在環境層面的具體應用包括。

（1）全息教室。課堂教學是學校教育的主戰場，也是人才培養的關鍵抓手，有效的課堂教學需依托數字化的學習環境。基于全息技術構建的全息教室能滿足學習者多元及個性化課堂學習需求。美國InfiniteZ公司利用3D全息技術打造的ZSpace產品將作為教學工具推進高校課堂，旨在提高教學效果和推動科研進步。國內中視典公司將全息技術與虛擬現實、增強現實融合，發布了全息教室整體解決方案，開啟了3D全息課堂教學新模式。澳大利亞優立全息公司為南京大學捐建全息影像室，將全息技術運用到學科虛擬教學中，旨在培養科技創新人才和創意創作人才。

（2）移動課堂。近年來，隨著移動學習理論的逐步完善和通信技術的發展，基于手機、平板等移動學習新模式成為學者關注的焦點。然而，僅僅是利用移動終端對資源“攜帶”和簡單再現似乎滿足不了學習者的要求。美國Ostendo 科技公司研發的三維全息投影芯片，可以嵌入到移動設備中實現三維全息投影。在2014年，鈦客科技在北京國家會議中心正式發布全球首款全息智能手機，即takee全息手機，由此，全息手機進入大眾的視野。全息教學資源與全息手機的融合可打造便攜式全息移動課堂，實現資源的立體交互，增強學習體驗。

（3）虛擬情境。虛擬情境能調動學習者的視覺、聽覺、動覺等多感官參與，給學生如身臨其境般的感受，從而達到體驗式學習的效果。利用全息技術為學習者創設虛擬的學習情境可模擬科學實驗和重現歷史遺跡、名人等。在虛擬情境中模擬科學實驗，如化學反應、青蛙解剖、爆炸等，不必擔心因操作失誤而帶來的各種危險；在重現的歷史遺跡和名人面前，學習者可重游歷史古跡，與歷史名人對話交流。如在首爾的“活著畫廊”項目中，利用全息技術使世界歷史上許多哲學家和學者“活”了，實現了人們與歷史的“跨時空”交流。

全息技術教育應用的現實挑戰

1. 技術方面的挑戰

當前，全息技術存在的現實挑戰有：①互聯網傳輸速度無法滿足當前全息傳送的需求，導致遠程呈現的影像分辨率低、實時性差等問題。這大大降低了學習者的使用體驗，在一定程度上影響了沉浸式學習環境的構建。②實現裸眼全息顯示仍存阻力。谷歌、微軟等科技公司研發的全息顯示系統需借助全息眼鏡等外在顯示支持設備才能觀看到立體影像，還無法實現裸眼觀看。全息技術要在未來得到普及，必須實現裸眼觀看3D影像。③缺乏觸覺反饋。觸覺技術是實現與全息影像交互的關鍵技術，充當著人與全息環境之間的橋梁。目前，人們僅僅是與全息虛擬影像進行語音交流，無法實現與虛擬影像猶如實物般的觸覺交互與反饋。

2. 教學應用的挑戰

全息技術的教學應用面臨著諸多的現實挑戰，主要包括：①全息資源設計和開發門檻高。學科教師很難像開發課件那樣設計開發全息教學資源。信息技術公司盡管擁有專業的全息資源設計與開發團隊，但由于設計和開發人員無法達到學科教師對教學內容和方法的理解與掌握程度，所以很難開發出適應教學的高質量全息資源。②平衡認知負荷。全息技術創建的沉浸式虛擬情境使學習者獲取外界信息的通道變得多元化，包括視覺、聽覺、觸覺、動覺等。多通道的信息傳遞提高了學習者對復雜內容的認知效率，同時也會帶來學習者的認知負荷超載。因此，在環境構建和資源呈現上應平衡學習者的認知負荷，避免出現信息冗余、注意分散等問題。③全息教育資源產權保護。信息網絡時代，因網絡資源的零成本復制問題，保護知識產權顯得尤為重要。全息技術教育應用實踐中會出現這種情形，即由于全息影像的可復制與存儲功能，導致部分公司在未得到教師許可的情況下，借助教師的全息影像來偽造全息教學資源，這不僅侵犯教師的肖像權與著作權，也會增加全息資源產權保護難度。

總結與展望

全息技術作為一項前瞻性技術在各行各業中進行積極探索，以幫助實現行業的實質性轉變，教育領域也不例外。從現有的研究來看，國外研究明顯早于國內，在教育教學應用中的研究也比國內成熟，其中在遠程教學、技能培訓、工程教育等方面已取得了不少成效。而國內全息技術教育應用還處在初級階段，在全息資源建設、全息虛擬環境構建和全息教學層面還需廣大的教育工作者進行深入的研究，以推動全息技術在國內教育應用的進程。總之，全息技術的教育應用已呈現出一定的勢頭，伴隨著互聯網、人工智能與光電信息處理技術的快速發展，全息技術及相關產品在教育領域的廣泛應用將成為必然趨勢。

基金項目：江蘇省研究生科研與實踐創新計劃項目“基于數字化場館的探究性學習”（項目編號KYCX17_1673）；2017年江蘇省高校哲學社會科學研究一般項目“蘇北鄉村教師TPACK影響因素與提升策略”階段成果。