HoloLens教育應(yīng)用述評

李娣 王玉 劉雙健

摘 要：移動增強現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)與教育的深度融合，更新了教育的形式與方法，HoloLens出現(xiàn)將真實環(huán)境和虛擬實景結(jié)合起來，提供了學(xué)習(xí)過程交互方式的多樣性。本文首先分析了HoloLens應(yīng)用于教育的特性，重點探討了當(dāng)前教育環(huán)境下HoloLens的教學(xué)方式，并從教學(xué)領(lǐng)域以及非教學(xué)領(lǐng)域兩個角度綜述了HoloLens的教育應(yīng)用案例，最后分析了HoloLens在實際應(yīng)用中的挑戰(zhàn)以及對其未來發(fā)展的展望。

關(guān)鍵詞：增強現(xiàn)實技術(shù)；HoloLens；教育應(yīng)用

作者簡介：李娣，王玉，劉雙健，華中師范大學(xué)國家數(shù)字化學(xué)習(xí)工程技術(shù)研究中心。（湖北 武漢 430079）

中圖分類號：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-0568（2018）14-0119-03

近年來，移動增強現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展迅速，并在教育中得到了廣泛應(yīng)用。它能將真實環(huán)境和虛擬現(xiàn)實的景象進(jìn)行結(jié)合，強調(diào)通過虛擬對象手段與真實世界物體進(jìn)行交互。這種基于現(xiàn)實世界、由虛擬數(shù)據(jù)增強的交互手段，給教育提供了全新的方式，此類最貼近自然的交互方式為學(xué)習(xí)者搭建了一個自主探索的空間[1]。近年來，越來越多增強現(xiàn)實技術(shù)產(chǎn)品出現(xiàn)在大眾視野。2015年1月微軟公司發(fā)布了一款增強現(xiàn)實產(chǎn)品HoloLens，它是首個無線纜約束的移動計算設(shè)備，支持用戶和構(gòu)建出的虛擬影像進(jìn)行交互，帶來了良好的用戶體驗。HoloLens的應(yīng)用特點拓寬了其應(yīng)用領(lǐng)域，除了在游戲領(lǐng)域已開發(fā)出較多優(yōu)秀的應(yīng)用外，其應(yīng)用于教育行業(yè)也必將成為一種趨勢。

一、HoloLens應(yīng)用于教育的特性

雖然HoloLens在教育實踐中已有一定的探索，但由于技術(shù)門檻高，開發(fā)難度大，所用工具的靈活便捷性以及成本的問題，在教育行業(yè)的廣泛普及還存在較多問題，HoloLens技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，模式應(yīng)用的自身特性使其在教育方面發(fā)展有很大的優(yōu)勢，并且會變得愈加成熟，主要體現(xiàn)在以下三方面：

1.不受線纜限制，佩戴方便，便于使用。HoloLens是一款不受線纜限制的裝備，佩戴自由，它是一種特殊的眼鏡，學(xué)習(xí)者可以根據(jù)實際情況調(diào)整到適宜的位置，即使自身戴著眼鏡，也不會受到任何干擾，對觀看體驗沒有影響。設(shè)備的設(shè)計考慮了使用者的感受，人性化設(shè)計，采用非封閉式結(jié)構(gòu)，不會給使用者帶來沉悶的厚重感，長時間使用也不會因為出汗帶來任何影響。由于視野中呈現(xiàn)的是現(xiàn)實生活中的場景、佩戴舒適感強，使用者可以自由行動，在移動過程中不必?fù)?dān)心受到障礙物的羈絆，體驗更加自然，與周圍環(huán)境的溝通更加流暢。

2.延時低，提高學(xué)習(xí)效率。HoloLens首先通過掃描檢測周圍所處環(huán)境，并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建展示的虛擬世界。實際應(yīng)用過程中，延遲效果控制在實時幀率內(nèi)。圖像跟隨頭部運動而轉(zhuǎn)動且具有穩(wěn)定性，以避免卡頓和晃動的現(xiàn)象。HoloLens的優(yōu)勢之一在于可以對環(huán)境進(jìn)行實時渲染，令其生成的全息圖像和所處環(huán)境協(xié)調(diào)地融合在一起。

3.多種交互方式。HoloLens主要通過手勢、聲音與凝視三種方式實現(xiàn)學(xué)習(xí)者與虛擬物體的交互。手勢的交互符合學(xué)習(xí)者使用習(xí)慣，學(xué)習(xí)者只需將手抬到相應(yīng)位置，根據(jù)眼前的提示進(jìn)行操作即可。此交互方式方便易行，無須額外的學(xué)習(xí)負(fù)擔(dān)，識別率高。目前可識別的手勢有抓取、旋轉(zhuǎn)、移動等。因其貼近人們的生活習(xí)慣，因此使用范圍最廣，并成為主要的操作方式。HoloLens中有捕捉語音的設(shè)備，目前支持英文發(fā)音，由于發(fā)音個體的差異，有些許延遲，但總體而言，其效果能滿足學(xué)習(xí)者語音交互需求。通過語音可以導(dǎo)航、控制應(yīng)用等，設(shè)備可以根據(jù)學(xué)習(xí)者的語音指示完成任務(wù)。HoloLens的內(nèi)置傳感器，支持頭部凝視功能，即光標(biāo)可以跟隨轉(zhuǎn)動的頭部，去選擇某個按鈕或畫面。學(xué)習(xí)者在實際的應(yīng)用過程中可以通過根據(jù)個人喜好選擇交互方式進(jìn)行學(xué)習(xí)。

二、HoloLens的教育方式

計算機圖形和虛擬現(xiàn)實技術(shù)專家蔡蘇博士研究指出，無論針對學(xué)科學(xué)習(xí)還是非正式學(xué)習(xí)模式，應(yīng)用增強現(xiàn)實學(xué)習(xí)環(huán)境進(jìn)行教育學(xué)習(xí)的方法大致可以分為以下兩類：基于任務(wù)設(shè)計的方法和基于具身認(rèn)知的AR教育方法[2]。通過使用適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)性方法，增強現(xiàn)實環(huán)境可以開發(fā)與預(yù)期學(xué)習(xí)目標(biāo)一致的情境支持，同時影響學(xué)生學(xué)習(xí)的內(nèi)容和方式。

1.基于任務(wù)設(shè)計的HoloLens教育。基于任務(wù)設(shè)計的HoloLens教育通常包括一個或一系列任務(wù)，這些任務(wù)與具體學(xué)科相結(jié)合并具有一定的挑戰(zhàn)性和趣味性，也可以簡單地理解為游戲性教育方式。例如，在微軟官方提供的Fragments應(yīng)用中，用戶可以扮演一名偵探，使用先進(jìn)的工具并依靠相關(guān)的設(shè)備偵破案件，與原物一樣大小的全息角色可以感知用戶的存在，用戶需要通過與全息物體進(jìn)行交互從而推進(jìn)劇情的發(fā)展。這種角色扮演的方式可以讓使用者有身臨其境之感，鍛煉換位思考能力，促進(jìn)跨領(lǐng)域知識與方法的融合，更好地激發(fā)創(chuàng)造力。可以根據(jù)具體的教育內(nèi)容設(shè)置相應(yīng)的任務(wù)，在HoloLens營造的虛實結(jié)合的學(xué)習(xí)環(huán)境中，真實世界中的問題解決和游戲中的問題解決之間的界限變得模糊。

2.基于具身認(rèn)知的HoloLens教育。具身認(rèn)知理論，強調(diào)身體運動能夠促進(jìn)學(xué)習(xí)者從外在感知方面更好地進(jìn)行知識建構(gòu)[3]。認(rèn)知是情境化的，環(huán)境也是認(rèn)知系統(tǒng)的一部分，人們可以通過外在環(huán)境來降低認(rèn)知負(fù)荷。傳統(tǒng)的音樂鑒賞課都是教師通過外放設(shè)備為學(xué)生播放音樂，而通過HoloLens我們可以讓學(xué)生置身于全息交響樂團當(dāng)中，如果學(xué)生想要聽到更多的鋼琴部分，就可以走近全息鋼琴師，鋼琴部分會變得更清晰響亮，這就帶來了比傳統(tǒng)課堂更深刻的外在感知。微軟官方提供的開源應(yīng)用Galaxy Explorer中，學(xué)生可以借助HoloLens近距離觀察銀河系、太陽系以及太陽和八大行星，由于HoloLens允許多人通過局域網(wǎng)同時觀察同一全息物體，學(xué)生可以通過手勢對行星模型進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、平移和放縮，相較于使用鼠標(biāo)或鍵盤進(jìn)行控制的虛擬現(xiàn)實軟件操作，HoloLens所提供的凝視、語音和手勢操作更加符合常人的操作習(xí)慣，這種調(diào)動學(xué)習(xí)者具身認(rèn)知的智能技術(shù)能夠提高學(xué)習(xí)者的興趣和學(xué)習(xí)效果。

三、HoloLens的教育應(yīng)用案例

HoloLens應(yīng)用于教育逐漸成為一種趨勢，目前關(guān)于HoloLens在教學(xué)方面的開發(fā)和應(yīng)用盡管也有了一些實踐的探索，但主要集中于數(shù)學(xué)、地理、化學(xué)等幾門學(xué)科。在非教學(xué)領(lǐng)域，也著重于職業(yè)培訓(xùn)等方面的開發(fā)，并進(jìn)行了一些實踐。總體來看，此類研究已經(jīng)取得了一定的成果。

1.教學(xué)領(lǐng)域。（1）數(shù)學(xué)。數(shù)學(xué)中的幾何學(xué)習(xí)，對學(xué)生來說都是一大難題，傳統(tǒng)授課方式中，教師大多在黑板平面上繪制三維圖像，但過于抽象，學(xué)生很難在腦海中構(gòu)建出其全貌。借助于HoloLens設(shè)備，可以讓學(xué)生更加全面直觀地觀察幾何圖形，不僅可以在三個維度上全方位地觀察，并且可以與虛擬物體交互，加深對其印象，促進(jìn)學(xué)生的理解。

（2）地理。地理學(xué)科的學(xué)習(xí)經(jīng)常涉及學(xué)習(xí)者生活中難以接觸到的學(xué)習(xí)場景，例如，低溫、高壓以及真空等極端環(huán)境。借助于HoloLens使得有危險的操作性實驗或生活中難以觀察到的現(xiàn)象也可以原原本本地呈現(xiàn)在學(xué)習(xí)者面前，加深學(xué)習(xí)者的記憶。比如在星系的學(xué)習(xí)中，學(xué)生們能夠真切的觀察到太陽系的構(gòu)造，HoloLens創(chuàng)造出的場景能夠展現(xiàn)移動的衛(wèi)星等。

（3）化學(xué)。針對化學(xué)學(xué)科中元素周期表的學(xué)習(xí)，HoloLens開發(fā)了一款應(yīng)用軟件“MyLab”，將完整的元素周期表呈現(xiàn)在學(xué)習(xí)者眼前，學(xué)習(xí)者除了可以和單個的元素進(jìn)行互動，還可以將不同的元素進(jìn)行組合，觀察元素組合之后的效果[4]。傳統(tǒng)學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)者只能看到書面上的符號，靠死記硬背來記憶，無法與真正的化學(xué)元素以及各元素間的相互作用產(chǎn)生聯(lián)系，“MyLab”將元素周期表中各元素可視化，令學(xué)生不再僅局限于課本。

2.非教學(xué)領(lǐng)域

（1）醫(yī)學(xué)。在醫(yī)學(xué)的解剖課的學(xué)習(xí)中，學(xué)生無法以三維視角進(jìn)行學(xué)習(xí)，即使通過對照書上的插圖以及尸體標(biāo)本，也無法深入了解，并且此種學(xué)習(xí)方式費時費力，效果也不顯著。HoloLens可以從全局或者局部明確顯示身體的任何部位，半透明的呈現(xiàn)方式，讓學(xué)習(xí)者更易快速掌握解剖學(xué)知識。

（2）旅游業(yè)類。“東方博物館（Oriental Museum）”和“探索古埃及的秘密（Secrets Of Ancient Egypt）”是兩款文化教育類的應(yīng)用，用戶佩戴HoloLens設(shè)備，結(jié)合多種呈現(xiàn)方式，如文字、圖片、語音、視頻等讓用戶了解紫禁城和古埃及，用戶可根據(jù)自己喜好觀看建筑的全貌或者局部景觀。

四、總結(jié)與展望

與傳統(tǒng)學(xué)生聽、教師講，然后進(jìn)行測試的教學(xué)方式相比，HoloLens技術(shù)具有以更現(xiàn)代的方式來改變教育的能力，可實現(xiàn)真正的情境學(xué)習(xí)，使得學(xué)習(xí)課題對于學(xué)生而言，更加真實，而不僅僅存在于講座、書籍和PPT演示文稿中。但是目前HoloLens也存在一些尚待解決的問題，首要的問題是佩戴舒適度問題，長時間佩戴HoloLens會導(dǎo)致不適。當(dāng)前HoloLens采用Stereoscopic技術(shù)實現(xiàn)三維成像，Stereoscopic的問題在于無法實現(xiàn)主動選擇性聚焦，因而長時間佩戴會出現(xiàn)暈眩現(xiàn)象；其次是HoloLens的重量問題，長時間將其佩戴在頭上的體驗并不舒適；另外HoloLens的全息成像也并非可以以假亂真，除了游戲場景之外，我們觀察正常的窗口邊緣都會發(fā)現(xiàn)有彩虹狀的油彩色，這會影響沉浸式學(xué)習(xí)情境的構(gòu)建；最后由于機型成本和性能的限制，HoloLens的視場角（FOV， Field of Vision）只有不到40度，并且無法同時呈現(xiàn)多個場景，切換到新的場景時舊的場景就會銷毀，令用戶體驗大打折扣。

大量的HoloLens教育應(yīng)用案例和討論表明，HoloLens技術(shù)在教學(xué)支持和非教學(xué)領(lǐng)域上具有很大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。但也應(yīng)當(dāng)看到，HoloLens作為微軟首款不受線纜限制的全息計算機設(shè)備，目前還并未推出較為成熟的消費者版本，盡管HoloLens的開發(fā)版本價格昂貴，并且具有較多的不足之處，但是HoloLens的未來版本顯然可以深刻地改變我們與計算機甚至與周邊環(huán)境之間的關(guān)系，佩戴HoloLens感覺就像瞥見了未完成的未來。

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責(zé)任編輯 程 華