增強現實技術在教育領域的應用現狀及對策研究

張菊芳?王海燕

摘 要：增強現實技術在各個領域都有廣泛的應用，但目前國內的教育應用還不夠成熟，就市場需求來說，其發展空間巨大。本文通過查閱國內外相關文獻，主要論述了增強現實技術在正式學習和非正式學習領域的教育應用，在此基礎上分析增強現實技術在教育領域應用的優勢和不足，并提出相應的建議，從而為增強現實技術在國內教育領域的應用提供有價值的參考。

關鍵詞：增強現實技術;正式學習;非正式學習;建議對策

一、引言

增強現實（Augmented Reality，AR）是虛擬現實（Virtual Reality，VR）的延伸，它是將現實世界與虛擬世界無縫融合，從而豐富現實世界的一種技術應用。在教育領域，AR在最貼近現實情景的基礎上為學習者創建探索性的學習氛圍，以增強學習者在現實世界的體驗。隨著技術的發展，AR的用途越來越廣，迄今為止，AR已應用于工業、觀光、學具開發、游戲、學科教學、圖書出版、職業培訓、文物的復原和保護、醫學、市場營銷、建筑等多個領域。目前關于AR在教育領域的探索大多集中于產品開發及針對技術本身的研究，在教育市場中的應用研究還遠遠不夠。因此，為了更為深入地了解技術及其應用背后的影響因素，有必要回顧以往的研究和闡明當前的現狀，為接下來的教育實踐研究提供借鑒參考。

二、增強現實技術在教育領域的應用現狀

筆者以“增強現實”為主題詞進行專業學術檢索，中文文獻選擇中國知網中文期刊全文數據庫，截至2018年7月，共檢索到3246篇，與教育相關的研究有287篇，其中2042篇期刊文章。從2011年開始文獻數量呈快速上升趨勢，且多數文獻來自計算機、信息、工業領域。英文文獻選擇SSCI引文索引數據庫Web of Science，并選擇所有內含數據庫，以“augmented reality”為主題共檢索到6322篇，其中科學技術領域5304篇，社會科學領域2535篇，藝術人文領域542篇。在這個檢索結果里以“in education”為檢索主題，共檢索到918篇，并且從2015年教育領域的研究開始呈現逐年上升的趨勢。

由上可得，相對計算機和科學技術領域，AR技術在教育領域的發展稍顯遜色，但是隨著AR技術的日漸成熟，其在教育領域的研究成果越來越多，國內外涌現諸多特色應用，AR技術作為當前研究的熱點，在未來教育市場發展空間巨大。結合國內外的研究文獻，筆者認為AR在教育領域的應用主要分為正式學習領域和非正式學習領域。其中正式學習領域主要包括教學學具開發、教育游戲開發、學科教學等;非正式學習領域主要包括電子書開發、物體建模、職業培訓、展覽參觀、古跡復原和數字化遺產保護等。

（一）正式學習領域

1.教學學具開發

基于AR技術，增強現實學具將傳統的學具和計算機所制作的虛擬的、數字化資源結合起來，為學習者更好地進行學習、開發學習工具提供條件。考夫曼（Kaufman）教授在教學過程中利用名為Construct 3D

的AR教具將復雜抽象的空間幾何圖形以三維立體形式呈現，在增強師生興趣的同時也提高了學習者的學習效率[1]。為解決傳統教材的局限，有研究團隊將AR技術與現行的教學資料相結合[2]，利用3Ds Max、Unity 3D、Node.JS、MySQL等軟件和技術，基于Vuforia AR平臺以及Easy AR圖像識別系統開發了一款跨平臺的輔助學習類軟件系統，主要立足于機械制圖等課程，具有自主識別、實時展示立體模型以及動態形成過程、手觸控制、多場景選擇等功能，為學習者提供多場景、多學科、跨領域的知識。

AR學具也能夠引導和提示學習者自主學習，提高學習的真實性和自主性。劉立云等人闡述了利用Metaio軟件包制作電子電路可視化的教學學具[3]，即AR電路學具，學習者可以通過自己選擇串聯、并聯的模式來觀察電路不同的效果，也可以通過自主控制電路元件的屬性來觀察電流、電壓的各種變化。

2.教育游戲開發

當前尋寶游戲和拼圖游戲是基于AR技術的兩種主要教育游戲類型，尋寶游戲的任務主要是在物理環境中搜索AR標記，并且通過移動設備（如照相機）找到并激活標記來呈現各種游戲內容。在拼圖游戲中，玩家通過選擇正確的選項來完成挑戰。如在Tangram AR中，玩家必須通過選擇拼圖并將其排列成所需形狀來完成挑戰。此外，以故事展開的冒險類游戲也是AR技術在教育游戲應用中的代表，其中一些還提供了跨越虛擬世界和現實世界的游戲場景，如在游戲Luostarinm?ki Adventure中，玩家不僅可以在生活博物館中體驗冒險，同時還可以與過去的虛擬角色交談。在國內，2015年，徐敏等人在增強現實技術研究中也提到了基于AR Tool Kit制作3D教學游戲。

3.學科教學

近年，AR技術已經應用于數學、物理、生物、化學、地理、語言等多種學科領域中。如為了清楚解釋物理學中磁場的概念，借助AR技術和體感技術，就可以將肉眼不可見的磁場可視化[4]。化學與物理有很多相似之處，在學習分子、原子結構，觀察有機物分子化學反應過程中原子位置的空間變化時，可以借助AR展現虛實融合的操作實驗，學習者雖然身處真實世界，卻能夠對虛擬出來的微觀世界中的分子、原子進行操作[5]。當然對某一門學科也可以有針對性地開發相應的系統，如為幫助學習者學習地理學科中關于大氣知識而開發的天氣系統 Weather Observers、為幫助學習者學習同一詞語在不同語種中的表達而開發的系統MOW及外國學者給學齡前兒童開發的識字游戲“ABC3D”等都很好地借助了AR獨特的優勢。

（二）非正式學習領域

1.電子書開發

AR卡片、AR電子書的出現對傳統紙質書籍帶來了挑戰，AR電子書利用攝像機標定、三維注冊等技術實現虛擬與現實的結合，例如實現與恐龍互動的《恐龍》一書、用于兒童認物識字的“AR涂涂樂”等。國內較近的應用案例就是2017年西北工業大學發出的首封AR高考錄取通知書。基于AR的電子書使用過程相當簡單，如“AR涂涂樂”的操作過程包括用手機掃描書本上的二維碼→下載安裝應用程序→打開軟件激活，通過借助手持終端進行涂鴉、掃描、跟讀、互動等過程完成認物識字的學習，這樣就可以巧妙地將紙質書籍與移動終端（如手機、平板電腦等）結合，不僅充分利用了現存的學習資源，而且使學習過程更加輕松。

2.物體建模

利用AR技術可以展示三維立體物體和場景，還可以針對教學場景中一些難以用傳統媒體表現或復雜難懂的內容，建立三維模型來輔助教育教學。通過手動控制三維模型來形象地了解所學知識，解決了傳統課堂的技術局限性問題。

由于物體模型的創建是一項艱巨的任務，通常需要專業的建模工具或設備，而對于那些想要創建簡單三維模型的非專家用戶來講，他們也需要深入研究和學習復雜的建模工具。有團隊基于AR技術開發了一個建模系統，允許業余愛好者以交互方式創建簡單的三維模型，還在系統中設計了一種有形設備——AR筆，為用戶選擇、翻譯、旋轉和修改模型提供便利[6]。Alexandre Borrel（亞歷山大·博雷爾）等人設計了Reality Convert軟件工具和相關網站，它們主要用于輔助生物和化學教學[7]。在化學學科中，軟件允許用戶輕松地將分子對象轉換為高質量的三維模型，除了生成物質的三維模型，Reality Convert還可以生成圖像跟蹤器，用于使用AR應用程序時調用和掃描特定的三維模型。

3.職業培訓

基于AR技術的技能培訓，為技術類學習者開展實踐課程提供了便捷直觀的教學環境。例如工程類教學可以使用AR技術清楚識別零部件，模擬組裝專業設備;人體教學利用AR技術深刻了解人的身體構造;醫學院可應用AR技術提高認知的準確度;等等。如相關團隊基于AR技術為認知障礙人群開發了一個職業任務提示系統，該系統提供了圖片提示，實時識別不正確的任務步驟，并幫助用戶進行更正[8]。同樣喬興媚等人研究了AR技術在職業培訓中的應用[9]，提到在有專業標準要求的技術領域，可以通過設置AR觸發點，提示學習者在操作過程中應該注意的節點，再提醒學習者的操作是否出現偏差，這樣可以有效促進學習者對動作技能類知識的熟練掌握。

4.展覽

蔡蘇等人在2010年第17屆北京國際圖書博覽會上利用AR技術展示了“未來之書”[10]，即一本增強現實技術應用演示方面的書，書中選取了物理學中的單擺、牛頓定律等實驗，為讀者呈現了虛實相結合的效果。作為國內較早的關于增強現實的立體化書籍，2010年第17屆北京國際圖書博覽會上“未來之書”參展獲得了與會者的一致好評。

歐洲列支敦士登大學開展的運用AR技術的數學展覽，旨在研究AR對非正式學習環境中學習者知識建構過程的影響。實驗者招募了101名參與者，通過 Aurasma Studio 2.0設計，對比實驗結果得出，體驗AR的參與者的測試成績明顯優于未體驗者[11]。未來AR技術在展覽館里的角色不再是簡單的學習工具，更會作為一門新興的技術來更好地服務社會。

5.古跡復原和數字化遺產保護

古跡和文化遺產將我們與歷史自然地聯系在一起，由于種種客觀原因，它們給予我們一種永遠無法了解其前世今生的神秘感。然而，利用AR技術就可以模擬各種工藝流程，再現人們當時生產、建設以及制作的活動場景，讓學習者參與其中，充分感受、感知，幫助他們更好地理解古代歷史各種文化的奧秘和精髓。如Isabel Pedersen（伊莎貝爾·彼得森）等人開發的Tomb Seer是一種增強現實應用程序[12]，旨在通過全息攝影的界面讓用戶沉浸在博物館空間中，用戶通過視覺觀看和手勢觸摸兩種方式進行操作，其中，手勢交互還可以將虛擬的歷史文物“恢復生機”。

此外，Tinaj AR也是一個基于AR的應用程序[13]，為AR在文化遺產保護中提供了諸多可能性，如Tinaj AR采用基于視頻的多標記AR技術，通過虛擬陶瓷碎片解釋陶器的形成過程，還基于西班牙北部儲藏葡萄酒的酒窖AR標記，向大眾解釋酒窖的用途。Tinaj AR不僅是文化傳遞的載體，也是一種藝術表現形式，在西班牙拉里奧哈的陶瓷展期間獲得了廣泛好評。

三、增強現實技術在教育領域的發展優勢

（一）有效的技術支持

硬件方面，AR是在VR的基礎上發展起來的，相比于VR硬件要求較低，因為AR用戶不再需要戴沉重的頭盔，一般情況下只需配置一臺電腦和一個攝像頭，或者是僅需平板電腦/手機就可以在適宜的場所使用。如借助AR學習車輛構造時，學習者可以利用手機終端任意掃描隨處可見的汽車，從而了解汽車的構造板塊、工作原理及組裝過程。

軟件方面，AR系統軟件可以實時查看學習者的學習軌跡和學習狀態，并在其操作錯誤的地方及時給予提醒，這些提示功能有助于學習者減少錯誤和試錯時間，同時能防止任務中斷，使得移動學習和泛在學習更加容易實現。除此之外，利用AR技術還可以開發多種支持學習的系統軟件，如在獸醫學和外科教學中，神經解剖對于師生來說都極具挑戰，為了創建一個簡單的學習解剖的途徑，教師可以借助AR技術創建基于動物頭部解剖的程序軟件，讓學生利用此軟件進行交互學習[14]。

（二）豐富的學習資源

AR使學習內容的表現形式更加豐富，除了利用3D顯示和多點觸摸技術，還融合了多媒體技術的各種元素，使得視聽效果非常好。AR提供的現成學習資源，不僅避免了教學工作中技術開發所帶來的人力、物力消耗，還能夠促進學習者參與和協作，學習者在一個既定的系統程序中學習，通過在給定的學習任務中與他人一起觀察和討論，有效地加強了學習的深度。同時AR提供現實世界很難獲取或者接觸到的教學資源，有助于為學習者再現現實生活中無法觀察到的事物及事物的變化過程，如學習者可以觀看火山爆發時火山噴涌的現象，感受地表的移動和巖漿流淌過程中溫度的變化等。

（三）真實的學習場景

AR使學習感受更加真實、深刻，人機互動更加高效，比如我們在借助AR進行文字輸入時，利用真實的鍵盤，而不是像VR一樣在虛幻的環境中輸入，這種觸摸的真實感使輸入更加精準。如在職業培訓領域，可利用AR展示的功能為學習者展現拆卸和組裝汽車器件的工作場景，這與教師現場演示的一樣真實。

由于AR技術的真實情景感受、跨越時空界限、動感交互穿越的特點極大地激發了學習者的學習興趣，同時提供的可觀察、可操作的實踐機會使學習者更容易自己探索和建構知識，這種新穎的學習方式和豐富的學習體驗極大地提升了課堂的趣味性。同時AR為學習者學習微觀的事物提供了更加真實的情景，可以將數學的立體幾何、物理的電磁場、生物的細胞結構、化學的微觀粒子、地理的天體運動等表現得真實可見。這為教師教學提供了極大的便利，使那些用文字語言無法實現的教學過程變得生動直觀，這無疑能幫助學習者更好地理解和記憶。

四、增強現實技術應用過程中存在的問題及對策分析

（一）技術帶來的問題及未來發展路徑

1.技術帶來的問題

第一，由于技術的不成熟，AR顯示常常有使人眩暈、畫面不清晰和不穩定的問題伴隨，再加上相關教學資源的匱乏，一些資源往往是Flash動畫等內容的移植，并未凸顯出AR的獨特性與優越性，更談不上提供針對學習者設計的個性化的學習資源。除此之外，AR設備價格高昂，就像計算機剛剛面世一樣，不容易在大范圍內快速推廣。由于AR技術開發的系統、相關軟件與學校教育教學的實際需求并不完全對口，導致廣大教師不知道如何將教學內容與之融合。

第二，AR技術剛剛起步，除技術與資源的不足之外，AR方面的探索者也僅限于高校專家學者及高端企業，即使是在經濟條件較好的中小學應用也不是很廣泛，中小學教師沒有接觸過AR，怎么能將此技術更好地應用于教育教學呢？

第三，AR技術的實現至少需要一臺電腦和一個攝像頭，或者是平板電腦和手機，對于一般的中小學校教學，學習者帶手機上課是絕對不允許的，更何況貧困地區的學習者不具備人手一機的條件。同時AR技術還需要無線網絡和GPS定位，當前應用除了定位的準確性，在這些條件的支持上還有困難。

第四，AR系統一般都是由多種硬件和軟件設備組成的，導致設備之間的接口眾多;多設備傳輸時信息量分配并不均勻，導致畫面停頓或延遲。此外，使用的設備多使得出現故障的概率增加，所以保持多臺設備的兼容與穩定將成為問題的關鍵。

2.未來發展路徑

針對上述問題，目前AR系統出現的畫面眩暈感已經在逐步得到控制，此后應思考如何更好地增強用戶在情境中的沉浸感和存在感。此外，GPS系統定位不精確甚至定位錯誤給師生帶來諸多不便，但慶幸的是，由于無線移動技術的快速發展，系統的兼容性和穩定性都可以解決。同時可以肯定的是，隨著移動設備（如平板電腦、智能手機等）的CPU處理速度越來越快，內存和硬盤容量越來越大，AR系統的技術問題將隨著智能手機和穿戴式設備的成熟逐漸得以解決。

高校專家學者通過講座及項目的方式將AR技術往教育教學方面滲透，企業也緊緊抓住商機，以期AR技術更好地與教育教學融合。為設計基于AR技術的課堂教學方案，促進各方面的人才培養，AR未來課堂教學形式可以根據其特點分為三個形式，分別是全沉浸式、環幕互動式、實踐教學式[15]。全沉浸式與AR技術的沉浸式特點相對應，如數學中學習立體幾何時可以借助AR將二維的書本知識轉化成三維的立體知識，學習者借助可視化和可觸摸的移動設備進行實踐操作，全身心地沉浸于教學場景，有助于提高注意力，加強記憶和理解;環幕互動式是借助AR創建一個四維的互動討論區，通過三通道偏振立體環幕技術，將學習內容投放到120度環形大屏幕中，讓學習者在動態的知識情境中親身體驗每堂課的內容，主要是借助身臨其境的氛圍促進學習者學習;實踐教學式是為加強教學的實踐性，結合相應的教學內容，借助AR技術創建特定的模擬場景，讓學習者自己動手模擬操作或者使用手勢與移動設備交互，形象生動的三維場景使得實踐內容不再枯燥，操作過程更貼近生活實際，從而增加學習者的興趣。

（二）教育應用中出現的問題及對策

1.教育應用中面臨的問題

第一，AR系統中包含的教學資源往往是針對既定的教學過程開發的，在實際應用中缺乏靈活性和通用性，造成了與其他類型的教學過程不匹配，使得教師無法根據教學需求自主選擇資源。

第二，雖然AR能直觀迅速地呈現出真實的場景，激發學習者的學習興趣，不可避免的是AR同樣會限制學習者的想象力，將知識立體化的同時阻塞了知識其他方面的表現路徑，同樣會限制學習者個性化的發展。

第三，利用AR設計的課堂教學目前僅限于觀察、體驗，交互性不強，從演示的內容中獲取知識，但僅是教師操作、學習者觀看，學習者很難參與其中，而且只能按照設定的程序走，觀看完畢則是繼續按照傳統的方式授課。由于技術的阻礙，教師很難將AR融入教學的全過程，因此并沒有帶給學習者明顯的學習效果。

第四，AR提供的信息量過大，在完成復雜的任務時，學習者不得不處理陌生的技術，很容易導致學習者認知超載，使他們手忙腳亂、不知所措。比如空間導航、互動協作、技術操作和數量估算等。

第五，在實際的教學實施過程中，平衡虛擬與現實是很難做到的。比如AR系統中GPS定位可以極大地促進學習者的情境化學習，但是不一定所有活動都要去實際情境中調研，因為去戶外勢必產生大量時間和交通成本。

2.未來發展路徑

針對前三個問題，教師可以根據實際的課堂活動個性化地設計、開發相應的資源，不過這會對教師的信息素養、時間精力等提出較高的要求，所以需要教師不斷提高相應的專業理論素養和實踐技能。此外，高質量的AR教育資源開發費時費力，需要借助一個穩定的系統平臺來創建。但是由于企業的生存問題，教師想獲得免費易用的優質資源平臺也是不易的，故政府需要給予資金及政策支持。當然還有研究者建議通過增強軟件平臺的開放性和授權工具的使用來強化師生對AR資源的個性化選擇和設計[16]，讓師生有權在軟件平臺上創建和修改屬于自己的AR作品，以滿足個性化的需求。針對第四個關于學習者的困惑和迷失于游戲的問題，應當增強AR平臺的易用性，如操作簡易流暢，設置特別操作提醒學生回到現實世界。針對第五個問題，因為AR自身的虛擬創造性、生成增強性也同時可以幫助學生給自己熟悉的地點位置設計新的內涵，在身邊的環境中找到替代，所以可根據實際情況選擇是否去實地調研。

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Research on the Application Status and Countermeasures of Augmented Reality Technology in Education

ZHANG Jufang，WANG Haiyan

（School of Education，Shaanxi Normal University，Xian，Shaanxi，China 710062）

Abstract： Augmented Reality（AR）technology has been widely used in various fields.However，currently the application of AR technology in education in China is not mature enough.In terms of market demand，it has huge room to expand.Through consulting relevant literatures at home and abroad，this paper mainly reviews the educational applications of AR technology in formal learning and informal learning.On this basis，it analyzes the advantages and disadvantages of AR technology in the field of education，and puts forward corresponding suggestions.Hence，it will provide valuable references for the application of AR technology in the education field in China.

Key words： Augmented Reality technology;formal learning;informal learning;recommended countermeasures