HoloLens在中小學(xué)教學(xué)場(chǎng)景的應(yīng)用

吳丙朕 丁麗 李書(shū)蘭 劉衛(wèi)青

【摘 要】混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展以及技術(shù)與教育的深度融合，催生出新的教學(xué)形式與方法。真實(shí)環(huán)境和虛擬現(xiàn)實(shí)相結(jié)合，多角度及可對(duì)內(nèi)部細(xì)節(jié)的觀察交互，及時(shí)反饋的語(yǔ)音、畫(huà)面等，使得教學(xué)的沉浸感更強(qiáng)。本文介紹了現(xiàn)階段HoloLens資源獲取的主要方法，并從中小學(xué)教學(xué)領(lǐng)域綜述部分教育應(yīng)用場(chǎng)景，分享已實(shí)踐的使用HoloLens的教學(xué)方式探索，分析其在實(shí)際應(yīng)用中的不足之處與展望。

【關(guān)鍵詞】混合現(xiàn)實(shí);HoloLens;沉浸式;教育應(yīng)用

【中圖分類(lèi)號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2021）05-080-04

近幾年混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)快速發(fā)展，并在教育中逐漸開(kāi)始應(yīng)用。HoloLens是一種混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備，也是一臺(tái)全息電腦。它能將真實(shí)環(huán)境和虛擬現(xiàn)實(shí)的景象進(jìn)行結(jié)合，強(qiáng)調(diào)通過(guò)虛擬對(duì)象手段與真實(shí)世界物體進(jìn)行交互（圖1）。這種基于現(xiàn)實(shí)世界、由虛擬數(shù)據(jù)增強(qiáng)的交互手段，給教育提供了沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，同時(shí)這種交互方式也為學(xué)習(xí)者創(chuàng)建了一個(gè)自主探索的空間。

熟悉資源與獲取資源的途徑

教師在使用Hololens前，可以先熟悉資源并有針對(duì)性地下載。第一種方法：在WIN10操作系統(tǒng)下，從“開(kāi)始”菜單中打開(kāi) Microsoft Store，在搜索框中輸入Hololens，然后在結(jié)果選項(xiàng)中，分別選擇“應(yīng)用程序”“教育”“Hololens”選項(xiàng)即可（圖2），點(diǎn)擊每個(gè)應(yīng)用后，可以先查看應(yīng)用介紹，找到合適的資源后在Hololens設(shè)備開(kāi)機(jī)主界面Store中定點(diǎn)搜索安裝。

第二種資源獲取方法：Lifeliqe應(yīng)用。Lifeliqe是數(shù)字化基礎(chǔ)教育K-12科學(xué)課程視覺(jué)發(fā)布平臺(tái)，其公司是美國(guó)虛擬及混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)領(lǐng)域的教育企業(yè)，于2018年6月發(fā)布了其混合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，可免費(fèi)下載，它專(zhuān)為K—12科學(xué)教學(xué)而設(shè)計(jì)。迄今，該應(yīng)用已包括21門(mén)教學(xué)計(jì)劃和40個(gè)互動(dòng)模型，涵蓋了生物、化學(xué)、物理和地質(zhì)學(xué)等。將這些模型作為虛擬物體投射到真實(shí)世界中，師生能夠圍繞著觀看，并深入探索它們，內(nèi)容則與下一代科學(xué)標(biāo)準(zhǔn)和共用核心相一致，以此確保課堂上的適用性。

HoloLens的教育應(yīng)用場(chǎng)景

目前關(guān)于HoloLens在教學(xué)方面的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用盡管也有了一些實(shí)踐的探索，但主要集中于生物、地理、物理、化學(xué)等幾門(mén)學(xué)科，其探索應(yīng)用簡(jiǎn)要介紹如下。

1.生物學(xué)科

借助于HoloLens設(shè)備，可以讓學(xué)生更加全面直觀地、近距離地觀察每個(gè)結(jié)構(gòu)，不僅可以在腦海中構(gòu)建出其全貌，還可以在三個(gè)維度上全方位地觀察，并且可以與虛擬物體交互，加深印象，促進(jìn)學(xué)生的理解。例如，“Holoheart”通過(guò)“動(dòng)態(tài)的真實(shí)的心臟”幫助學(xué)生更加容易理解心臟的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和工作狀態(tài);“Frog-life cyde”可展示兩棲動(dòng)物的生殖發(fā)育、變態(tài)發(fā)育過(guò)程;“Dynamic Animation”可展示人體腿部結(jié)構(gòu)，如肌肉組成、神經(jīng)分布、骨的組成等;“HoloAnatomy”展示了心臟的結(jié)構(gòu)、人體血液循環(huán)系統(tǒng)、神經(jīng)系統(tǒng)、腦的結(jié)構(gòu)、消化系統(tǒng)組成、骨骼結(jié)構(gòu)等。

2.地理學(xué)科

“地震與海嘯”可以讓學(xué)生清晰直觀地看到地震發(fā)生后海平面的變化過(guò)程與海嘯場(chǎng)景;“成層火山”可以展示巖漿流動(dòng)與火山噴發(fā)的形態(tài);“Galaxy explorer”可以展現(xiàn)不同行星的運(yùn)動(dòng)軌跡和形態(tài)，還可以通過(guò)點(diǎn)擊將要講解的星球放大，展示后還可再拖回去;“MR Study”包含銀河系、太陽(yáng)系、太陽(yáng)及八大行星的直觀展示與講解。

3.化學(xué)學(xué)科

“Holoelements”元素周期表，可將每個(gè)元素單獨(dú)拿出來(lái)，看到質(zhì)子、中子以及電子的運(yùn)動(dòng)，并包含熔點(diǎn)、沸點(diǎn)等特征數(shù)值;“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(gè)元素進(jìn)行互動(dòng)，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。

HoloLens應(yīng)用于中小學(xué)的教學(xué)方式探索

現(xiàn)階段已篩選過(guò)的資源，最主要的教學(xué)方式探索集中在以下兩種。

一是錄制微課。設(shè)備配套系統(tǒng)包含視頻錄制功能，教師將應(yīng)用調(diào)整至合適的大小與角度，然后演示應(yīng)用每個(gè)細(xì)節(jié)，完成后再進(jìn)行配音與剪輯。這種方式適合教學(xué)計(jì)劃類(lèi)應(yīng)用，因?yàn)閼?yīng)用內(nèi)包含教學(xué)內(nèi)容較多且相對(duì)系統(tǒng)，這樣既發(fā)揮了混合現(xiàn)實(shí)的教學(xué)優(yōu)勢(shì)，同時(shí)節(jié)省了教學(xué)時(shí)間，給教師也留下了實(shí)踐成果。

二是學(xué)生具身體驗(yàn)。課上由熟練的學(xué)生演示操作，將設(shè)備的實(shí)時(shí)內(nèi)容投射到大屏幕上，同時(shí)采取教師或?qū)W生講解、問(wèn)答或“做導(dǎo)游”等方式教學(xué)。這種方式適合互動(dòng)模型類(lèi)的教學(xué)內(nèi)容，一般5～8分鐘可完成互動(dòng)環(huán)節(jié)，優(yōu)點(diǎn)是學(xué)生參與度高，視覺(jué)沖擊效果好。但是HoloLens采取的是浮空操作和語(yǔ)音控制，需要組織學(xué)生課下多次練習(xí)熟悉操作。

現(xiàn)摘要列舉幾個(gè)資源的教學(xué)方式探索，如表1所示。

應(yīng)用展望

與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比，HoloLens的混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以將抽象的學(xué)習(xí)內(nèi)容變得更加形象化，學(xué)生可以通過(guò)設(shè)備從多個(gè)角度對(duì)虛擬的 3D 模型進(jìn)行觀察交互，并為學(xué)生提供了一個(gè)特殊的學(xué)習(xí)空間，增強(qiáng)學(xué)生的存在感，并及時(shí)地反饋語(yǔ)音、畫(huà)面等，沉浸式的環(huán)境使學(xué)生的專(zhuān)注度更高。

HoloLens作為微軟首款不受線纜限制的全息計(jì)算機(jī)設(shè)備，也有較多的不足之處。如佩戴體驗(yàn)問(wèn)題，由于重量達(dá)到579g（二代566g），長(zhǎng)時(shí)間佩戴HoloLens會(huì)導(dǎo)致不適;因?yàn)樾枰獙?shí)時(shí)計(jì)算環(huán)境，對(duì)設(shè)備資源要求非常高，操作延時(shí)3到5秒，運(yùn)行一段時(shí)間后卡頓現(xiàn)象明顯，延時(shí)甚至10秒以上，此時(shí)需要重啟設(shè)備;輸出分辨率不高，僅為720P，清晰度還需繼續(xù)提升。由于設(shè)備昂貴，應(yīng)用開(kāi)發(fā)難度高周期長(zhǎng)，Microsoft Store內(nèi)全部應(yīng)用約273個(gè)，教育應(yīng)用僅38個(gè)（截止到2020年1月20日），資源數(shù)量整體上還是偏少，且與中小學(xué)課程內(nèi)容貼近的就更是少之又少;Lifeliqe的混合現(xiàn)實(shí)內(nèi)容教學(xué)計(jì)劃內(nèi)容不夠充實(shí)且欠缺體系，HoloLens教育應(yīng)用建設(shè)還有一段長(zhǎng)路要走。

混合現(xiàn)實(shí)（MR）技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)更加逼真的虛擬教學(xué)場(chǎng)景，為教師和學(xué)生提供更加自然、人性化的可交互式學(xué)習(xí)體驗(yàn)，但教育需要能夠激發(fā)創(chuàng)造力的設(shè)備或系統(tǒng)，除了基于現(xiàn)實(shí)環(huán)境與虛擬圖像進(jìn)行交互，更需要與老師或其他學(xué)生進(jìn)行互動(dòng)交流。如果有成熟的教育系統(tǒng)支持，使得個(gè)體在混合現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)中能與群體相連，學(xué)生既可以觀察全息影像渲染出來(lái)的虛擬物體，也可以與老師和同學(xué)充分展開(kāi)互動(dòng)，效果將會(huì)更好。利用 HoloLens 的手勢(shì)識(shí)別能力，學(xué)生通過(guò)手勢(shì)、注視等體感操作實(shí)現(xiàn)與演示模型的自然交互，在 HoloLens 實(shí)時(shí)通信功能的配合下，還可以與不同學(xué)生或老師進(jìn)行交流，展開(kāi)討論，將會(huì)更加促進(jìn)學(xué)習(xí)與靈感的激發(fā)。例如，當(dāng)教室中所有人在觀看同一個(gè)模型（且可控制是否以相同的視角）的時(shí)候，學(xué)生們不僅能夠聽(tīng)到教師講解的聲音，還可以看到講解者的位置，通過(guò)觀察講解過(guò)程中的手勢(shì)動(dòng)作，配合不斷變化的 360°三維全息影像，學(xué)生可以清楚了解正在講解的部分，清晰直觀地掌握相應(yīng)知識(shí)點(diǎn)，這種支持對(duì)教學(xué)進(jìn)度把控、教學(xué)效果的提升將會(huì)有很大的幫助。

通過(guò)感受混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)、浮空控制、語(yǔ)音指令的優(yōu)越性及體驗(yàn)部分教育應(yīng)用案例，可以預(yù)期其在教學(xué)支持上會(huì)有很大的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景，它將深刻地改變我們的學(xué)習(xí)方式，探索HoloLens教育應(yīng)用就是在感知觸碰未來(lái)。

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作者單位：廣東深圳市南山區(qū)園丁學(xué)校