利用AR技術升級信息技術課堂探索*

◆田悅 張秀琦

0 引言

隨著新課程改革的深入推進，信息技術教學也迎來新一輪的挑戰，對學生和教師同時提出新的要求，更加關注學生在信息技術課堂中的主體性，激發學生對于課程內容的熱情，讓學生能夠更加主動地參與到課堂中來，促進教師不斷提升自我，實現信息技術課堂的轉型。AR 技術是一種能夠讓虛擬世界被人類的不同感覺器官所感知，從而帶來一種超越現實、身臨其境的主觀感受，實現虛擬世界與現實世界“無縫”融合的新型交互式人工智能技術，為升級信息技術課堂提供了新思路。

1 AR技術

AR（Augmented Reality，增強現實）技術是一種可以將現實環境與虛擬世界中的歷史特征“無縫”融合的新型技術手段，也就是說可以把真實環境中的信息與虛構的歷史事件真實地疊加到一起，或者同時發生在一個場景中。AR 技術可以把存在于真實世界中的在特定時間甚至是空間中人們很難感受到的信息（包括視覺信息、聲音信息、味覺信息等）通過多媒體技術、傳感器技術融合、場景融合、實時交互等科學技術，模擬后再進行疊加，將原本不存在的信息應用到現實環境中，使人類能夠感受到，從而實現超越現實的主觀感受[1]。

這種增強現實技術，既能把真實的信息呈現在現實中，又能同時呈現虛擬信息，兩者相互補充、疊加。在可視增強現實技術中，使用者使用虛擬頭盔，將現實與計算機圖像進行多重組合，使其能夠在虛擬現實中看到周圍的真實世界[2]。

2 AR技術在教育教學中的應用

AR 技術在教學活動中的作用表現在能夠將抽象的事物可視化、實現自然交互、對現實世界進行一定的補充等，為學生創設真實的教學情境[3]。AR技術能夠將現實環境和虛擬信息結合起來，為學生提供身臨其境的真實感受，教師要鼓勵學生從多個角度進行探索[4]。

2.1 AR 技術在代數教學中的應用

四川省成都市郫都區第一中學進行相關教學實驗，從高一和高三分別選擇六人，教師在引入復數概念后，利用AR 技術來描述復平面與復矢量。學生用兩張有記號的牌表示不同的復數，然后把它們的位置轉換為兩個復矢量，并給出復數的表示。通過移動兩個記號的位置，可以看出不同的復數以及它們的加法和，學生可以自己歸納出它們的加法公式[5]。通過實際的使用效果可以看出，AR 技術的應用能夠極大地激發學生對教學內容的熱情，學生可以使用AR 技術來觀察復數及其相關的運算，同時能夠更好地了解和掌握復數的含義和實際應用，從而取得理想的教學效果。

2.2 基于AR 技術的校園導覽系統

基于移動AR 技術和位置服務的校園導覽系統主要實現的功能是實景導航、目標地查詢以及文化導覽[6]。導航系統以用戶端的攝像頭所看到的實時景象作為主界面，通過比較用戶所處的位置和數據庫中所有建筑預先存儲的位置來確定該區域所有建筑的所有信息，利用AR 技術將信息呈現在使用者的界面上。目標查詢功能作為一個針對實景導航的補充功能，用戶可以在搜索欄輸入特定的目的地，系統就會計算出各種距離、方位等信息并利用AR技術在真實場景中顯示出來，用戶可以獲得更好的導覽體驗。文化導覽功能是當使用者想要了解某個建筑的文化背景或者細節時，可以將客戶端的攝像頭朝向建筑物，系統會根據該功能找到對應的資料，并向該服務器發送一個請求，服務器從數據庫中找到與之對應的內容并以3D 模型的方式呈現在用戶的屏幕前，從而實現與現實情境的相互交融。研究實踐表明：利用AR 技術能夠使空間信息可視化，從而拓寬研究的框架，并為地理學科的發展指明新的方向。

2.3 基于AR 技術的磁場可視化

國外比較早地使用AR 技術展示可視化磁場，主要包括靜態可視化電磁場和實時的可視化電磁場。Buchau 等人率先利用AR 技術對靜態可視化電磁場進行嘗試，將AR 技術用在電動力學的授課活動中，從而在三維空間中對電磁場進行計算并將結果展示給學生。但靜態可視化電磁場仍然停留在靜態的層面，AR 技術只是被當作一種媒體用來展示不能直接觀察的事物。實時的可視化電磁場是由Matsutomo 等人設計的更好地利用AR 技術展示磁感線的圖像。另外，他們還設計了一種可以進行互動的磁鐵等儀器，可以讓學生在電磁場中觀察磁感線的分布和變化，利用攝像機實時捕獲條形磁體，生成磁感線，并將其實時顯示出來，學生可以通過手動進行操作，提高對物理的理解并掌握相關知識[7]。

這兩個案例都是利用AR 技術進行模擬，讓學生可以在沒有理論知識作為指導的情況下進行學習。實驗結果顯示：使用AR 技術進行學習的學生對電磁場部分的學習優于未使用AR 技術的學生。利用AR 技術學習可以使學生高度投入其中，學生能夠在學習過程中保持更好的專注程度。

3 利用AR技術升級信息技術課堂的探索

3.1 優化教學形式，增強教學效果

目前的信息技術課堂仍存在灌輸式教學形式，對這種傳統的教學形式，大部分學生只是機械地接受教師傳授的知識，并不能做到真正地主動吸收知識。信息技術課程的知識具有一定的抽象性和復雜性，很多內容與實際操作有關，教師只是通過多媒體展示結合語言描述，學生很難對其理解和掌握，由此影響到學習效果。

AR 技術大部分采用的是聲光影像技術，通過引入視頻、圖像等豐富的資源，可以用多種形式展示課程內容，當課堂需要無法直接呈現的教學情境時，可以采用搭建沉浸式場景的方式，讓學生身臨其境地體驗課程情境，從而對其中隱藏的理論知識產生興趣。同時，AR 技術有實時交互的特點，在信息技術教學過程中，可以通過網絡技術和頭盔顯示器等技術，打破時空的局限性，使更多的學生參與互動交流。AR 技術具備傳統教學方式所沒有的思維構想性，可以構建與現實結合的虛擬環境，使學生在現實情境的基礎上對事物產生更多的理解和感悟，進而擴展學生的體驗范圍。

如在講授“人工智能及其應用”部分的內容時，為了達到更好的教學效果，增強學生對于這部分內容的理解，在應用部分利用AR 技術，能夠通過事物所對應的全方位的立體模型，讓學生真實地感受智能家居、智能制造、智能交通、智能安防等課堂無法直接呈現的授課內容，為學生創設直觀的教學情境。這種教學方式相較于教師傳統的結合書本中的圖片使用語言描述，能夠讓學生產生更加深刻的認識，同時可以拉近學生與信息技術課堂之間的距離，提高教師的授課效率。

3.2 提升學生的參與感和專注度，建立良好的師生關系

信息技術課堂常用的是教學游戲這種類型的增強現實軟件，能夠加強學生的存在感，使學生的注意力更加集中，讓他們沉浸其中。

首先，AR 技術為學生提供了一個空間，這樣學生就會覺得自己與其他學生是處于同一位置的，學生之間能夠進行即時交互，形成學生更容易接受的學習小組。

其次，AR 技術能夠將虛擬的信息、學生和其他信息在一個真實存在的環境中融合起來。AR 技術作為沉浸式媒體，可以為學生提供各種及時的反饋，讓學生產生一種身臨其境的感受，但這其實是學生的一種真實主觀感受，這種感受可以不斷提醒學生使其處于專注狀態[8]。

教師的授課方式以及教師的性格特點都會對學生學習信息技術課程產生一定的影響，教師要結合學生的心理發展趨勢和興趣愛好與學生保持較好的師生關系。學生并非學習機器，在學習過程中是極具感情的。對于沒有形成獨立思想和性格的學生，教師要加以引導；對于已經有獨立思想和個性的學生，教師要給予學生足夠的尊重，不能將自己的想法強加于學生身上。AR 技術作為一種新興的技術，能夠激起學生的探索欲望，從而拉近師生之間的距離。AR 設備也是教師親近學生的重要設施。當可以讓學生感受到自己的尊重和熱情時，教師便能夠更好地完成預設的教學任務，達到預想的教學效果，學生的學習也會變得更加高效。

3.3 創新教學內容，優化習題模式

教學內容來自教材，而教材來自實際生活，教師要善于發掘生活中關于信息技術的資訊，使學生在書本之外獲得更多的知識，培養學生的信息素養。更重要的是改變傳統的教學內容，使其變得更生動、更有趣，學生不是灌輸式地接受知識，而是能夠進行自我建構，從而達成知識內化。

物聯網最常見的就是智慧家居，運用AR 技術為學生呈現智慧家居的構造，讓智慧家居不再是教材上的圖片，而是一個立體的全景家居。智慧家居主要指的是全屋互聯，包括窗簾、電視、水壺、燈、煙霧報警器等所有設備，房主可以通過手機進行一鍵控制。目前，全屋設備互聯并不常見，教師可以運用AR 演示為學生提供直觀體驗，讓學生對其產生興趣，從教師的描述、提問變為學生能夠主動發掘問題。物聯網的本質是其由各種傳感器組成，對學生來講稍有難度，但也是很好的擴展內容，對于學生計算思維的培養具有重要作用。只有信息技術課堂充滿活力，學生才能全身心地參與課堂，從而不僅提升教學效率，而且學生的學習效果也會不斷優化。

信息技術課程的課時安排少，學生對于信息技術學科并不重視，部分學生通過背題的方式通過考試，并沒有真正了解信息技術這門課程，對知識缺乏意義建構，實踐操作也是考后即忘，并不能達成培養學生信息素養、計算思維的目標。因為信息技術課程較少，教師在上課前進行內容回顧是必要的，有利于學生進行知識遷移。這就需要利用AR 技術為學生提供游戲模式的習題攻略，針對重難點進行合理操作演示，對學生錯誤多的習題進行收集且集中講解，講解時注意放慢速度，幫助學生理解并掌握知識點。

3.4 提升教師專業素養

作為一個隨著科學技術不斷發展需要不斷進行創新的學科，信息技術課程改革日益趨向于要求學生具備簡單的程序設計能力，教師也要針對學生的計算思維做好訓練，為其他內容的學習打好基礎。教師作為學生學習路上的引導者，同樣需要擁有足夠的知識儲備，不只是包括信息技術學科的教學內容，還需要對其他方面的知識內容有所了解，這樣在上課時講授的內容就可以不被課本框住，學生的學習興趣也會大大提高。

教師要通過不斷提高專業技能為學生提供更好的幫助。專業技能是作為一名教師必須具備的基本能力。信息技術教師應持續接受并掌握最新的技術，不斷進行觀念更新，如人工智能、物聯網等。學校要定期組織優秀教師就教學設計和教學方法等進行交流，針對教師專業技能進行考核，提升教師綜合素養。教師要認識到信息技術學科的重要地位，信息技術課程無論是理論知識的學習，還是實踐操作的鍛煉，對學生都是有益的。適當使用AR 技術能夠活躍信息技術課堂，這就需要學校對教師進行統一培訓。教師對于學科的重視會讓學生受到很大的影響，學生也會更加重視這門課的學習。

4 結束語

當前，AR 技術的相關設備價格過于昂貴，應用場景較少，并沒有出現在大部分學校的信息技術課堂中[9]。但AR 技術具有遠大的前景，推動AR 技術進入信息技術課堂，能有效地促進教師和學生快速成長。教師不僅要緊跟技術的變化，做好資源的及時更新工作，配好相關設備，更重要的是引導學生主動探索挖掘知識的重難點。教師也要提高專業素養，以便能夠在信息技術課堂教學中合理安排使用AR 技術，做好AR 技術的推廣工作，讓AR 技術與信息技術課堂深度融合，從而不斷提高教學質量。