何朝杰 彭韌 張雪

摘要：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一個(gè)分支，它通過(guò)將計(jì)算機(jī)生成的虛擬信息和真實(shí)世界進(jìn)行融合，讓用戶在虛實(shí)結(jié)合的環(huán)境中進(jìn)行體驗(yàn)和互動(dòng)。在教學(xué)活動(dòng)中運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)學(xué)生創(chuàng)新和應(yīng)用能力的培養(yǎng)都有積極的作用。文章簡(jiǎn)要論述了如何在教學(xué)活動(dòng)中利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)幫助學(xué)習(xí)過(guò)程更加簡(jiǎn)單易懂，并提高學(xué)習(xí)者的興趣和學(xué)習(xí)效率。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) 虛擬環(huán)境 教學(xué)應(yīng)用 教育游戲

中圖分類號(hào)：G434文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1003-0069（2019）01-0100-02

Abstract： Augmented reality technology is a branch of virtual reality technology. It combines computer-generated virtual information with the real world to allow users to experience and interact in a virtual and integrated environment. The use of augmented reality technology in teaching activities has a positive effect on the cultivation of students1 innovation and application ability. The article briefly discusses how to use augmented reality technology to help the learning process become easier to understand and improve learners' interest and learning efficiency in teaching activities.

Keywords： Augmented reality Virtual environment Teaching application Educational game

一、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)簡(jiǎn)介

（一）技術(shù)定義

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented Reality，AR），是一種在現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上進(jìn)行加強(qiáng)的技術(shù)。區(qū)別于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VirtualReality，VR）構(gòu)建的完全虛擬世界中的沉浸感體驗(yàn)，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的目的是將計(jì)算機(jī)生成的虛擬世界與用戶切實(shí)體驗(yàn)的真實(shí)世界進(jìn)行疊加和融合，以此來(lái)拓展和增強(qiáng)用戶的視、聽(tīng)覺(jué)系統(tǒng)。通過(guò)計(jì)算機(jī)技術(shù)，將真實(shí)場(chǎng)景和虛擬信息實(shí)時(shí)疊加在同一個(gè)畫(huà)面或空間中，實(shí)現(xiàn)虛擬世界和真實(shí)世界的和諧共存[1]。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的定義主要有兩種[2]，一種是將真實(shí)環(huán)境與虛擬環(huán)境放置在兩端，靠近真實(shí)環(huán)境的稱為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，靠近虛擬環(huán)境的稱為增強(qiáng)虛擬，位于中間的則稱為混合現(xiàn)實(shí);另一種是以虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互、三維注冊(cè)為特點(diǎn)，利用附加的圖片、文字信息對(duì)真實(shí)世界進(jìn)行增強(qiáng)的技術(shù)。

（二）技術(shù)實(shí)現(xiàn)

目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)現(xiàn)可以分為三類，首先是顯示在可穿戴式設(shè)備上，例如眼鏡等，其次是在計(jì)算機(jī)、手機(jī)等智能設(shè)備上顯示，最后是利用投影設(shè)備直接在現(xiàn)實(shí)中投影顯示。究其本質(zhì)而言，都是虛擬景象與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景的結(jié)合，因而下文并不做過(guò)多區(qū)分，將重點(diǎn)放在應(yīng)用的本身上。

二、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教學(xué)活動(dòng)的結(jié)合

（一）學(xué)習(xí)教學(xué)的理論

學(xué)習(xí)教育是一個(gè)與大腦記憶相關(guān)聯(lián)的過(guò)程，在這一基礎(chǔ)上，許多學(xué)習(xí)理論相繼被提出[3]：“情境認(rèn)知理論”認(rèn)為：學(xué)習(xí)應(yīng)隨著情景發(fā)生變化，學(xué)習(xí)應(yīng)該發(fā)生在真實(shí)的情景中，學(xué)習(xí)需要交互和合作;“協(xié)作學(xué)習(xí)理論”認(rèn)為：學(xué)習(xí)者以小組形式或團(tuán)隊(duì)形式參與，可以促進(jìn)學(xué)習(xí)最大化;“沉浸理論”認(rèn)為：當(dāng)人們投入到一種活動(dòng)中去而完全不受外界的干擾時(shí)，會(huì)充滿興趣與毅力去完成這項(xiàng)活動(dòng)。

（二）增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的教學(xué)應(yīng)用

結(jié)合教學(xué)理論和不同場(chǎng)景下的教學(xué)需求，可以構(gòu)建增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教學(xué)活動(dòng)中的多種應(yīng)用，以此來(lái)提高教學(xué)的效率和水平。

1.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)拓展閱讀：好奇心、游戲心理、形象化識(shí)別是多數(shù)學(xué)生，尤其是低齡學(xué)生的基本心理需求[4]。相對(duì)于對(duì)著乏味的文字，他們更樂(lè)于看到更有趣的表現(xiàn)方式。將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和書(shū)籍閱讀的過(guò)程進(jìn)行結(jié)合，可以將書(shū)籍中平面的文字和圖片內(nèi)容用更生動(dòng)、具象的方式表現(xiàn)出來(lái)，例如視頻影像的播放、虛擬模型的演示、小游戲的互動(dòng)等，通過(guò)這些引人入勝的方式更加真實(shí)、易懂地展現(xiàn)書(shū)籍的內(nèi)容，將閱讀變成一個(gè)主動(dòng)體驗(yàn)的趣味過(guò)程。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)拓展閱讀最直接的應(yīng)用方法是利用帶有攝像頭的智能移動(dòng)設(shè)備，當(dāng)使用特定的應(yīng)用掃描書(shū)籍中的文字或圖片時(shí)，就會(huì)在屏幕上顯示出相關(guān)的立體影像，例如在閱讀《魯賓遜漂流記》中海船遇到風(fēng)浪沉沒(méi)的過(guò)程中，使用設(shè)備掃描書(shū)籍中沉船的圖片，就能看到在暴風(fēng)雨中掙扎的海船以及其最終沉沒(méi)的過(guò)程，伴隨著豐富的音效和動(dòng)畫(huà)，讓讀者能夠從更生動(dòng)和主觀的角度閱讀和理解書(shū)籍中的故事。

此外，還有專門(mén)為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)閱讀開(kāi)發(fā)的硬件設(shè)備，例如索尼公司開(kāi)發(fā)的Wonderbook，這是一款PS3的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)外設(shè)，它的外形就像一本真實(shí)的圖書(shū)，用戶可以通過(guò)動(dòng)作控制器和攝像頭與圖書(shū)互動(dòng)，以此來(lái)探索其中的故事，當(dāng)讀者想要看下一個(gè)故事時(shí)，只需要翻頁(yè)即可，實(shí)現(xiàn)了“一本書(shū)，一干個(gè)故事”。

利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在閱讀的過(guò)程中，讀者從被動(dòng)的信息接受者變?yōu)橹鲃?dòng)的發(fā)現(xiàn)者、探索者。主動(dòng)交互體驗(yàn)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)拓展閱讀的核心部分，它帶給讀者視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)上的多維度體驗(yàn)，讓讀者更深刻地了解和吸收更豐富的知識(shí)內(nèi)容。

2.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)立體演示：在開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)的過(guò)程中，教師最常用的方法就是立體實(shí)物演示。例如在高中化學(xué)課中，教師使用球棍模型等實(shí)體教學(xué)模具給學(xué)生演示化學(xué)分子結(jié)構(gòu)。但是這種模型一般只能演示幾種簡(jiǎn)單的分子結(jié)構(gòu)，對(duì)于復(fù)雜一些的結(jié)構(gòu)，教師就只能靠平面圖形來(lái)進(jìn)行演示。在這個(gè)過(guò)程中結(jié)合利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行立體演示，只要給出一個(gè)分子式，就能夠投影顯示出三維分子結(jié)構(gòu)模型，教師和學(xué)生可以直接旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)、觀察這個(gè)分子模型，從而對(duì)其組織結(jié)構(gòu)有清晰的了解認(rèn)知。此外，對(duì)于化學(xué)反應(yīng)式，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能立體直觀地顯示出反應(yīng)過(guò)程中各個(gè)分子結(jié)構(gòu)的打散和重組過(guò)程，學(xué)生可以在任何時(shí)間和位置對(duì)這個(gè)過(guò)程進(jìn)行暫停、放大等操作，幫助學(xué)生更簡(jiǎn)單地了解化學(xué)反應(yīng)過(guò)程。

目前在智能移動(dòng)設(shè)備上就有一款基礎(chǔ)的化學(xué)教學(xué)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用：ChemistrylOl。只需要在手機(jī)或平板電腦上下載和打開(kāi)這款應(yīng)用，將攝像頭對(duì)準(zhǔn)寫(xiě)有化學(xué)元素名或分子式的卡片，在屏幕上就會(huì)顯示出該元素或分子的立體化學(xué)結(jié)構(gòu)。

對(duì)于其他課程，例如將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到高中地理課教學(xué)中，當(dāng)教師講述洋流變化時(shí)，傳統(tǒng)教學(xué)中學(xué)生只能對(duì)著平面圖片上的箭頭學(xué)習(xí)，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，可以將立體的世界洋流的模型展現(xiàn)在學(xué)生的面前，學(xué)生可以主動(dòng)隨意操作模型，觀察任何時(shí)間，任何海域的洋流，可以跟隨任意一條洋流的流動(dòng);教師可以指著具體的洋流過(guò)程給學(xué)生講解，可以將模型自由旋轉(zhuǎn)、放縮，靈活地展示各個(gè)知識(shí)點(diǎn)。

利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使得原本枯燥、難懂的模型結(jié)構(gòu)，能夠生動(dòng)、靈活地呈現(xiàn)出來(lái)，在教師授課和學(xué)生學(xué)習(xí)的過(guò)程中，可以更方便和明了地直接觀察知識(shí)點(diǎn)。當(dāng)出現(xiàn)困難疑問(wèn)時(shí)，不再紙上談兵，直接通過(guò)虛擬立體演示，讓學(xué)生充分了解復(fù)雜變化的過(guò)程，通過(guò)交互增強(qiáng)對(duì)知識(shí)的理解和印象，提高學(xué)習(xí)效率。

3.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)游戲：游戲具有娛樂(lè)性、自由性、幻想性等特點(diǎn)，通過(guò)寓教于樂(lè)的方法，把學(xué)習(xí)教學(xué)過(guò)程與游戲過(guò)程相結(jié)合，能達(dá)到事半功倍的效果。教育游戲[5]是將教育與游戲有機(jī)融合的一種既具爸趣味性，同時(shí)又兼顧知識(shí)性，且二者比重相當(dāng)?shù)膽?yīng)用型軟件。

例如，在一款解密益智手機(jī)游戲《涂鴉上帝》中，玩家扮演上帝的角色，利用最開(kāi)始的風(fēng)火水土四種元素的組合，創(chuàng)造出新的事物，又可以利用新產(chǎn)物進(jìn)一步進(jìn)行創(chuàng)造。這種益智的游戲方式，很適合低年齡的孩子學(xué)習(xí)一些常識(shí)性的知識(shí)。將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與這款游戲結(jié)合，讓孩子在立體空間中進(jìn)行切實(shí)的操作。孩子只要用手拖動(dòng)材料，例如，將沙子和火焰結(jié)合，就能產(chǎn)生玻璃這個(gè)全新的產(chǎn)物，孩子在這種新奇的方式中，通過(guò)自己的雙手，知道了玻璃是沙子經(jīng)過(guò)火的鍛煉而產(chǎn)生的。當(dāng)孩子通過(guò)自己的努力實(shí)踐完成一項(xiàng)合成時(shí)，自然地產(chǎn)生一種自豪感，這種自豪感能幫助孩子更好、更深刻地記憶知識(shí)。

例如，當(dāng)游客來(lái)到一座陌生的城市進(jìn)行游玩時(shí)，需要對(duì)本地的景點(diǎn)、地標(biāo)、文化底蘊(yùn)等內(nèi)容的進(jìn)行教學(xué)。傳統(tǒng)的方式是通過(guò)游客自己搜索知識(shí)信息，或者通過(guò)導(dǎo)游的介紹等，而通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)手機(jī)應(yīng)用，可以簡(jiǎn)化這個(gè)過(guò)程。在應(yīng)用中會(huì)提供城市的地圖，當(dāng)用戶打開(kāi)這款應(yīng)用在城市中游玩時(shí)，就像在游戲中探索迷宮一樣，到達(dá)過(guò)的區(qū)域的迷霧將消失。當(dāng)用戶到達(dá)一個(gè)景點(diǎn)，使用應(yīng)用掃描景點(diǎn)里的標(biāo)識(shí)時(shí)，手機(jī)屏幕上就會(huì)浮現(xiàn)出介紹這個(gè)景點(diǎn)的特色、歷史、淵源等知識(shí)的文字、圖片、視頻、語(yǔ)苜等多種多樣的息。

將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)游戲廣泛用于科普教學(xué)等方面，通過(guò)游戲的趣味性誘導(dǎo)玩家在游玩的過(guò)程中得到學(xué)習(xí)，可以幫助學(xué)習(xí)者更有興趣投入到學(xué)習(xí)之中，可以更好地記憶知識(shí)。

4.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)場(chǎng)景構(gòu)建：在教學(xué)的過(guò)程中，教師可能需要一些比較特殊而且又不容易實(shí)現(xiàn)的情景。例如對(duì)于汽車(chē)維修教學(xué)，如果要提供各種類型車(chē)輛的各種不同的故障情形，就可能需要許多車(chē)型，或者將一輛車(chē)搞得七零八落。如果使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，教學(xué)過(guò)程中只需要一輛真車(chē)，學(xué)生使用手持智能設(shè)爸上的專門(mén)應(yīng)用掃描，在屏幕上就會(huì)顯示出教師要教學(xué)的特殊的故障點(diǎn)以及各種說(shuō)明。更進(jìn)一步的應(yīng)用情況是將虛擬的車(chē)輛模型投影在學(xué)生面前，教師可以隨意開(kāi)閉、拆卸車(chē)輛的零部件，可以將損壞的部位單獨(dú)放大、提出進(jìn)行講解等。

德國(guó)大眾就曾經(jīng)推出一款名為“MARTA”的修車(chē)軟件。這款A(yù)PP利用影像分析技術(shù)，當(dāng)用戶將手機(jī)攝像頭對(duì)準(zhǔn)汽車(chē)零部件時(shí)，會(huì)在屏幕上顯示汽車(chē)零件名稱以及各種相關(guān)信息，更能利用動(dòng)畫(huà)顯示的方式告訴用戶該如何拆解這零件，極大地幫助用戶簡(jiǎn)化維修流程，提高修理效率。

三、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)應(yīng)用的優(yōu)勢(shì)

在教學(xué)過(guò)程中引入增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有以下優(yōu)勢(shì)：

①增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將原本復(fù)雜或枯燥的教學(xué)內(nèi)容用直觀、新穎的方式直觀地呈現(xiàn)出來(lái)，減少了傳統(tǒng)教學(xué)模式中教師能力對(duì)教學(xué)效率的決定性影響，在減輕教師負(fù)擔(dān)的同時(shí)，能有效地吸引學(xué)生的注意力，激發(fā)和增強(qiáng)學(xué)生自主學(xué)習(xí)的興趣和熱情。

②增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)打破了傳統(tǒng)教學(xué)平面、單一的模式，將視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)等多維度融合，構(gòu)建三維立體的模擬環(huán)境，使得一些抽象的、復(fù)雜難以理解的教學(xué)內(nèi)容以具象的、開(kāi)放易懂的方式呈現(xiàn)，同時(shí)以調(diào)動(dòng)學(xué)生眼、耳、手、腦等多方面能力的方式提高學(xué)生吸收知識(shí)的能力，增強(qiáng)教學(xué)的效率。

③增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建的學(xué)習(xí)環(huán)境具有沉浸性和交互性，給學(xué)生提供可以直接動(dòng)手觀察和操作的機(jī)會(huì)，超越了傳統(tǒng)的學(xué)生被動(dòng)接受的教學(xué)過(guò)程，讓學(xué)生主動(dòng)參與到教學(xué)活動(dòng)中，有助于發(fā)展學(xué)生獨(dú)立探索的思維方式和面對(duì)三維空間信息的活躍、開(kāi)闊的思維能力，同時(shí)培養(yǎng)學(xué)生的自主動(dòng)手能力，激發(fā)學(xué)生的拓展性和開(kāi)創(chuàng)性。通過(guò)親身體驗(yàn)，學(xué)生也能加強(qiáng)對(duì)知識(shí)的理解和記憶，增強(qiáng)教學(xué)的效果。

④建立虛擬教學(xué)環(huán)境和實(shí)驗(yàn)環(huán)境，能有效減少教學(xué)過(guò)程中所需要的昂貴的設(shè)備以及材料的購(gòu)買(mǎi)以及維護(hù)開(kāi)支，降低教學(xué)成本，同時(shí)也減少環(huán)境污染和管理上的不方便。

總結(jié)和展望

將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)加入到課堂教學(xué)中，不僅僅是工具上的進(jìn)步，更是課堂教學(xué)方式的轉(zhuǎn)變，學(xué)生從被動(dòng)接受者轉(zhuǎn)化為主動(dòng)探求者，教師也不僅僅扮演一個(gè)灌輸知識(shí)的角色，而是一個(gè)啟迪者、引路人，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)下的教學(xué)是一個(gè)參與、交互、傳遞、反饋、發(fā)現(xiàn)、強(qiáng)化的過(guò)程。

目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在工程、游戲等領(lǐng)域中都有優(yōu)秀的表現(xiàn)和前景。將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建出的虛擬場(chǎng)景與真實(shí)場(chǎng)景的交融帶來(lái)的沉浸性和交互性應(yīng)用到教學(xué)領(lǐng)域上，為教學(xué)物體模擬、教學(xué)過(guò)程體驗(yàn)、教學(xué)結(jié)果呈現(xiàn)和師生交互方面都提供了新的可能[6]。在這種新環(huán)境下，如何設(shè)計(jì)適合各種不同條件下的教學(xué)環(huán)境的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的展現(xiàn)方式和交互方式將成為教學(xué)領(lǐng)域中增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)。

當(dāng)下的技術(shù)發(fā)展都是呈加速發(fā)展趨勢(shì)的，在終身教學(xué)成為社會(huì)發(fā)展的必然要求且競(jìng)爭(zhēng)日益激烈的信息時(shí)代，將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)特有的人機(jī)交互方式和信息呈現(xiàn)方式與教學(xué)過(guò)程相結(jié)合，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)必定能在教學(xué)領(lǐng)域中大展身手。

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