曹 知，丁曉娥

（1.文山學院 信息科學學院，云南 文山 663099；2.文山學院 外國語學院，云南 文山 663099）

一、增強現(xiàn)實的概念及現(xiàn)狀

增強現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱AR）是對現(xiàn)實世界的延伸，“增強現(xiàn)實”這一詞匯是由20 世紀90 年代波音公司研究員托馬斯·考德爾提出的[1]，最初用于解決飛機制造中工作量巨大的裝配問題[2]。

1994 年，Milgram、Takemura、Utsumi 等人探 討了增強現(xiàn)實技術的概念，認為增強現(xiàn)實廣義上是利用虛擬線索為用戶增加自然反饋的技術，狹義上是能夠?qū)崟r看到現(xiàn)實世界的虛擬現(xiàn)實[3]。同時，還存在“混合現(xiàn)實”的說法，有學者認為這是對增強現(xiàn)實技術的進一步發(fā)展，比增強現(xiàn)實的概念范疇更廣。從廣義范疇上來看，“混合現(xiàn)實”與“增強現(xiàn)實”具有極大的重疊性，是同一事物不同時期的發(fā)展形態(tài)。

增強現(xiàn)實技術在學科教育、職業(yè)培訓、醫(yī)學、工程教育中已有一些應用，尤其是在技能類教學及語言教學中有不少應用案例。2016 年之后，微軟等商業(yè)公司加大了對虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實等技術的投資和開發(fā)，推出了相應的開發(fā)套件，如ARCore、ARKit 等，這些開發(fā)工具促進了增強現(xiàn)實技術在移動終端的普及應用，同時相繼推出了一些可穿戴式增強現(xiàn)實產(chǎn)品，引發(fā)了消費者及學者的新一輪關注。

二、增強現(xiàn)實技術與教育教學應用

國內(nèi)對增強現(xiàn)實技術在教育中的應用研究早已起步，2007 年曲阜師范大學徐媛探討過增強現(xiàn)實技術在教與學中的應用方式。通過CNKI 檢索發(fā)現(xiàn)，2011 至2015 年，平均每年有22 篇相關文獻，2016 年相關文獻數(shù)量增至60 篇，之后逐年增長，到2018 年為158 篇。

縱觀這些研究，早期關注增強現(xiàn)實技術引入教育教學的路徑，之后聚焦與具體學科的融合方式及教學App的開發(fā)。從這些研究中還可以看到，目前增強現(xiàn)實技術的教育應用中還存在一些瓶頸問題：一是增強現(xiàn)實在技術層面還有待進一步突破，二是增強現(xiàn)實技術在教育教學中應用的理論體系還有待完善，三是圍繞增強現(xiàn)實的教學資源建設還處于起步階段，具體如下：

1.增強現(xiàn)實技術本身的問題

隨著相關基礎技術的不斷發(fā)展，增強現(xiàn)實在技術方面已經(jīng)達到了一個新的層次，但依然存在著一些影響用戶體驗的瓶頸問題，限制其進一步的發(fā)展。目前較為主流的增強現(xiàn)實技術，與概念中所界定的特征還有一定的差距，新的普及性特征有待發(fā)展，這一過程可能是漫長的。

（1）顯示方面

顯示方面的局限主要體現(xiàn)在分辨率、系統(tǒng)延遲、刷新率等指標上。

傳統(tǒng)的多媒體，一般只處理和呈現(xiàn)文本、圖形、圖像、音頻、視頻等形式的一種或幾種，處理的信息量相對有限。而增強現(xiàn)實虛實結(jié)合的特點，意味著在處理現(xiàn)實數(shù)據(jù)的同時，還要處理生成的虛擬環(huán)境，這是以往的普及性設備所難以勝任的。

頭戴式設備過低的顯示分辨率會導致“紗窗效應”，用戶能夠看到像素點，產(chǎn)生不真實感，影響體驗的沉浸性。2019 年更新的新版Hololens，分辨率也僅達到2K 級別，而根據(jù)AMD 公司之前的數(shù)據(jù)，16K 分辨率的設備才能形成優(yōu)質(zhì)的體驗[4]。而高分辨率又對圖像處理能力提出了一定的要求，當前一些顯示處理設備每秒生成的圖像數(shù)量低于60 幀，會導致用戶因視覺疲勞產(chǎn)生“暈動”反應，甚至出現(xiàn)頭暈、嘔吐等癥狀，有類似相關性的還有顯示設備的刷新率。

受限于當前的顯示技術和計算能力，頭戴式增強現(xiàn)實產(chǎn)品還難以提供優(yōu)質(zhì)的沉浸性體驗，這一類的消費級設備價格昂貴，用戶黏性較差。而手持式和臺式增強現(xiàn)實產(chǎn)品，不追求極致的沉浸性，大多是將增強現(xiàn)實應用運行在現(xiàn)行設備上，從而提供較為基本的增強現(xiàn)實體驗。

（2）交互方面

豐富的交互是以跟蹤和定位為基礎的，得益于傳感器技術的發(fā)展以及圖像處理算法的優(yōu)化，當前增強現(xiàn)實中識別和定位物體的精度已有很大程度的提高，可以滿足非復雜環(huán)境下的基本需求。但現(xiàn)實環(huán)境中的光線、表面平整度等會對定位及跟蹤形成干擾，加上數(shù)據(jù)處理帶來的延遲，使得最終畫面出現(xiàn)大量的錯位，極大地影響著實際使用體驗。這些對用戶造成的技術不成熟印象是較為直接的。環(huán)境理解、光線評估等方面問題的解決亟待機器視覺研究的突破，大數(shù)據(jù)技術、人工智能技術正在為這一領域帶來改變。

此外，人機交互方面也存在一些問題。為了保障可靠性，很多增強現(xiàn)實設備還在依靠手柄實現(xiàn)大部分交互，這與傳統(tǒng)多媒體計算機依靠鼠標和鍵盤輸入信息的方式如出一轍，沒有擺脫傳統(tǒng)的交互思維。另外，設備主要依靠視覺和聽覺反饋信息，未能有效納入對觸覺、嗅覺、味覺的支持，也會造成不完整的沉浸體驗。

（3）人體工程學方面

頭戴式顯示設備經(jīng)過這些年的發(fā)展，由早期笨重的形態(tài)逐步向小型化、集成化方向發(fā)展。然而，無論是虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實或者混合現(xiàn)實，目前主流消費級產(chǎn)品所采用的頭戴式顯示方案，都不太適合長時間使用，在體積、重量、佩戴方式上都有待突破。

常見的主動式頭戴設備，比如Microsoft Hololens 2、Magic Leap One 等，都還存在很多佩戴上的問題，自重、配重和佩戴方式或多或少會分散用戶的注意力。

一些設備為了兼顧高處理性能和低延遲，通過線纜連接外置主機，限制了用戶的活動范圍，用戶很難獲得完整的沉浸式體驗。這些還都是價格較高、用戶體驗相對較好的主動式設備，被動式設備在營造沉浸式體驗方面的表現(xiàn)只能是差強人意。這些問題的解決，需要依賴計算機處理性能、新材料、傳感器、交互技術等方面的綜合發(fā)展。

Verma Media 創(chuàng)始人AJ Agrawal 在“增強現(xiàn)實沒有被大規(guī)模采用的三個原因”中提及增強現(xiàn)實設備的人體工程學因素，認為“日常情況下沒有人愿意隨時帶著大護目鏡”[5]，《新媒體聯(lián)盟地平線報告》（2019 高等教育版）也認為人體工程學因素是影響人們采用增強現(xiàn)實技術的一個因素。

從以上三個方面可以看出，即便忽略成本因素，在當前增強現(xiàn)實技術的實際應用中，還不能一味地追求沉浸感和多樣的交互方式。我們所探討的增強現(xiàn)實的教育應用，主要是通過手持式或臺式設備呈現(xiàn)，在抓住虛實結(jié)合、實時交互本質(zhì)特征的前提下應有所取舍。

2.增強現(xiàn)實技術在教育教學中的應用狀況

增強現(xiàn)實技術在教育教學中的應用和推廣，除了面臨上述的技術問題外，還存在其他掣肘。《新媒體聯(lián)盟地平線報告》（2016 高等教育版）中曾認為增強現(xiàn)實技術會在兩到三年內(nèi)得到普及，而2019 版中重新審視了這一論斷，將增強現(xiàn)實列為中期技術。

根據(jù)于翠波等人的調(diào)查，在增強現(xiàn)實教育應用實驗性研究中的學段層次主要集中高等教育階段（占比34.2%），其次是小學階段；學科領域主要集中在自然科學、人文與社會科學，工程技術和醫(yī)學領域也有一些涉及[1]。

另一份研究顯示，2008 至2017 年，國內(nèi)前三名的研究增強現(xiàn)實技術教育應用的機構(gòu)都是高校教育技術專業(yè)院系[6]，相關研究重心的變化趨勢，從研究增強現(xiàn)實在教育教學領域落地的可行性及理論支撐，逐步向利用增強現(xiàn)實技術的課堂教學設計上轉(zhuǎn)變。

2018 年，以“增強現(xiàn)實教育或教學”為題的期刊文獻有80 篇，26 篇被引用過。其中發(fā)文量最多的是北京師范大學“VR/AR+教育”實驗室主任蔡蘇，共有4 篇相關文獻，內(nèi)容涉及增強現(xiàn)實技術在K-12 教育中的實證案例，用到的教學工具是該實驗室根據(jù)課例逐一開發(fā)的。其余22 篇文獻中，17 篇在探討增強現(xiàn)實技術在不同教育環(huán)境下的應用，針對具體的教育用途，采用了各不相同的增強現(xiàn)實軟件，還有2 篇探討了增強現(xiàn)實教學軟件的設計與開發(fā)，主要涉及Unity3D、Vuforia 等開發(fā)工具。

從中不難發(fā)現(xiàn)，當前的增強現(xiàn)實技術應用具有一定的門檻，普通教師使用增強現(xiàn)實技術開展教學有兩個途徑：一是自行開發(fā)課程相關的軟件和資源，只有極少數(shù)教師有技術能力實現(xiàn)；二是尋找并使用與學科配套的增強現(xiàn)實軟件及資源，而當前相關軟件碎片化較為嚴重，還沒有形成豐富的資源庫，使用者也難以修改內(nèi)容以適應多樣化的教學需求。

反觀當前課堂中應用已久的多媒體幻燈片，一方面教師可以在短時間內(nèi)掌握PowerPoint 這類軟件的基本功能；另一方面，長期以來形成了豐富多樣的幻燈片資源庫。增強現(xiàn)實技術要走進更多的教學過程，至少需從其中一個方面有所突破。

三、增強現(xiàn)實技術在教育教學中的擴散機制

從創(chuàng)新擴散的角度來看待增強現(xiàn)實，作為一門有待在發(fā)展中完善的新技術，創(chuàng)新的采用需要一個學習的過程[7]，技術創(chuàng)新的擴散過程主要通過“干中學”（Learning by Doing）實現(xiàn)，“邊干邊學”導致邊際成本下降，當達到一個“臨界水平”時，潛在采用者會采用創(chuàng)新，而這一過程的重復會不斷推動新技術的普及。

筆者曾結(jié)合K.Lonigo 的教學媒體選擇模型，從增強現(xiàn)實技術當前的成本和效能角度出發(fā)，發(fā)現(xiàn)在多種學習類型中增強現(xiàn)實都還不是最優(yōu)媒體[8]。隨著成本下降到臨界點之后，增強現(xiàn)實的能效比會得到改善，才有機會成為更多學習類型中選用的教學媒體。當前增強現(xiàn)實技術的采用者數(shù)量還不足以形成“潮流效應”，針對這一現(xiàn)狀，可以通過“干中學”降低邊際成本，擴大采納者數(shù)量。

如何實現(xiàn)“干中學”呢？增強現(xiàn)實已經(jīng)在一些需求較高、成本不敏感的教學領域優(yōu)先應用，要更進一步在一般課堂中運用增強現(xiàn)實技術，可以通過開發(fā)豐富的資源或者降低增強現(xiàn)實內(nèi)容制作及使用難度實現(xiàn)，如果能夠在現(xiàn)有平臺或硬件的基礎之上實施，會更加促進“干中學”。使用增強現(xiàn)實技術的課堂，還需要一個類似PowerPoint 的整合軟件，既可以處理一般精度的3D 模型，又可以整合呈現(xiàn)增強現(xiàn)實環(huán)境。換言之，一般課堂需要一套普及性更好的增強現(xiàn)實解決方案，當課堂的一般需求被滿足之后，就會產(chǎn)生新的需求，增強現(xiàn)實技術與教育的結(jié)合會以“S”型曲線循序發(fā)展。

四、增強現(xiàn)實技術在教育教學應用中的新思路

為了進一步探討教育教學中應用增強現(xiàn)實技術的具體路徑，筆者以英語詞匯教學為例，分析增強現(xiàn)實在教學應用中的作用原理、存在問題，并提出輕量級解決方案。

圖1 語義三角

詞匯學習是當前增強現(xiàn)實教學應用研究中的一個重要領域，在2016 年之前已有增強現(xiàn)實英語詞匯輔助學習工具的相關研究。根據(jù)英國學者奧格登（Ogden）和理查茲（Richards）《意義的意義》一書中的語義三角理論（見圖1），客觀事物、符號、意義之間存在一種相互制約、相互作用的關系[9]，符號與客觀事物之間的聯(lián)系不是必然的。對于詞匯學習來說，詞匯和所指代的事物之間通過語義三角建立聯(lián)系，詞匯和事物沒有直接關系，意義（或概念）存在于人的思維中。

第一語言習得時，學習者往往是在符號和事物之間建立意義聯(lián)系，而二語習得中，學習者經(jīng)常會使用第一語言作為中介，使得學習過程更加復雜，也增加了認知的負荷。根據(jù)建構(gòu)主義學習理論，為了促進意義的構(gòu)建，學習要在一定的情境下進行，而增強現(xiàn)實技術可以搭建這樣的情境。增強現(xiàn)實在語言教學中發(fā)揮作用的情境，區(qū)別于虛擬現(xiàn)實情境，它不是對現(xiàn)實環(huán)境的復刻或模擬，而是在現(xiàn)實存在的情境元素中實時增加意義符號，將符號與意義的聯(lián)系具體化、可視化。通過增強現(xiàn)實建立的情境，在形象性的內(nèi)容上直接附加信息，符號與事物的聯(lián)系由隱性轉(zhuǎn)為顯性，降低了學習者的認知負荷，有利于學習者在已有經(jīng)驗上構(gòu)建新的語言技能。

之前不少研究英語詞匯增強現(xiàn)實教學的案例，多利用Unity3D、3d Max、Maya 等軟件，結(jié)合不同的編程語言和增強現(xiàn)實開發(fā)工具實現(xiàn)。這些案例中開發(fā)或者應用的詞匯輔助學習軟件，其共同特點是技術門檻高、通用性差。僅是開發(fā)環(huán)境的搭建，就對增強現(xiàn)實技術的潛在使用者構(gòu)成了障礙，同時還存在多平臺需多次開發(fā)的問題。

從當前增強現(xiàn)實技術的發(fā)展現(xiàn)況來看，降低教學應用中的邊際成本十分重要。對于一般教師，可以將入手難度較低的通用AR 工具引入教學過程，以在詞匯學習中搭建適當?shù)脑鰪姮F(xiàn)實學習環(huán)境。AR 工具選擇的基本原則是在保證教師一定的編輯自由度的同時，減少對跟蹤、識別以及交互編程等方面的技術學習要求，滿足基本課堂教學需求，讓部分教師先成為用戶。通過這種普及方式，實現(xiàn)前文提到的“干中學”，一方面在增強現(xiàn)實的教育應用中產(chǎn)生更為精準的發(fā)展需求，另一方面也給技術本身的發(fā)展成熟提供了緩沖期。

在移動AR 領域，已有滿足上述要求的低成本工具，如123D Design（Tinkercad）、3D Builder、ENTiTi、視+AR 等。在英語詞匯增強現(xiàn)實場景制作中，可以選擇Windows 系統(tǒng)自帶的3D Builder 應用結(jié)合在線模型庫進行建模，用免費的“視+AR”平臺進行內(nèi)容呈現(xiàn)。

（1）建模工具

3D Builder 是微軟的輕量級建模軟件，內(nèi)建一些常見物品模型，并可以連接Remix 3D 模型社區(qū)獲取更多模型。123D Design 是Autodesk 的輕量化建模工具，配合123D Catch 等123D 系列軟件，可以大大降低建模的難度，Autodesk 已推出了在線版的建模工具Tinkercad 來替代123D Design。

（2）呈現(xiàn)工具

視+AR 編輯器是國內(nèi)輕量級的WebAr 內(nèi)容展示平臺，支持35Mb 以內(nèi)的FBX 和OBJ 格式模型文件，但編輯自由度有限。Kivicube 是在百度DuMix AR 平臺上二次開發(fā)的國內(nèi)WebAr 平臺，其在線編輯器有一定自由度，支持基本的動畫和交互事件，但不支持SLAM（同步定位與地圖構(gòu)建）技術，對識別圖的平面跟蹤效果支持不足，與環(huán)境融合的體驗不夠完整。

ENTiTi 是以色列WakingApp 的增強現(xiàn)實和虛擬現(xiàn)實工具平臺，ENTiTi 提供了輕量級別中較為成熟的交互設計解決方案，使用者可以將場景中的對象與分類詳細的交互代碼進行綁定，通過拖拽完成復雜交互，使用體驗接近Authorware 中對圖標和流程線的操作，ENTiTi 對3D 模型格式支持豐富，其缺點是上傳的模型在云端處理時間較長、中文支持有限等。國內(nèi)需要一款與ENTiTi理念相似的增強現(xiàn)實軟件平臺，對3D 模型支持友好，能夠完成復雜度較高的交互，同時實現(xiàn)交互設計可視化、去代碼化。

五、結(jié)束語

新興媒體在教育中的應用研究，一般會經(jīng)歷關注媒體本身、與教學過程融合、系統(tǒng)性優(yōu)化等不同時期，即重媒體、重過程、重優(yōu)化的不同階段。增強現(xiàn)實技術在教育中的應用研究，處于重媒體向重過程過渡階段。增強現(xiàn)實在教育教學應用中，一方面受到技術成熟度的限制，另一方面技術門檻也減少了潛在使用者。

在增強現(xiàn)實技術的應用中，教師不應該只是內(nèi)容的使用者，還要逐步成為內(nèi)容的制作者。從創(chuàng)新擴散的角度來看，可以先滿足一部分學科、一部分課堂的基本需求，實現(xiàn)“干中學”，逐步提高技術采用率。隨著增強現(xiàn)實在教育教學中的深入應用會產(chǎn)生新的需求，技術局限性也會逐漸顯現(xiàn)，要真正完成這一轉(zhuǎn)變，需要降低開發(fā)工具的技術門檻，通用型整合工具應該是下一步的發(fā)展方向。