吳丙朕 丁麗 李書蘭 劉衛(wèi)青

【摘 要】混合現(xiàn)實技術的發(fā)展以及技術與教育的深度融合，催生出新的教學形式與方法。真實環(huán)境和虛擬現(xiàn)實相結合，多角度及可對內(nèi)部細節(jié)的觀察交互，及時反饋的語音、畫面等，使得教學的沉浸感更強。本文介紹了現(xiàn)階段HoloLens資源獲取的主要方法，并從中小學教學領域綜述部分教育應用場景，分享已實踐的使用HoloLens的教學方式探索，分析其在實際應用中的不足之處與展望。

【關鍵詞】混合現(xiàn)實;HoloLens;沉浸式;教育應用

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2021）05-080-04

近幾年混合現(xiàn)實技術快速發(fā)展，并在教育中逐漸開始應用。HoloLens是一種混合現(xiàn)實設備，也是一臺全息電腦。它能將真實環(huán)境和虛擬現(xiàn)實的景象進行結合，強調(diào)通過虛擬對象手段與真實世界物體進行交互（圖1）。這種基于現(xiàn)實世界、由虛擬數(shù)據(jù)增強的交互手段，給教育提供了沉浸式的學習體驗，同時這種交互方式也為學習者創(chuàng)建了一個自主探索的空間。

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性地下載。第一種方法：在WIN10操作系統(tǒng)下，從“開始”菜單中打開 Microsoft Store，在搜索框中輸入Hololens，然后在結果選項中，分別選擇“應用程序”“教育”“Hololens”選項即可（圖2），點擊每個應用后，可以先查看應用介紹，找到合適的資源后在Hololens設備開機主界面Store中定點搜索安裝。

第二種資源獲取方法：Lifeliqe應用。Lifeliqe是數(shù)字化基礎教育K-12科學課程視覺發(fā)布平臺，其公司是美國虛擬及混合現(xiàn)實技術領域的教育企業(yè)，于2018年6月發(fā)布了其混合現(xiàn)實應用，可免費下載，它專為K—12科學教學而設計。迄今，該應用已包括21門教學計劃和40個互動模型，涵蓋了生物、化學、物理和地質(zhì)學等。將這些模型作為虛擬物體投射到真實世界中，師生能夠圍繞著觀看，并深入探索它們，內(nèi)容則與下一代科學標準和共用核心相一致，以此確保課堂上的適用性。

HoloLens的教育應用場景

目前關于HoloLens在教學方面的開發(fā)和應用盡管也有了一些實踐的探索，但主要集中于生物、地理、物理、化學等幾門學科，其探索應用簡要介紹如下。

1.生物學科

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

2.地理學科

“地震與海嘯”可以讓學生清晰直觀地看到地震發(fā)生后海平面的變化過程與海嘯場景;“成層火山”可以展示巖漿流動與火山噴發(fā)的形態(tài);“Galaxy explorer”可以展現(xiàn)不同行星的運動軌跡和形態(tài)，還可以通過點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、太陽系、太陽及八大行星的直觀展示與講解。

3.化學學科

“Holoelements”元素周期表，可將每個元素單獨拿出來，看到質(zhì)子、中子以及電子的運動，并包含熔點、沸點等特征數(shù)值;“MyLab”將完整的元素周期表呈現(xiàn)在學習者眼前，學習者除了可以和單個元素進行互動，還可以將不同的元素進行組合，觀察元素組合之后的效果。

HoloLens應用于中小學的教學方式探索

現(xiàn)階段已篩選過的資源，最主要的教學方式探索集中在以下兩種。

一是錄制微課。設備配套系統(tǒng)包含視頻錄制功能，教師將應用調(diào)整至合適的大小與角度，然后演示應用每個細節(jié)，完成后再進行配音與剪輯。這種方式適合教學計劃類應用，因為應用內(nèi)包含教學內(nèi)容較多且相對系統(tǒng)，這樣既發(fā)揮了混合現(xiàn)實的教學優(yōu)勢，同時節(jié)省了教學時間，給教師也留下了實踐成果。

二是學生具身體驗。課上由熟練的學生演示操作，將設備的實時內(nèi)容投射到大屏幕上，同時采取教師或?qū)W生講解、問答或“做導游”等方式教學。這種方式適合互動模型類的教學內(nèi)容，一般5～8分鐘可完成互動環(huán)節(jié)，優(yōu)點是學生參與度高，視覺沖擊效果好。但是HoloLens采取的是浮空操作和語音控制，需要組織學生課下多次練習熟悉操作。

現(xiàn)摘要列舉幾個資源的教學方式探索，如表1所示。

應用展望

與傳統(tǒng)教學方式相比，HoloLens的混合現(xiàn)實技術可以將抽象的學習內(nèi)容變得更加形象化，學生可以通過設備從多個角度對虛擬的 3D 模型進行觀察交互，并為學生提供了一個特殊的學習空間，增強學生的存在感，并及時地反饋語音、畫面等，沉浸式的環(huán)境使學生的專注度更高。

HoloLens作為微軟首款不受線纜限制的全息計算機設備，也有較多的不足之處。如佩戴體驗問題，由于重量達到579g（二代566g），長時間佩戴HoloLens會導致不適;因為需要實時計算環(huán)境，對設備資源要求非常高，操作延時3到5秒，運行一段時間后卡頓現(xiàn)象明顯，延時甚至10秒以上，此時需要重啟設備;輸出分辨率不高，僅為720P，清晰度還需繼續(xù)提升。由于設備昂貴，應用開發(fā)難度高周期長，Microsoft Store內(nèi)全部應用約273個，教育應用僅38個（截止到2020年1月20日），資源數(shù)量整體上還是偏少，且與中小學課程內(nèi)容貼近的就更是少之又少;Lifeliqe的混合現(xiàn)實內(nèi)容教學計劃內(nèi)容不夠充實且欠缺體系，HoloLens教育應用建設還有一段長路要走。

混合現(xiàn)實（MR）技術可以實現(xiàn)更加逼真的虛擬教學場景，為教師和學生提供更加自然、人性化的可交互式學習體驗，但教育需要能夠激發(fā)創(chuàng)造力的設備或系統(tǒng)，除了基于現(xiàn)實環(huán)境與虛擬圖像進行交互，更需要與老師或其他學生進行互動交流。如果有成熟的教育系統(tǒng)支持，使得個體在混合現(xiàn)實體驗中能與群體相連，學生既可以觀察全息影像渲染出來的虛擬物體，也可以與老師和同學充分展開互動，效果將會更好。利用 HoloLens 的手勢識別能力，學生通過手勢、注視等體感操作實現(xiàn)與演示模型的自然交互，在 HoloLens 實時通信功能的配合下，還可以與不同學生或老師進行交流，展開討論，將會更加促進學習與靈感的激發(fā)。例如，當教室中所有人在觀看同一個模型（且可控制是否以相同的視角）的時候，學生們不僅能夠聽到教師講解的聲音，還可以看到講解者的位置，通過觀察講解過程中的手勢動作，配合不斷變化的 360°三維全息影像，學生可以清楚了解正在講解的部分，清晰直觀地掌握相應知識點，這種支持對教學進度把控、教學效果的提升將會有很大的幫助。

通過感受混合現(xiàn)實技術、浮空控制、語音指令的優(yōu)越性及體驗部分教育應用案例，可以預期其在教學支持上會有很大的發(fā)展?jié)摿蛻们熬埃鼘⑸羁痰馗淖兾覀兊膶W習方式，探索HoloLens教育應用就是在感知觸碰未來。

參考文獻

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作者單位：廣東深圳市南山區(qū)園丁學校