沉浸式增强现实与高等教育研究

摘要：在工业4.0的未来，数字化越来越日常化，技术将是互动、学习和获取知识的重要组成部分。教育和职业、生活等各个领域将会迎来新的要求和新的挑战，那么我们的高等教育也将应与之相适应。增强现实（AR）技术是人们好奇的新技术之一，AR在未来将为教育提供重要的贡献。文章从增强现实的概念、软硬件应用程序、现有教育中的应用来分析增强现实在高等教育中的融合应用。

关键词：增强现实；教育技术；多媒体技术；互动学习教育

当工业4.0的发展带来了新的技术机遇时，数字化对日常生活的影响就越来越大，因为技术是互动、学习和获取知识的重要组成部分。工业4.0，也被称为未来的工厂，意味着大部分的流程和产品都是数字化和自动化的。因为这是基于数字智能，交叉连接的系统，它允许自由组织生产：人，机器，系统，物流和产品直接在工业4.0中进行沟通和合作。[1]因此，工作流程和内容、员工的能力以及教育培训也将发生变化。人与技术之间出现了新的合作形式，从而为教育和职业生活等各个领域带来了新的要求和挑战。[2]由于流程变得更为复杂，相互关联和数字化的程度也在不断提高，对员工的特定要求将会增加。目前和未来，终身学习、跨学科思考能力以及IT发展的能力正逐渐成为员工的基本要求，以确保在职人员的就业能力，而不仅仅是技术导向的职业。随着网络化和数字化的发展，我们需要新的教育方式，使未来的员工能够灵活应对数字化工作环境的新挑战和新要求。以技术为导向的教育焦点，通过理论知识的传递和实践经验的反思及问题导向的应用，在教育的各个领域获得了越来越多的重视。同时，由于计算机技术的进步，“媒体是否影响学习？”的问题已经转变为：“技术教育将如何改变？”[3]当一种新技术应用于教育时，人们想知道这种新技术是否能使现有的教学环境变得更好。人们好奇的新技术之一便是增强现实（AR）技术。然而，AR的教育潜力最近被调查认为，AR在未来将为教育提供重要的贡献。也有人认为在未来数字数据、虚拟和增强现实应用将覆盖我们的整个生活。[4]因为这项技术重要的特点是“新”和“有趣”，教师和学生在教育中使用时应该都会引起兴趣。因此，重要的是要了解AR技术是什么、如何使用它、它具有什么样的技术基础设施以及它在教育上提供了哪些好处。

一、增强现实的概念

增强现实被定义为一种将现实世界与虚拟对象相结合的技术，它提供了真实和虚拟对象之间的交互。[5]也就是说，将预先确定的目标点捕获并与虚拟对象连接，利用AR技术通过程序对结果进行解释。由于AR中包含虚拟对象，因此有必要将AR与虚拟现实（virtualreality，VR）的概念区分开来。对象在AR中实时显示，在环境中显示，VR中的对象在虚拟环境中显示。基于这一特性，增强现实可以被认为是在真实环境和虚拟环境之间的“现实-虚拟连续体”。[6]增强现实是“混合现实”的类型，即数字内容注入到真实的环境，而不是增强虚拟，现实的内容被移植到一个虚拟环境中（参见图1）。同时，AR在虚拟世界和现实世界之间架起一座桥梁也很重要。此外，有三个重要的特征使AR能够区别于其他技术。[7]即：（1）结合虚拟和真实的对象，（2）提供实时交互，（3）现有的3D对象。增强现实是一种越来越受欢迎的技术，可用于台式机和笔记本电脑，便携式设备和智能手机。AR开发的应用程序允许分别使用虚拟3D对象、文本、2D图像、视频和动画，它们也提供相同的用途。[8]因此，用户可以自然地与事件、对象和信息进行交互。与虚拟现实一样，增强现实通过融入娱乐场所而成为主流。许多人没有意识到，分析人员在体育赛事期间在屏幕上画画或实时显示图形，是增强现实的一种形式。这些技术已经得到改进，今天仍然在使用。增强现实可以通过将计算机图形叠加到图像上来实现，这比虚拟现实更容易创建，因此也更容易操作。由于这种可操作性，开发人员使用最新的技术来创建增强现实的路径。

二、增强现实的软硬件程序

到目前为止所讨论的设备都与严格的虚拟现实有关；然而，有一些混合现实产品也可用。混合现实设备能够同时使用虚拟和增强现实应用程序。无论是通过全息图、外部摄像机，还是其他一些方法实现的，这些设备都可以通用，而且对于探索和在教育中使用都非常有用。增强现实系统的基本硬件要求包括以下几点。摄像机捕捉实时图像；虚拟对象的强大存储空间；功能强大的处理器，可以复合虚拟和真实对象，或实时显示3D模拟环境；允许用户与真实和虚拟对象进行交互的界面。虽然这些都是运行增强现实系统的基本要求，但为了增强用户的整体体验，可能会使用其他技术。例如：GPS技术，允许系统考虑用户的实际位置，确保在重要的地理位置上为用户提供与情境相关的虚拟数据。图像识别软件，使现实世界的图像和对象作为多媒体和模型叠加的“触发器”，并将虚拟数据锚定在环境中。扬声器和音响系统，可以播放相关的声音和录音。Internet访问，提供使用社交媒体和Web2.0技术存储，检索和共享内容的方法。直观的界面，触摸屏，陀螺仪和触觉输入技术的进步提供了更自然的方式来与虚拟对象进行交互和操作。增强现实系统所使用的复杂软件和大量硬件设备也被许多其他技术所利用，然而，增强现实的区别能力是以情境相关的方式将虚拟对象无缝合成到真实环境中。由于这种独特的功能，一些学者预测增强现实将成为21世纪的基本用户界面。创建AR应用程序需要特殊的软件。除了在电脑和便携设备上有所不同外，它们也因使用者使用创作工具的水平和编程知识的不同而有所不同。通过查找到的文献，AR技术分为基于标记和无标记的应用以及基于图像和基于位置的应用，该技术使用了多种监控系统，如头戴式显示器、手持显示器和空间投影显示器；每个系统在真实性方面可能的不同之事实引起了人们的注意；此外，文献中还分析了移动设备、pc机以及内容创作中使用的软件；研究人员将现有软件分为需要/不需要的低水平/高水平编程知识，软件包括ARToolkit、DART、ComposAR、BuildAR、Studierstube、FlashLite、DaqriAr-media、MixARZooBurst、FLARtoolk-it、MRToolkit、Junaio、Metaio、Aurasma和Layar。[1]

三、增强现实在教育中的应用及教学方法

有研究表明，在教育中使用技术工具为增加个人之间的互动和娱乐性学习提供了新的机会，也使学习过程更加活跃、有效和有意义。[8]AR技术在教育领域引起了人们的关注，因为它可以与虚拟和真实的对象进行交互，通过经验进行学习，增加注意力和动机。增强现实的一个关键的教学支持是能够重新调整虚拟物体，从分子到行星，让学生更好地理解那些因太小或太大而无法在正常的日常生活有效地检查的物体的属性和关系。[8]虽然其他技术会具备相同的功能，但其在增强现实系统中缩放为用户提供空间和时间概念的清晰表示，以及虚拟对象和现实环境之间的情境关系的额外有其独到的优势。[9]另一个关键的教学启示是覆盖情境相关信息的能力。这是通过在真实对象上触发和锚定虚拟数据来实现的。例如，增强现实系统可以通过在维护和修复工作期间叠加指令来指导用户，突出关键区域和组件，显示适当的工具，并指示如何使用它们来完成工作的每个阶段。[10]通过在书面或多媒体形式的操作指令和需要完成的任务之间转换，用户可以获得更大的关注，而不会因为信息过多或分配的时间过长而导致认知过载。因此，增强现实为教育工作者以前所未有的方式提供“完美定位的基础”的机会。在课堂上使用增强现实一再被证明可以提高学生的学习动机。重要的是，它也被证明有助于展示学生的学习成果。此外，增强现实系统的使用对一些学生的学习态度产生了大而积极的影响，有助于他们认识到他们的学习与日常生活的相关性。[10]在教育中，AR被认为是更有效的，尤其是在关于看不见的物体和情境，显示危险的情况，实现抽象概念和呈现复杂信息时。[18]如LearnAR资源中心为生物、物理、语言、英语、数学和宗教教育提供了10种基于标记的增强现实学习体验包。Fetchlunchrush通过向学生提问并要求他们找到一个具有正确答案的增强现实标记来帮助他们培养基础数学技能。Zooburst通过让学生上传的照片、文本和音频以增强现实的形式出现在图像标记上，支持学生开发3D数字故事。通过将语言翻译叠加在符号和文档之上，Wordlens可以用来构建语言学习框架。语音翻译可以在30多种语言之间进行语音翻译，这意味着学生可以练习单词的翻译和发音。此外，AR还应用于自然科学（化学、物理、生物、占星术等）、计算机与信息科学、数学、工程（机械、电气、生物医学等）和人道主义科学（历史、语言、人类学等）。[15]尽管AR为教育做出了重要贡献，但仍有一些问题需要克服。在这种情况下，最重要的问题是AR应用程序的应用和生成内容的困难。尤其是开发3D对象需要技术知识，许多学生和教师对使用AR存在偏见。[11]另外，由于光照、输出、显示质量等外部因素的影响，使得该技术难以有效地应用于教育领域。另一方面，也存在一些与学生和学习过程有关的问题。使用AR的学生可能需要同时面临大量的知识。这种情况导致了高水平的认知负荷。此外，使用AR应用程序的学生还有可能必须使用多个设备。这个问题要求学生具备空间定向能力、解决问题能力和技术干预能力。[12]撇开AR带来的一些技术和教学问题不谈，AR在教育应用方面的潜力吸引了这一领域的研究人员。增强现实技术可以支持的一些教学方法包括以下几点。建构主义学习———通过使用增强现实，鼓励学生通过使用信息覆盖更深入地学习正在研究的任务、概念和资源，学生可以在他们的知识库中建立深入而持久的联系。情境学习———通过在现实世界环境中嵌入教育体验并将现实世界带入课堂，实现真实和情境化学习。[13]基于游戏的学习———增强现实系统可用于通过创建数字叙述，让学生发挥作用，提供真实资源和嵌入情境相关信息来促进基于沉浸式游戏的学习。使用增强现实系统将现实世界转化为游戏的体验环境，往往可以使技能转移到现实应用中变得更加简单和容易。[13]探究式学习———提供电子收集数据以供将来分析的手段，并提供位于现实世界中易于操纵的虚拟模型，AR通过提供与被调查主题相关的信息来支持查询。[14]基于设计学习的建构主义的教学范式主张学生在主动创造真实对象时，最大限度地发展对自己世界的理解。设计学习已经被证明可以改善学生的学习效果。例如，使用基于设计的学习方法的科学课程可以提高学生的学习成绩，增加学生学习科学的愿望。[14]使用先进的视频技术进行设计可以提高学生对特定主题和领域认知技能的理解。基于设计的学习不仅改进了对概念的理解，还提高了学生在实践领域追求职业的动机。而情境学习理论视角的核心是相信学习是嵌入在特定的物理和文化环境中、由其决定并与之不可分割的。分析的单位既不是个人也不是环境，而是两者之间的关系，正如学生的参与程度所显示的。从这个角度来看，学习和认知都被理解为沿着实践社区的轨迹的进步，也被理解为身份的持续转变。通过参与学校活动，学生们塑造了培养他们作为学习者身份的参与模式，包括他们参与学习的方式和对自己学习能力的信念。作为一种轨迹，身份不是一个人一次性拥有的对象：它是随着时间的推移而定义、演进的，并且有自己的发展势头。身份是赋予人们参与的各种参与形式的具有灵活性、连续性的东西（见图2）。[14]为了促进增强现实技术与教学方式结合的成功，内维尔（2010）提出教师需要对主题领域有深入的了解，并有能力营造一个协作式的工作室学习环境。同样关键的是，学生希望并有能力从广泛的教学方法中进行选择，以使学生的学习从经验的形式转向更概念性和分析性的形式。

技术给学习环境带来了好处。增强现实技术目前处于新兴技术的前沿。随着它的不断开发和改进，可用的体验将变得更加复杂、更容易获得，并影响到更广泛的用户。增强现实不会很快消失，而且它一直在快速增长。应用程序每天都在继续开发，未来的选择似乎已经成熟。尽管AR设备和应用程序的开发者仍然面临着挑战，但在未来几年，这些技术将在我们的教育中扮演更重要的角色。AR对于提高学生的学习水平有很大的希望，但我们才刚刚开始了解这种新兴技术的有效教学设计。在AR研究的早期阶段，其最重要的功能是创造融合了数字和物理对象的沉浸式混合现实环境的独特能力，从而促进批判性思维、解决问题和通过相互依赖的协作练习进行沟通等过程技能的发展。综上所述，由此产生的数字/物理混合环境的初步结果是有希望的，我们需要进一步探索如何最好地利用这种可用性。

作者:莫灿 单位:广州航海学院