發布時間：2021-03-12所屬分類：教育職稱論文瀏覽：1次
摘 要： [摘要]增強現實因其獨特的技術特點，近年來頗受關注，在教育領域也不例外。通過綜述增強現實技術教育應用研究的基礎，進而分析了其在教育中的應用價值和技術優勢，著重從增強教學效果、拓展學習空間兩個維度，對增強現實技術的教育應用展開了論述。 [關鍵詞]
[摘要]“增強現實”因其獨特的技術特點，近年來頗受關注，在教育領域也不例外。通過綜述增強現實技術教育應用研究的基礎，進而分析了其在教育中的應用價值和技術優勢，著重從增強教學效果、拓展學習空間兩個維度，對增強現實技術的教育應用展開了論述。
[關鍵詞]增強現實;智慧學習環境;教學模式;電子書;移動學習;教育游戲
一、引言
近年來，增強現實技術進入了公眾視野，受到許多不同領域人們的普遍關注。所謂增強現實(AugmentedReality,簡稱AR)，是指通過電腦技術，將虛擬的信息應用到真實世界，真實的環境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個畫面或空間而同時存在[1]。增強現實技術通過虛實信息疊加，對實時的視頻圖像進行信息處理和傳輸，形成三維交互式的立體畫面
，給用戶以全新的體驗與感受。因其相對于傳統技術手段的獨特“增強”優勢，增強現實技術發展前景廣闊。增強現實技術出現后，在許多領域有了不同程度地運用，主要應用于工程設計、軍事訓練、娛樂、醫學等領域。直到近年來，隨著增強現實技術的不斷發展，才有一些開發者和教育學者開始嘗試將增強現實技術運用到教育領域。
二、增強現實技術在教育中的應用研究綜述
(一)國外研究現狀
雖然增強現實技術應用于教育領域不久，但國外已經做了大量的實踐研究。總體來看，國外關于增強現實的教育應用集中于以下幾個方面：(1)將增強現實技術融入課堂教學。如：Shelton和Hedley采用增強現實技術進行了九大行星的教學實驗[2];Kaufmann教授采用一個名為Construct3D的增強現實工具進行空間幾何教學[3];Dünser與Horneker以寓言故事作為內容，來觀察5-7歲的兒童如何利用增強現實進行互動與合作學習[4];ElSayed等人設計了一款增強現實學生卡片(ARSC)[5]。(2)將增強現實技術應用于圖書。如：BillingHurst，Poupyrev等，研制開發的MagicBook，利用增強現實技術將圖書內容以動畫形式呈現。[6](3)將增強現實技術應用于游戲和娛樂學習。如：新加坡MXRCorporationPteLtd公司推出的娛教產品wIzQubes;HyeSunLee和JongWeonLee利用增強現實設計了一個教育游戲，用以幫助幼兒園和小學生掌握加法知識[7];OriInbar開發了一款手機增強現實游戲，兒童可以利用iPhone實現隨時隨地學習拼寫[8]。
(二)國內的研究現狀
高等科研院校是我國研究增強現實技術應用的主力軍，相比于國外，研究尚處于初級層次，大多數研究還停留在算法實現階段,研究增強現實技術的具體應用比較少，研究其在教育領域中的應用則更少，但也出現了一批研究成果。如：北京師范大學現代教育研究所蔡蘇等人在介紹增強現實技術特點的基礎上，探討了增強現實技術對教學的意義和價值，對增強現實的教育應用前景作出了展望，并利用增強現實技術研究制作了一些教學案例，并將這些案例集成在“未來之書”上[9];張寶運，惲如偉分析了增強現實技術的教學應用需求和應用優勢,并嘗試將增強現實技術應用于物理教學[10];李婷分析了增強現實技術的特點，探討了其在移動學習中的應用[11];徐媛根據增強現實所具備的性能和已有的研究成果，探討了其在教學中的應用領域[12];張洪波對增強現實技術教學應用的研究較為全面：探討了技術原理，設計了增強現實技術支持的教學模型，開發了教學應用案例[13];蘇俊欽將增強現實應用于兒童學習注音符號，輔助兒童進行有效的學習[14]，等等。
相關期刊推薦：《中國遠程教育雜志》創刊于1981年，為教育行政部門、普通高校、成人高校、各類教育機構、企業和中小學開展現代遠程教育提供政策信息、理論信息、技術信息、產業信息、市場信息，在我國構建終身教育體系，推動教育現代化進程中發揮宣傳作用。設有：卷首，本刊特稿，學術論壇，開放學習，實踐探索，基礎教育，技術應用，遠教廣角等欄目。
從以上國內外的研究現狀來看，總體而言，增強現實技術在教育中的應用尚處于起步階段，研究大多是單一研究，缺乏系統的闡述。從時間上看，國外的研究比國內要早了幾年，研究的內容也已經從算法技術本身轉移到具體的應用上，主要表現為增強現實輔助課堂教學和教育游戲的形式，而國內當前的研究還集中在計算機科學中的算法實現和優化階段，增強現實教學產品還不多見。
三、“增強現實”教育應用價值與技術優勢
戴爾曾指出，由于缺乏具體經驗的支撐，學生在學習過程中只是記住一些概念和普通的法則，而沒有真正領會這些概念和法則，這是教育的最大失敗。究其原因，不難發現，這與學習者使用的學習材料和學習方式有關。由于學習者使用的學習材料以文字符號等抽象內容為主，學習者需要有豐富的現實生活經驗，再憑借自身的抽象思維和學習遷移能力才能較好地掌握學習的內容，這對學生來說，無疑是困難的。因為缺乏現實生活經驗，加上抽象思維和學習遷移能力較弱，結果只能是強記一些概念，而無法真正領會。增強現實技術的出現無疑給戴爾指出的失敗的教育帶來了曙光。增強現實技術可應用于教育領域，比如增強現實電子書，通過對較難理解的抽象知識的“增強”，學習者便可以很容易地獲取抽象知識的直接經驗，從而降低了學習的難度，消除了傳統學習材料的弊端，使學習變得更輕松有趣。
相較于目前被廣泛應用于教育領域的多媒體技術，增強現實技術有著獨特的優勢。雖然，多媒體能快速、有效地表達和傳遞知識，并且能提供多種感官刺激來吸引學生的注意力，從而提高教學的效率，但其也存在難以表達知識的完整性、僅能強化視聽效果而缺乏深入互動、缺少情境沉浸性等缺點。而增強現實技術則很好地彌補了以往多媒體教學的缺陷，為教育教學活動帶來新的契機，為學習者提供了一種新型的學習工具。正如Billinghurst所指出的那樣，增強現實作為教具有以下獨特的優點：(1)增強現實技術可以讓學習者在虛擬和真實的兩種環境中方便地進行互動;(2)利用增強現實技術可以創新教學策略，學生即使沒有電腦的經驗，也可以通過增強現實技術進行互動學習;(3)增強現實技術可以改變學習者面對靜態學習內容的傳統學習方式，全身性沉浸于學習內容之中。[15]KaufmannH.也認為，模擬情境和學習效果成正比，基于AR的教學可以使學生保持較高的學習熱情，從而提高學習的效率，節約學習的時間。[16]另外，增強現實除了可以增強沉浸感，實現深入互動外，還能有效促進學習者的空間理解能力，增加學習者對復雜空間中概念及其相對關系的理解。Chih-HsiangKo等的研究表明：從學生的反饋來看，基于AR的模型可以更多地激發學生的思維，增強交流與互動，易于理解空間問題。[17]
更加具體一點來說，增強現實在教育應用中的技術優勢主要有：(1)教學內容展示形象直觀。增強現實技術的信息呈現能力，能形象直觀地描述和呈現教學內容，通過全方位的感官刺激，吸引學習者的注意力，提高學習動機。(2)模擬教學實驗，節約成本，減少污染，便于管理。實驗是教學的重要環節，實驗對學生掌握知識和研究方法，以及創新精神的培養等，都具有十分重要的作用。利用增強現實技術模擬各種教學實驗可以節約真實實驗所帶來的高額成本，并能取得與真實實驗十分接近的效果。特別是理科，尤其像物理、化學、生物等試驗設備十分昂貴，真實實驗又面臨環境污染和實驗人員的安全問題。另外，利用增強現實技術還能解決試驗設備管理上的不便。(3)有助于發展學生的多種能力。基于增強現實技術營造的學習環境空間現實感很強，可以全景呈現虛實疊加的信息，給學習者以強烈的全方位的刺激，從而可以極大地激發學習者的身體機能，促使多元智能的發展。
四、增強現實技術教育應用的理論基礎
一項新技術應用到教育領域，除了考慮技術本身的因素外，更要放到教育理論的框架下來審視，要有相關學習理論和教育理論作支撐，指導教育的實踐，從而保障技術應用效果的最大化，避免誤入歧途。
(一)沉浸理論
早期沉浸理論指出，挑戰(challenge)與技巧(skill)是影響沉浸的主要因素。若挑戰太高，使用者對環境會缺少控制能力，而產生焦慮或挫折感;反之，挑戰太低，使用者會覺得無聊而失去興趣。沉浸狀態主要發生在兩者平衡的情況下(Csikszentmihalyi,1975)。
1985年，米蘭大學的馬西米尼和卡里對“挑戰”與“技能”的關系進行了梳理，得到八種組合，只有當高挑戰同時輔之以高技能時，人才進入并維持一種沉浸狀態，他們并把這種狀態稱之為“心流”(flow)。“心流”是由于全神貫注投入而更好地完成任務的一種心理狀態，達到沉浸體驗需要一定的條件：(1)操作者的技能與任務挑戰之間達到平衡;(2)操作者全神貫注投入;(3)操作者有明確的任務目標;(4)操作者不斷地得到直接迅速的反饋;(5)操作者能控制任務的進程。
增強現實以其獨特的技術優勢，能讓學習者在學習進程中，拋開周圍工具的干擾，集中注意力，全身心投入于學習內容之中，從而進入忘我(沉浸)狀態。沉浸理論所揭示的“挑戰—技能”之間的復雜關系以及達到沉浸狀態所需的一般條件，對研究基于增強現實技術的學習環境下，如何適當、合理地利用這種關系，創造沉浸條件，從而使得學習者進入沉浸學習狀態，提供了切實的理論指導。
(二)情境認知學習理論
情境認知學習理論認為,真實的活動和情景是知識的來源，情境是一切認知活動的基礎，認知過程的本質是由情境決定的[18]，而且，知識只有在運用的過程中才能被完全理解。因此，人們要想真正理解知識的內涵，并靈活、正確地應用，必須在豐富的社會真實情境中去認知。真實的活動應當成為學習的中心，學習要在一定的情境中發生才能有效。知—行是交互的，知識是情境化的，知識是活動、背景和文化的一部分，并通過活動，在豐富的情境中不斷地得到應用和發展。情境學習強調在情境中學習知識和掌握技能，內容、背景、實踐共同體以及參與是情境學習的四個基本要素。
增強現實與情境學習具有天然的契合性，通過增強現實技術很容易創設學習的情境，學生在學習的過程中，能切實體驗到學習的內容與現實生活的內在關聯。從一種情境到另一種情境，也即遷移能力，是一個非常重要的技能，增強實可以促進遷移能力的提高。
五、增強現實技術在教育中的應用
歷史實踐證明，信息技術的每一項進步，都對教育產生巨大影響。信息技術對教育發展具有革命性的影響[19]，信息技術的深度應用將帶動教育從目標、內容、模式到方法的全面變革。作為一項新興的技術，增強現實的教育價值日益凸顯，將增強現實技術應用到教育領域，必將給教育注入新的生機與活力：一方面，將增強現實技術應用于日常教學，將帶來教學領域的變革，增強教學效果;另一方面，利用增強現實技術可以拓展學習的空間，豐富學習的形式和體驗。
(一)創設智慧學習環境，提升教學效果
近年來，“智慧”一次炙手可熱。在教育領域，智慧教室、智慧教學等概念紛紛被提起。在學習環境方面，有學者在數字化學習環境的基礎上，提出了智慧學習環境的概念。所謂智慧學習環境，北師大黃榮懷教授將其定義為：“智慧學習環境是一種能感知學習情景、識別學習者特征、提供合適的學習資源與便利的互動工具、自動記錄學習過程和評測學習成果，以促進學習者有效學習的學習場所或活動空間[20]。”黃教授同時指出，智慧學習環境的重要特征，是應能實現物理空間和虛擬空間的無縫銜接，提供適應學習者個性特征的學習支持和服務。由此可見，智慧學習環境要求較強的對物理空間的感知、監控和調節能力，這恰恰與增強現實技術的特點相吻合。增強現實技術作為一種高效的互動工具和其虛實無縫融合的特點，在智慧學習環境的構建中將大有可為。
實際上，作為一種有效的學習環境，智慧學習環境除了具有感知、識別、支持、反饋等智慧性功能外，它還應當具有情境性。因為，只有在情境中，有效學習才能真正發生。怎樣創設學習情境?希拉里·麥克萊倫認為，依據情境學習的模式，知識必須在情境中才能學到，那么，情境就可以是：真實的工作場景;高度的真實，或真實的工作環境的“虛擬”的代用品;一種可停留的環境，如影像或多媒體程序。由此可見，創設教學情境可以有幾種途徑，第一種途徑，即提供真實的學習情境，這種途徑固然最好，但操作難度較大，容易受到現實條件的種種制約而無法實施。在現代信息技術的支撐下，采用第二種途徑無疑是行之有效的辦法。特別是增強現實技術的出現，將仿真環境的真實程度提高到了前所未有的高度，其創設的教學情境與真實環境的吻合度非常之高，并且允許學習者實時交互和開展任務協作。實際上，增強現實技術產生之前，虛擬現實等技術業已給情境認知與學習提供了十分強大的支持，而增強現實技術的出現，則給情境認知與學習提供了更為豐富的支持。正如前文所述，增強現實技術與情境學習具有天然的匹配性，利用增強現實技術可以方便地創設逼真的學習情境，讓學習者沉浸學習活動之中，從而提高學習的效率。國內外的一些教學案例也證明了這一點，如：歐盟資助的iTactus項目，它利用增強現實技術輔助歷史教學，通過增強現實技術的疊加，將死氣沉沉的歷史內容活靈活現地展現在學習者的面前，極大地調動了學習者積極性，提升了學習的效果;VRLAB的Lifeplus11項目也是通過增強現實技術實現歷史教學的一個典型案例，用戶通過重返近兩千年前的意大利龐碚古城，了解古城的人物情境，真切體驗羅馬帝國的歷史文化;再如，考慮到小學生的認知能力有限，在學習地球自傳、公轉現象時難以理解的情況，教育部教學儀器研究所的雷靜，利用增強現實技術創建了一個地球自轉、公轉的虛實結合的場景，學生如身臨其境，原本抽象的概念直觀地呈現在眼前，大大地激發了學習興趣，提高了學習效率。
(二)革新教學模式，優化課堂教學
1.革新教學模式
信息技術的不斷發展及其在教學中的普遍應用，已經使得傳統的教學模式發生了根本性的變革，而增強現實技術的出現，憑借其鮮明的特色和技術優勢，必將推進教學模式的進一步變革。傳統的教學模式中，教學活動的要素是教師、學生、教材。這種模式下，教師是教學的主體，學生被動地接受知識。多媒體技術支持下的教學模式中，教師、學生、教材、媒體等要素之間的關系是以學生為中心、教師為主導。在整個教學過程中，學生是教學活動的主體，教師扮演著組織者、指導者、幫助者的角色，利用多媒體創設的學習環境充分發揮學生的積極性、主動性，最終達到使學生掌握學習內容的目的。在這種教學模式下，教學活動進程的結構形式較之于傳統的教學模式發生了翻天覆地的變化，學生的主體地位凸顯出來，教學更加注重交互。學生的主體地位雖然在這種教學模式下得到了普遍的重視，但在這種結構框架下，學生的能動性發揮有限，主體地位和交互層次都不能達到應然的要求。而增強現實技術的出現，不僅豐富了交互的媒體、深化了交互的深度，還更加強化了學生在教學活動中的主體地位。在增強現實技術創設的學習環境中，學生自由地徜徉在知識的海洋中，可以自己決定學習路線，自行決定學習節奏，真正做到自己是學習的主人。同時，增強現實技術由于支持學習過程中的情境學習和深度互動，從而可以讓學習者在“做中學”，有助于學生知識、經驗的獲取與建構。在這種活動結構下，教育者可以通過呈現豐富的媒體信息刺激學習者的感官，激發學習者的學習動機;可以通過設定多重任務，引導學習者的學習逐步走向深化;通過合作交流、及時反饋等環節確保學生的學習高效的進行。
隨著經濟社會的發展，人們的生活和交往方式發生了巨大的變化，新生代學生的學習偏好也與以前有了很大的不同。當前的學生不再習慣于傳統的課堂接受學習模式，擅長非線性處理信息，偏愛多重任務，喜歡主動探究學習而非被動接受學習。而增強現實技術恰恰迎合了新生代學生的這一學習需求和特點，在教學應用中有著廣闊的前景。增強現實應用于教學領域，知識的構建順序發生了改變，學習過程呈現出非線性、主體性、交互性、合作性及學習結果的及時評價和反饋。據此，我們將基于增強現實的教學模式概括為非線性主動交互式教學模式(見圖1)。——論文作者：胡智標
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