李 蕊

(天津市和平区新华职工大学，天津 300070)

一、增强现实技术概述

(一)增强现实技术的概念

增强现实(Augmented Reality，简称 AR)的概念，正式提出于1990年，是一种实时计算摄影机影像位置及角度并加上相应图像的技术，它通过电脑技术，将虚拟的信息应用到真实世界，使真实的环境和虚拟的物体在屏幕上实时地叠加到了同一个画面或空间，同时实现了虚拟世界和现实世界的互动。

虚拟现实技术虽然也可以建立虚拟环境，但必须依靠头盔或眼镜来体验虚拟世界景象，主要强调沉浸体验，但场景完全由软件制作，不能与现实中的场景合理融合，而增强现实技术是在虚拟现实技术基础上发展起来的一种新兴技术，观察者看到的所有影像和信息基于现实影像进行搭建，可以很好地融合虚拟物体与真实环境，实现了虚实结合、实时交互和三维注册等技术特点。

(二)增强现实技术的特点

与虚拟现实技术相比，由于增强现实技术建模数量少、数据量低，因此对硬件要求较低，但对用户来说，并不是降低了感官体验真实感，反而由于虚拟物体与现实环境合理叠加，增强了用户体验感觉和视觉冲击力。

在虚实结合方面，增强现实技术借助计算机图形图像技术、全息投影技术等，在真实的环境中嵌入虚拟对象，再通过显示设备向用户呈现虚实结合的场景。

在实时交互方面，增强现实技术借助人机交互技术，将虚拟出的对象与现实环境中的使用者实现人机交互，使用户实现真实的沉浸感，增强现实构建的虚拟对象不是独立在场景外的单独个体，而是根据用户的活动环境设定的物体，让交互变得更加人性化。

在三维注册方面，增强现实技术通过GPS定位系统，实时向计算机提供虚拟对象在真实场景中的位置数据信息，确保虚拟对象能实时在显示器上显示正确的位置，保证用户在使用时虚拟对象与现实环境一起改变，避免用户在体验中产生错觉和不真实感。

由于增强现实技术的特点，应用领域越来越广泛，目前市场上软硬件产品也层出不穷，主要涉及领域有医疗、教育、设计、移动设备应用、展会体验等，主要硬件设备有头戴显示器、谷歌眼镜、智能移动终端、增强现实投影仪等。

二、增强现实技术在教学中的应用

(一)增强现实技术在教学中的优势

1.真实环境与三维展示相结合，形象直观生动。信息时代的课堂教学，知识和技能的传授除了依靠传统的文字信息外，还利用了各种新型媒体技术，如图片、声音、动画、视频等形式。但对于学生认知较为复杂的问题，或实际生活中不能直观表现问题时，很难用文字描述来解决，这时增强现实技术就有了用武之地。采用增强现实技术可以呈现三维立体效果的物体，使知识立体化，能形象直观地描述和呈现学科知识，能够为学生提供多种感官的刺激，学习者可以在三维空间里去认识去理解知识点，与传统教学相比，图像呈现更加立体、直观生动。同时，增强现实技术可以将虚拟信息和真实环境信息相结合的特点，使学习者可以在真是情境中体验虚拟操作，更加贴近学生生活，使虚拟课堂更具说服力。

2.沉浸式的实时交互体验，提高学生学习兴趣。传统的学习方式是通过多次反复让学生背诵或操作练习，来完成重难点的学习，学生对学习没有兴趣，学完的知识也很容易遗忘。增强现实技术具有多种感官一体化的感知效果，尤其是可以营造环境的沉浸感，以及支持学习者与物理环境中的虚拟对象进行自然的交互。这样可以使学习者与对象实时互动，实现学习的个性化，提升学习的专注度、参与度和趣味性，学生可以跨越时空界限、身临其境般在书海里遨游，让书本中的内容可触摸、互动和感知。这种新颖学习方式和丰富多彩的学习内容能够提升课堂教学的效率，特别是提高了学生的认知能力，以及对知识和技能深层次理解的能力。

3.泛在学习环境，有利于教育资源均衡公平。十九大报告中指出：“推动城乡义务教育一体化发展，高度重视农村义务教育，办好学前教育、特殊教育和网络教育，普及高中阶段教育，努力让每个孩子都能享有公平而有质量的教育”。 虽然政府和教育主管部门都在加大教育投资力度，扔不能解决目前教育欠发达地区的软硬件配置和整体教育资源落后的问题。而增强现实技术却能缓解目前教育资源配置不均的问题，利用互联网或移动终端，可以建立课内、课外的泛在学习环境，教师开发的优质增强现实环境或虚拟现实软件直接发布在网络上，或通过手机APP终端供学生使用，这样将增强现实技术实现的真实世界的图像信息存入数据库，学习者在非课堂的环境中，通过图像扫描，可以在真实的环境中查看更多相关信息、知识，就能够随时随地的学习，使优质教育资源不再受限于时间和空间，让乡村学校的学生也能享受到最优的资源，缩小城乡差距，实现教育公平。

4.虚拟场景节约实训成本，符合绿色发展理念。随着绿色发展理念的提出，很多操作类的实验环境急需改进，特别是医药类、理化类等实验较多的学科，或者是电气焊、数控机床、模具制造等需要耗材的学科中，实验环境的污染严重，不符合绿色发展的理念。利用增强现实技术建立的各种虚拟实验室可以创建无限接近真实操作场所的虚拟演示教学环境，既可以节省实验仪器设备，还可以节约耗材，避免环境的污染。同时，虚拟环境也可以保证每个学生都能进行练习，也可以反复练习，这样就解决了目前由于实训设备价格昂贵造成的“僧多粥少”的问题，使每个同学都能进行实践操作，达到教学目标的要求，实现了教学效果。

(二)教学中的实际应用

1.在技能训练和精细操作训练中的应用。在职业教育和职业培训中，技能操作类课程占比较大，但由于操作场地和耗材成本的限制，造成很多实操训练课程不能大面积开展，而基于可穿戴增强现实设备的仿真操作系统能够在很大程度上解决这一问题，尤其针对实践操作技巧的教学目标设计的课程。比如焊接操作、钣金操作、喷漆操作等机械制造类相关的训练，或输液、手术等医学类训练等。由于这类操作受场地、耗材和训练对象的限制较大，而且存在一定的危险性，教师在实践课时也不敢让学生轻易进行设备的使用，以往只能部分技能掌握相对熟练的学生参与到实践中。通过增强现实仿真系统的使用，一套设备可以多人多次进行训练，训练时学生之间也可以互相提示，提高了学习效率，也增强了学生团队合作意识。在实际训练中还可以根据岗位要求和行业规范标准，在软件中设定触发点，一旦出现偏差立即提示操作者，使学生建立规范操作的意识，促进技能操作的熟练掌握。教师可以根据学生操作的错误率，调整训练内容，实现个性化教学，也有利于教师及时掌控教学进度。

这种可穿戴增强现实设备虽然实训效果较好，但价格也比较昂贵，使用时也受相关软件限制，应用面比较有限，一些基础课不适用于此类设备。

2.在通识教育和认知能力提高课程中的应用。随着移动终端的普及和性能的提升，很多增强现实系统在移动设备上也被广泛使用。以移动设备为基础的增强现实系统具有成本低、软件开发范围广、实现互联网实时交互等特点，多应用于通识教育和认知能力提高的课程中。一种应用是以图像为基础的增强现实技术，主要以识别二维码或图像信息为主。比如在课堂中的增强现实课本，可以在原有纸质课本的基础上，利用互联网和移动设备将图像或多媒体资源补充在课本中，比如通过对图片或文字的扫描，在移动设备上呈现3D模型或更加丰富的知识扩展，帮助学生学习基础知识和一些难于理解的理论知识。教师也可以根据学生的学习情况设置思考题或设计讨论话题，实现课堂互动和探究式学习。再比如，在课外活动中的各类参观，可利用以增强现实技术提高课外活动的学习效率。像在实际参观中由于缺少详细的知识讲解，学生不能学到更多的知识，可以利用增强现实技术，通过移动终端扫描二维码来获取更多资源，学生在参观中自主学习，特别是对自己感兴趣的问题有针对性的学习，有助于学生构建适合自我的学习体系，也可以节省讲解的人力物力。

另一种应用是以GPS定位为基础的增强现实技术，主要是通过GPS定位后将学习信息叠加到移动设备为主。比如构建学习情境等。

以建构主义为指导的信息化学习，特别强调学习情境的构建，以往教学中都是通过多媒体设备构建场景，真实性较差。通过增强现实技术，可以根据课程内容创设学习情境、搭建学习任务的脚手架，比如在安全教育中的灾难求生训练，就可以通过增强现实技术构建不同的灾难环境，然后给出各种求生选择，由学生根据生活经验进行求生训练，一旦错误也可以模拟求生失败，这样教师根据学生的成绩和错误点，有针对性的进行正确求生知识的讲解，学生记忆更加深刻，构建的真实环境也能提高学生的安全求生意识。

(三)教学中存在问题

增强现实技术在教学中的应用为信息化教学的实施提供了新的硬件支撑，有助新型教学模式的推广，可以激发学生学习兴趣，实现受教育者的教育公平，符合当前泛在学习的教育理念，但仍然存在多方面的问题，也制约了增强现实技术的应用。

1.软硬件设备问题阻碍教学使用。目前的增强现实设备由于研发成本高，价格居高不下，不能在教学中广泛推广，每个学校只能配备几台设备供学生体验使用，即使学校大量投资，也只能建立一到两个体验中心，各专业学生共同使用，因此不能达到大规模的普及和推广。 同时，由于大部分设备不能做到完全还原真实场景，用户佩戴头盔时会出现眩晕、帧延迟、感光效果不好等问题。虽然，增强现实系统努力降低了眩晕等问题，但由于GPS系统技术还不成熟，造成了虚拟物体在真实场景中定位不准确，使用起来不稳定等问题，多路设备的集成和软硬件的不匹配，也导致了整体兼容性较差，给教学带来了不便。在移动终端高速发展的今天，增强现实技术还不能很好的与智能手机等移动终端有机结合，智能依赖PC的支持，也阻碍了技术的广泛应用。

在软件开发方面，如何将新型传感应用、物理建模方法、高速图形图像处理、人工智能、三维建模等技术与大数据与人工智能技术合理融合也是未来各个企业需要深入研究的。

2.资源与实际教学融合不够深入。由于增强现实技术在教学中的应用刚刚起步，与课程相关的教学资源不能满足实际教学的需要，虽然目前有很多科技企业开始开发各类增强现实资源，但主要以演示、展示或游戏娱乐项目为主，真正在教育领域中的应用少之又少。目前大部分的增强现实教育资源和系统平台，大多是基于3D视频或虚拟游戏改造后的教学资源，实际应用中能够起到活跃课堂气氛、促进小组互动、实现了沉浸式学习体验的效果，但只注重了教学形式的改变而忽略了教学内容的提升，造成学生愉快的学习了一节课，老师教学中的知识点和重难点并没有得到解决，没有达到要求的教学效果。还有一些增强现实技术开发的软件平台，开发者并不是教学使用者，在使用中教师不能根据教学需要更改教学内容，只能按照开发者构思好的内容进行讲解，灵活度不够，不能满足学生个性化学习的需要。因此在实际教学中，增强现实技术目前只能作为一种辅助手段，没能起到促进教学的作用。

四、总结

综上所述，增强现实技术在教育中的应用还不成熟，虽然在拓展学习形式上开发了新思路，展现了强大的功能，但也存在着软件开发欠缺、实际应用面窄、不能与学科建设和实际教学深度融合等缺点。因此，在未来发展上，软件开发者还应更好地与学校、教师沟通，实现软硬件与课程教学相结合，真正为教学服务。同时，随着人工智能、大数据等科技逐渐走进教育范畴，增强现实技术也应与之相结合，共同发展，更广泛地应用于课堂教学，为信息化教学提供支持，为教育现代化、信息化建设开辟新途径。