教育教学增强现实技术实践
摘要：增强现实作为一种新型媒体，尚未得到广泛普及。介绍了增强现实的概念，分析了增强现实技术被融合到教育中的优势，对增强现实技术与教育之间的融合进行展望，指出研究增强现实在教育教学中的应用，不仅能提升教育的发展，更能够提高增强现实应用的广泛性，这也是教育信息化环境下迫切可行的。
关键词：增强现实；教育教学
在信息化科技日新月异的大环境下，年轻的学习者可以学习更多更复杂抽象的知识，而不仅仅是早期教育中一些浅易的基础性知识，因此传统教育已经跟不上学习者认知理解的步伐。幸运的是，一些新技术的出现，提高了学习者对复杂思维概念的理解，同时为学习者进行一些通常环境下难以实现的实验提供了机会。笔者以探析增强现实技术在教育教学中的应用为宗旨，介绍了增强现实的相关概念，以让读者对增强现实有一个初步的认识。描述了增强现实技术被融合到教育中将会为教师和学习者带来的优势。从理论支持方面呈现了增强现实技术如何能够应用于教育教学当中。预测了增强现实技术应用在教育教学中将会面临的挑战。并对全文做了总结，并对增强现实技术与教育之间的融合进行了展望。目的在于希望增强现实技术能够改善提高传统教学，同时希望能为增强现实技术在教育教学中的应用提供些许意见。增强现实涉及到多种计算机运作技术，一般是通过移动技术，以增强物理位置和多个带有数字信息的对象。数字信息可以具有各种形式，包括文本，音频，视频，网页内容和３Ｄ建模。增强现实是虚拟现实技术的延伸，增强现实不同于虚拟现实，因为它不是用合成环境代替真实的世界。虚拟现实的连续性描述了不同类型的现实如何相互关联。在这个连续性上，增强现实是位于居间的现实区域，即在物理环境和一个完全的虚拟环境之间。居间的现实包括位置更靠近物理现实的增强现实和更靠近虚拟环境的增强虚拟性［１］。增强现实应用程序可以在现实世界中叠加虚拟影像，引导给用户新的使用标志信息或是通过桌面摄像头和实时处理来看见几何形状，而更贴近生活的是地理定位、地理标签入口和用交互式打印的产品。增强现实技术提供模拟托管场地和数字信息。正如新媒体联盟地平线项目报告中指出，虽然到目前为止增强现实最普遍的用途是消费领域，如市场营销、社会参与、娱乐或基于位置的信息，但是新用途似乎每天都在出现，而且创建这些新应用的工具甚至都变得更容易使用［２］。
１增强现实技术融合在教育中的优势
增强现实技术已经在诸如医学、军事训练、工程设计、机器人及远程机器人学、制造维护和修理、消费设计及，娱乐等多个领域得到了发展。综合增强现实在上述领域中的应用，分析概括出增强现实所特有的优势，并将这些有利优势融合到教育中，对教育信息化和智慧教育的展开都将会有很大的帮助。
１．１增强现实加强了学习者对知识的感知
增强现实技术能够将合成的感觉信息融合进用户对真实世界的感知中，当把增强现实技术应用到教育中，就可将原本教育课程中无法呈现不可抵达的真实世界，或者是仅仅存在于教师和学习者想象中的微观世界用三维动画模拟的方式生动形象地展现在教师和学生面前，使教师和学生方便地对其中的事物进行细致入微地观察，探索事物的本质和规律［３］。增强现实加强了教师和学习者对真实环境的交互体验和对知识本体的感知，并从多方位，多角度刺激了学习者的学习。图１中，为增强现实技术在历史课程中的应用，教师可以在历史课堂中利用多重接触增强现实系统设备来提高教学过程的质量。在历史课堂中学生们会有很多问题，如找到地图或是图像类的视觉数据和他们的空间或是时间上的关系，并把这些关系读入文本等问题，教师通过展示不同地图之间被联系在一起的进而帮助学生解决问题，第一个多重接触增强现实系统展示设备给学生呈现了实际的历史地图，第二个设备运用３Ｄ模型呈现给学生丰富多彩的仿真内容，最终形象化的图像内容如图１所示。图２、图３为增强现实技术在实际应用中的例子，图中给出了托波尔恰尼城堡废墟形象化的可视图片，其中包含了该城堡的基本有价值的东西。
１．２对于特殊专业具有高的应用价值
增强现实对于在实践中学习或者操作具有危险性的专业而言，具有很强的实用价值。如高等教育中的核工程专业中有一些课程，存在教师难以教授、学生又难以理解的问题，因为教师难以将抽象的理论知识呈现给学生，只能用语言为学生讲解，学生在单调乏味的环境难以吸收同化枯燥的理论，加之核工程辐射力非常强具有很大的危险性，学生无法到真实场景中去实践感知，增强现实技术的出现将极大地弥补这样的不足，增强现实技术可以为师生提供逼真形象的学习情境，即使不去到真正的核工程现场，也能够让学生在几近真实的情境中有效学习。
１．３增加了学习者之间的互动
增强现实加强了真实世界，让学习者在虚拟与现实结合的环境中真正地投入到学习当中进行了互动和有意义学习。如在天文学方面，增强现实的优势也非常显著。运用增强现实技术，教师可以方便地表达几何形体的变化以及在空间中的关系，而学生在这种虚实融合的立体环境中更容易地掌握复杂的空间概念。
２增强现实应用在教育教学中的理论支持
２．１认知主义理论对增强现实的支持
认知学习理论认为，人类的学习是经验的重组，是认知结构的获得和建构过程，强调有机体与环境的交互作用通过同化与顺应的过程取得与环境的平衡。同时人的认识不是由外界刺激直接给予的，而是外界刺激和认知主体内部心理相互作用的结果。学习过程的实质是个体与环境的相互作用中，认知结构的不断建构过程。认知主义学习理论的教学观是：为学生提供一种对自身进行认知加工的特定情境和特殊过程，从而在促进学生认知结构的形成过程中推动学生的认知发展。教师创设的学习情境能否激发学习兴趣。促进学生主动学习是教学活动的关键点之一，而基于增强现实技术能够创设良好的学习情境。因此，将增强现实应用到教育中须从学生的认知心理出发，注重学生的具体经验和对情景的理解，使得学习者的新旧知识之间的同化顺利完成，建构起自身的认知结构，促进认知发展。
２．２建构主义学习理论对增强现实的支持
建构主义是增强现实技术应用在教育领域中最有力的理论支持。建构主义认为，知识不是通过教师传授得到的，而是学习者在一定的情境即社会文化背景下，借助其他人的帮助，利用必要的学习资料，通过意义建构的方式而获得的。由于学习是在一定的情境即社会文化背景下，借助其他人的帮助即通过人际间的协作活动而实现的意义建构过程，因此建构主义学习理论认为情境、协作、会话和意义建构是学习环境中的四大属性。增强现实为教育课程所创设的情境、协作、会话和意义建构与建构主义的四大属性进行了完美的对接，在应用增强现实的教育课堂中，多媒体技术是创设真实情景的有效工具，与增强现实技术相结合后则能产生身临其境的逼真效果。超越时空和地域的协作学习将会成为增强现实学习的一种模式。增强现实的意义建构能促进学生自觉、主动去实现教师的教学目标，教师和外界环境的作用都是为了帮助和促进学生更好地学，建构主义学习理论使得增强现实技术应用到教育中更加有理可依。
３增强现实技术在教育教学领域应用中面临的挑战
３．１教师习惯用熟练的教学方法而不愿尝试新方法
知识的传递，是教师和学生共同学习和交流的一个过程，在这个过程中教师所扮演的角色是主导者，帮助者和传授者。但有一些知识是需要传递的，需要教师的讲述，而教师在知识讲述的过程中，习惯用自己熟知的手段和方法。有位学者说：每一次新技术的出现都不会一帆风顺的，由此，如果必须让教师们融合增强现实技术在教育教学中，教师们可能会出现不会上课的现象，因为多少年来他们已经有了一套独特的直观经验和教学方法，让他们快速改变方式，就需要重构教学体系，而这些经验丰富的教师们多数都对技术的使用不够熟练，重构教学体系过程花费很长时间和较大精力。这也是增强现实技术在教育领域应用中，教师会遇到的一个极大挑战。
３．２增强现实作为新型技术应用到教育中，其转变过程会遇到困难
增强现实作为一种新型技术，在其刚开始出现的时候，除了在考古损毁遗迹的复原展示和文物保护上有所使用，在其他领域使用得非常少，在教育中的应用更是罕见。加之人们在运用新技术学习时，会产生很多来自环境和人为的障碍、易受外在增强现实技术形式的干扰，而忽视教学内容本身的学习等问题都说明，增强现实技术被应用到教育教学领域的初期会遇到一些困难，需要教育工作者和技术工作者预先设计出针对可能出现的问题的应对方案和策略，以确保增强现实技术更好地促进教师的教和学生的学，让可预想到的问题得到最大化地解决。
４结语
信息化时代，科学技术在迅速发展，增强现实更是发展的如火如荼，综合增强现实技术在不同领域的应用，站在教育的视角下冷静思考增强现实与教育教学的结合，不难发现，今后要解决的是把增强现实技术转化为可以真正上手的教育教学工具，才能将理想的状态变为教育现实。变革需要经历一段时间，如ＰＰＴ其实在２０年前ｏｆｆｉｃｅ软件刚出来的时候就有了，但几十年后才成为现在课堂中讲课工具，所以一项新技术起初出现时，用的人很少，甚至会受到质疑，增强现实也是一样。未来，基于增强现实技术自身的特点，其在教育中的应用，将较多地体现在教育游戏和ｅ－Ｌｅａｒｎｉｎｇ的学习中，增强现实将能够为教育游戏提供３Ｄ虚拟世界和３Ｄ虚拟环境，对于ｅ－Ｌｅａｒｎｉｎｇ而言，增强现实技术将可以让学习者在增强现实的学习空间中进行更高效的学习。
参考文献：
［１］ＪＯＬＡＮＤＡ－ＰＩＥＴＡＶＡＮＡＲＮＨＥＭ，ＪＥＲＲＹＭ．ＳＰＩＬＬＥＲ．Ｕｓｉｎｇａｕｇｍｅｎｔｅｄｒｅａｌｉｔｙａｓａｄｉｓｃｏｖｅｒｙｔｏｏｌ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔ－ｔｐ：／／ｄｘ．ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．５７０３／１２８８２８４３１５３２８．
［２］ＮＭＣＨＯＲＩＺＯＮＰＲＯＪＥＣＴ．ＮＭＣｈｏｒｉｚｏｎｐｒｏｊｅｃｔｐｒｅｖｉｅｗ：２０１３ｍｕｓｅｕｍｅｄｉｔｉｏｎ［ＥＢ／ＯＬ］．ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｎｍｃ．ｏｒｇ／ｐｄｆ／２０１３－ｈｏｒｉｚｏｎ－ｍｕｓｅｕｍ－ｐｒｅｖｉｅｗ．ｐｄｆ．
［３］ＭＡＴＥＪＮＯＶＯＴＮＹ，ＪＮＬＡＣＫＯ，ＭＡＲＴＩＮＳＡＭＵＥＬPＫ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｍｕｌｔｉ－ｔｏｕｃｈａｕｇｍｅｎｔｅｄｒｅａｌｉｔｙｓｙｓｔｅｍｉｎｅｄｕ－ｃａｔｉｏｎａｎｄｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎｏｆｖｉｒｔｕａｌｈｅｒｉｔａｇｅ［Ｊ］．ＰｒｏｃｅｄｉａＣｏｍ－ｐｕｔｅｒＳｃｉｅｎｃｅ，２０１３（２５）．
［４］罗明东，和学仁，李志平，等．教育技术学基础［Ｍ］．北京：科学出版社，２００７．
［５］曹利敏．浅议虚拟现实与教学的融合［Ｊ］．中等职业教育，２００８（１０）．
作者：于丹１ 齐明艳２ 单位：１．东北师范大学计算机科学与信息技术学院 ２．长春市养正高级中学
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