AR技术在基础教育领域的应用探析
中图分类号：G434 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2018）12-0167-02
随着互联网技术的不断发展，一些新兴的技术越来越被人们熟知，VR（虚拟现实）技术则是这两年比较流行的。VR技术通过让用户置身于虚拟的三维空间环境中，进行人体感官的模拟操作，用户完全沉浸其中，是一种可视化的人机交互，因此也被推广在教育领域，但因其成本较高、对硬件的要求较高，无法在基础教育领域普及。北师大教育技术学院“移动学习”实验室副主任蔡苏博士表示，很多VR教育产品的学科教育与技术融合程度比较低，真正的学科教育专家、一线教师无法参与到VR教育课程、教育产品的开发设计中来，大大影响了VR教学的质量。[1]而AR（增强现实）技术的出现弥补了VR技术的不足，它将虚拟对象置于真实世界中，对其进行分析，产生有意义的探索。基于AR技术的交互手段给教育者提供了新的方式表达给学习对象，也对教育行业产生了巨大的影响。本文主要初探AR技术在基础教育领域的应用，为深入研究AR与学科教育的融合做铺垫。
1 AR技术的概念及特点
1.1 AR（增强现实）的概念
AR（增强现实）作为一种新兴技术，能够使用户在真实环境中就能看到?拟对象，并对其进行操作、旋转。目前，对AR的定义有多种。MILLGRAM定义AR技术为：是一种混合现实（Mixed Reality，MR）[2]，是客观世界的真实环境与计算机生成的虚拟环境的连续统一体。HRL实验室的Ronald Azuma把增强现实定义为：虚实融合；实时交互性；三维跟踪定位。[3]基于以上定义，AR技术并不是将虚拟世界与现实世界隔离，而是将其融合在一起，共处同一空间，使得虚拟世界的信息和现实世界的信息得到“无缝”对接，用户可以在最自然的状态下进行三维互动。可见，AR技术搭起了现实世界和虚拟世界的桥梁，让使用者在这类融合环境中自由交互。
1.2 AR技术的应用特点
增强现实包含多种技术支撑，其技术原理复杂。其中，最主要的技术是显示技术、跟踪定位技术和标定技术。[4]增强现实技术提供了在一些特殊情况下难以感知的信息，并将他们立体呈现出来。其应用特点可以概括为：
1）虚实结合。它通过传感器扫描，将其信息呈现在真实环境中，用户可以通过眼镜观看，或者使用手指点击操作，让三维物体360无死角呈现，用户还可根据当前任务或需要交互地改变其大小、形状和外观。
2）自然的实时交互。增强现实使用户处于一种虚实相结合的真实环境中，与交互对象显得更加真实自然。时间与空间的统一性，让用户体验更加真实的交互感受，这样自然的实时交互带来的是更深层次的趣味性和角色带入感。
3）实时跟踪。它是三维注册的，可根据用户在真实空间中的位置的变化做出调整，保证人、环境、虚拟信息的同步性。
4）低成本、便捷实用性。AR技术的实现具有较低的硬件要求，在网络终端、智能移动终端，人们只需安装相应的AR软件，再通过摄像头进行扫描，便可实现增强现实交互体验。用户操作简便，成本低廉，推广度大。
2 AR技术在基础教育领域的应用形式
AR技术迅猛发展，覆盖领域甚广。AR技术因其自然交互、实时性、虚实结合性等特点，既符合皮亚杰“把实验室搬到课堂中去的设想和实践”，又符合建构主义学习理论中关于“学习是一种真实情境的体验”的观点。[5]加德纳的多元智能理论认为，人有智能包括言语、数理逻辑、视觉空间等九个方面，增强现实技术所创设的情境为学习者提供了多种能力的发展可能。因此，在上述教育理论的支持下，有关AR技术的教育产品也层出不穷。本文，作者从教与学的角度，从学生的认知角度，探讨以下AR教育应用。
2.1 AR卡牌
AR卡牌通过先进的AR技术使纸质的二维卡片或者卡牌立体化呈现出来。用户使用装有相应AR软件的手机、平板电脑等智能终端中的摄像头扫描AR卡片，对应的三维模型及动画即呈现在眼前。如图1所示。
这类简单的AR教育应用更适合学前儿童或者小学低年级学生，他们的注意力和认知能力有限，通过AR技术吸引学生的注意力，对其进行翻转、缩放或者播放动画等操作，能够在现实场景中出现逼真的动物模型，对小学生来说尤其新颖，通过这些卡牌不仅能延长他们的注意力，更能培养学生的观察和探究能力。
2.2 AR图书
AR图书类似于传统图书，学习者可以使用移动设备扫描图书中的内容，一些3D动画、视频、声音就会呈现出来。他可以是针对某个知识点的讲解，可以是某个2D模型呈现为3D模型，还可以是互动游戏等等。它的出现，让书本立体化，弥补了在教科书方面的缺陷，学生犹如亲身体验一般去感受书中的内容，这对孩子的认知能力有较高的提升，也改变了学生的学习方式。例如，在解析数学题型中，一款名为“教科书AR”的app能够将书本的几何图形立体化，这不但增强学生的视觉空间能力，更利于解题。如图2所示。此外，物理课中的凸透镜成像实验。利用AR技术，将虚拟的凸透镜、蜡烛、光源置于真实的学习环境中，学生可以随意移动桌面上的纸片，探索蜡烛成像的原理。
2.3 AR教育游戏
AR游戏应用于教育教学中，有多重优势，它可以让学习者沉浸其中，身临其境的探索，基于任务的游戏，基于位置的游戏，都可以提升学习者的协作能力、问题解决等能力。例如，深圳欢乐动漫股份有限公司开发的一款AR教育游戏《蛋计划》，包括AR小故事，AR单词，用户只需下载APP软件，扫描“AR龙卡”，即可进行操作。如图3所示。此外，国内较著名的AR设计平台有幻眼科技[6]以及视+AR[7]，使用者即使不懂编程语言，也可以通过该平台设计属于自己的AR作品。未来，真正的学科教育专家、一线教师可以参与到VR教育课程、教育游戏的开发设计中来，大大提高了VR教学的质量。 3 AR对教学的启示
增强现实技术因其体现情境化教学、协作学习理论、沉浸理论和建构主义教育思想而被逐步应用于教育领域，也被越来越多的教育者所使用、开发。将AR技术用于教学，因其可视化、三维立体化特性，给学生带来视觉冲击，有利于激发学生的学习动机，发展学生的多元化智能。学生处于虚实相结合的空间中，交互更真实，带来更加沉浸式的学习体验。此外，增强现实技术的引入，使得课堂教与学的关系得到转变，学生不再是被迫的学习知识，而是主动的学习、探究，教师则起到设计者、引导者、辅助者的作用。另外，学习者可以拾起一些碎片化的时间，利用移动智能终端设备随时随地的学习，拓展了学生的学习时间和空间。教师还可以利用增强现实技术游戏开展德育活动、安全教育活动，例如卫生从我做起、消防演习等等。总之，将增强现实技术融合于课堂教学，学习者可以真正体验“做中学”“玩中学”带来的乐趣，体现其学习主体性的地位，在自主学习、互动探究、以及协作互助下完成知识的建构。
随着AR技术的不断深入研究，必定在基础教育领域产生深远的影响，同时为一线教师带来了新的教学体验。但无论是VR技术还是AR技术，它们都是一种教学手段，有其优势和局限性，我们应结合相应的教育教学理论、其他教学手段，合理的开发应用它们，同时需考虑AR过程所带来的教育经费问题。
