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摘要：在工業4.0的未來，數字化越來越日常化，技術將是互動、學習和獲取知識的重要組成部分。教育和職業、生活等各個領域將會迎來新的要求和新的挑戰，那么我們的高等教育也將應與之相適應。增強現實（AR）技術是人們好奇的新技術之一，AR在未來將為教育提供重要的貢獻。文章從增強現實的概念、軟硬件應用程序、現有教育中的應用來分析增強現實在高等教育中的融合應用。

關鍵詞：增強現實；教育技術；多媒體技術；互動學習教育

當工業4.0的發展帶來了新的技術機遇時，數字化對日常生活的影響就越來越大，因為技術是互動、學習和獲取知識的重要組成部分。工業4.0，也被稱為未來的工廠，意味著大部分的流程和產品都是數字化和自動化的。因為這是基于數字智能，交叉連接的系統，它允許自由組織生產：人，機器，系統，物流和產品直接在工業4.0中進行溝通和合作。[1]因此，工作流程和內容、員工的能力以及教育培訓也將發生變化。人與技術之間出現了新的合作形式，從而為教育和職業生活等各個領域帶來了新的要求和挑戰。[2]由于流程變得更為復雜，相互關聯和數字化的程度也在不斷提高，對員工的特定要求將會增加。目前和未來，終身學習、跨學科思考能力以及IT發展的能力正逐漸成為員工的基本要求，以確保在職人員的就業能力，而不僅僅是技術導向的職業。隨著網絡化和數字化的發展，我們需要新的教育方式，使未來的員工能夠靈活應對數字化工作環境的新挑戰和新要求。以技術為導向的教育焦點，通過理論知識的傳遞和實踐經驗的反思及問題導向的應用，在教育的各個領域獲得了越來越多的重視。同時，由于計算機技術的進步，“媒體是否影響學習？”的問題已經轉變為：“技術教育將如何改變？”[3]當一種新技術應用于教育時，人們想知道這種新技術是否能使現有的教學環境變得更好。人們好奇的新技術之一便是增強現實（AR）技術。然而，AR的教育潛力最近被調查認為，AR在未來將為教育提供重要的貢獻。也有人認為在未來數字數據、虛擬和增強現實應用將覆蓋我們的整個生活。[4]因為這項技術重要的特點是“新”和“有趣”，教師和學生在教育中使用時應該都會引起興趣。因此，重要的是要了解AR技術是什么、如何使用它、它具有什么樣的技術基礎設施以及它在教育上提供了哪些好處。

一、增強現實的概念

增強現實被定義為一種將現實世界與虛擬對象相結合的技術，它提供了真實和虛擬對象之間的交互。[5]也就是說，將預先確定的目標點捕獲并與虛擬對象連接，利用AR技術通過程序對結果進行解釋。由于AR中包含虛擬對象，因此有必要將AR與虛擬現實（virtualreality，VR）的概念區分開來。對象在AR中實時顯示，在環境中顯示，VR中的對象在虛擬環境中顯示。基于這一特性，增強現實可以被認為是在真實環境和虛擬環境之間的“現實-虛擬連續體”。[6]增強現實是“混合現實”的類型，即數字內容注入到真實的環境，而不是增強虛擬，現實的內容被移植到一個虛擬環境中（參見圖1）。同時，AR在虛擬世界和現實世界之間架起一座橋梁也很重要。此外，有三個重要的特征使AR能夠區別于其他技術。[7]即：（1）結合虛擬和真實的對象，（2）提供實時交互，（3）現有的3D對象。增強現實是一種越來越受歡迎的技術，可用于臺式機和筆記本電腦，便攜式設備和智能手機。AR開發的應用程序允許分別使用虛擬3D對象、文本、2D圖像、視頻和動畫，它們也提供相同的用途。[8]因此，用戶可以自然地與事件、對象和信息進行交互。與虛擬現實一樣，增強現實通過融入娛樂場所而成為主流。許多人沒有意識到，分析人員在體育賽事期間在屏幕上畫畫或實時顯示圖形，是增強現實的一種形式。這些技術已經得到改進，今天仍然在使用。增強現實可以通過將計算機圖形疊加到圖像上來實現，這比虛擬現實更容易創建，因此也更容易操作。由于這種可操作性，開發人員使用最新的技術來創建增強現實的路徑。

二、增強現實的軟硬件程序

到目前為止所討論的設備都與嚴格的虛擬現實有關；然而，有一些混合現實產品也可用。混合現實設備能夠同時使用虛擬和增強現實應用程序。無論是通過全息圖、外部攝像機，還是其他一些方法實現的，這些設備都可以通用，而且對于探索和在教育中使用都非常有用。增強現實系統的基本硬件要求包括以下幾點。攝像機捕捉實時圖像；虛擬對象的強大存儲空間；功能強大的處理器，可以復合虛擬和真實對象，或實時顯示3D模擬環境；允許用戶與真實和虛擬對象進行交互的界面。雖然這些都是運行增強現實系統的基本要求，但為了增強用戶的整體體驗，可能會使用其他技術。例如：GPS技術，允許系統考慮用戶的實際位置，確保在重要的地理位置上為用戶提供與情境相關的虛擬數據。圖像識別軟件，使現實世界的圖像和對象作為多媒體和模型疊加的“觸發器”，并將虛擬數據錨定在環境中。揚聲器和音響系統，可以播放相關的聲音和錄音。Internet訪問，提供使用社交媒體和Web2.0技術存儲，檢索和共享內容的方法。直觀的界面，觸摸屏，陀螺儀和觸覺輸入技術的進步提供了更自然的方式來與虛擬對象進行交互和操作。增強現實系統所使用的復雜軟件和大量硬件設備也被許多其他技術所利用，然而，增強現實的區別能力是以情境相關的方式將虛擬對象無縫合成到真實環境中。由于這種獨特的功能，一些學者預測增強現實將成為21世紀的基本用戶界面。創建AR應用程序需要特殊的軟件。除了在電腦和便攜設備上有所不同外，它們也因使用者使用創作工具的水平和編程知識的不同而有所不同。通過查找到的文獻，AR技術分為基于標記和無標記的應用以及基于圖像和基于位置的應用，該技術使用了多種監控系統，如頭戴式顯示器、手持顯示器和空間投影顯示器；每個系統在真實性方面可能的不同之事實引起了人們的注意；此外，文獻中還分析了移動設備、pc機以及內容創作中使用的軟件；研究人員將現有軟件分為需要/不需要的低水平/高水平編程知識，軟件包括ARToolkit、DART、ComposAR、BuildAR、Studierstube、FlashLite、DaqriAr-media、MixARZooBurst、FLARtoolk-it、MRToolkit、Junaio、Metaio、Aurasma和Layar。[1]

三、增強現實在教育中的應用及教學方法

有研究表明，在教育中使用技術工具為增加個人之間的互動和娛樂性學習提供了新的機會，也使學習過程更加活躍、有效和有意義。[8]AR技術在教育領域引起了人們的關注，因為它可以與虛擬和真實的對象進行交互，通過經驗進行學習，增加注意力和動機。增強現實的一個關鍵的教學支持是能夠重新調整虛擬物體，從分子到行星，讓學生更好地理解那些因太小或太大而無法在正常的日常生活有效地檢查的物體的屬性和關系。[8]雖然其他技術會具備相同的功能，但其在增強現實系統中縮放為用戶提供空間和時間概念的清晰表示，以及虛擬對象和現實環境之間的情境關系的額外有其獨到的優勢。[9]另一個關鍵的教學啟示是覆蓋情境相關信息的能力。這是通過在真實對象上觸發和錨定虛擬數據來實現的。例如，增強現實系統可以通過在維護和修復工作期間疊加指令來指導用戶，突出關鍵區域和組件，顯示適當的工具，并指示如何使用它們來完成工作的每個階段。[10]通過在書面或多媒體形式的操作指令和需要完成的任務之間轉換，用戶可以獲得更大的關注，而不會因為信息過多或分配的時間過長而導致認知過載。因此，增強現實為教育工作者以前所未有的方式提供“完美定位的基礎”的機會。在課堂上使用增強現實一再被證明可以提高學生的學習動機。重要的是，它也被證明有助于展示學生的學習成果。此外，增強現實系統的使用對一些學生的學習態度產生了大而積極的影響，有助于他們認識到他們的學習與日常生活的相關性。[10]在教育中，AR被認為是更有效的，尤其是在關于看不見的物體和情境，顯示危險的情況，實現抽象概念和呈現復雜信息時。[18]如LearnAR資源中心為生物、物理、語言、英語、數學和宗教教育提供了10種基于標記的增強現實學習體驗包。Fetchlunchrush通過向學生提問并要求他們找到一個具有正確答案的增強現實標記來幫助他們培養基礎數學技能。Zooburst通過讓學生上傳的照片、文本和音頻以增強現實的形式出現在圖像標記上，支持學生開發3D數字故事。通過將語言翻譯疊加在符號和文檔之上，Wordlens可以用來構建語言學習框架。語音翻譯可以在30多種語言之間進行語音翻譯，這意味著學生可以練習單詞的翻譯和發音。此外，AR還應用于自然科學（化學、物理、生物、占星術等）、計算機與信息科學、數學、工程（機械、電氣、生物醫學等）和人道主義科學（歷史、語言、人類學等）。[15]盡管AR為教育做出了重要貢獻，但仍有一些問題需要克服。在這種情況下，最重要的問題是AR應用程序的應用和生成內容的困難。尤其是開發3D對象需要技術知識，許多學生和教師對使用AR存在偏見。[11]另外，由于光照、輸出、顯示質量等外部因素的影響，使得該技術難以有效地應用于教育領域。另一方面，也存在一些與學生和學習過程有關的問題。使用AR的學生可能需要同時面臨大量的知識。這種情況導致了高水平的認知負荷。此外，使用AR應用程序的學生還有可能必須使用多個設備。這個問題要求學生具備空間定向能力、解決問題能力和技術干預能力。[12]撇開AR帶來的一些技術和教學問題不談，AR在教育應用方面的潛力吸引了這一領域的研究人員。增強現實技術可以支持的一些教學方法包括以下幾點。建構主義學習———通過使用增強現實，鼓勵學生通過使用信息覆蓋更深入地學習正在研究的任務、概念和資源，學生可以在他們的知識庫中建立深入而持久的聯系。情境學習———通過在現實世界環境中嵌入教育體驗并將現實世界帶入課堂，實現真實和情境化學習。[13]基于游戲的學習———增強現實系統可用于通過創建數字敘述，讓學生發揮作用，提供真實資源和嵌入情境相關信息來促進基于沉浸式游戲的學習。使用增強現實系統將現實世界轉化為游戲的體驗環境，往往可以使技能轉移到現實應用中變得更加簡單和容易。[13]探究式學習———提供電子收集數據以供將來分析的手段，并提供位于現實世界中易于操縱的虛擬模型，AR通過提供與被調查主題相關的信息來支持查詢。[14]基于設計學習的建構主義的教學范式主張學生在主動創造真實對象時，最大限度地發展對自己世界的理解。設計學習已經被證明可以改善學生的學習效果。例如，使用基于設計的學習方法的科學課程可以提高學生的學習成績，增加學生學習科學的愿望。[14]使用先進的視頻技術進行設計可以提高學生對特定主題和領域認知技能的理解。基于設計的學習不僅改進了對概念的理解，還提高了學生在實踐領域追求職業的動機。而情境學習理論視角的核心是相信學習是嵌入在特定的物理和文化環境中、由其決定并與之不可分割的。分析的單位既不是個人也不是環境，而是兩者之間的關系，正如學生的參與程度所顯示的。從這個角度來看，學習和認知都被理解為沿著實踐社區的軌跡的進步，也被理解為身份的持續轉變。通過參與學校活動，學生們塑造了培養他們作為學習者身份的參與模式，包括他們參與學習的方式和對自己學習能力的信念。作為一種軌跡，身份不是一個人一次性擁有的對象：它是隨著時間的推移而定義、演進的，并且有自己的發展勢頭。身份是賦予人們參與的各種參與形式的具有靈活性、連續性的東西（見圖2）。[14]為了促進增強現實技術與教學方式結合的成功，內維爾（2010）提出教師需要對主題領域有深入的了解，并有能力營造一個協作式的工作室學習環境。同樣關鍵的是，學生希望并有能力從廣泛的教學方法中進行選擇，以使學生的學習從經驗的形式轉向更概念性和分析性的形式。

技術給學習環境帶來了好處。增強現實技術目前處于新興技術的前沿。隨著它的不斷開發和改進，可用的體驗將變得更加復雜、更容易獲得，并影響到更廣泛的用戶。增強現實不會很快消失，而且它一直在快速增長。應用程序每天都在繼續開發，未來的選擇似乎已經成熟。盡管AR設備和應用程序的開發者仍然面臨著挑戰，但在未來幾年，這些技術將在我們的教育中扮演更重要的角色。AR對于提高學生的學習水平有很大的希望，但我們才剛剛開始了解這種新興技術的有效教學設計。在AR研究的早期階段，其最重要的功能是創造融合了數字和物理對象的沉浸式混合現實環境的獨特能力，從而促進批判性思維、解決問題和通過相互依賴的協作練習進行溝通等過程技能的發展。綜上所述，由此產生的數字/物理混合環境的初步結果是有希望的，我們需要進一步探索如何最好地利用這種可用性。

作者:莫燦 單位:廣州航海學院