增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在非正式學(xué)習(xí)空間中的應(yīng)用探討

程彤　汪存友

摘 要：學(xué)習(xí)空間即學(xué)習(xí)發(fā)生的場所，隨著知識經(jīng)濟(jì)時(shí)代的發(fā)展，非正式學(xué)習(xí)空間相對于正式學(xué)習(xí)空間具有更加廣泛的應(yīng)用。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是在虛擬現(xiàn)實(shí)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新興技術(shù)，它為非正式學(xué)習(xí)空間的學(xué)習(xí)提供了技術(shù)支持。從非正式學(xué)習(xí)空間與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的內(nèi)涵出發(fā)，探討將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于非正式學(xué)習(xí)空間的現(xiàn)狀、特點(diǎn)與優(yōu)勢，并提出其未來的發(fā)展方向。

關(guān)鍵字：非正式學(xué)習(xí)空間；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；互動；沉浸

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1673-8454（2015）22-0083-03

計(jì)算機(jī)和互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展加快了人類知識更新的速度，知識更新周期變得越來越短，傳統(tǒng)校園的課堂學(xué)習(xí)已經(jīng)無法滿足互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代對知識快速更新的要求，人們開始借助互聯(lián)網(wǎng)等技術(shù)滿足其對于知識的渴求，開始尋找一種適合在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)展開學(xué)習(xí)的方式，進(jìn)而一個新的概念隨之產(chǎn)生，即非正式學(xué)習(xí)空間。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能夠擺脫教室這一正式學(xué)習(xí)空間對學(xué)習(xí)者的束縛，為學(xué)習(xí)者在非正式學(xué)習(xí)空間中開展學(xué)習(xí)活動提供技術(shù)支持。

一、非正式學(xué)習(xí)空間

學(xué)習(xí)空間即學(xué)習(xí)發(fā)生的場所。非正式學(xué)習(xí)空間是相對于正式學(xué)習(xí)空間而言的，傳統(tǒng)的正式學(xué)習(xí)空間主要以接受正規(guī)學(xué)校教育或繼續(xù)教育中的教室課堂為主，而非正式學(xué)習(xí)空間可以是工作、生活或社交中，在任何時(shí)間、從事非正式學(xué)習(xí)的任何空間，如戶外、博物館、咖啡館等等。正式學(xué)習(xí)與非正式學(xué)習(xí)最重要的區(qū)別在于正式學(xué)習(xí)是由外界發(fā)起、組織的，而非正式學(xué)習(xí)是由學(xué)習(xí)者自我發(fā)起、自我調(diào)控、自我負(fù)責(zé)的學(xué)習(xí)。[1]因此，非正式學(xué)習(xí)空間更加強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)空間對學(xué)習(xí)者的吸引力，以及學(xué)習(xí)空間能否更好地激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動機(jī)，能否為學(xué)習(xí)者提供更多促進(jìn)其開展自主學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)環(huán)境。

二、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡稱AR）技術(shù)誕生于20世紀(jì)60年代，它是在虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，簡稱VR）的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新興技術(shù)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)比虛擬現(xiàn)實(shí)更加接近于現(xiàn)實(shí)。虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)建了一個完全虛擬的、與現(xiàn)實(shí)割裂的世界。無論在場景還是物體方面，虛擬現(xiàn)實(shí)創(chuàng)建的都是虛擬的內(nèi)容，而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)將虛擬的信息疊加到現(xiàn)實(shí)世界中，創(chuàng)建了一個虛實(shí)結(jié)合的世界。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)中，場景中的某些部分是存在于現(xiàn)實(shí)中的。就目前來說，AR技術(shù)較多應(yīng)用于商業(yè)領(lǐng)域，尤其是在廣告和市場營銷方面吸引著消費(fèi)者的眼球。此外，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在軍事領(lǐng)域、工業(yè)領(lǐng)域、醫(yī)療領(lǐng)域、歷史文化領(lǐng)域、紙媒行業(yè)和娛樂領(lǐng)域均有不同程度的應(yīng)用。隨著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的不斷發(fā)展，教育領(lǐng)域的一些專家和研究人員也開始逐漸嘗試將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)引入教學(xué)領(lǐng)域，探索增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)對于學(xué)習(xí)的作用。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的定義目前還沒有統(tǒng)一，目前較公認(rèn)的是在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域具有較大影響力的Azuma提出的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的三大特點(diǎn)，即虛實(shí)結(jié)合、實(shí)時(shí)交互與三維配準(zhǔn)[2]。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)創(chuàng)設(shè)的場景中，虛擬物體以三維立體形式呈現(xiàn)。通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，用戶能夠真實(shí)地體驗(yàn)到疊加到真實(shí)環(huán)境中的虛擬信息，如圖片、文字、聲音、視頻和動畫等等。同時(shí)，用戶能夠在真實(shí)的環(huán)境中與虛擬的三維物體進(jìn)行互動。筆者認(rèn)為，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是在計(jì)算機(jī)的顯示與交互、網(wǎng)絡(luò)的跟蹤與定位等技術(shù)的基礎(chǔ)上，將計(jì)算機(jī)形成的虛擬信息疊加到現(xiàn)實(shí)中的真實(shí)場景，對現(xiàn)實(shí)世界進(jìn)行了補(bǔ)充，使人們在視覺、聽覺、觸覺等方面增強(qiáng)對現(xiàn)實(shí)世界的體驗(yàn)。

三、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在非正式學(xué)習(xí)空間中的應(yīng)用

隨著知識經(jīng)濟(jì)時(shí)代對于人們終身學(xué)習(xí)的要求，非正式學(xué)習(xí)在人們學(xué)習(xí)中所占的比重越來越大，自主學(xué)習(xí)的方式和場所也越來越多樣化。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為學(xué)生在非正式學(xué)習(xí)空間進(jìn)行自主學(xué)習(xí)提供了一種很好的方式。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在非正式學(xué)習(xí)空間中的應(yīng)用可以從多角度進(jìn)行分析。從開發(fā)機(jī)構(gòu)的角度可以分為專業(yè)教育機(jī)構(gòu)和一般商業(yè)機(jī)構(gòu)，從學(xué)習(xí)者的受教育階段的角度可以分為K12、職業(yè)教育和高等教育等階段，從產(chǎn)品提供的主要用途的角度可以分為立體顯示、指引操控、教育游戲等，從是否需要借助網(wǎng)絡(luò)環(huán)境可以分為單機(jī)版應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)版應(yīng)用，從增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)使用的載體角度可以分為基于頭戴設(shè)備與基于手持設(shè)備（平板電腦、智能手機(jī)）等。

1.從開發(fā)機(jī)構(gòu)角度分析

最早涉足于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究的專業(yè)教育機(jī)構(gòu)是美國的哈佛大學(xué)，Ivan Sutherland 教授發(fā)明的光學(xué)透明頭盔顯示器標(biāo)志著增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的誕生。目前，從事增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用程序研究的專業(yè)教育機(jī)構(gòu)，除了哈佛大學(xué)外，還有哥倫比亞大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形與用戶界面實(shí)驗(yàn)室、威斯康星大學(xué)麥迪遜分校教育學(xué)院、美國加州大學(xué)Davis分校、麻省理工大學(xué)、哥倫比亞大學(xué)、加拿大多倫多大學(xué)等等。在國內(nèi)，北京理工大學(xué)是較早從事增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)研究的科研院所之一，此外還有北京航空航天大學(xué)、北京郵電大學(xué)、浙江大學(xué)、武漢大學(xué)、上海大學(xué)和華南理工大學(xué)等。總體來看，國外教育機(jī)構(gòu)相比國內(nèi)來說，在技術(shù)和應(yīng)用研究方面都更勝一籌。

在商業(yè)領(lǐng)域，德國Metaio集團(tuán)是全球增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)行業(yè)的領(lǐng)軍者。該公司在技能培訓(xùn)方面開發(fā)了AR互動說明書，為用戶提供轎車的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)使用說明書。英國Augmatic公司開發(fā)了一系列以顯示3D模型為主、可應(yīng)用于多學(xué)科的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)演示工具，為學(xué)生提供交互式和獨(dú)立的自主學(xué)習(xí)體驗(yàn)。[3]新加坡的MXR Corporation Pte Ltd開發(fā)了名為wIzQubes的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教育游戲，主要用于給兒童講故事，對兒童產(chǎn)生了很強(qiáng)的吸引力。[4]與專業(yè)教育機(jī)構(gòu)相比，商業(yè)公司對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究更加深入，研究產(chǎn)品也更多。

2.從學(xué)習(xí)者的受教育階段的角度分析

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在教育方面的應(yīng)用從學(xué)習(xí)者受教育階段的角度分析，可以分為面向K12階段的學(xué)生、面向職業(yè)教育階段的學(xué)生和面向高等教育階段的學(xué)生。

（1）面向K12階段學(xué)生的教育應(yīng)用

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子書與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教育游戲的使用者以K12階段的學(xué)生為主。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子書將數(shù)字化的內(nèi)容融入到真實(shí)場景中，豐富了知識的表現(xiàn)形式，增強(qiáng)了閱讀的趣味性，使學(xué)習(xí)對于K12階段的學(xué)生來說變得更加容易。如《東京新聞》開發(fā)了一款A(yù)R News應(yīng)用程序，用于輔助孩子們進(jìn)行課外閱讀。當(dāng)孩子們用手機(jī)掃描特定的文章時(shí)，手機(jī)屏幕上會出現(xiàn)動畫效果，同時(shí)伴有卡通人物為孩子朗讀新聞內(nèi)容。[5] 開發(fā)者通過這種方式將枯燥無味的新聞內(nèi)容變得生動有趣，極大地提高了孩子們的閱讀興趣，同時(shí)，孩子們可以隨時(shí)隨地地閱讀新聞，在很大程度上為孩子們開展課外閱讀活動提供了方便。教育游戲能夠?yàn)閷W(xué)生提供輕松自由的學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)生在寬松的學(xué)習(xí)氛圍中獲得思想的啟迪和能力的培養(yǎng)。[6]Juan， Alem and Cano（2011）呈現(xiàn)了一款名為ARGreenet的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教育游戲，旨在提高人們對于循環(huán)重要性的認(rèn)識以及如何做到循環(huán)回收利用。在研究過程中，就循環(huán)這一主題，38個8到13歲的被試孩子使用不同順序體驗(yàn)ARGreenet和普通移動手機(jī)游戲。研究數(shù)據(jù)表明，與普通移動手機(jī)游戲相比，69.4%的被試孩子更喜歡ARGreenet增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)游戲，他們認(rèn)為ARGreenet游戲在操作性、吸引力和樂趣方面更勝一籌。[7] 該增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)游戲能夠提供更具吸引力的學(xué)習(xí)空間，寓教于樂地促進(jìn)游戲者對于知識的理解。

（2）面向職業(yè)教育和高等教育的教育應(yīng)用

職業(yè)教育和高等教育階段更加注重實(shí)踐教學(xué)對于學(xué)習(xí)者的重要性。采用AR技術(shù)開展的實(shí)踐教學(xué)活動為學(xué)習(xí)者提供了虛實(shí)結(jié)合的學(xué)習(xí)空間，使學(xué)習(xí)者真正參與到實(shí)踐活動當(dāng)中，體現(xiàn)了著名實(shí)用主義教育家杜威“做中學(xué)”的教學(xué)思想。如哥倫比亞大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形與用戶界面實(shí)驗(yàn)室研發(fā)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)維修系統(tǒng)（Augmented Reality for Maintenance and Repair， ARMAR）用來輔助新兵學(xué)習(xí)，士兵在實(shí)踐學(xué)習(xí)場所佩戴上數(shù)據(jù)眼鏡后，能夠通過數(shù)據(jù)內(nèi)容的指導(dǎo)在實(shí)際操作過程中快速掌握裝甲車的維護(hù)等技能。[8]李青、張遼東（2013）等人開展了基于“微波技術(shù)與天線”課程的移動探究性實(shí)踐學(xué)習(xí)活動，使用實(shí)驗(yàn)研究、問卷調(diào)查和深度訪談的研究方法，證明了基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的移動學(xué)習(xí)方式受到大部分學(xué)生的歡迎，能夠提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，并且對教學(xué)效果有正向促進(jìn)作用。[9]

四、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于非正式學(xué)習(xí)空間的特點(diǎn)

1.虛實(shí)結(jié)合的學(xué)習(xí)場景

與使用傳統(tǒng)教學(xué)材料不同的是，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)采用計(jì)算機(jī)技術(shù)將數(shù)字化的學(xué)習(xí)資源融入真實(shí)的學(xué)習(xí)場景中，豐富了學(xué)習(xí)材料的表現(xiàn)形式，營造了虛實(shí)結(jié)合的學(xué)習(xí)空間。如增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子書將抽象的、難以理解的學(xué)習(xí)內(nèi)容通過生動具體的3D立體圖像或動畫展示出來，為讀者提供更加直接的、具體的閱讀體驗(yàn)，激發(fā)了讀者的閱讀興趣。另外，在技能培訓(xùn)中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為實(shí)踐教學(xué)提供了虛實(shí)結(jié)合的場景，通過其較強(qiáng)的交互性，為培訓(xùn)人員提供了實(shí)地的、及時(shí)的操作引導(dǎo)。如哥倫比亞大學(xué)計(jì)算機(jī)圖形與用戶界面實(shí)驗(yàn)室研發(fā)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)維修系統(tǒng)也通過計(jì)算機(jī)技術(shù)增強(qiáng)了現(xiàn)實(shí)環(huán)境。

2.游戲化泛在學(xué)習(xí)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教育游戲?yàn)槭褂谜咛峁┝溯p松自由的學(xué)習(xí)環(huán)境，虛實(shí)結(jié)合的場景為使用者帶來更多方面的感官體驗(yàn)，很大程度上激發(fā)了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，寓教于樂地滿足了學(xué)習(xí)者泛在學(xué)習(xí)的需求。如Mitchlehan Media LLC公司開發(fā)的AR Flashcards-Animal Alphabet榮獲2013年最佳移動APP榮譽(yù)，這是一款輔助小孩子學(xué)習(xí)字母的教育游戲，當(dāng)孩子用攝像頭對準(zhǔn)打印的flashcard的時(shí)候，漂亮的3D動物將會在屏幕上彈出，點(diǎn)擊動物將能夠聽到字母發(fā)音和動物名稱，通過聲音和3D模型的結(jié)合，極大地吸引了孩子們的學(xué)習(xí)興趣。[10] 2014年P(guān)BS Kids公司開發(fā)了Fetch！Lunch Rush移動APP教育游戲，寓教于樂地訓(xùn)練兒童解決算術(shù)結(jié)果為1到10的數(shù)學(xué)運(yùn)算能力。這款應(yīng)用程序能讓學(xué)生將標(biāo)記貼在任何地方，同時(shí)使用大腦和身體來參與游戲，解放對學(xué)生學(xué)習(xí)空間的限制，并且對于運(yùn)算結(jié)果有語音提示。[11]增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教育游戲相對于傳統(tǒng)游戲具有更強(qiáng)的交互性與沉浸性。

3.移動化學(xué)習(xí)

隨著知識經(jīng)濟(jì)時(shí)代的快速發(fā)展，人們迫切需要擺脫時(shí)間和空間對學(xué)習(xí)的限制，需要進(jìn)行隨時(shí)隨地自主化的學(xué)習(xí)，移動學(xué)習(xí)恰恰能夠滿足人們對個性化學(xué)習(xí)的需求。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在運(yùn)行平臺方面從成本高昂的桌面計(jì)算機(jī)或工作站逐漸轉(zhuǎn)向成本較低的移動平臺，在顯示設(shè)備方面從頭戴顯示器、立體眼鏡逐漸轉(zhuǎn)向平板電腦或手機(jī)等移動終端，用戶逐漸擺脫設(shè)備對使用環(huán)境的限制，開始能夠走向室外體驗(yàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)所帶來的樂趣。[5] 因此，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)為人們進(jìn)行移動化學(xué)習(xí)提供了技術(shù)支持。同時(shí)，高普及度和便攜性的移動設(shè)備為人們進(jìn)行移動學(xué)習(xí)提供了設(shè)備支持，基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的移動APP為人們進(jìn)行移動學(xué)習(xí)提供了必要的學(xué)習(xí)資源。如Metio公司為奧迪公司開發(fā)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)互動說明書，能夠幫助用戶在汽車駕駛艙中隨時(shí)了解汽車駕駛艙的內(nèi)部按鍵和指示燈的功能，當(dāng)使用者啟動手機(jī)APP應(yīng)用程序后，將攝像頭對準(zhǔn)駕駛艙中的部件，與之匹配的注釋信息將出現(xiàn)在手機(jī)屏幕中，以此來幫助用戶更好地了解駕駛艙。[12]

四、結(jié)束語

將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于非正式學(xué)習(xí)空間具有一定的優(yōu)勢。首先，3D立體顯示具有豐富的表現(xiàn)力，能夠形象直觀地顯示教育內(nèi)容，使學(xué)習(xí)者在理解一些抽象的幾何和化學(xué)模型等方面變得容易；其次，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有更強(qiáng)的交互性，能夠使學(xué)習(xí)者在接近真實(shí)的環(huán)境中實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”；再次，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于非正式學(xué)習(xí)空間能夠促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行探究式的自主學(xué)習(xí)?；谠鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教育應(yīng)用能夠極大地引起學(xué)生的興趣，使學(xué)生能夠更加投入地沉浸在自主式探究學(xué)習(xí)活動中。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)借助于無線網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，滿足了學(xué)習(xí)者在任何時(shí)間、任何地點(diǎn)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)的需求。

未來，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)將結(jié)合當(dāng)前迅速發(fā)展的云計(jì)算和云存儲等技術(shù)繼續(xù)向前發(fā)展。期待更多更好的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)產(chǎn)品應(yīng)用于教育領(lǐng)域，促進(jìn)我國教育信息化的進(jìn)一步發(fā)展。

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（編輯：魯利瑞）