>教育>>正文

增强现实技术在数字化资源中的设计与应用

原标题:增强现实技术在数字化资源中的设计与应用

摘要:增强现实技术是在虚拟现实技术的基础上发展起来的一种新兴技术,它将虚拟信息叠加到真实环境中,实现虚拟对象与真实环境的结合。随着信息技术的不断发展,增强现实技术在国内、外也逐渐发展起来,《国家教育事业发展“十三五”规划》中也提到:“要全力推动信息技术与教育教学深度融合,支持各级各类学校建设智慧校园,综合利用互联网、大数据、人工智能和虚拟现实技术探索未来教育教学新模式。”信息技术与教学的深度整合,使得增强现实技术走进了校园,给互联网环境下的教学也带来了不同的体验。本文重点阐述增强现实技术如何融入数字化教学资源的设计中,利用信息技术的手段提升教育教学的质量。

一、 增强现实技术(AR)概述

(一)增强现实技术的概念

增强现实技术(Augmented Reality),简称 AR。Azuma在1997年给出的定义是:虚实结合、实时互动、三维注册。增强现实技术可将计算机形成的虚拟信息叠加到真实的现实场景中,以对现实世界进行补充,使人们在视觉、听觉、触觉等方面增强对现实世界的体验,使其能够被用户的视、听、触等器官所感知,从而达到超越现实的感官体验。增强现实技术包含多媒体、三维建模、实时视频显示及控制、多传感器融合、实时跟踪及注册、场景融合等新技术与新手段。目前,增强现实技术在工业、医疗、军事、市政、电视、游戏、展览等领域都表现出了良好的应用前景。当然,在教育领域亦是如此。利用增强现实技术可为学生呈现全息影像、虚拟实验、虚拟环境等,将知识内容以一种全新的方式呈现给学生,通过视、听、触等维度为学生创造一个自主的、互动型的学习世界。

(二)增强现实技术在教育领域的发展现状

虽然,增强现实技术的出现到发展才短短几十年,但随着信息技术、电子技术等的快速发展,特别是移动智能设备的普及,加快了增强现实技术的飞速发展,同时也促进了它在各行各业的广泛应用。

在教育领域里最早运用增强现实技术的案例是Billing Hurst制作的Magic Book。他将书本内容制作成3D场景和动画,利用AR眼镜就可以查看到书本上的三维场景,能够让学生达到更好的沉浸式学习。紧接着,Kaufmann and Schmalstieg教授,利用 Construct 3D增强现实工具进行空间几何教学,通过增强现实显示系统将简单的几何体在现实场景中呈现,将几何体的变化以及空间中相交、相切的关系直观展示出来。随后,Dünser and Hornecker、Chang, Wu and Hsu、Lin等学者也都纷纷加入研究。

在国内,蔡苏、宋倩和唐瑶等提出增强现实学习环境的架构,实现了一个增强现实概念演示书——未来之书。杨斌、高海燕探索了移动 AR在聋哑教育中的应用,指出移动 AR能改善聋哑学生的交流方式,借助增强信息可以满足交往有困难的学生的交流需要。AR在教育领域不仅应用于课堂教学,还与学科教材、启蒙教材教辅融合,将内容包装为APP,例如《妙懂初中地理》APP的上线,成功的将AR技术应用与学科教材教辅,学生利用手机就可对学科知识进行互动式学习,不仅提高了学习的趣味性,也提高了学习的效率。

目前AR在教育领域的研究已取得一定成果,如AR的使用、AR对于学生学习动机的应用研究、AR资源的成果案例研究等等。但相比其他更成熟的技术在教育中的研究,AR在教育中应用的研究还处于起步阶段,特别是职业教育领域。职业教育更侧重于对学生实践能力的培养,主要是向社会有目的、有计划的输送技术型人才,AR能较好的支持学生进行实践操练,辅助教师进行授课。同时,在保证学生实践操练安全的同时,降低了学校对于教学实践环境的创建成本。由此可见,AR在职业教育领域有着广泛的发展空间,同时对中职数字化资源的建设有着极大促进和不可替代的优势。

二、 AR在教学应用中的理论支撑

1.情景认知学习理论

情景认知理论认为学习者在创设的情境或者是特定的真实场景下习得知识并运用自身的能力和知识才能不断向前发展和完善,学习的本质就是个人参与实践活动中与其他人互动,和环境相互作用的过程。情景认知理论认为知识不是抽象、独立的个体,它本身是一种基于社会情景的实践活动,学习和实践,需要是在情景中建构、不能与情境脉络相分离,也就是要尽可能的将知识情景化。依据上述观点可知:创设真实有意义的学习情境是关键。在教学中为学生创设真实有意义的方式很多,而增强现实技术为创造真实有意义的课堂学习情境提供了一种全新的方式,它几乎不受时间、地点、空间等因素限制,通过创建视觉、听觉或触觉多感官的输入、模拟真实情境为学习者营造了身临其境的学习体验,更加注重学生的沉浸式学习,保证了学习者将已学的知识向真实的情境中迁移。

2.行为主义学习理论

行为主义学习理论由美国著名心理学家华生在20世纪初创后,后来由桑代克和斯金纳逐步完善。增强现实技术应用到教学中所表现的形式是增强学习者学习兴趣从而使得学习动机变得持久,能改变学生对某一门课程的特定认知,比如有些学生潜意识就认为数学很难学,从而形成了对数学恐惧的条件反射,而增强现实技术能正好可以利用该理论强调外部动机的作用,将计算机产生的虚拟信息准确的融合到真实环境,使得原来很难接触、过于死板的事物变得鲜活起来,减少了学生者面对二位平面枯燥和烦躁感,进而强化学习者的学习动机。

3.建构主义学习理论

建构主义理论起源于皮亚杰的儿童发展理论。建构主义认为学习是建构的过程,是以新旧知识经验的相互作用来解释知识建构的机制,学习者知识的获取不是老师直接教授和学习者机械的记忆,而是需要结合自身知识文化储备,在一定的学习背景下利用必要的资源,对获取的知识信息进行选取、提炼、整合、加工、处理等,重组自身原有的知识结构。建构主义认为学习的实质是对真实情境的一种理解,需要学习者在一定的情境中进行学习,应用增强现实技术构建学习情境能尽可能的还原真实的情境,时学生尽可能的去解决现实情境中问题,有助于提高学习者解决实际问题的能力。

增强现实也有利于建构主义学习环境四要素(情境、意义建构、协作、会话)的充分体现,通过增强现实技术创建的学习情境,增强了学习者的“积极性”、“参与性”和“互动性”,有利于学习者对知识的积极探求,促进学习者完成知识的内化和意义建构。

三、 基于AR技术的数字化资源设计

以重庆市酉阳职业教育中心旅游专业地方特色课程《酉阳桃花源》为例,分析基于AR的数字化资源设计。

(一)学科内容分析

1.课程内容分析:《酉阳桃花源》是旅游服务与管理专业核心方向课程,也是模拟导游专项能力考核的主要内容。以酉阳桃花源讲解员岗位工作内容和要求为引领,以职业能力和职业素养的培养为目的,按照导游讲解活动为主线,系统、全面地学习酉阳桃花源讲解的理论及方法,通过该课程学习,学生能全面地了解景区讲解员的工作内容,掌握景区讲解员服务的基本技能,学会处理和解决在景区讲解服务中的一般性问题,培养学生实际应用能力和灵活处理问题的能力。

2.课程特点分析:《酉阳桃花源》以本土特色旅游资源为依托,突出以“桃花源”为代表景点,使教学更富趣味性和亲切感,同时也为学生迅速转变为职业人减少障碍。本课程以就业为导向,突出实践技能的培养,采用“理实一体化”的教学方法,实现“教、学、做”一体化,体现课程的职业性、实践性和开放性。因此,本课程非常适合利用AR进行数字化资源的设计,通过虚拟现实技术将真实的景点直观、形象的呈现于课堂,直观简明,使内容更易于教学。

3.教学重难点分析:《酉阳桃花源》课程要充分体现人才培养模式与教学模式的改革方向,体现职教特色的教学形式,本课程的重点是学生具有酉阳桃花源景区需要的基本知识和基本技能;难点是使学生的综合职业能力和全面素质得到提高,同时帮助学生能够更好的完成模拟导游专项能力的考核。

(二)学生认知特点分析

认知是人对客观世界的认识活动,是一种心理活动过程。中职学生正处于三观形成的重要阶段,他们对事物的感知往往只凭直觉上的好恶,很少经过理性的分析。这一认知倾向也决定了学生的学习态度:对感兴趣的内容听得不亦乐乎,对不感兴趣的学习比较被动,即使多次强调仍会觉得索然无味。他们常常对新颖的、变化的、相互矛盾的东西感兴趣,对视频、动画等动态的内容感兴趣,对美的、创新性事物也感兴趣。因此,从教学目标出发利用AR技术设计出丰富、有趣的学习资源,创建趋近真实的学习情境,在很大程度上抓住学生学习兴趣,吸引学生注意力,提高课堂教学的效果。

(三)AR资源设计

根据课程的教学内容,提炼了5个核心景点,分别是“入桃源”、“赏美池”、“拜陶公”、“躬耕园”、“游古城”,每个景点所呈现的内容以及交互方式等均采用个性化的设计,这里以“游古城”为例分析。

1.设计思路:针对“游古城”学习任务,重点在于让学生掌握古城景点的基本信息、悠远的发展历史及文化等,学生在胜任导游讲解员的工作时,能够畅谈无阻、有理有据。难点在于课堂中不能让学生实时的、真切的感受酉阳古城文化。借助AR技术将虚拟的酉阳古城与真实世界信息进行无缝集成,同时将音/视频、动画等数字化资源融入APP的设计中,构建完整的学习场景,让学习者沉浸其中,加深对知识内容的理解,高效的完成知识的习得。

2.交互设计:为激发学生的学生兴趣,帮助学生保持其学生动机,充分体现学习过程中学生的互动性、参与性,每个景点的编排按照从简单到复杂的顺序,本学习任务分别设计了“景点介绍”、“探秘古城”、“古城合影”和“我要当导游”四个模块。

①景点介绍:进入“游古城”任务后,即可看到虚拟世界中的酉阳古城,以图文并茂和视频解说的方式,让学生全面了解古城历史及人文知识。通过鼠标或其它交互设备可对酉阳古城进行旋转、拖拽等交互操作,移动端直接用手指在移动端展示设备上划动也可实现交互操作,让学生从听觉、视觉、触觉等多维度感受古城,加深学习印象,增强学习体验。

②探秘古城:拓展知识讲解,旨在让学生对古城及相关的发展历史有更加全面的了解和认识。探秘古城以动画的方式呈现,动画是一种综合艺术,它集绘画、漫画、电影、数字媒体、音乐等众多艺术门类于一体,能促进学习者的感官刺激,增强学习效果。

③古城合影:景点游玩,合影是必备功课之一。“古城合影”通过AR进行多元化的功能体验和选择,让学习者充分感受和体验知识的内在价值,实现真正意义上的“寓教于乐”。

④我要当导游:职业教育倡导理实一体的教学理念和教学模式。因此“我要当导游”让学生在虚拟的古城场景中完成对酉阳古城景点的解说,检测学习者对该景点以及讲解方法和技巧的掌握情况。录制完成的实训讲解视频可自评、小组互评或老师点评等,提升学生的实训水平。

四、 数字化资源中AR技术的应用

将AR技术应用到专业课程的数字化资源建设中,探索一条AR技术与学科资源深度融合的资源建设之路,通过对这类资源的建设有助于课堂教学效果以及学习效率的提升,具体的应用价值如下:

1.设计多样化的学习资源,构建虚实结合的学习场景

AR技术构建了一个虚实结合的空间,可将某些现实生活中抽象的知识内容直观形象的呈现在学生面前。例如医学、数控、旅游、汽修等专业课程资源,将需要学习的内容以3D形式在屏幕上呈现,甚至是1:1还原模型,展现内部构造细节、与现实场景互动或进行联机模拟操作。甚至还可以利用AR技术结合现实的学校场景或所学知识,设计校园导游、古迹觅踪等应用,让学生独自去探索新知识,激发学生的求知欲,培养学生实际的动手操作能力和解决问题的能力。

2.辅助教师授课,帮助学生学习

作为辅助教学的手段,实现信息技术与教学的深度融合。利用AR技术将真实环境中很难表达清楚的内容逼真的展示出来,为教学提供丰富生动的演示方式。例如:在物理课程中老师将看不见的磁感线通过增强现实技术逼真的展现出来,这对学生知识的理解和掌握有极大的帮助。人机交互方式能够显著的激发学生的学习兴趣,通过对知识内容的交互,学生像玩游戏一样进行学习。同时,学生可通过移动终端设备随时随地的学习、查漏补缺;对于学有余力的学生,可通过AR资源进行知识拓展。有效解决了教学过程中教与学的难题,起到了助学、助教的作用。

3.丰富的富媒体教材,打通线上与线下知识的连通壁垒

校本教材不再是单一的纸质教材,富媒体教材由多种媒体资源组成,包括三维模型、动画、视频、音频、APP等,可通过移动终端设备扫描二维码、AR标识图等获取相应的多媒体课件资源,既深化课程内容,又是对课程内容的扩充。

数字化教学资源的建设最终是为教学使用而服务的,如何更好的助教与助学是资源建设最为核心的目的。因此,对于AR资源的建设与应用,应注意以下几点:①教学内容的选择:技术永远只是一种辅助手段,课程内容的选题、知识的构建才是核心,不能盲目追求技术的高大上,而忽略知识内容的精细化教学设计。②信息技术的选择:AR呈现的内容以三维立体为主,生动、直观、形象,有助于学生理解和记忆。但教学内容的设计要从教与学的维度分析,选择恰当的媒体表现方式。内容的设计可集任务引入、讲解、练习、评价于一体,结合中职学生认知特点,知识点设计采用适当的教学策略激发学生学习兴趣、保持学习者学习动机。③内容的设计要有趣味性:学习的过程是痛苦的,对于职业院校的学生而言更是如此,所以在数字化资源设计过程中通过嵌入游戏的设计理念,恰当的应用激励策略和实时的反馈机制,将枯燥的内容形象化、生动化,趣味化,把枯燥、乏味的学习过程变成一个轻松、愉快的玩游戏的过程,真正达到寓教于乐的教学效果。

五、 结束语

目前,AR资源在教育领域的建设还处于起步阶段,尽管还有许多现实问题有待解决,比如经济成本、使用效率、认知度不高等,但AR资源作为新型的数字化教学资源,在助学和助教方面的作用是非常显著的。随着时代的进步、技术的发展,增强现实技术所具有的丰富认知、突破时空、实时交互等特征将使得它在移动学习、碎片化学习方面得到更多的关注和推广,为学习者提供更加广阔的学习环境和丰富的学习资源。在终身教育成为时代发展的必然趋势且竞争日益激烈的信息时代,增强现实技术在不久的未来必将在教育领域大展身手。

返回搜狐,查看更多

责任编辑:

声明:该文观点仅代表作者本人,搜狐号系信息发布平台,搜狐仅提供信息存储空间服务。
阅读 ()
投诉
免费获取
今日搜狐热点
今日推荐