增强现实在混合教学课堂的应用探索

凌财进++曾婷

DOI：10.16644/j.cnki.cn33-1094/tp.2016.07.024

摘 要： 介绍了增强现实（AR）技术的基本原理及其在各个领域的应用。AR是将虚拟物体渲染到真实的场景中，是对现实环境更加逼真的补充。以混合式学习理论为指导依据，探讨增强现实技术在混合课堂的教学应用，以高中化学教学中一个实例的开发和操作演示过程作为案例，展现了增强现实技术在混合式教学课堂中的应用优势，为增强现实进入教学领域提供了借鉴。

关键词： 增强现实（AR）； 混合式学习； 混合教学； AR应用

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：1006-8228（2016）07-81-04

The application of augmented reality in the blended teaching

Ling Caijin， Zeng Ting

（Heyuan Polytechnic， Heyuan， Guangdong 517000， China）

Abstract： This article introduces the basic principle of AR （augmented reality） technology and the application in various fields. AR renders the virtual objects into the real scenario， which is a complement to realistic environment. Guided by the blended learning theory， the application of augmented reality in the classroom of blended teaching is discussed. Taking the development and demonstration of the operation process of an instance in the high school chemistry teaching as an experimental example， the advantages of AR in teaching are demonstrated， which provides a reference for the application of AR in the field of teaching.

Key words： augmented reality； blended learning； blended teaching； application of AR

0 引言

增强现实（augmented reality，AR），也被称为混合现实，是在虚拟现实技术（virtual reality，VR）基础发展而来的一项技术。增强现实是把真实环境和虚拟现实的景象叠加起来，在同一个画面或空间同时存在，并强调虚拟对象与真实世界物体的交互。虚拟现实技术则注重运用计算机创造一个人机交互的3D虚拟空间，为使用者提供关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，用户完全沉浸在一个虚拟的合成环境中，无法看到真实环境。增强现实能够把计算机虚拟信息（物体、图片、视频、声音等）融合在现实环境中，用户观察的真实场景与虚拟物体共存一个视觉感知空间，把现实世界丰富起来，对现实环境进行了更逼真的补充，增强了用户对真实环境的理解。增强现实的使用可比喻成在用户的现实世界里开了个窗口，或者将来视角足够大的时候，把呈现在我们面前的现实世界做一个叠加的、真实的注解。VR与AR两者由于技术原理不同，各自的应用领域不尽相同，两者都致力于塑造具有真实感的感官输入、交互的环境。

1 混合教学模式

传统教学模式以系统知识传授为主的路线进行教学设计，课堂教学多采用粉笔+黑板等讲授法、演示法、讨论法等。传统教学模式能发挥教师在课堂的主导作用，帮助学生高效掌握系统的知识技能，同时也有利于师生情感的交流，充分发挥情感因素在教学中的作用[1]。这种教学模式有它的局限性，如不利于实践课程的教学，对抽象事物表达不够具体，缺乏师生、学生之间的课堂互动，不利于激发学生的自主学习兴趣，课堂过分依赖教师的“教”的过程，忽视了学生“自主学习”过程。

传统课堂的不足及“混合学习”（Blending learning）概念的兴起，引起了教育研究界的注意，“混合学习”即两种以上学习方式（或教学方式）的结合，在认知主义、建构主义等学习理论的指导下，一种新型的“混合式教学模式”把传统课堂的优势和技术的优势结合起来，在课堂的组织形式上采用“教师主导地位、学生自主学习”的观念，既能发挥教师在课堂的启发、引导、监控作用，又能有效地激发学生“自主学习”的兴趣。

目前，在混合课堂中最常用的是“讲授—演示”法，教师演示事先准备相关的视频、课件、教学软件等，同时讲授相关的知识点，学生还是被动地接受所有内容，课堂缺乏实时交互，在抽象、逻辑性强的教学内容的表达上，这种教学方法、手段不能直观表达知识的全面性，学生不能从抽象的事物理解其实质。本文尝试在课堂教学设计中结合AR应用的“沉浸性”、“交互性”解决目前教学中遇到的问题。

2 增强现实的原理及应用分析

2.1 AR技术原理应用分析

AR技术结合计算机图形图像、移动设备、可穿戴设备等把用户带入到“真实世界”中，通过听觉、视觉、触觉等虚拟信息来增强对现实世界的感知，实现了从“人去适应机器”到“以人为本”的转变。AR APP应用的原理是：在计算机编程中被写入在特殊的3D程序中，这种程序允许开发者连结动画或者情景数字信息，其目的是增强现实标记的一个真实世界。当一个计算设备的AR应用程序或浏览器插件从已知标志接收数字信息时，它开始执行标记的代码和图层正确的图像。图1通过使用移动设备端的APP端完成虚拟模型与现实场景中的叠加，合成虚拟模型标志物，使用移动设备终端APP扫描标志物，通过运行增强应用系统服务器端识别捕捉标志物位置，学习者通过屏幕终端观察虚拟合成物，具体步骤如图1所示的AR技术原理应用模型图。

2.2 AR技术市场应用前景

最早进行AR技术的研发应属索尼公司，1994年就在二维码的基础上连续发布两款关于增强现实的游戏.苹果公司最近也获得多项增强现实系统专利，IBM Smarter Commerce也推出了一款零售店的增强现实应用，用户用移动设备的摄像头对准零售店里货架上的商品，识别实时视频物体并将信息叠加显示在图像上[2]，屏幕上会出现虚拟的商品信息。创业公司Daqri打着做增强现实界Photoshop的旗号进行了第一轮融资。

增强现实技术软硬件应用范围从工业领域逐渐延伸到了医疗、教育、游戏、娱乐等，图2所示为AR目前在各个领域的应用。目前开发者可选的AR开发工具还是很多的，比较主流的有Qualcomm推出的Vuforia SDK，它既支持iOS和Android平台，又为Unity3D引擎的用户提供Vuforia扩展插件。Anatomy4D是一款免费的、很好用的APP，主要帮助了解人的身体构造，并提供一个互动4D人体解剖学的经验，具有极强的视觉冲击力和完全互动效果。Chemistry101是一款应用于教育的APP，想象一下在化学课堂中，对准写有化学元素名或化学式卡片，用手机或平板就可以显示出三维效果的分子结构式。

3 增强现实在混合式教学课堂的应用

教学的目的就是以最有效的方式向学习者传授和迁移知识，新行为主义和认知主义的学习理论都强调知识的传授和迁移，这就是课堂中的“教”，建构主义学习理论强调把教学目标设计在真实的情境中，强调以学生为中心，通过问题情境促进知识获得的协作交流和建构，这就是课堂的“学”[3]。移动通信设备、可穿戴设备及AR应用为混合教学课堂提供了数字化支持，AR技术改变了学生与“世界窗口”的交互，AR把真实环境和虚拟物体结合在一起，设想教师的课堂教学会不会因为AR技术的应用变得越来越生动呢？学生们是不是会更加积极响应问题并且自主地去学习呢？

3.1 增强现实的教学需求

随着多媒体教学及各种教学软件平台在教学课堂上的广泛使用，各学科的数学化学习，已经营造了一种数字化学习环境。目前各类信息技术应用于教学课堂中，其中有些多媒体类及软件类教学资源只能快速地、简单地复制教材某些知识点，对于部分复杂抽象的知识内容缺乏完整的构建过程，学生之间、教师与学生之间并没有进行充分的交互，最终造成学生对于知识目标的构建有可能只是片面的，或者对于抽象内容只能记忆或者接收来自教学视频或广播的内容，不能完成教学内容的构建。

为了尝试解决这些问题，部分研究者已经将增强现实技术引入课堂教学中，Kikuo Hideaki指出，AR可以为学习者提供一种新型的学习工具，AR的真实环境与虚拟物体的“二合一”，为学习者提供了真实的“沉浸式”环境，对于真正实施建构主义的“混合式课堂”学习活动，建构主义理论下特别强调学习环境的设计[4]，AR技术工具应用到课堂教学设计中，正是支持学习者进行建构性学习的各种数字学习资源的应用。

3.2 基于移动设备APP的增强现实案例

高中化学有机物化合物分子的结构式是教学的难点，用传统讲授法很难把有机化合物分子结构式和物理性质的关系直观表现出来，对于抽象思维还需继续完善的高中生来说，很难掌握、理解分子结构式与物理性质（溶解度、沸点、熔点等）之间的结构关系。因此，教师可在课堂创建虚拟真实的“学习情境”去解决这些传统教学课堂存在的问题。Augment 3D是一款移动设备App，最初是使用在超市选购商品的3D模型。经过开发商不断改进和用户长时间的应用，Augment3D成为一款应用于销售、娱乐、游戏、医学教育等完美的应用软件。此款软件拥有一个强大3D模型库，所有的用户可以调用其模型图。它提供了3D模型的接口，用户可以任意为模型库添加3D模型图，模型库已具有各种类型的3D模型图（包括3D动画模型）。有机物化合物分子的结构式决定了其化学物的物理属性，因此，学生能够在最佳的技术工具和学习环境支持下，自主构建化学物分子结构图，这对掌握其物理性质、发生化学变化的原理具有重大的意义。在混合式教学课堂中，教学设计更加注重支持问题探究的虚拟情境工具。在移动设备（手机、平板等设备）安装Augment3D APP，把C60的分子结构式3D模型导入到软件中，然后拍摄课本中C60的分子二维平面结构图，再把平面图导入到数据库中，建立3D模型和二维平面结构图的对应关系，至此，一个形象逼真的C60分子结构式的增强现实环境已经构造完成。

图3所示为C60的分子结构式虚实结合界面操作效果图。用手机启动Augment3D应用，用摄像头扫描已经和3D模型建立关系的课本C60二维平面结构图，在C60平面结构图将会呈现出一个“真实”的3D模型，用户还可以与手机进行交互，软件提供对3D模型旋转、拖曳、缩放等功能，在应用AR技术工具的课堂教学环境下，学习过程中体现空间感，教学交互性强，用户可以直观地观察抽象的物体，并且能够吸引学习者的注意力。使用平板扫描用Augment3D APP打印的乙烷的C2H5的分子结构式的效果图片，用平板的摄像头进行扫描，图4是乙烷C2H5的分子结构式虚实结合界面操作效果图。

3.3 课堂效果评价

我们对AR技术的教学案例运用到混合式教学课堂中，开展问卷调查，在250名学生中，对使用增强现实为开发工具的混合教学课堂非常满意的有187人，占74.8%；基本满意的有40人，占16%；不满意的仅为9.2%。其中不满意的学生中，大部分是由于APP暂时不能同步显示出化学反应的过程。调查数据表明，增强现实的混合式课堂能够体现增强现实技术学习资源设计理念，有助于构建基于情境的、资源的、问题的以及协作学习的模式[5]，能使信息技术优质教育资源得到最有效的利用，让课堂教学的潜能更好地发挥，在学生中认可度较高，在教学中占据着不可取代的地位。

4 结束语

本文探讨了增强现实技术用于混合式课堂教学，构建以学生为中心、开放式的人性化的教学。实践证明，混合模式的课堂教学提高了学生的自主学习兴趣，为抽象学习创造了“真实”情境，为课堂提供了数字资源环境。虽然目前增强现实还未普及和规模化应用，但其未来发展空间极大。作为一种全新的人机交互技术，完善硬件设备。AR现实场景和虚拟场景结合，将这种增强现实技术应用到教学中，将会创新课堂教学模式，为教学提供了学习情境，有很高的应用价值。

参考文献（References）：

[1] 张宝运，恽如伟.增强现实技术及其教学应用探索[J].实验技

术与管理，2010.10：135-138

[2] 洪雁菲.在虚拟和现实里游刃有余：增强现实技术的那些事

[EB/OL].http：//www.geekpark.net/topics/199704，2014.3.5.

[3]余胜泉，路秋丽，陈声健.网络环境下的混合式教学——一种

新的教学模式[J].中国大学教育，2005.10：50-56

[4] 严云芬.建构主义学习理论综述[J].教育探索与实践，2005.8：

35-36

[5] 王萍.移动增强现实型学习资源研究[J].电化教育研究，

2013.12：60-67