增强教学效果拓展学习空间——增强现实技术在教育中的应用研究

作者:查重猫     发表时间:2021-03-17 03:36:28   浏览次数:42



  [摘要]“增强现实”因其独特的技术特点,近年来颇受关注,在教育领域也不例外。通过综述增强现实技术教育应用研究的基础,进而分析了其在教育中的应用价值和技术优势,着重从增强教学效果、拓展学习空间两个维度,对增强现实技术的教育应用展开了论述。

  [关键词]增强现实;智慧学习环境;教学模式;电子书;移动学习;教育游戏

  一、引言

  近年来,增强现实技术进入了公众视野,受到许多不同领域人们的普遍关注。所谓增强现实(AugmentedReality,简称AR),是指通过电脑技术,将虚拟的信息应用到真实世界,真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个画面或空间而同时存在[1]。增强现实技术通过虚实信息叠加,对实时的视频图像进行信息处理和传输,形成三维交互式的立体画面

  ,给用户以全新的体验与感受。因其相对于传统技术手段的独特“增强”优势,增强现实技术发展前景广阔。增强现实技术出现后,在许多领域有了不同程度地运用,主要应用于工程设计、军事训练、娱乐、医学等领域。直到近年来,随着增强现实技术的不断发展,才有一些开发者和教育学者开始尝试将增强现实技术运用到教育领域。

  二、增强现实技术在教育中的应用研究综述

  (一)国外研究现状

  虽然增强现实技术应用于教育领域不久,但国外已经做了大量的实践研究。总体来看,国外关于增强现实的教育应用集中于以下几个方面:(1)将增强现实技术融入课堂教学。如:Shelton和Hedley采用增强现实技术进行了九大行星的教学实验[2];Kaufmann教授采用一个名为Construct3D的增强现实工具进行空间几何教学[3];Dünser与Horneker以寓言故事作为内容,来观察5-7岁的儿童如何利用增强现实进行互动与合作学习[4];ElSayed等人设计了一款增强现实学生卡片(ARSC)[5]。(2)将增强现实技术应用于图书。如:BillingHurst,Poupyrev等,研制开发的MagicBook,利用增强现实技术将图书内容以动画形式呈现。[6](3)将增强现实技术应用于游戏和娱乐学习。如:新加坡MXRCorporationPteLtd公司推出的娱教产品wIzQubes;HyeSunLee和JongWeonLee利用增强现实设计了一个教育游戏,用以帮助幼儿园和小学生掌握加法知识[7];OriInbar开发了一款手机增强现实游戏,儿童可以利用iPhone实现随时随地学习拼写[8]。

  (二)国内的研究现状

  高等科研院校是我国研究增强现实技术应用的主力军,相比于国外,研究尚处于初级层次,大多数研究还停留在算法实现阶段,研究增强现实技术的具体应用比较少,研究其在教育领域中的应用则更少,但也出现了一批研究成果。如:北京师范大学现代教育研究所蔡苏等人在介绍增强现实技术特点的基础上,探讨了增强现实技术对教学的意义和价值,对增强现实的教育应用前景作出了展望,并利用增强现实技术研究制作了一些教学案例,并将这些案例集成在“未来之书”上[9];张宝运,恽如伟分析了增强现实技术的教学应用需求和应用优势,并尝试将增强现实技术应用于物理教学[10];李婷分析了增强现实技术的特点,探讨了其在移动学习中的应用[11];徐媛根据增强现实所具备的性能和已有的研究成果,探讨了其在教学中的应用领域[12];张洪波对增强现实技术教学应用的研究较为全面:探讨了技术原理,设计了增强现实技术支持的教学模型,开发了教学应用案例[13];苏俊钦将增强现实应用于儿童学习注音符号,辅助儿童进行有效的学习[14],等等。

  相关期刊推荐:《中国远程教育杂志》创刊于1981年,为教育行政部门、普通高校、成人高校、各类教育机构、企业和中小学开展现代远程教育提供政策信息、理论信息、技术信息、产业信息、市场信息,在我国构建终身教育体系,推动教育现代化进程中发挥宣传作用。设有:卷首,本刊特稿,学术论坛,开放学习,实践探索,基础教育,技术应用,远教广角等栏目。

  从以上国内外的研究现状来看,总体而言,增强现实技术在教育中的应用尚处于起步阶段,研究大多是单一研究,缺乏系统的阐述。从时间上看,国外的研究比国内要早了几年,研究的内容也已经从算法技术本身转移到具体的应用上,主要表现为增强现实辅助课堂教学和教育游戏的形式,而国内当前的研究还集中在计算机科学中的算法实现和优化阶段,增强现实教学产品还不多见。

  三、“增强现实”教育应用价值与技术优势

  戴尔曾指出,由于缺乏具体经验的支撑,学生在学习过程中只是记住一些概念和普通的法则,而没有真正领会这些概念和法则,这是教育的最大失败。究其原因,不难发现,这与学习者使用的学习材料和学习方式有关。由于学习者使用的学习材料以文字符号等抽象内容为主,学习者需要有丰富的现实生活经验,再凭借自身的抽象思维和学习迁移能力才能较好地掌握学习的内容,这对学生来说,无疑是困难的。因为缺乏现实生活经验,加上抽象思维和学习迁移能力较弱,结果只能是强记一些概念,而无法真正领会。增强现实技术的出现无疑给戴尔指出的失败的教育带来了曙光。增强现实技术可应用于教育领域,比如增强现实电子书,通过对较难理解的抽象知识的“增强”,学习者便可以很容易地获取抽象知识的直接经验,从而降低了学习的难度,消除了传统学习材料的弊端,使学习变得更轻松有趣。

  相较于目前被广泛应用于教育领域的多媒体技术,增强现实技术有着独特的优势。虽然,多媒体能快速、有效地表达和传递知识,并且能提供多种感官刺激来吸引学生的注意力,从而提高教学的效率,但其也存在难以表达知识的完整性、仅能强化视听效果而缺乏深入互动、缺少情境沉浸性等缺点。而增强现实技术则很好地弥补了以往多媒体教学的缺陷,为教育教学活动带来新的契机,为学习者提供了一种新型的学习工具。正如Billinghurst所指出的那样,增强现实作为教具有以下独特的优点:(1)增强现实技术可以让学习者在虚拟和真实的两种环境中方便地进行互动;(2)利用增强现实技术可以创新教学策略,学生即使没有电脑的经验,也可以通过增强现实技术进行互动学习;(3)增强现实技术可以改变学习者面对静态学习内容的传统学习方式,全身性沉浸于学习内容之中。[15]KaufmannH.也认为,模拟情境和学习效果成正比,基于AR的教学可以使学生保持较高的学习热情,从而提高学习的效率,节约学习的时间。[16]另外,增强现实除了可以增强沉浸感,实现深入互动外,还能有效促进学习者的空间理解能力,增加学习者对复杂空间中概念及其相对关系的理解。Chih-HsiangKo等的研究表明:从学生的反馈来看,基于AR的模型可以更多地激发学生的思维,增强交流与互动,易于理解空间问题。[17]

  更加具体一点来说,增强现实在教育应用中的技术优势主要有:(1)教学内容展示形象直观。增强现实技术的信息呈现能力,能形象直观地描述和呈现教学内容,通过全方位的感官刺激,吸引学习者的注意力,提高学习动机。(2)模拟教学实验,节约成本,减少污染,便于管理。实验是教学的重要环节,实验对学生掌握知识和研究方法,以及创新精神的培养等,都具有十分重要的作用。利用增强现实技术模拟各种教学实验可以节约真实实验所带来的高额成本,并能取得与真实实验十分接近的效果。特别是理科,尤其像物理、化学、生物等试验设备十分昂贵,真实实验又面临环境污染和实验人员的安全问题。另外,利用增强现实技术还能解决试验设备管理上的不便。(3)有助于发展学生的多种能力。基于增强现实技术营造的学习环境空间现实感很强,可以全景呈现虚实叠加的信息,给学习者以强烈的全方位的刺激,从而可以极大地激发学习者的身体机能,促使多元智能的发展。

  四、增强现实技术教育应用的理论基础

  一项新技术应用到教育领域,除了考虑技术本身的因素外,更要放到教育理论的框架下来审视,要有相关学习理论和教育理论作支撑,指导教育的实践,从而保障技术应用效果的最大化,避免误入歧途。

  (一)沉浸理论

  早期沉浸理论指出,挑战(challenge)与技巧(skill)是影响沉浸的主要因素。若挑战太高,使用者对环境会缺少控制能力,而产生焦虑或挫折感;反之,挑战太低,使用者会觉得无聊而失去兴趣。沉浸状态主要发生在两者平衡的情况下(Csikszentmihalyi,1975)。

  1985年,米兰大学的马西米尼和卡里对“挑战”与“技能”的关系进行了梳理,得到八种组合,只有当高挑战同时辅之以高技能时,人才进入并维持一种沉浸状态,他们并把这种状态称之为“心流”(flow)。“心流”是由于全神贯注投入而更好地完成任务的一种心理状态,达到沉浸体验需要一定的条件:(1)操作者的技能与任务挑战之间达到平衡;(2)操作者全神贯注投入;(3)操作者有明确的任务目标;(4)操作者不断地得到直接迅速的反馈;(5)操作者能控制任务的进程。

  增强现实以其独特的技术优势,能让学习者在学习进程中,抛开周围工具的干扰,集中注意力,全身心投入于学习内容之中,从而进入忘我(沉浸)状态。沉浸理论所揭示的“挑战—技能”之间的复杂关系以及达到沉浸状态所需的一般条件,对研究基于增强现实技术的学习环境下,如何适当、合理地利用这种关系,创造沉浸条件,从而使得学习者进入沉浸学习状态,提供了切实的理论指导。

  (二)情境认知学习理论

  情境认知学习理论认为,真实的活动和情景是知识的来源,情境是一切认知活动的基础,认知过程的本质是由情境决定的[18],而且,知识只有在运用的过程中才能被完全理解。因此,人们要想真正理解知识的内涵,并灵活、正确地应用,必须在丰富的社会真实情境中去认知。真实的活动应当成为学习的中心,学习要在一定的情境中发生才能有效。知—行是交互的,知识是情境化的,知识是活动、背景和文化的一部分,并通过活动,在丰富的情境中不断地得到应用和发展。情境学习强调在情境中学习知识和掌握技能,内容、背景、实践共同体以及参与是情境学习的四个基本要素。

  增强现实与情境学习具有天然的契合性,通过增强现实技术很容易创设学习的情境,学生在学习的过程中,能切实体验到学习的内容与现实生活的内在关联。从一种情境到另一种情境,也即迁移能力,是一个非常重要的技能,增强实可以促进迁移能力的提高。

  五、增强现实技术在教育中的应用

  历史实践证明,信息技术的每一项进步,都对教育产生巨大影响。信息技术对教育发展具有革命性的影响[19],信息技术的深度应用将带动教育从目标、内容、模式到方法的全面变革。作为一项新兴的技术,增强现实的教育价值日益凸显,将增强现实技术应用到教育领域,必将给教育注入新的生机与活力:一方面,将增强现实技术应用于日常教学,将带来教学领域的变革,增强教学效果;另一方面,利用增强现实技术可以拓展学习的空间,丰富学习的形式和体验。

  (一)创设智慧学习环境,提升教学效果

  近年来,“智慧”一次炙手可热。在教育领域,智慧教室、智慧教学等概念纷纷被提起。在学习环境方面,有学者在数字化学习环境的基础上,提出了智慧学习环境的概念。所谓智慧学习环境,北师大黄荣怀教授将其定义为:“智慧学习环境是一种能感知学习情景、识别学习者特征、提供合适的学习资源与便利的互动工具、自动记录学习过程和评测学习成果,以促进学习者有效学习的学习场所或活动空间[20]。”黄教授同时指出,智慧学习环境的重要特征,是应能实现物理空间和虚拟空间的无缝衔接,提供适应学习者个性特征的学习支持和服务。由此可见,智慧学习环境要求较强的对物理空间的感知、监控和调节能力,这恰恰与增强现实技术的特点相吻合。增强现实技术作为一种高效的互动工具和其虚实无缝融合的特点,在智慧学习环境的构建中将大有可为。

  实际上,作为一种有效的学习环境,智慧学习环境除了具有感知、识别、支持、反馈等智慧性功能外,它还应当具有情境性。因为,只有在情境中,有效学习才能真正发生。怎样创设学习情境?希拉里·麦克莱伦认为,依据情境学习的模式,知识必须在情境中才能学到,那么,情境就可以是:真实的工作场景;高度的真实,或真实的工作环境的“虚拟”的代用品;一种可停留的环境,如影像或多媒体程序。由此可见,创设教学情境可以有几种途径,第一种途径,即提供真实的学习情境,这种途径固然最好,但操作难度较大,容易受到现实条件的种种制约而无法实施。在现代信息技术的支撑下,采用第二种途径无疑是行之有效的办法。特别是增强现实技术的出现,将仿真环境的真实程度提高到了前所未有的高度,其创设的教学情境与真实环境的吻合度非常之高,并且允许学习者实时交互和开展任务协作。实际上,增强现实技术产生之前,虚拟现实等技术业已给情境认知与学习提供了十分强大的支持,而增强现实技术的出现,则给情境认知与学习提供了更为丰富的支持。正如前文所述,增强现实技术与情境学习具有天然的匹配性,利用增强现实技术可以方便地创设逼真的学习情境,让学习者沉浸学习活动之中,从而提高学习的效率。国内外的一些教学案例也证明了这一点,如:欧盟资助的iTactus项目,它利用增强现实技术辅助历史教学,通过增强现实技术的叠加,将死气沉沉的历史内容活灵活现地展现在学习者的面前,极大地调动了学习者积极性,提升了学习的效果;VRLAB的Lifeplus11项目也是通过增强现实技术实现历史教学的一个典型案例,用户通过重返近两千年前的意大利庞碚古城,了解古城的人物情境,真切体验罗马帝国的历史文化;再如,考虑到小学生的认知能力有限,在学习地球自传、公转现象时难以理解的情况,教育部教学仪器研究所的雷静,利用增强现实技术创建了一个地球自转、公转的虚实结合的场景,学生如身临其境,原本抽象的概念直观地呈现在眼前,大大地激发了学习兴趣,提高了学习效率。

  (二)革新教学模式,优化课堂教学

  1.革新教学模式

  信息技术的不断发展及其在教学中的普遍应用,已经使得传统的教学模式发生了根本性的变革,而增强现实技术的出现,凭借其鲜明的特色和技术优势,必将推进教学模式的进一步变革。传统的教学模式中,教学活动的要素是教师、学生、教材。这种模式下,教师是教学的主体,学生被动地接受知识。多媒体技术支持下的教学模式中,教师、学生、教材、媒体等要素之间的关系是以学生为中心、教师为主导。在整个教学过程中,学生是教学活动的主体,教师扮演着组织者、指导者、帮助者的角色,利用多媒体创设的学习环境充分发挥学生的积极性、主动性,最终达到使学生掌握学习内容的目的。在这种教学模式下,教学活动进程的结构形式较之于传统的教学模式发生了翻天覆地的变化,学生的主体地位凸显出来,教学更加注重交互。学生的主体地位虽然在这种教学模式下得到了普遍的重视,但在这种结构框架下,学生的能动性发挥有限,主体地位和交互层次都不能达到应然的要求。而增强现实技术的出现,不仅丰富了交互的媒体、深化了交互的深度,还更加强化了学生在教学活动中的主体地位。在增强现实技术创设的学习环境中,学生自由地徜徉在知识的海洋中,可以自己决定学习路线,自行决定学习节奏,真正做到自己是学习的主人。同时,增强现实技术由于支持学习过程中的情境学习和深度互动,从而可以让学习者在“做中学”,有助于学生知识、经验的获取与建构。在这种活动结构下,教育者可以通过呈现丰富的媒体信息刺激学习者的感官,激发学习者的学习动机;可以通过设定多重任务,引导学习者的学习逐步走向深化;通过合作交流、及时反馈等环节确保学生的学习高效的进行。

  随着经济社会的发展,人们的生活和交往方式发生了巨大的变化,新生代学生的学习偏好也与以前有了很大的不同。当前的学生不再习惯于传统的课堂接受学习模式,擅长非线性处理信息,偏爱多重任务,喜欢主动探究学习而非被动接受学习。而增强现实技术恰恰迎合了新生代学生的这一学习需求和特点,在教学应用中有着广阔的前景。增强现实应用于教学领域,知识的构建顺序发生了改变,学习过程呈现出非线性、主体性、交互性、合作性及学习结果的及时评价和反馈。据此,我们将基于增强现实的教学模式概括为非线性主动交互式教学模式(见图1)。——论文作者:胡智标

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