移动增强现实在开放大学教育教学中的应用探索研究
摘 要：移动增强现实由于具有新奇的视觉效果、先进的技术手段、豐富的资源呈现方式以及多元化的交互方式等优势，近几年来受到业界越来越多的重视和关注。文章首先阐述了增强现实与移动增强现实的定义、特征与功能，然后在阐述开放大学教育教学存在相关问题的基础上，重点探讨了移动增强现实在开放大学教育教学中的应用以及应用过程中存在的相关问题，以期为开放大学的教育教学提供便利和技术支持，从而促进其长远发展。
关键词：移动增强现实;开放大学;教育教学;应用探索
中图分类号：G434 ? ? ? ?文献标志码：A ? ? ? ? ?文章编号：1673-8454（2019）22-0080-05
随着信息时代科技的飞速发展，增强现实被应用于越来越多的行业中，比如工业、军事、医疗、教育、培训、娱乐等领域，尤其在娱乐游戏、产品设计、工业生产等方面发展迅速。自2004年国际新媒体联盟（New Media Consortium，简称NMC）公开发布第一期《地平线报告（高等教育版）》以来，在2004-2017年期间，其预测的关键技术中，增强现实分别在2005、2006、2010、2011、2016年的预测中被提到[1]。而在2018和2019年的《地平线报告（高等教育版）》中提到的则是混合现实[2]。娄岩认为，增强现实是介于完全虚拟和完全真实之间，是一种混合现实[3]。可见，增强现实在教育领域具有广阔的应用空间和发展潜能。随着移动智能终端设备不断更新换代，其各项性能不断增强，由于其良好的便携性、普适性、可移动性、易用性等优点，移动端的增强现实已经获得了越来越多的重视和关注。近年来，越来越多的研究者将移动增强现实运用到教育教学中，利用移动增强现实的各项优势为教育教学提供便利并促进其发展。本研究尝试将移动增强现实运用到开放大学教育教学中，以期为提升其教育教学质量和水平、促进其长远发展做出铺垫与探索。
一、增强现实与移动增强现实
1.增强现实
在20世纪60年代，增强现实技术（Augmented Reality，AR）就已经被人类发明，但一直未真正走进大众视野，它为人们所知晓的一个标志性事件是2012年4月美国谷歌公司推出了一款名为谷歌眼镜（Google Project Glass）的新产品，这是一款基于AR技术研发的“拓展现实”眼镜，成为当时最热门的话题之一[4]。增强现实技术是虚拟现实技术的一个重要分支。虚拟现实技术能够使用户完全沉浸在合成环境中，无法查看周围的真实环境。与之相反，增强现实技术能够把图像、音频和视频以及触觉感知等数字信息或者计算机生成的信息实时地输送到真实环境里[5]。增强现实技术是借助光电显示技术、交互技术、多种传感技术和计算机图形与多媒体技术，将计算机生成的虚拟环境与用户周围的现实环境融为一体，使用户从感官效果上确信虚拟环境是其周围真实环境的组成部分[6]。增强现实技术具有虚实结合、实时交互、三维注册的特征。虚实结合是在现实环境中加入计算机产生的虚拟对象，从而实现对现实世界的增强。实时交互是实现用户与真实世界中的虚拟信息间的自然交互。三维注册是根据真实场景实时生成增强信息，然后将增强后的信息显示在终端[3]。
增强现实能够为周围的真实环境补充、叠加信息，但不是取代它，是介于完全虚拟与完全真实之间的一种混合现实。从理论上来说，增强现实能够增强人类多种感官的知觉，但是由于各种条件限制，目前主要用于增强视觉感知。增强现实技术的最早应用案例是歼击机飞行员佩戴的头盔显示器，当飞行员透过座舱窗口观察外界时，头盔显示器能够为飞行员提供一幅带有模拟地平线、飞行高度和速度等信息的数字图像，并将该图像叠加显示在真实场景上[5]。目前，增强现实在教育中的应用尚处于起步阶段，主要表现为辅助课堂教学、教育类游戏、电子书等形式。
2.移动增强现实
随着移动技术、网络技术、云计算技术以及移动智能终端的快速发展，移动技术与增强现实技术逐步融合，由此出现了移动增强现实技术。移动增强现实（Mobile Augmented Reality，MAR）是将增强现实技术有效地应用于移动设备终端。它是近几年来计算机互联网领域讨论比较频繁且受关注度非常高的话题之一[6]。除了具有增强现实的特点，移动增强现实还具备较强的自由移动性，不会受到环境因素的制约。娄岩比较了传统增强现实与移动增强现实的各项特征[3]，如表1所示。
从表1可以看出，移动增强现实与传统增强现实均具有虚实结合、实时交互、三维注册等特征。然而，移动增强现实具有自由、灵活的可移动性，只需要普通的移动终端设备比如智能手机即可，通过网络App下载后可以随时、随地使用，能够方便、快捷地供用户使用。而传统的增强现实设备比较固定，可移动性差，一般需要专业开发的专业设备，成本较高，具有较高的技术门槛，一般人难以维护，且使用时间和地点比较固定，缺乏灵活性。
1997年，哥伦比亚大学的Steven Feiner等人开发了最早的移动增强现实系统——用于导航的Mobile Augmented Reality Systems。2000年，南澳大利亚大学Wearable Computer Lab开发了一款名为Quake的游戏，这款游戏将移动增强现实技术应用于PC平台，用户可以在真实场景中参与游戏的竞技[3]。2003年，维也纳理工大学的Wagner等研究了首款能够在PDA的内部处理器上独立运行的增强现实系统[6]。2011年2月，著名软件开发公司Total Immersion推出一款帮助缴费者选购眼镜的手机AR软件[6]。目前，很多移动智能终端设备如智能手机已具备较强性能的数据计算能力、图形图像处理和显示能力以及GPS定位功能，集成了多种高速无线通信网络，同时配备了触摸屏便于人机交互;另外，随着制作成本的下降，其价格也越来越为普通大众所接受。因此，移动智能终端尤其是智能手机逐渐成为增强现实技术应用的普及平台，移动增强现实已经应用到越来越多的领域中，比如广告、培训、电子商务、教育、游戏等。
3.增强现实与移动增强现实的功能
增強现实具有两种功能：①增强感知真实环境。为用户呈现真实环境，增强用户的视觉感知并提高工作效率。在某些场合，增强现实用于娱乐目的，但它的实用功能之一是辅助决策。增强感知真实环境，意味着给用户提供有用信息，使用户更好地理解周围环境并改进决策和行为。②创建虚拟环境。为用户显示一个虚幻的场景。增强现实界面能够使不可能发生的事情变为现实。它创建的虚拟环境可以让用户在其中漫游，而且用户能够看见真实世界中并不存在的事物，并能够与其他人分享这幅视图[5]。
移动增强现实是移动终端上的增强现实，因此增强现实具有的功能移动增强现实同样具备，不同的是移动增强现实给用户提供了可移动性，使用户在使用其功能时能随意移动。
二、开放大学教育教学存在的相关问题
开放大学是以开放、灵活、全纳、终身、优质为核心理念，面向全体社会成员，以现代信息技术为支撑、实行多种模式办学和混合式学习、服务终身学习和学习型社会建设的新型高等学校[7]。开放大学运用现代信息技术将有限的优质教育资源共享，打破了时间和空间的限制，没有围墙，使得人人皆学、时时可学、处处能学。关于开放大学的教学模式，刘延东（2012）曾指出：“要建立和完善以学习者为中心，基于网络自主学习、远程支持服务与面授相结合的新型教学模式，为学习者提供无处不在的学习服务”[8]。
开放大学主要依托网络教学平台开展远程教学，学习者与教师、辅导者分散异地。时间和空间的异步，带来了学习便捷的同时，也导致了学习者在网络中缺乏人际交流，学习者、教师、辅导者之间缺少面对面的接触与沟通，学习归属感和文化氛围缺失，学习比较被动，参与度不高，学习孤独感比较强烈[9]。
开放大学为时空异步的远程教学提供充足而细心的学习支持服务，并且提供适量的面授辅导。然而，对于一些需要大量动手实践的专业及课程来说，比如土木工程、机械设计制造及自动化、汽车运用与维修技术、广告设计与制作、室内艺术设计等专业，缺乏能够让学习者面对面共同实践操作和交流的设备设施及场所是当下的硬件短板，通过网络教学平台的自主学习，这些专业的学习者很难获得好的学习效果。而开放大学的学习者主要是成人，很多在职在岗，分散异地，没有充足的时间和精力来解决设备设施及场所缺失的难题。
因此，这些专业就亟需一种能够弥补实践设施及场所缺失的教学环境，而移动增强现实恰恰能够提供这样一种环境，移动终端将设计开发好的App软件产生的虚拟实践环境与学习者周围的真实场景结合，学习者身临其中，可以实时利用这些虚拟设备进行实践练习，并利用智能手机等移动终端可以随时随地进行自由、灵活地实践和学习。由此，既解决了上述专业在远程开放教学中由于时空分离、实践硬件设施缺失而造成的教学难题，也让学习者体验到新技术带来的种种便利，且这种新颖的学习和实践操作方式更加具有吸引力和新奇性，能够更好地激发学习者的好奇心和学习欲望，这对于实践操作内容较少的专业和课程同样具有良好的效果。
三、移动增强现实在开放大学教育教学中的应用探索
增强现实技术不仅可以为师生提供一种面对面的沟通与合作平台，而且还可以让学生更加轻松地理解复杂概念，更加直观地观察到现实生活中无法观察到的事物及其变化。增强现实技术在教育领域的应用，将有利于培养学生知识迁移的能力，提高其学习效率，激发其学习兴趣[3]。
1.打破传统远程教学方式的束缚，带来远程教学模式的革新
开放大学的学习者与教师、辅导者分散异地，主要通过网络教学平台进行远程教学，缺乏面对面的交流与沟通。当学习者需要学习实践操作内容时，这种远程的教学方式则难以满足教学需要。即使是在开放大学提供的有限的面授教学中，由于绝大部分学习者身在远方，能参加面授的学习者数量非常有限，这样教学管理者在购买教学仪器设备和规划教学场地时就会考虑教学成本以及值不值得购买的问题。因此，这些专业和课程的远程教学很难进行实践操作内容的教学活动。
将移动增强现实技术应用于开放大学远程教育教学中，学习者不再拘泥于个体孤立的自然学习环境，移动终端App软件产生的虚拟实践教学环境与学习者周围的自然环境融为一体，学习者足不出户就可以看到虚拟的实践设施以及相关的标注信息和提示。当学习者利用虚拟设备进行实践操作时，即实现了学习者与真实世界中的虚拟信息进行实时交互。学习者实践操作后的结果信息也将显示在移动终端。
对于实践操作内容较少或者几乎没有的专业来说，移动终端App创设的特定学习环境与学习者周围的自然环境融为一体，学习者在其中同样能更好地学习以往只有书本和网络教学平台而显得比较枯燥的内容。比如，商务英语课程的学习，学习者在家中就可以与移动终端App产生的虚拟外国商人进行对话，从而锻炼了学习者的口头表达能力，提高了面对外国人开口交流的胆量和勇气，且打破了以往学习者独自口语练习的枯燥感和难以开口流利表达的困境。
2.组建学习共同体，创设面对面的远程协作学习环境
由于开放大学实施远程教学，很多学习者甚至从未见过本班的同学或教师，且孤立地学习容易让人产生沮丧、孤独的消极感受，影响学习质量和学习效率。利用移动增强现实技术，可以创建一个共同的可随时移动的虚拟学习环境，学习者所在的班级同学和教师、辅导者加入进来后可以组建一个学习共同体。“学习共同体”是指一个由学习者及其助学者（包括教师、专家、辅导者等）共同构成的团体，他们彼此之间经常在学习过程中进行沟通、交流，分享各种学习资源，共同完成一定的学习任务，因而在成员之间形成了相互影响、相互促进的人际联系[10]。在这个学习共同体中，每个成员看到的虚拟学习环境与自身周围的自然环境融为一体，通过移动终端屏幕，所有成员都能看到其他成员的虚拟身影，这个虚拟身影可以根据成员本身的个体特征或者个人照片等信息设置而成，具有一定的个体特征代表性。学习者在与其他成员进行学习任务交流或者情感沟通时，就有一个具体的影像进入其大脑，这样在很大程度上就能避免产生孤独、沮丧的消极感受，有利于学习者在学习过程中产生愉快的学习情感，且共同的交流、沟通能够保证良好的学习质量和学习效率。
在这个移动的虚拟学习环境中，学习者与其他学习者以及助学者的虚拟影像可随时随地面对面进行交流，相互协作，共同完成一项学习任务，即形成了一种面对面的远程协作学习环境，学习者本人只需在真实自然环境中操作移动终端设备以及App即可完成。
3.学习内容可视化、形象化，提高学习者学习兴趣和学习质量
移动增强现实技术将虚拟世界和现实世界融合起来，通过智能手机和App能将传统远程教学过程中的书本知识和网络平台教学内容以多种媒体形式进行表达，让原本枯燥的学习内容变得可视化、形象化、直观化，把抽象、复杂、难以理解的内容直接以三维立体的形式呈现出来，让学习者感受到文字和教师纯讲授所难以表达出来的抽象知识，能够帮助学习者对知识的理解和记忆，加深他们对知识内容的认知水平，并且能激发起学习者强烈的好奇心、学习兴趣和学习动机，培养他们动手动脑的能力，提高他们在学习过程中的乐趣和注意力，从而增加他们对学习过程的参与度和体验感，进而提高学习质量和学习效率。
4.增强现实图书，改变传统书本二维平面内容的局限性和枯燥性
增强现实技术在传统出版领域的应用主要是指，用户将电子终端设备上的摄像头对准图书、报纸期刊、卡片等印刷品上的某一特定区域的图案或标记，计算机摄像头通过对二维平面印刷品上的特定图标进行识别和计算，在电子终端设备的显示器上生成虚拟的信息化对象，而此对象又叠加于现实环境中，从而达到虚拟和现实同时存在的景象[11]。移动终端的增强现实比如利用智能手机，通过手机摄像头对准书本中有AR标识的页面，能够让原来的二维平面文字内容和静态图像变得立体、生动，有些甚至包含动画和音频，并且根据需要，手机可以随意移动到需要学习的内容上，这样学习者能够体验到与传统完全不同的学习方式。例如，学习计算机组装与维护课程，仅仅通过传统的教材和静态图片是难以掌握计算机的各个组成部件以及如何组装和维护内容的。移动增强现实与图书的结合，使得计算机内部组件的结构图可以作为虚拟对象被生动、直观地表示出来，并且与学习者周围的真实环境融为一体，在移动终端屏幕可以观察到计算机各个组成部件的三维立体效果，调整移动终端设备或者书本角度，可以各个视角观察学习这些部件是如何组装的。
5.构建虚拟校园，营造温馨、健康的校园环境
利用最新的增强现实技术可以创设虚拟校园系统，三维的虚拟校园系统更加直观生动形象。除了校园导航的功能，校园对外形象宣传、招生宣传等功能都可以应用到虚拟校园系统中。在增强的内容上可以添加一些校园目前不存在的对象，或未来可能将设置的建筑等[3]。通过移动终端设备和相应App，扫描具有AR标识的校园图片或者相关资料，学习者即可在智能手机或平板电脑屏幕上看到增强后的校园环境，不仅包括校园原来的景象，还包括校园未来变化后的新样貌，这样能够为远离开放大学校园的学习者营造一种温馨、健康的校园环境，让学习者产生归属感、自豪感，有利于开放大学开展远程教学的长远发展和质量提高。
6.节约教育成本
对于开放大学学习者来说，移动增强现实技术具有的增强感知真实环境和创建虚拟环境的功能能够帮忙解决很多实践设备设施及场所缺失的难题;对于教学管理者来说，能够降低教学设备和场地带来的高额成本，减少管理人员的聘用和酬金问题，同时还能够缓解对于教学器材和设备管理难的问题，大大节约了教育成本。
四、移动增强现实在远程教育教学中存在的相关问题
移动增强现实技术带来了远程教学模式上的革新，并提供了诸多的功能和便利，然而却仍然存在一些问题。
1.关于远程教育教学的移动增强现实教学资源比较少
目前，增强现实技术在我国教育中的应用处于起步阶段，技术门槛高、设备价格昂贵以及技术开发人员力量缺乏是主要原因。市面上有研究机构开发了一些教育游戏软件，也出现了一些增强现实图书，但是，真正针对教学尤其是开放大学远程教育教学的移动增强现实教学资源非常少。开放大学的很多教师甚至没有接触过移动增强现实技术，更不用说开发相应的移动增强现实教学资源。而聘请相关公司来帮助开发远程教育教学的移动增强现实教学资源一方面价格不菲，另一方面开发的这些教学资源的灵活性、通用性及其在教學中带来的长远效益难以保证，这就大大降低了教学管理者愿意冒险尝试的决心。
2.移动增强现实技术难以深入普及到开放大学远程教学内容中
基于目前针对开放大学远程教育教学的移动增强现实教学资源比较少，且移动增强现实技术对教师自身的技术水平、综合素质有着更高的要求，开放大学中接受这方面专业训练的教师少之又少，且学习者主要是社会中的成人，学习层次、经历背景、个人素质以及技术水平等各方面不同，很多学习者的个人综合水平不足以驾驭利用移动增强现实技术来学习的操作方式，加之前面提到的技术门槛、设备价格以及技术开发人员等诸多问题，将移动增强现实技术深入运用到开放大学远程教学内容中短期内难以实现，普及运用则需要更长的时间、更多的技术进步和社会努力。
3.对于面向智能手机的移动增强现实技术，对其硬件配置要求较高，电池容量问题是一大考验
在移动终端设备中，智能手机是目前使用最为广泛和普遍的设备之一，几乎人人手持一部。随着移动计算技术、无线网络技术等快速发展，智能手机的运算性能和处理能力不断提高，加上GPS的精确定位功能、摄像头的高像素配置、方便快捷进行人机交互的触摸屏，集成了WiFi、红外通信接口和蓝牙无线接口等功能，以及其良好的便携性、易用性、可移动性和普及程度，使得智能手机成为移动增强现实的首选载体。
将增强现实技术应用于手机终端，意味着系统能够提供以下主要功能模块：视频获取设备、实现高精度定位功能的专用方位跟踪装置、大量复杂的计算机视觉运算功能、3D渲染功能、人机交互功能，这些功能的实现将受处理器、内存等手机硬件问题的约束[6]。按照目前的技术发展水平，智能手机的芯片在运算能力、处理速度、存储容量以及渲染等多方面难以达到计算机水平。要想顺畅运行移动增强现实技术，则需要智能手机的各项硬件配置如处理器性能、内存容量、摄像头配置及色彩处理、GPS、触摸屏等达到相应较高水平。同时，由于智能手机需要进行目标对象定位、跟踪、识别、渲染以及人机交互等多种操作，大量程序在不停地运行着，由此大大增加了智能手机内部的运算量和耗电量，手机电池容量难以满足现实需要。另外，手机屏幕尺寸限制、无线网络传输速度有限也是令人不够满意的现实问题。
技术的进步能够促进教育的革新。移动增强现实技术给教育教学带来了全新的感官体验。尽管在开放大学远程教学应用的探索历程中困难重重，然而却不影响教师和学习者对移动增强现实新奇的视觉效果、先进的技术手段、丰富的资源呈现方式以及多元化的交互方式等方面产生浓厚的兴趣和积极性。相信在不远的将来，随着各种技术的快速发展，移动增强现实技术将突破种种难关而更多地被运用到远程教育教学中，给教师和学习者提供更多的功能和便利，以及更加深层的交互体验，从而为开放大学的稳步前进和长远发展提供坚实的后盾和技术支持。
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（编辑：鲁利瑞）
