从创新扩散角度看增强现实技术的教育应用

    曹知　丁晓娥

    关键词：增强现实;创新扩散;教育;应用

    中图分类号：G434 ?文献标志码：A ? ? ? ? ?文章编号：1673-8454（2019）18-0019-04

    一、增强现实的概念及现状

    增强现实（Augmented Reality，简称AR）是对现实世界的延伸，“增强现实”这一词汇是由20世纪90年代波音公司研究员托马斯·考德尔提出的[1]，最初用于解决飞机制造中工作量巨大的装配问题[2]。

    1994年，Milgram、Takemura、Utsumi等人探讨了增强现实技术的概念，认为增强现实广义上是利用虚拟线索为用户增加自然反馈的技术，狭义上是能够实时看到现实世界的虚拟现实[3]。同时，还存在“混合现实”的说法，有学者认为这是对增强现实技术的进一步发展，比增强现实的概念范畴更广。从广义范畴上来看，“混合现实”与“增强现实”具有极大的重叠性，是同一事物不同时期的发展形态。

    增强现实技术在学科教育、职业培训、医学、工程教育中已有一些应用，尤其是在技能类教学及语言教学中有不少应用案例。2016年之后，微软等商业公司加大了对虚拟现实、增强现实、混合现实等技术的投资和开发，推出了相应的开发套件，如ARCore、ARKit等，这些开发工具促进了增强现实技术在移动终端的普及应用，同时相继推出了一些可穿戴式增强现实产品，引发了消费者及学者的新一轮关注。

    二、增强现实技术与教育教学应用

    国内对增强现实技术在教育中的应用研究早已起步，2007年曲阜师范大学徐媛探讨过增强现实技术在教与学中的应用方式。通过CNKI检索发现，2011至2015年，平均每年有22篇相关文献，2016年相关文献数量增至60篇，之后逐年增长，到2018年为158篇。

    纵观这些研究，早期关注增强现实技术引入教育教学的路径，之后聚焦与具体学科的融合方式及教学App的开发。从这些研究中还可以看到，目前增强现实技术的教育应用中还存在一些瓶颈问题：一是增强现实在技术层面还有待进一步突破，二是增强现实技术在教育教学中应用的理论体系还有待完善，三是围绕增强现实的教学资源建设还处于起步阶段，具体如下：

    1.增强现实技术本身的问题

    随着相关基础技术的不断发展，增强现实在技术方面已经达到了一个新的层次，但依然存在着一些影响用户体验的瓶颈问题，限制其进一步的发展。目前较为主流的增强现实技术，与概念中所界定的特征還有一定的差距，新的普及性特征有待发展，这一过程可能是漫长的。

    （1）显示方面

    显示方面的局限主要体现在分辨率、系统延迟、刷新率等指标上。

    传统的多媒体，一般只处理和呈现文本、图形、图像、音频、视频等形式的一种或几种，处理的信息量相对有限。而增强现实虚实结合的特点，意味着在处理现实数据的同时，还要处理生成的虚拟环境，这是以往的普及性设备所难以胜任的。

    头戴式设备过低的显示分辨率会导致“纱窗效应”，用户能够看到像素点，产生不真实感，影响体验的沉浸性。2019年更新的新版Hololens，分辨率也仅达到2K级别，而根据AMD公司之前的数据，16K分辨率的设备才能形成优质的体验[4]。而高分辨率又对图像处理能力提出了一定的要求，当前一些显示处理设备每秒生成的图像数量低于60帧，会导致用户因视觉疲劳产生“晕动”反应，甚至出现头晕、呕吐等症状，有类似相关性的还有显示设备的刷新率。

    受限于当前的显示技术和计算能力，头戴式增强现实产品还难以提供优质的沉浸性体验，这一类的消费级设备价格昂贵，用户黏性较差。而手持式和台式增强现实产品，不追求极致的沉浸性，大多是将增强现实应用运行在现行设备上，从而提供较为基本的增强现实体验。

    （2）交互方面

    丰富的交互是以跟踪和定位为基础的，得益于传感器技术的发展以及图像处理算法的优化，当前增强现实中识别和定位物体的精度已有很大程度的提高，可以满足非复杂环境下的基本需求。但现实环境中的光线、表面平整度等会对定位及跟踪形成干扰，加上数据处理带来的延迟，使得最终画面出现大量的错位，极大地影响着实际使用体验。这些对用户造成的技术不成熟印象是较为直接的。环境理解、光线评估等方面问题的解决亟待机器视觉研究的突破，大数据技术、人工智能技术正在为这一领域带来改变。

    此外，人机交互方面也存在一些问题。为了保障可靠性，很多增强现实设备还在依靠手柄实现大部分交互，这与传统多媒体计算机依靠鼠标和键盘输入信息的方式如出一辙，没有摆脱传统的交互思维。另外，设备主要依靠视觉和听觉反馈信息，未能有效纳入对触觉、嗅觉、味觉的支持，也会造成不完整的沉浸体验。

    （3）人体工程学方面

    头戴式显示设备经过这些年的发展，由早期笨重的形态逐步向小型化、集成化方向发展。然而，无论是虚拟现实、增强现实或者混合现实，目前主流消费级产品所采用的头戴式显示方案，都不太适合长时间使用，在体积、重量、佩戴方式上都有待突破。

    常见的主动式头戴设备，比如Microsoft Hololens 2、Magic Leap One等，都还存在很多佩戴上的问题，自重、配重和佩戴方式或多或少会分散用户的注意力。

    一些设备为了兼顾高处理性能和低延迟，通过线缆连接外置主机，限制了用户的活动范围，用户很难获得完整的沉浸式体验。这些还都是价格较高、用户体验相对较好的主动式设备，被动式设备在营造沉浸式体验方面的表现只能是差强人意。这些问题的解决，需要依赖计算机处理性能、新材料、传感器、交互技术等方面的综合发展。

    Verma Media创始人AJ Agrawal在“增强现实没有被大规模采用的三个原因”中提及增强现实设备的人体工程学因素，认为“日常情况下没有人愿意随时带着大护目镜”[5]，《新媒体联盟地平线报告》（2019高等教育版）也认为人体工程学因素是影响人们采用增强现实技术的一个因素。

    从以上三个方面可以看出，即便忽略成本因素，在当前增强现实技术的实际应用中，还不能一味地追求沉浸感和多样的交互方式。我们所探讨的增强现实的教育应用，主要是通过手持式或台式设备呈现，在抓住虚实结合、实时交互本质特征的前提下应有所取舍。

    2.增强现实技术在教育教学中的应用状况

    增强现实技术在教育教学中的应用和推广，除了面临上述的技术问题外，还存在其他掣肘。《新媒体联盟地平线报告》（2016高等教育版）中曾认为增强现实技术会在两到三年内得到普及，而2019版中重新审视了这一论断，将增强现实列为中期技术。

    根据于翠波等人的调查，在增强现实教育应用实验性研究中的学段层次主要集中高等教育阶段（占比34.2%），其次是小学阶段;学科领域主要集中在自然科学、人文与社会科学，工程技术和医学领域也有一些涉及[1]。

    另一份研究显示，2008至2017年，国内前三名的研究增强现实技术教育应用的机构都是高校教育技术专业院系[6]，相关研究重心的变化趋势，从研究增强现实在教育教学领域落地的可行性及理论支撑，逐步向利用增强现实技术的课堂教学设计上转变。

    2018年，以“增强现实教育或教学”为题的期刊文献有80篇，26篇被引用过。其中发文量最多的是北京师范大学“VR/AR+教育”实验室主任蔡苏，共有4篇相关文献，内容涉及增强现实技术在K-12教育中的实证案例，用到的教学工具是该实验室根据课例逐一开发的。其余22篇文献中，17篇在探讨增强现实技术在不同教育环境下的应用，针对具体的教育用途，采用了各不相同的增强现实软件，还有2篇探讨了增强现实教学软件的设计与开发，主要涉及Unity3D、Vuforia等开发工具。

    从中不难发现，当前的增强现实技术应用具有一定的门槛，普通教师使用增强现实技术开展教学有两个途径：一是自行开发课程相关的软件和资源，只有极少数教师有技术能力实现;二是寻找并使用与学科配套的增强现实软件及资源，而当前相关软件碎片化较为严重，还没有形成丰富的资源库，使用者也难以修改内容以适应多样化的教学需求。

    反观当前课堂中应用已久的多媒体幻灯片，一方面教师可以在短时间内掌握PowerPoint这类软件的基本功能;另一方面，长期以来形成了丰富多样的幻灯片资源库。增强现实技术要走进更多的教学过程，至少需从其中一个方面有所突破。

    三、增強现实技术在教育教学中的扩散机制

    从创新扩散的角度来看待增强现实，作为一门有待在发展中完善的新技术，创新的采用需要一个学习的过程[7]，技术创新的扩散过程主要通过“干中学”（Learning by Doing）实现，“边干边学”导致边际成本下降，当达到一个“临界水平”时，潜在采用者会采用创新，而这一过程的重复会不断推动新技术的普及。

    笔者曾结合K.Lonigo的教学媒体选择模型，从增强现实技术当前的成本和效能角度出发，发现在多种学习类型中增强现实都还不是最优媒体[8]。随着成本下降到临界点之后，增强现实的能效比会得到改善，才有机会成为更多学习类型中选用的教学媒体。当前增强现实技术的采用者数量还不足以形成“潮流效应”，针对这一现状，可以通过“干中学”降低边际成本，扩大采纳者数量。

    如何实现“干中学”呢？增强现实已经在一些需求较高、成本不敏感的教学领域优先应用，要更进一步在一般课堂中运用增强现实技术，可以通过开发丰富的资源或者降低增强现实内容制作及使用难度实现，如果能够在现有平台或硬件的基础之上实施，会更加促进“干中学”。使用增强现实技术的课堂，还需要一个类似PowerPoint的整合软件，既可以处理一般精度的3D模型，又可以整合呈现增强现实环境。换言之，一般课堂需要一套普及性更好的增强现实解决方案，当课堂的一般需求被满足之后，就会产生新的需求，增强现实技术与教育的结合会以“S”型曲线循序发展。

    四、增强现实技术在教育教学应用中的新思路

    为了进一步探讨教育教学中应用增强现实技术的具体路径，笔者以英语词汇教学为例，分析增强现实在教学应用中的作用原理、存在问题，并提出轻量级解决方案。

    词汇学习是当前增强现实教学应用研究中的一个重要领域，在2016年之前已有增强现实英语词汇辅助学习工具的相关研究。根据英国学者奥格登（Ogden）和理查兹（Richards）《意义的意义》一书中的语义三角理论（见图1），客观事物、符号、意义之间存在一种相互制约、相互作用的关系[9]，符号与客观事物之间的联系不是必然的。对于词汇学习来说，词汇和所指代的事物之间通过语义三角建立联系，词汇和事物没有直接关系，意义（或概念）存在于人的思维中。

    第一语言习得时，学习者往往是在符号和事物之间建立意义联系，而二语习得中，学习者经常会使用第一语言作为中介，使得学习过程更加复杂，也增加了认知的负荷。根据建构主义学习理论，为了促进意义的构建，学习要在一定的情境下进行，而增强现实技术可以搭建这样的情境。增强现实在语言教学中发挥作用的情境，区别于虚拟现实情境，它不是对现实环境的复刻或模拟，而是在现实存在的情境元素中实时增加意义符号，将符号与意义的联系具体化、可视化。通过增强现实建立的情境，在形象性的内容上直接附加信息，符号与事物的联系由隐性转为显性，降低了学习者的认知负荷，有利于学习者在已有经验上构建新的语言技能。

    之前不少研究英语词汇增强现实教学的案例，多利用Unity3D、3d Max、Maya等软件，结合不同的编程语言和增强现实开发工具实现。这些案例中开发或者应用的词汇辅助学习软件，其共同特点是技术门槛高、通用性差。仅是开发环境的搭建，就对增强现实技术的潜在使用者构成了障碍，同时还存在多平台需多次开发的问题。

    从当前增强现实技术的发展现况来看，降低教学应用中的边际成本十分重要。对于一般教师，可以将入手难度较低的通用AR工具引入教学过程，以在词汇学习中搭建适当的增强现实学习环境。AR工具选择的基本原则是在保证教师一定的编辑自由度的同时，减少对跟踪、识别以及交互编程等方面的技术学习要求，满足基本课堂教学需求，让部分教师先成为用户。通过这种普及方式，实现前文提到的“干中学”，一方面在增强现实的教育应用中产生更为精准的发展需求，另一方面也给技术本身的发展成熟提供了缓冲期。

    在移动AR领域，已有满足上述要求的低成本工具，如123D Design（Tinkercad）、3D Builder、ENTiTi、视+AR等。在英语词汇增强现实场景制作中，可以选择Windows系统自带的3D Builder应用结合在线模型库进行建模，用免费的“视+AR”平台进行内容呈现。

    （1）建模工具

    3D Builder是微软的轻量级建模软件，内建一些常见物品模型，并可以连接Remix 3D模型社区获取更多模型。123D Design是Autodesk的轻量化建模工具，配合123D Catch等123D系列软件，可以大大降低建模的难度，Autodesk已推出了在线版的建模工具Tinkercad来替代123D Design。

    （2）呈现工具

    视+AR编辑器是国内轻量级的WebAr内容展示平台，支持35Mb以内的FBX和OBJ格式模型文件，但编辑自由度有限。Kivicube是在百度DuMix AR平台上二次开发的国内WebAr平台，其在线编辑器有一定自由度，支持基本的动画和交互事件，但不支持SLAM（同步定位與地图构建）技术，对识别图的平面跟踪效果支持不足，与环境融合的体验不够完整。

    ENTiTi是以色列WakingApp的增强现实和虚拟现实工具平台，ENTiTi提供了轻量级别中较为成熟的交互设计解决方案，使用者可以将场景中的对象与分类详细的交互代码进行绑定，通过拖拽完成复杂交互，使用体验接近Authorware中对图标和流程线的操作，ENTiTi对3D模型格式支持丰富，其缺点是上传的模型在云端处理时间较长、中文支持有限等。国内需要一款与ENTiTi理念相似的增强现实软件平台，对3D模型支持友好，能够完成复杂度较高的交互，同时实现交互设计可视化、去代码化。

    五、结束语

    新兴媒体在教育中的应用研究，一般会经历关注媒体本身、与教学过程融合、系统性优化等不同时期，即重媒体、重过程、重优化的不同阶段。增强现实技术在教育中的应用研究，处于重媒体向重过程过渡阶段。增强现实在教育教学应用中，一方面受到技术成熟度的限制，另一方面技术门槛也减少了潜在使用者。

    在增强现实技术的应用中，教师不应该只是内容的使用者，还要逐步成为内容的制作者。从创新扩散的角度来看，可以先满足一部分学科、一部分课堂的基本需求，实现“干中学”，逐步提高技术采用率。随着增强现实在教育教学中的深入应用会产生新的需求，技术局限性也会逐渐显现，要真正完成这一转变，需要降低开发工具的技术门槛，通用型整合工具应该是下一步的发展方向。

    参考文献：

    [1]于翠波，李青，刘勇.增强现实（AR）技术的教育研究现状及发展趋势——基于2011-2016中英文期刊文献分析[J].远程教育杂志，2017，35（4）：104-112.

    [2]D. W. Mizell.Virtual reality and augmented reality in aircraft design and manufacturing[C].Information Engineering Research Institute. Proceedings of WESCON '94， Anaheim： IEEE，1994：91.

    [3]Milgram P，Takemura H，Utsumi A， et al. Augmented reality： a class of displays on the reality-virtuality continuum[C].The International Society for Optical Engineering.Proceedings of SPIE， Bellingham：SPIE，1994：282-292.

    [4]Anthony Garreffa. AMD's Roy Taylor teases the future of VR：16K and 120Hz[EB/OL].http：//www.tweaktown.com/news/56517/amds-roy-taylor-teases-future-vr-16k-120hz/index.html.

    [5]AJ Agrawal.3 reasons augmented reality hasn't achieved widespread adoption[EB/OL].https：//thenextweb.com/contributors/2018/02/16/3-reasons-augmented-reality-hasnt-achieved-widespread-adoption.

    [6]李涵，王娟.增强现实技术在教育应用中的文献研究——基于2008-2017年中文期刊的可视化分析[J].中国医学教育技术，2018，32（6）：618-622.

    [7]常向阳，戴国海.技术创新扩散的机制及其本质探讨[J].技术经济与管理研究，2003（5）：101-102.

    [8]曹知.增强现实的教学媒体功能及选择模型分析[J].文山学院学报，2018，31（6）：114-116.

    [9]刘英蘋.语义三角理论与英语词汇教学原则与方法[J].沈阳农业大学学报（社会科学版），2014，16（3）：326-329.

    （编辑：李晓萍）