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本文由《中国电化教育》杂志授权发布
作者：蔡苏、张晗、薛晓茹、王涛、王沛文、张泽
摘要
增强现实作为一种新型的手段在教育领域进行跨界融合，学习者能够在虚实融合的教学情境中，以最贴近自然的方式进行自主探索。基于增强现实的交互手段给课堂提供了新的教学方式，知识会越来越具有交互性、流动性和情境性。该文通过实证发现，大部分学生的学习态度和增强现实教具的使用是呈正相关的。当然，增强现实在教育领域的应用还处于早期阶段，在教育领域的应用既有发展机遇，也还面临着一些挑战。在未来的研究中，增强现实学习环境应该深入研究如何支持学与教，以提升学生在课堂教学中的学习效果，引领课堂教学新路向，形成教育新常态的价值诉求。
关键词：增强现实；AR；虚拟现实；VR；课堂教学
增强现实（AugmentedReality，简称AR）是广义上虚拟现实（VirtualReality，简称VR）的扩展。增强现实允许用户看到真实世界以及融合于真实世界之中的虚拟对象[1]，因此增强现实是“增强”了现实中的体验，而不是替代现实。增强现实可以用来模拟学习对象，让学习者在现实环境背景中看到虚拟生成的模型对象，而且模型可以快速生成、操纵和旋转，能够在最贴近自然的交互形式下为学习者搭建一个自主探索的空间，这对于抽象内容教学和提升学习者兴趣是很有启发意义的。
一、增强现实教育应用文献回顾
Milgram,Takemura,UtsumiandKishino[2]定义了真实环境和虚拟环境的连接关系，如图1所示。从字面上理解，在真实环境上叠加虚拟的对象，就好像把现实环境要展示的内容“增强”了，所以就叫“增强现实”，反之即是“增强虚拟”。
（一）国际研究
在教育领域里最早运用增强现实技术的案例是Billinghurst制作的MagicBook[3]。它根据书本内容制作成3D场景和动画，并且利用一个特殊的眼镜就能让儿童看到虚实结合的场景，如图2所示。这幅图也生动地展示了图1中的从完全真实环境到完全虚拟场景的连接关系。
KaufmannandSchmalstieg[4]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。几何体具有布尔运算的功能，可以将几何体的变化以及在空间中相交、相切的关系直观展示出来。学生在这种虚实融合的学习环境中更容易理解复杂的空间概念，也方便建立师生和生生之间的教学互动。
DünserandHornecker[5]将3D角色、声音及互动道具加入到寓言故事中来观察5-7岁的儿童如何进行互动与合作学习。利用附有标签的互动道具，儿童在阅读故事的同时完成与故事内容相关的小任务。该研究发现儿童认为增强现实环境非常有趣，他们沉浸在其中并愿意尝试着完成任务。在此基础上，他们进一步设计了为7岁孩子提供的基于增强现实的故事书[6]，研究儿童在现实世界中所具有的知识和技能是如何影响他们在这种新环境下的交互行为的。结果表明这种更接近物理交互的方式能够带来更多样化的交互行为，如孩子们通过移动或反转标记能够导致增强现实场景中相应物体的类似动作，这大大地激发了他们的兴趣。
Vienna理工大学研究人员展示了AR技术在力学教学中的应用[7]，如图3所示。它利用一个为电脑游戏所开发的物理引擎来实时模拟力学领域的物理实验，学生可以积极主动地在一个三维虚拟世界中创建自己的试验并加以研究。在实验之前、实验过程中和实验结束后，该系统均提供了多样化的工具，用以分析目标物体的受力、质量、运动路径等物理量。但该系统需要较昂贵的头盔、立体眼镜等设备。
Martín-Gutiérrez,LuísSaorín,Contero,Alca?iz,Pérez-LópezandOrtega[8]展示了一项帮助工科学生提高空间能力的增强现实应用。如图4所示，他们设计了一本可以呈现3D模型的书籍AR-Dehaes来帮助学生完成虚拟化的任务，试图在一个短期的补习课程内提高他们的空间技能。一个由24名大学新生参与的验证性实验证实了该训练在提高学生空间能力上具有可测量的积极效果。
在日本3.11地震后，Chang,WuandHsu[9]设计了实验来研究福岛第一核电站工厂附近的核辐射污染环境下学生的学习行为。该实验通过移动设备上的增强现实技术模拟核辐射下的环境，以此增强学习者的临场感和即时性来支持学生学习。例如，假设校园离核电站有12公里远，且在前一天发生了氢气爆炸，选取的九年级学生使用Android平板电脑来收集校园周边的模拟核辐射值。研究发现学生通过AR活动的感知行为与核环境状态的改变存在显著性相关，这提供证据表明AR环境可能影响学习者对现实世界突发事件的情感态度。
Lin等人的研究发现，在学习弹性碰撞和动量知识方面，使用AR比使用传统的2D教学软件在学习效果方面有显著的提高。这在很大程度上归功于AR软件在教学过程中对碰撞过程和规律的具体和形象的展示[10]。
教育领域著名组织TheNewMediaConsortium（NMC）近几年发布的地平线报告中将增强现实技术列为未来几年最具潜力的六个技术之一，如表1所示。从“简单增强现实技术”到“增强现实技术”的字眼变化可以看出这门技术正在迅速走向成熟应用。
（二）国内研究