數字化背景下“AR+沉浸式學習”研究

王永圖　張金燕

摘要：數字化背景下，各級各類學校積極引入以大數據、區塊鏈為典型的“互聯網+”技術，旨在打造“線上+線下”互補協作辦學新形式?；ヂ摼W是高校管理的中介承載物，可以利用不同的新興技術實現線上線下協同辦學。線上上課相比面對面授課有相當大的靈活性。從學生角度而言，沒有辦法和教師進行眼神交流和即時反饋學習進度；從授課教師角度而言，可以采用課堂錄播的方式，方便學生課后尋找適合的時間自學。這導致學生的學習進度在一定程度上無法集中和統一，學習時間有可能變得碎片化。如何在線上上課的模式下減少時空因素造成的不良影響，利用AR技術為學生提供沉浸式學習的技術條件和氛圍環境，成為各方共同關注的重點。文章探究AR技術在沉浸式學習中的應用現狀，通過對相關案例的分析，尋找AR技術應用于沉浸式學習中的可能性，進而為數字化背景下學生的學習提供更加理想的學習氛圍和更加高效的學習方法。文章基于現實情況提出有效的解決方案，實現沉浸式學習，提高學生的學習效率，激發學生學習的內生動力，通過分析AR技術應用于教學的案例，分析“AR+沉浸式學習”的優劣勢，最后提出問題解決方案，期待“AR+沉浸式學習”在未來有更好的前景和發展。

關鍵詞：AR；沉浸式學習；數字化

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1004-9436（2023）14-00-03

1 “AR+沉浸式學習”的特點

1.1 化抽象為具體

首先，利用AR（增強現實）技術親自感觸各種各樣的3D模型，可以在很大程度上優化學習體驗，化抽象概念為具體可接觸的模型或虛擬實物。在課堂中，通過AR技術展現出來的3D模型，為學生提供多角度、全方位觀察模型的條件，使學生對概念和知識點形成立體的認識和理解。在平時的教學中，面對多學科融合交叉的課程，教師可以利用AR技術展示所學知識及題目中運用到的知識點，將多門學科知識融合在一起，能使學生更易接受［1］。

在地理課堂中，大部分教師會選擇利用黑板或自己所帶的一些上課道具，讓學生初步了解相關知識。很多教師會積極使用白板、投影、多媒體等現代教學工具，這些工具可以使教師和學生之間更好地互動和交流。相比之下，利用AR技術呈現的增強現實空間和虛擬3D模型等具有得天獨厚的優勢。在了解地球和宇宙的全貌時，利用AR技術可以實現沉浸式的觀察和體驗，讓學生自由地旋轉、跟蹤、探索地球與宇宙的奧秘。AR技術不斷發展成熟，能夠大幅提升人的三維及三維以上的邏輯思維和抽象思維能力［2］。

除此以外，針對氣流、分子和電場這類肉眼很難觀察到的微觀事物，AR系統憑借獨特的優勢，能夠使分子結構、向量等元素以實體可見的形態表現出來，很多難以理解的現象能夠被直觀展示出來。針對書本中較抽象和難以理解的知識點，利用AR技術可以很好地將其形象化，最大限度地減少時空對學習者的影響，從而達到沉浸式學習的效果。

中學物理課本中磁場與磁感線的相關內容一直是教學重點和考試難點，看不見摸不著的磁場讓教師和學生感到頭疼。針對這個教學難點，蔡蘇和團隊在深入研究AR技術和Kinect設備并得到一定的研究成果之后，設計出了能夠將磁場可視化的體感教學軟件。通過該軟件，學生可以通過手勢動作和磁場交互，磁場和其中的變化如同觸手可及的實物呈現在學生的面前。在對使用該軟件的學生進行調查和檢測之后，可以明顯發現學生探究知識的熱情增加了，對抽象事物和微觀事物的感知能力也得到了明顯的強化。

1.2 營造情景式學習環境

如今，人手一部手機和電腦已經成為社會常態，電腦仿真技術、游戲模型設計和虛擬物件實體化構建技術也不斷成熟。有了硬件設備和軟件架構，以移動AR技術為基礎的情景式學習突破了時空限制，得到了大范圍普及。這個系統的便捷性、交互性、情境性、連通性以及個性化等優點和特性，在學生和教師使用過程中展現得淋漓盡致。除了在課內的學習用途以外，還存在一些針對支持課外學習而設計的移動設備上的增強現實游戲。在環境勘測中，只需要一個搭載了勘測游戲APP的平板電腦，學生就可以開展勘測工作——確定勘測點、搜集勘測數據，最后對搜集到的數據進行整理分析，并得出其中各勘測主體的關系。

參考前人相關文獻，Klopfer等研究者發現，在現實世界中，可以通過讓學生接觸虛擬游戲來加深其對氛圍與環境的認知，同時激發學生學習的積極性。與之相反，另一部分研究者認為可移動、方便攜帶的設備會分散學生的注意力，進而有可能導致任務的完成變得困難［3］。AR系統中的嵌入式提醒功能有效抵消了上述有可能產生的不利影響：通過實時監測學生所處的位置和設備使用狀態，及時顯示任務完成進展和下一步任務，從而達到提示學生集中注意力的目的。除此以外，移動AR技術也給學生提供了社交上的便利。通過移動設備接入網絡之后，學生就可以與同學、朋友隔著屏幕面對面交流，增強社會交互性。

1.3 增強學習者的存在感

運用AR技術設計出類似教學游戲的沉浸式學習媒體，能夠讓學生在教學中有主體意識，獲得存在感，充分調動學習者的多種感官，將聽覺、視覺、觸覺等多感官結合，使學生更容易全身心投入［4］。

首先，利用AR提供的特殊學習空間，可以使學習者覺得自己和別人站在同一立場上，這種存在感能夠強化學生對學習環境的感知。其次，AR技術構建的學習系統可以提供語音即時反饋。AR技術可以在真實的環境下把教師和學生、虛擬元素整合在一個系統中，更好地進行信息溝通，優化學習者的直覺體驗。因此，AR技術構建的系統對發展學習者的直覺具有很大的作用。針對一些AR等沉浸式媒體軟件，在以上已有的體驗之外，還能夠使學習者有身臨其境之感，而且這種情感是個體在全面、現實的經歷中產生的主觀感受。沉浸式環境下，可以將學生所學知識轉化為真實世界的疑問與情境。

1.4 提高學習者的參與度

在平時的課程中，教師會優先使用傳統幻燈片等教學工具，但是這樣的動畫無法讓學習者產生真實的參與感，只能知道大致的結果和流程，不能支撐學生身臨其境地進行現實操作。大多數模擬實驗都是以固定程序作為后臺支撐，即使學習者犯了錯或者操作失誤，也只會出現固定程序設計好的結果，并不能讓學習者有真實的參與感和操作感，也無法讓學習者在錯誤中摸索重新找到正確做法的體驗［5］。

應用AR技術能夠很好地避免這些問題，其不僅可以將“拋”硬幣的動作通過交互讓學生更有真實感和有趣的游戲體驗感，還可以迅速記錄統計數據，解決實驗資源不足、場地限制等問題。例如，在物理課堂中需要做大量的實驗來得出物理結論，但利用AR技術進行凸透鏡成像實驗，就不需要在現實中準備蠟燭、透鏡等實驗用材，學生用手就可以控制虛擬的蠟燭進行前后移動和更換不同型號的透鏡，進而控制變量，觀察現象。這種用手直接參與的自然交互方式，與在現實中做實驗的感覺基本是一致的，并且學生的參與度也能夠大大提高，在課堂中能成功轉換身份，變成課堂的主導者。

1.5 將生活和學習相結合

可以利用AR和其他技術手段對博物館和館內文物進行數字化三維建模，使參觀博物館的行為擺脫時空限制。廣州華銳互動開發的AR博物館滿足了這樣的需求，把博物館“搬”到了每個人的身邊。學生只要拿起AR設備，就可以在利用VR技術制作的三維仿真場景中欣賞展品。在AR參觀中，學習者可以進行多感官接觸，獲得身臨其境的體驗。比如在參觀火箭時，運用AR技術，學生可以看到火箭升空的整個過程和在此過程中發出的聲音。學生通過用手指滑動火箭，還可以查看火箭的外部構造。在這個過程中，學生得以在生活化的場景中通過AR技術獲得更加優質的體驗，將生活和學習有機結合起來。

2 “AR+沉浸式學習”現存的問題

2.1 技術不成熟，反饋不及時

雖然AR技術的優勢和重要性得到了越來越多的認可，但AR技術的開發和推廣之路依然困難重重。就像有些人在玩3D游戲的時候會有眩暈和想要嘔吐的感覺，在AR技術支持下的虛擬世界中行進和調轉方向的時候，部分使用者可能產生不良反應。并且增強現實主要應用在一些專門設立的體驗館，在人們的工作、生活和學習中運用得較少［6］。與此同時，想要應用效果更好的AR技術，就要投入更多的資金，而以學校為主的教育領域常常因為沒有足夠的資金只能選擇環幕投影這樣造價較低的技術，最后不僅沒有給使用者帶來富有層次感的環境體驗效果，反而會加劇給使用者帶來的不良反應，無法取得理想的效果。此外，支撐AR技術中交互功能順暢實現所需要的海量數據，在實際運用過程中經常因為數據精度、存儲設備老舊和更換成本高等問題無法達到理想的應用狀態，最終使AR技術在推廣過程中陷入延遲高和數據更新顯示慢的困境，在一定程度上影響了AR技術的發展。

2.2 資金耗費大，更新換代難

當前，AR技術快速發展，已經滲透到各個領域，并且可以取得逼真效果。近年來，越來越多的教育研究者進行了各種各樣的嘗試，力爭將AR技術與教育高效結合起來。但由于AR技術目前仍處于初級發展階段，所以研發前期投入資金過多、研究周期長、投資風險高等弊端很可能導致后期研發資金匱乏。在科技發展日新月異的今天，如果資金不足導致研究開發無法及時跟上，就會造成技術斷層、設備材料短缺、研究對象過時落后等一系列連鎖反應。因此，研發投入高、回報周期長的嚴苛條件進一步阻礙了AR技術的研究開發。

3 “AR+沉浸式學習”解決方案

3.1 創設教學情境

高效的學習需要創設一定的教學情境。情境教育理論指出，兒童天性應該適應情境教育，兒童天性是情境的理論基石，情境教育內核以“兒童—知識—社會”這三個維度為支撐，構筑了三維度融合的具有獨特優勢的課程范式。除了兒童天性作為理論支撐以外，情境理論具有充足的科學依據，最新腦科學成果就證實了這一理論，即兒童的腦是敏感的，單調重復的學習環境容易導致兒童無法集中注意力，并且無法形成長久的學習專注力。不同于成年人的是，兒童的腦會優先接受并處理情緒性信號，不會理性思考生活中的問題，利用這一特點，AR技術可以充分調動積極情感，從而使學習活動高效開展。在平時上課的過程中，可以創設設疑式情景、爭論式情景等，使學生積極參與一些特定社會情境的文化實踐，快速并有效地獲得豐富的文化知識?；谇榫忱碚?，學生在特定情境下獲取知識更加快速直接，如果要提升學生的學習技能，增強學生的認知能力，那么通過AR技術創設教學情境將成為提高學習效率的重要途徑。

3.2 拓展學習空間

開展線上教學，學生面臨一些實踐活動無法正常開展的問題，利用AR技術可以實現虛擬現實體驗，更好地開闊學生的視野。運用AR技術可以進行沉浸式學習，能在用戶可觀測的現實場景下集成大量資源信息等數據，為教師和學生營造沉浸式學習環境，激發學生的學習興趣，充分發揮學生的積極性和主觀能動性。

目前，基于增強現實的虛擬現實課程已經成為許多高校教育教學改革的重要內容之一，不僅能提高教學效率，還有助于培養學生的實踐探索能力，促進其全面發展。同時，增強現實技術可以對目標對象進行三維建模和展示，學生可通過觀察不同的角度了解該模型，與虛擬模型互動，強化目標對象認知。這種虛實結合的教學方式使學習者能更加真實地感受虛擬世界。另外，增強現實系統的實時交互等特性弱化了定位、空間限制，教師既可上課，又可遠距離引導學生，填補現實環境下裝備的缺失，達到資源共享的目的。當前，AR技術已經初步應用于教學領域，但在教育領域尚未引起廣泛關注。

4 結語

在當前的數字化背景下，一輪又一輪教學方式的變革隨著“互聯網+”等新興技術的如火如荼發展而不斷深入。作為AR技術的使用者，應客觀看待新興技術在教育教學中的應用，將教育教學與AR技術高效結合，提升課堂的可視化、可觸化程度。在將AR技術投入使用的過程中，存在很多應用壁壘，其仍然有很長的發展路程。AR技術作為一種前衛技術，雖然未來可能面對很多不確定性，但在AR技術開發人員和教育實踐者的齊心協力下，其會在教育領域取得飛躍式的突破，為未來教育教學工作創造出更大的價值。

參考文獻：

［1］ 王一美.數字化背景下應用型高校教育管理的創新方法［J］.中國多媒體與網絡教學學報，2022（10）：114-117.

［2］ 杜二敏.具身認知視角下沉浸式學習的發生機制探析［J］.寧波大學學報（教育科學版），2022，44（2）：30-37.

［3］ 蔡蘇，宋倩，唐瑤.增強現實學習環境的架構與實踐［J］.中國電化教育，2011（8）：114-119.

［4］ 李青，張遼東.基于增強現實的移動學習實證研究［J］.中國電化教育，2013（1）：116-120.

［5］ 李丹，馬力，官巍，等.增強現實（AR）英語教學應用設計研究［J］.中國教育信息化，2017（15）：68-71.

［6］ 陸文利，王淳，趙春芝.增強現實（AR）技術在高?；A實驗教學中的應用［J］.實驗室科學，2018，21（2）：164-166.

作者簡介：王永圖（2001—），女，江蘇鎮江人，本科在讀，系本文通訊作者，研究方向：AI+沉浸式學習。

張金燕（2002—），女，山西忻州人，本科在讀，研究方

向：AI+沉浸式學習。

基金項目：本論文為2020年度江蘇省教育科學“十三五”規劃課題“數據驅動下智慧課堂教學模式研究與實踐”成果，項目編號：C-b/2020/01/08