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本刊2024年第10期刊发的《增强现实在科学教育中的应用和挑战》一文，介绍 AR 的起源及相关概念，梳理出 AR 在科学教育中的优势、将 AR 技术应用于科学教育的 2 种主要方法及其实际应用，提出 AR 相关科学教育的趋势和潜在的研究方向。本期荐读。
增强现实在科学教育中的应用和挑战
吴玉冰 付雷
（浙江师范大学教育学院）
教育信息化 2.0 背景下，传统教育教学获得了新技术手段的支持。应用增强现实 （AR）的教与学被认为具有学习潜力，AR 对初级科学教育的教与学体验具有积极的影响。为了理解 AR 技术如何助力科学教育，本文介绍 AR 的起源及相关概念，梳理出 AR 在科学教育中的优势、将 AR 技术应用于科学教育的 2 种主要方法及其实际应用，提出 AR 相关科学教育的趋势和潜在的研究方向。
增强现实 科学教育 人机交互 教育应用
《义务教育科学课程标准（2022 年版）》提到， 教师要充分利用学生的亲身经历，创设真实情境或者利用信息技术创设虚拟情境，有条件的学校，可运用虚拟现实（virtual reality，VR）、增强现实（augmented reality，AR）等技术手段创造虚拟学习环境。《义务教育生物学课程标准（2022 年版）》 提到，可以运用文字、图片、动画、视频、模拟实验等数字化资源，改进教学内容的呈现方式，优化教学过程，增强教学的直观性、生动性和丰富性，如教师可以运用互联网和数字设备，设计完成模拟实验，进行虚拟仿真实验，突破实验材料、实验时间和实验设备的限制，减少学习活动对材料、场地和设备等条件的依赖。《普通高中信息技术课程标准（2017 年版 2020 年修订）》建议创设数字化学习环境，为学生提供丰富的课程资源。现实空间与虚拟空间的结合，有助于改善学生的学习方式，激发学生的探究欲望，同时，也丰富了教师的教学手段，拓宽了师生互动交流的渠道。
1 AR 的起源及相关概念
20 世纪 90 年代，飞机制造商波音公司的科学家首次提出了 AR 这一概念，并且开发出一种全新的 AR 系统，它能够将虚拟世界中的景象与真实世界中的场景完美融合，这也是它被用于航空 公司和空军飞行员培训的第一次尝试。在计算机科学和教育技术领域，学者对于 AR 有多种解释。其中，Milgram 等基于 RV（Reality-Virtuality） 连续体的概念，对 AR 进行了广义和狭义上的解释：广义上是指通过模拟提示，增强操作者的自然反馈；狭义上更加注重技术，采取了一种更受限制的方法，其核心思想在于“一种虚拟现实的形式，参与者可以通过头戴式显示器清晰地看 到真实世界”。也有学者根据其功能或特性来定义 AR，例如，Azuma将 AR 视作一个具备 3 个 关键要素的系统：①虚拟对象与真实世界的融合；②用户可以与虚拟对象进行真实的交互；③其在三维空间中进行精准的匹配。Azuma 对 AR 的定义是目前最广泛被接受的。Sinha 等尽管 同意 AR 技术将现实世界与计算机生成的信息结合在一起，但他们认为，除了视觉信息，这些信息还包括听觉、触觉和躯体感觉信息。他们将 AR 的范围扩大到视觉以外的其他种类的信息，将真实的信息与人工生成的、计算机生成的或其他信息混合在一起。
AR 技术是移动式、沉浸式的现实体验，是 VR 技术的延伸。VR 是一种人工环境，通过计算机提供的感官刺激（如视觉和声音）来体验。其中一个人的行为部分决定了环境中发生的事情。在 VR 世界中，所有的环境、感官体验以及与之相互作用的人物和场景都是虚拟的，现实中并不存在。VR 提供了完全由计算机生成的感知体验的模拟，而 AR 是数字信息与用户环境的集成—— 使用真实环境并在其上覆盖虚拟信息，将虚拟物体与真实物体的视图相结合，形成 AR 环境。在 AR 环境中，虚拟和真实物体可以共存并实时交互，不仅是信息的定量丰富，还具有可视性、沉浸性和交互性等特性。在价格、真实性和互动性方面，AR 比 VR 更有效。
2 AR 在科学教育中的优势
随着计算机技术的不断发展，AR 技术的显示效果和人机交互显著提升。经过实证研究的分析和讨论，AR 技术在教育环境中的应用具有显著的优势。其中，最大的优势就在于它可以创建一个沉浸式的混合学习环c们发展解决复杂问题的能力，并且可以通过相互依赖的协作练习来提升沟通技巧。基于以往研究，AR 技术在科学教育中的优势主要可以概括为以下 3 点。
中学阶段的学生空间想象能力和类比推理等思维能力还未成熟，涉及宏观或者微观的视角时，常常需要构建抽象的模型进行辅助理解。根据认知发展阶段理论，小学生和青少年早期处于具体操作阶段，需要用视觉、听觉或其他方式使用他们的感官进行学习。因此，AR 强大的可视化功能为学生的学习带来了巨大的改变。在传统课堂中，知识的传输主要是通过文字、图片等形式呈现。虽然一些教具在一定程度上会给学生带来直观感受，但这些模型大多 距离学生的生活实际较远，学生也会产生一定的距离感。
此外，由于观察角度和结构叠加，学生经常存在看不清楚和不易理解等情况。使用 AR 技术组织教学，可提供空间关系的演示和 3D 空间内元素的相互作用，学生可以体验到三维立体的效果。AR 还具有吸引和激励学习者从各种不同的角度探索材料的潜力，有助于在现实世界中无法亲身体验的主题的教学。例如，Shelton 等探索了 AR在大学教学中的应用，以轴向倾斜和至点的方式教授地球与太阳的关系。从不同角度查看旋转图像的方式，能够转变迷思概念并建立新的正确的理解。与传统的桌面界面相比，这种 AR 界面提供了对复杂可视化上级水平的认知访问。
AR 体系的核心优势在于其极高的交互性，注重通过多感知通道和自然化的c够进行自然交互，几乎如同在真实环境中进行的实验。AR 支持情境学习，意味着学习应该发生在 AR 将要被应用的环境中
实验教学在科学课堂中至关重要。许多实验的周期较长，需要进行较长时间的等待和观察，才能够得出实验数据；部分实验的过程也比较复杂，出现一步失误可能就需要重新开始；部分学校的实验设备不够完善，部分实验难以进行。这些限制使得经验学习在教学过程中无法大规模传播。AR 可以突破时间和空间的限制，模拟实际学习中难以开展的实验，较好地解决以上问题。
运用 AR 技术，模拟实验与真实实验效果大体相同，学生动手能力基本不受影响。将 AR 技术应用于实验教学，学生可以借助相应移动设备随时随地进行实验探究，使学习更加灵活高效。在某些领域，真实的设备可能很难获得，例如，某些实验设备可能太昂贵或太危险而不能在学校使用，模拟能够使学生体验这些设备。模拟也可以使得在很长或很短的时间内发生的现象以一节课的形式展现。通过模拟，学生还可以操纵变量并查看多个实验可能的结果，也可以在 AR 实 验平台上重复实验，提升实验动手能力。AR 环境 提供了在丰富的感官空间环境中通过物理动作边做边学的更好机会。用户有机会在真实环境中动手体验，在虚拟对象上进行实验，例如，Wojciechowski 等利用 AR 环境来实现化学实验的经验学习。
3 AR 学习环境的学习方式及在科学教育中的实际应用
科学教育中利用 AR 技术的方法主要为基于图像的 AR 学习和基于位置的 AR 学习。这 2 类学习方式不具排他性，在某些场合可以结合使用。
基于图像的 AR 需要特定的标签在真实世界的图像上注册 3D 对象的位置。标签通常是预先设定好的图案，通过手机、平板电脑等设备的摄像头进行识别，AR 系统对收集到的环境进行搜索，当搜索到设定的 AR 识别标签 时，系统会自动触发已预设的虚拟的物体，将虚拟图像准确地叠加到真实环境中，从而达到虚拟与现实的结合。除了基于图像的 AR 中识别的人工标签，自然图像识别也已经集成到 AR 技术中，因为自然图像契合人类的视觉体验。
基于图像的 AR 技术通常用于在课堂中将抽象概念转换为生动易理解的形象，以提高学生的概念理解和空间感知能力。例如，一种名为 AR Dehaes 的增强版书籍被设计用来提供 3D 虚拟模型并展现在屏幕上，帮助学生执行可视化任务，极大提升其空间思维，这种有趣的方法是 AR 技术在教育领域的首次应用。对于无机化学教育，多媒体教室中基于图像的 AR 设置可以实现材料结构的 3D 模型（被识别后）叠加在标记上，支持学生发展关于晶体结构 3D 排列的空间直觉。学生手中握有 α-Al2O3结构的标记物，当学生移动标记物时，AR 系统显示连接成更复杂的结构。研究发现，AR 技术显著提高了学生的实验技能，也帮助其树立了对物理实验的积极态度。但是基于图像的 AR 学习由预先的标记提供学习内容，无法根据学习者实际的学习情况进行有针对性的内容改造。
手持设备和传感技术的进步与普及使研究人员能够实施更有效的学习方法。一些研究报告了在现实世界环境中进行情境学习和体验式学习的重要性，鼓励在户外学习活动中使用移动和传感技术。此类学习支持技术可以通过使用 AR 来实现。AR 结合了人类感官（如视觉和听觉）与虚拟对象进行交互，以便用户实现真实的环境感知。当代教育中，许多教育工作者和研究人员已经积极地将基于位置的 AR 应用于教学和学习，这种应用已经成为当代科学教育的主要趋势。
基于地理位置服务的 AR 学习的特征在于学生在特定的真实环境中学习，可以使用摄像头识别身边的事物，从实际环境中选择虚拟学习对象，来获取相应的学习内容。通过这种方式的 AR 学习，学生可以充分利用移动设备和地理定位系统，精确定位自身的位置和行为，从而能够建立有效的信息关联，更好地掌握自身的学习过程。移动设备中基于位置的 AR 技术更加注重学生与真实环境的交互，学生能够沉浸在学习过程中，亲身接触和观察正在学习的对象并与同伴进行交流，促进高层次的思考，以及对 课程材料的透彻理解，增强对知识的吸收并提高协作技能。教师可以将学生通过户外学习获得的相关知识纳入正式的课堂教学中，以提高学生的理解力。
4 AR 教育应用面临的挑战
一些研究的结果显示了学习者对 AR 的积极态度（如满意度或感知有用性），并在一定程度上显示了学习结果的改善。AR 教育的实现将会给教育事业带来极大的改变，为教育界带来前所未有的革新，但也不能忽视它所面临的挑战。尽管 AR 技术已经取得了一定的进展，但仍 处于起步阶段，这使得它无法与教育深度融合， 限制了其发展的潜力。AR 教育应用的实证研究仍处于相对比较简单、短期、小样本的探索设计阶段，AR 应用于教育教学存在着一定的挑战与困难。
目前成熟完善的课程评价体系仍未构建，还需要对产品的教育价值、教育成效等展开深入研究。开发出有效的学习监控和评估系统，对于提升 AR 教学的效果至关重要，而建立完善的数据采集系统和使用规范，则是当务之急。目前，并没有对 AR 技术如何被用于实现不同的教育目标进行研究，研究工作的重点也都集中在设计性分析和案例研究上。为了充分发挥 AR 技术的教育意义，应该收集足够的数据，并使用先进的技术手段对其进行精确的控制与评估。如何更好地实现 AR 教育和传统教育的融合还需进一步探索。
5 小结
在把握教育元宇宙发展机遇的同时，也要充分利用其优势，迎接 AR 技术带来的挑战，以期取得更大的成就。AR 应用的本质不在于增加新的学习工具，而在于引入新的学习方式和学习文化。采用全面的创新人才培养模式，提供多元的教育资源，组织各种形式的学习活动，并实施智 能化的学习评估，旨在帮助学生发掘自身潜力， 实现其智力发展的目标，这是 AR 技术教育应用的重点和难点。随着技术的不断发展及与教育理念的深度融合，在广大研发人员、教育者、学生等多方的共同参与和努力下，AR 在教育领域会发挥越来越重要的作用，有助于更好地落实学科核心素养，实现课堂教学的转型。
本次推送仅节选了文章部分内容，全文阅读详见本刊2024年第10期。欢迎订购！
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