增强现实技术在高校创客教育中的应用

来源 :中国电化教育 | 被引量 : 0次 | 上传用户:nev0618
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  摘要:增强现实(AR)技术是借助视觉、听觉、触感、加速度等感官通道,建立起一套接近于现实的虚拟仿真环境,并与现实环境进行匹配融合,为体验者提供信息交互的一类技术。高等院校在教育教学活动中越来越多地采用实践教学的模式,强调学生的体验和参与。增强现实技术为教育教学提供了全新的可能性,一方面拓展了教学环境,将校园内外不同物理空间的内容编辑制作为AR内容,可以广泛应用于小班或大班教学中;另一方面能够将一些不适于进行实体交互的内容,通过AR仿真,让学生亲身参与体验,甚至交互。该文以清华大学iCenter在工程实践教学以及创新创业教育方面应AR的规划及案例,探讨在未来课堂中应用AR新技术的前景。
  关键词:虚拟现实;增强现实;创客教育;工程教育;创新创业教育
  中图分类号:G434 文献标识码:A
  一、增强现实及其在高校创客中的应用
  随着图形计算、数据传输、可穿戴显示、人机接口等周边技术的不断发展,增强现实(Augmented Reality,以下简称“AR”)的相关技术及应用日趋完善。AR通过软硬件人机交互通道,从视觉、听觉、运动、触觉、味觉、嗅觉等方面建立一套感官刺激,与现实世界的感官融合,在现实世界中延伸出新的交互环境。此外,区别于虚拟现实,AR更强调虚拟世界与现实世界信息的融合,并实时动态更新,能够极大扩展现实环境交互中,操作者所接收的信息。基于这一特点,在很多创客实践教学中的场景中,AR在提高学习质量方面,都具有极大的潜力。
  AR在娱乐游戏、工业生产、产品设计等领域的应用发展尤为迅猛。Arduino模块式可编程开发板、Unity 3D建模引擎等工具加快了AR交互硬件及交互内容的开发速度,同时也促进了交互真实度的提高,以及更为复杂的交互逻辑和沉浸感更强的体验方式的出现,如右表所示。AR已成为信息产业界和科技创新创业领域新的热点。美国知名孵化器Y Combinator对近年来的申请项目进行的一项分析表明,从2014年开始,创业项目申请中提及AR的次数则出现爆炸式增长。今年AR继续成为项目申请书中最常提到的术语之一。产业界对AR的高度关注以及大量人才团队投身此项技术及其应用的开发,预示着其将成为未来社会中重要的一种交互模式。
  在教育领域中,远程教学、虚拟仿真、虚拟实验等教学形式正随着基础设施的完善而日益普及。针对一些具有较高成本、对条件保障有较高要求、高危险陛、不可及等特点的设备、实验、系统等教学场景,AR技术提供了一种接近真实、便捷的教学方式。近年来盛行的创客运动,一方面在推动AR相关交互展示技术和内容制作的发展,另一方面从AR技术的快速发展中受益。高校创客教育,以学生为主体,以项目为导向,其教学内容的来源,具有跨学科、跨地域、形式多样等特性。借助AR技术,可以将不同地点的教学内容或研究开发对象,进行异地实时交互呈现,实现协同设计、协同开发,甚至协同生产。
  AR技术与创客教育真正的融合,则需要从学习过程全生命周期,以系统观角度进行研究和设计。与商业、娱乐应用不同,AR的教育应用设计,需要遵循教学活动设计的基本原则,其目标是提高综合教学成效,而不仅仅局限于提高师生互动,或是增强课堂参与度等某几个方面。笔者试图从培养目标、成效度量、师资、教学设施等角度,分析AR在高校创客教学中应用的机遇与挑战。
  二、增强现实应用于创客教育中的意义及设计要素
  (一)结合不同培养目标进行AR应用决策
  培养学生在知识、能力、素养等方面所达到的目标,是决定教学活动中是否以及如何应用AR技术的要素。不同教学活动在三个方面的侧重,是AR教学内容设计的主要依据。在知识层面,学习过程的目标是对一套知识体系的掌握,以及若干知识点的记忆。根据这个目标设定的学习大纲,是为学习过程制定的“合约”,因此也定义了AR教学的内容合约。AR场景中出现的知识点,在展示时长、展示方式、内容准确性、出现顺序等方面,应遵循教学内容设计合约,并有利于学生掌握知识,利用AR交互多感官联动的特点,促进长期知识记忆的形成。此外,随着移动互联网的普及,以及数据压缩技术的提升,借助AR搭建虚拟实验室,由个人移动终端进行接入,可以让学生在课堂之外浏览课程内容,这非常有助于课堂之外学生进行自主学习。
  能力培养依靠实践训练,经过一定时间的积累形成。在创客教育中,通过开发平台、综合实践场景进行动手训练,真实性强,但限于各种因素,在特定情境下的实践常常不能完成。在一些高危险、高成本、不可及的场景下,AR可以提供更为接近实际场景的交互体验,从而对真实情境下所需要的技能进行训练。
  AR所创造的环境,接近于真实场景,并可以根据需要设置一些挑战,例如灾害、实验安全事故等。这种场景,对于培养创客的基础素养,具有更好的效果,能够更为直观地传达信息。此外,依靠AR场景进行叠加信息,可以针对性地标示出需要特别注意的内容,从而加强素养的形成。因此,以创客实践素养为目标的学习内容,可以更好地利用AR进行训练,以形成更为强化的记忆。
  (二)AR与成效度量方法的结合
  创客教育中学習成效的度量,强调过程度量与结果度量并重。而AR教学内容中设置阶段性考核点,并在内容制作时,定义好过程度量的数据采集格式,有利于分析掌握学生的学习进度,更好地实时度量学习成效。借助AR等信息化手段进行教学的优势在于,教学过程可以更便捷地设定考核点,且过程数据多为结构化数据,便于后续分析。AR交互场景中,可以将创客任务分解为多个阶段的子任务,并设置不同维度的度量点。在团队协作中,也可以结合AR场景的实时交互性和信息叠加特点,有针对性地设置团队成员间一定信息的共享,例如考察其他团队成员的状态等,不仅让教学者能够实时了解学习进程,更促进学习者同侪之间的交流。
  另外,AR在行为度量与分析方面,也具有一定的优势。利用AR进行快速部署,配合眼动仪等设备,对实践创客实践教学过程进行采集与分析,供日后进行分析,考察教学内容设计与学习成效之间的关系。   (三)师资建设
  AR技术的应用,涉及信息技术、心理学、人机交互等多个学科,设计优秀的AR教学内容,不仅需要对学习过程的准确把握,还需要具备上述知识技能的专业人员配合。在AR内容设计环节,教学设计者与AR专业工程师配合,根据教学内容重点,设计AR交互。这一过程需要教学设计者梳理学习过程的各个环节,有助于教学内容质量的提升。此外,教学设计者也需掌握AR的基本原理和制作方法,从而更好地组织教学内容,以充分发挥AR交互提升学习成效的作用,并设计出利用AR特长进行学习评估的方法。
  (四)AR教学设施
  AR在各个领域都具有广泛的应用前景。在教育领域,针对科学、技术、工程等方面的教学内容与实践活动在日益增加。AR技术,在电子化教学基础设施和校园网络设施逐步完善的前提下,能够很快进行部署。创客教学过程中,以项目为导向,同时由于AR场景涉及虚拟与现实信息叠加融合,这种个人使用模式,要求AR设备应按照课堂学生数量进行规划。
  AR内容可以采用在线云端数据作为主要来源,对于具有独特学科背景或技术领域、或将课程内容建设列入创客教育发展规划的学校机构,则可以在本地建设私有云服务,从内容制作开始提供本地资源,缩短制作周期。
  三、AR教学模式
  (一)以AR技术为教学工具
  高校创客教育中,工程訓练是基础教学内容重点,学生可以利用AR进行零部件识别、模拟设备装配等指导性实践操作。学生通过移动设备自主浏览和操作已经预制好的虚拟现实模型。此类互动模式简单,学生可以按照教学设计者规划好的信息进行交互。
  对于生产系统、车间等级别的教学内容,常见于针对工业系统、企业、产业为对象的教学环节,同时更加关注系统中不同元素之间的组合及互动。例如,通过虚拟现实搭建生产线模型,配合工业系统仿真软件,可以更好地还原工业现场,学生进行设计与部署,并可观看虚拟世界的系统仿真结果,还可通过AR直接作为交互界面,控制实际机械臂完成工件夹持和上下料等操作。这类交互情境中,需要学生独立对虚拟世界中的元素进行操作。为了保证学生的体验及课堂效率,每位学生通过个人终端、可穿戴设备(如头戴显示器等)、数据手套等设备进行操作输入。显示设备也以可穿戴设备为主,如头戴显示器、增强现实眼镜等。
  (二)以AR技术为教学内容
  结合高校对人才培养的要求,可围绕AR技术原理、产品研发、内容制作、模式设计、应用开发等方面开设相关课程。AR技术包括计算机图形学、摄影摄像、图像处理、立体视觉生理学、人机交互等方面的知识与技术。教学内容的组织大致可分为四个模块:(1)虚拟现实理论及应用;(2)前期制作;(3)后期编辑;(4)交互设计。其中理论及应用模块主要引导学生认识AR技术的基本原理,了解常见的应用场景,启发设计灵感。前后期制作部分,围绕建模、虚拟场景制作、信息叠加等技术。交互设计则会介绍系统仿真、AR交互硬件原理及开发、Web交互、可穿戴设备交互、动作捕捉等。
  (三)AR应用于创新创业产品开发
  高校创客教育着眼于创意创新创业项目实践。传统产品导向教学中,由于实体产品的定制化制造过程既耗时,成本又高,因此教师往往通过简化任务目标,或延长课程时间来进行弥补。增材制造技术的快速发展和应用,一定程度上缩短了原型产品制作的周期,但对于宝贵的课堂时间来说,仍然难以赶上教学进度的节奏,同时原型产品的材质选择大大受限于设备本身。AR技术的引入,则可通过更为真实的呈现方式,为教师和学生开发产品原型提供更快捷的方式,甚至比实物产品更利于进行查看和修改。
  产品开发涉及对空间形体更为复杂的操作,因此常配备专用输入设备,如空间3D操作笔、数据手套、空间3D手柄等。此外,一些虚拟现实系统,可以提供动作捕捉功能,让使用者可以直接通过肢体动作,对虚拟世界中的元素进行操作。有些则利用声音识别进行操作指令的输入。
  针对某一专门行业或领域设计的AR交互,可以通过更加丰富的现实设施,加强交互的真实性。例如,面向汽车设计的AR开发平台,能够借助成品车辆,通过叠加方式进行定制化改造,将虚实结合的增强现实界面,呈现给使用者,以形成更接近实物原型产品的效果,帮助设计师准确把握设计方案。
  利用虚拟现实或增强现实进行产品设计过程的支撑工具,不仅可以为创新团队提供更加快速的原型制作体验,并结合全球网络中的现有资源进行开发,还对学生形成协同化产品开发的理念起到帮助。
  四、AR对教学过程的影响
  AR的出现,源于通过仿真技术,提供一种安全、低成本、便捷的交互体验模式。在教育领域,这项技术有助于学生在与虚拟世界互动的过程中,建构自己对教学内容的理解,同时整个交互过程中,易于对操作、行为进行采集和分析。这种交互过程中,各个信息通道中呈现的内容,可以根据教学内容进行设计,并在可控的条件下进行呈现,利于学习者的注意力更为集中在有效教学内容上。此外,接近于游戏的交互模式,还能够帮助学生提高探索问题、定义问题、解决问题、交流沟通、团队合作等能力。
  AR交互模式的丰富程度,对学生的参与度会产生影响。这种参与度来自多个方面。一方面,虚拟场景交互有助于建立起使用者与场景提供方之间的认同感,并当交互模式更加丰富,这种感觉也会随之增强。基于课堂中更强的师生关系,教学内容整合到AR交互中,并结合可互动操作的虚拟场景,学生能够在交互中获得一定的成就感,这也有助于加强学生的参与度。另一方面,复杂的虚拟现实交互任务,过多的信息,会造成使用者认知负荷增加,降低在学习方面的认知资源,从而对学习效果造成负面影响。在以实践为主要内容的课程中,虚拟现实有助于提升学生的实践技能。尤其是在培训一些复杂操作前,通过虚拟现实进行培训,配合适当的指导,可以让学生更快地掌握技能。不过,值得注意的一点是,由于虚拟现实对危险因素的呈现有限,同时使用者会以更加放松的心理从事虚拟世界中的任务,因此对于实验安全意识的培养,相较实物操作会有所欠缺。
  五、结语
  虚拟现实与增强现实技术,已经不仅是实体交互的一种替代。AR在工业、娱乐、医疗、军事等各个领域的广泛应用,如同电子化阅读取代印刷品阅读的过程一样,正在逐渐改变人们与世界交互的习惯。然而这种交互模式中,仍有很多问题值得探索和改进,例如怎样更有效地传递期望使用者得到的信息,如何消弭虚拟世界与现实世界融合的鸿沟,如何减少虚拟世界漫游产生的不适等。对于高校教学来说,无论是作为研究对象,还是作为支撑工具,AR技术无疑将具有广阔的应用前景。借助这些技术培养未来创新人才,也将对教学内容变革的方向产生影响。
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