一、增強現(xiàn)實技術的基本概念

　　增強現(xiàn)實(Augmented Reality，AR)是虛擬現(xiàn)實技術的分支之一，涉及計算機圖形學、人機交互技術、傳感技術、人工智能等多種領域。一般認為，這一詞匯最早是由波音公司的研究員Tom Caudell在1990年代提出的。增強現(xiàn)實的目的在于對現(xiàn)實世界做進一步的擴充和延伸。在其技術進化的過程中，主要面臨的技術難題是視覺呈現(xiàn)方式、目標追蹤定位等。

　　根據(jù)Johnson等人的觀點，增強現(xiàn)實系統(tǒng)經(jīng)歷了有標記點與無標記點兩種類型。前者依賴數(shù)據(jù)手套、傳感器和立體顯示設備，后者則代替以全球定位系統(tǒng)GPS、電子羅盤和圖像識別設備。近年來，移動互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展，便攜性、智能性、互動性等特征逐漸顯現(xiàn)，手機也開始成為增強現(xiàn)實發(fā)展的重要領地，與增強現(xiàn)實密切相關的APP迅速擴張并獨成一脈。在增強現(xiàn)實的應用中，現(xiàn)實環(huán)境對客體而言是具有真實感的，在數(shù)字技術與想象心理維系下還得以強化。

　　與一般意義上的虛擬現(xiàn)實技術相比，Milgram、Takemura、Utsumi與Kishino(1994)[1]進行了詳細探討，并提出了“現(xiàn)實與虛擬世界的連續(xù)性”的理論，將現(xiàn)實世界與虛擬世界看成是一個封閉的集合，將其中間區(qū)域定義為混合現(xiàn)實。由此推定，增強現(xiàn)實是現(xiàn)實世界的延伸，是邁向虛擬世界的橋梁。Ronald T. Azuma(1997)則將增強現(xiàn)實框定為虛擬現(xiàn)實的另一種變化形態(tài)。增強現(xiàn)實利用疊加的方式將虛擬物體放置到現(xiàn)實世界中，為用戶提供真實與虛擬的雙重體驗。增強現(xiàn)實用一種無縫連接的方式，在真實與虛擬之間搭建了一座橋梁(Chang，Morreale & Medicherla，2010)�？梢哉f，增強現(xiàn)實不同于虛擬現(xiàn)實，它部分地保留了用戶的現(xiàn)實體驗，即通過海量的地理信息數(shù)據(jù)，與真實的位置、對象及其意義展開互動。

　　二 、增強現(xiàn)實的技術進展與類型

　　增強現(xiàn)實技術是一項高新科技技術，通過立體顯示、傳感器、二維碼、3D建模等技術，充分調(diào)動用戶的參與意識與互動思維，把現(xiàn)實世界與虛擬世界有機結合起來，從而營造出似真似幻的曼妙時空。增強現(xiàn)實的技術主要包括：顯示技術、識別技術、立體成像技術、傳感技術等。就顯示技術而言，則主要分為頭盔式和非頭盔式兩種。就頭盔式而言，依據(jù)影像呈現(xiàn)方式的不同，又可分為屏幕式與光學反射式。其技術區(qū)別，如表1所示。

　　表1 屏幕式頭盔顯示和光學反射式顯示技術的區(qū)別

　　隨著移動互聯(lián)網(wǎng)與智能手機的逐漸普及，人們逐漸把目光聚焦到手持顯示設備(Hand-Held Displays)、空間顯示設備(Spatial Displays)以及可穿戴顯示設備(Wearable Displays)上，希望借助于***的3D顯示技術帶來輕松、便攜、愉悅的沉浸感受。在這股技術潮流中，手持顯示在商業(yè)上最為成功。而裸眼3D技術，因其無需佩戴眼鏡、立體透視感強烈、適應各種光線條件等優(yōu)勢集于一身，正逐漸應用到各種電子屏幕上。空間顯示是與環(huán)境密切融合的技術，它一般與使用者相分離，并能被多人同時使用，觸摸虛擬對象可感生真實感�？臻g顯示設備通常是顯示器或投影儀。2012年4月，Google正式發(fā)布名為“Project Glass”的未來眼鏡概念設計，集GPS、手機、相機等功能于一身，用戶只需眼部動作就能完成查詢路況、收發(fā)信息、拍照攝像等實時操作。它本質(zhì)上是攝像頭、微型投影儀、傳感器、操控設備、存儲傳輸?shù)鹊慕Y合體，可看作是光學反射式顯示技術的***應用。

　　與主流的屏幕顯示技術相比，另外一個進展迅速的技術類型是全息影像(Holography)，它是一種在真正意義上實現(xiàn)360度影像表達的技術，即從任意角度觀看都會得到真實的立體效果。這種技術從最初的靜態(tài)影像呈現(xiàn)，如身份證照片、防偽標示等，進化到如今的實時性、動態(tài)性、體積感等多種特性。從技術實現(xiàn)的方式而言，既有大型投影群的參與，也能見到微型投影器的身影。前者可在大型廣場等戶外舉行虛擬展示、藝術表演等活動，而后者應用于智能手機、平板電腦、智能手表等可穿戴設備上，開發(fā)互動性體驗、立體投影等新媒體功能，則更具有技術優(yōu)勢與發(fā)展?jié)摿�。此外，透明面板的發(fā)明也帶給人們極大的想象空間，即把屏幕的光學折射特性應用到***，透過屏幕可以看清后邊的真實世界，這使得裸眼3D產(chǎn)生的虛擬空間與真實世界更容易疊合，而不借助于攝像頭進行影像的捕捉，既避免了光學反射式投影影像的對焦虛化，更避免了頭盔式屏幕顯示的影像質(zhì)量的畫質(zhì)損失，因而是一種極具前景的增強現(xiàn)實技術。

　　三、增強現(xiàn)實技術的具體教育應用

　　在網(wǎng)絡信息時代，新媒體技術的不斷裂變與涌現(xiàn)，對傳統(tǒng)的教育形態(tài)造成了深刻的影響，兒童教育亟需尋找增強現(xiàn)實、虛擬仿真等新技術手段來提升效率和趣味性。

　　1、 網(wǎng)頁瀏覽與信息獲取

　　Layar(拉亞)是全球首款增強現(xiàn)實感的手機瀏覽器，由荷蘭SPRX Mobile軟件公司研發(fā)設計，支持IOS和Android手機應用，能向用戶提供周邊環(huán)境的真實圖像。其使用方法主要是通過攝像頭進行現(xiàn)場捕獲，在手機屏幕下方就可看到與拍攝物相關的信息與數(shù)據(jù)。作為技術平臺提供者，Layar等瀏覽器中內(nèi)置了海量的地圖數(shù)據(jù)，通過開放接口，吸引了大約數(shù)千個第三方AR應用。盡管必須遵守諸如谷歌地圖等的開發(fā)協(xié)議，但也回避了網(wǎng)絡隱私等敏感問題。

　　在Layar發(fā)布前后，Yelp、Sekai Camera、Junaio、安居客等類AR產(chǎn)品不斷出現(xiàn)。相比較而言，Yelp局限于店鋪推介和評論，Sekai Camera主要專注于游戲平臺，而Junaio則可根據(jù)用戶喜好瀏覽各種虛擬城市信息。增強現(xiàn)實技術被越來越多地應用到無線營銷中，與社交媒體APP的結合日益密切，通過手機增強現(xiàn)實體驗，可為用戶帶來意想不到的用途。例如用手機攝像頭掃描識別周圍建筑物的外觀，即可進行商業(yè)信息查詢等;若掃描尚未設計布局的空房間，則會調(diào)動組合相應的裝潢元素，讓用戶加以選擇或匹配，甚或掃描天際，顯示未來時間的天氣狀況等。諸如此類的商業(yè)應用，帶給用戶無限的延展空間與創(chuàng)意啟示。

　　2、三維導航與游戲場景

　　增強現(xiàn)實應用于三維導航與游戲中是近年來的新趨勢。在該領域，通過全新構建的高逼真度立體場景，將虛擬的角色與環(huán)境緊密結合，將用戶帶進完全不同的時空氛圍中，借助于巧妙設計的劇情與角色扮演任務，讓用戶感受到駕馭角色的臨場感，體驗到幻想空間的精神激勵與感官刺激。在三維場景中，用戶可以根據(jù)自己的需要切換視角，明確自身所處的地理位置與任務進度。借助于即時通信技術中的文字與語音，用戶還可以真實地感受到團隊協(xié)作的精神支撐，克服了傳統(tǒng)單機游戲無法進行情感交流、無法看到團隊中個人價值的弊端，使得游戲過程更具互動性、參與性與情境性。

　　將增強現(xiàn)實技術應用于三維導航的例子也有很多。2007年，Schmeil、Broll在其開發(fā)的AR移動助理系統(tǒng)中，提出了虛擬秘書的角色設定。當用戶攜帶AR裝備達到特定地點時，根據(jù)GPS的位置數(shù)據(jù)，用戶能與虛擬秘書進行即時問答，從中獲取該位置的相關介紹與資料。虛擬秘書的概念盡管新穎，但仍然受到顯示屏幕、位置定位等技術困擾，其視覺效果、易用性等往往不盡如人意。2008年，Iris Herbst等人在有關TimeWarp項目中，開始嘗試將游戲元素加入三維導航中。該游戲設計的初衷是把AR技術融合到一個“人文旅游+冒險游戲”的三維導航中，并試圖結合當?shù)孛耖g傳說故事，體現(xiàn)文化元素的巧妙運用。在后來的實施中，時空選擇、任務布置、能力提升、商品交易等元素的加入，使得該項目的參與性較強，游戲趣味明顯，獲得了不錯的口碑與評價。

　　3、虛擬仿真與互動教學

　　在枯燥的學科教學中，教育者往往苦于認知工具的匱乏。在歷史課堂教學中，由于地上建筑遺存的缺失，學習者無法想象當年的建筑外觀與地貌特征。借助于增強現(xiàn)實技術，可以讓學習者穿越時空、直觀地體驗建筑造型與美學特征，甚至復原當時的戰(zhàn)斗情景與轉(zhuǎn)折瞬間，而這一切只需借助于先進的可穿戴智能設備，便能虛實結合地營造出學習氣氛與環(huán)境。增強型圖書將紙質(zhì)書的閱讀感受與電子資源的特點結合起來，能“提升閱讀體驗，提供資源支持，實現(xiàn)豐富的互動學習”。國內(nèi)外的相關研究表明，具有沉浸感的虛擬現(xiàn)實游戲能夠提升學習者的學習意愿，高效地展示學習材料與成果，激發(fā)學習的興趣與熱情，鞏固長期知識的記憶與凝練。

　　2004年Liarokapis等在實驗中證實，在互動教學中采用增強現(xiàn)實技術，比如用3D方式呈現(xiàn)發(fā)動機引擎的凸輪軸構造，有助于大學生理解更為復雜的問題或理論。增強現(xiàn)實與不同學科的結合的情況十分常見，天文學、化學、生物學、幾何學等課程中都能見到成功案例。2006年，Thomas證實了增強現(xiàn)實技術豐富了兒童的想象力和認知度，能在其創(chuàng)設的環(huán)境中更加自然地開展學習。2007年，Ardito等人開展了一個名為“Egnathia公園古跡考古”的游戲項目，其中的參與者先被劃分成很多小團隊，每隊由4～5人組成，并推舉1人為隊長。團隊的任務是扮演一個抵達該地的羅馬家庭，在被分配手機、地圖等物品后，開始考古探險的歷程。在這一過程中，學習者可以接觸到提前規(guī)劃好的教學內(nèi)容，并利用手機、筆記本等工具做出分析和記錄，同時結合真實的現(xiàn)場與虛擬增強畫面進行對比分析，從而收獲知識探索與主動發(fā)現(xiàn)的樂趣。

　　2008年，F(xiàn)reitas和Campos開發(fā)了SMART(system of augmented reality for teaching)系統(tǒng)，用于二年級的概念教學，比如運輸方式或動物種群等，收到了較好的教學效果。2009年英國廣播公司BBC的Edris在一項研究中利用增強現(xiàn)實技術設計了“地球、月球與太陽的互動游戲”，通過對10歲兒童的教學觀察與體驗，證實了增強現(xiàn)實技術是有效的教學認知工具。2010年Naliuka等人的Viking Ghost Hunt是同類項目中較為突出的一個，它在很多方面全面超越了“Egnathia”的諸多技術限制，在虛實互動方面走得更遠，其成果也更加深入。作為探究式與協(xié)作式學習的典型事例，這一項目給予后來的研究者以積極的啟示。

　　四、增強現(xiàn)實的教育價值分析

　　增強現(xiàn)實是一種跨度廣泛、針對性強的人機交互技術。多個應用案例表明，AR教育游戲具有提供情境、支持協(xié)作、促進自主學習等作用。AR教育游戲的一些案例表明，其可應用于情境化學習、協(xié)作式學習、自主性學習等各種形式的學習活動中。借助于AR中的互動技術，學生、教師、團隊甚至是偌大校園，組成了一個個“活動著的實驗室”。

　　通過增強現(xiàn)實技術與手機等設備的視覺聽覺展示，能“繪聲繪色地講述演繹教育內(nèi)容，形成完整的兒童認知體系”。同時，增強現(xiàn)實技術的應用為兒童教育“提供了嶄新的教學模式”。而作為微型移動學習的設計，必須對用戶的學習體驗加以特別考慮。在為學習者提供虛擬學習環(huán)境的同時，還應該提供必要的、有效的學習支持。增強現(xiàn)實是改善學習效果的一種途徑，有形的、可感知的界面設計是認知工具的基本體現(xiàn)，可以幫助兒童對抽象概念的理解�？梢哉f，AR的應用為促進和支持真實環(huán)境中探究式的學習，開辟了一條嶄新的路徑。

　　從人類的感知經(jīng)驗來說，增強現(xiàn)實拓展了人對客觀世界的認識能力，能夠獲得真實環(huán)境下無法獲得的輔助信息，比如地理坐標、大氣環(huán)境、交通提示等，而這些在現(xiàn)實條件下人們是無法即時掌控的。其次，增強現(xiàn)實能夠幫助人們實現(xiàn)“時空穿梭”，把歷史上曾經(jīng)出現(xiàn)但是無法復原的人文、自然景觀進行虛擬展示，甚至把幻想世界中光怪陸離的奇異景象進行視覺再造。前者如消失的文化古跡、古代的戰(zhàn)爭場面等，后者如未來的城市空間、瑰麗的科幻世界等。此外，增強現(xiàn)實能夠打破現(xiàn)有空間的限制和不足，對宇宙太空、微觀世界等人類無法抵達的視界進行操作，拉近時空距離，突破認知界限。比如Star Walk(星際漫步、天文指南)，就是增強現(xiàn)實版的“天文互動指南”，通過GPS、指南針和陀螺儀等就能幫助用戶輕松辨別星座，創(chuàng)設了極佳的實時互動性學習體驗。

　　作為虛擬現(xiàn)實技術發(fā)展的重要領域，增強現(xiàn)實的出現(xiàn)完善并擴大了人類已有的的認識領域和知識結構，變革了傳統(tǒng)的時空觀念，也為探究周圍世界的科學知識提供了重要的認知工具。增強現(xiàn)實所具有的豐富認知、突破時空、實時交互等教學特性，將使得它在移動應用開發(fā)得到更多的關注和推廣，為學習者提供更加廣闊的學習環(huán)境和豐富的學習資源。盡管增強現(xiàn)實的應用仍有許多現(xiàn)實問題有待解決，比如經(jīng)濟成本、使用效率、認知度不高、安全性等，但是人們對于它的未來成長空間寄予厚望。