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看完北卡大学这份AR教育报告,顿时觉得VR太落伍了

2016年08月13日 18:45:579380

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以下为报告原文:

显示增强的一般定义

现实增强技术使计算机图像可以实时叠加至直接或间接的真实世界环境。现实增强与虚拟现实不同。在虚拟现实环境中,用户将体验计算机生成的虚拟环境。在现实增强中,环境是真实的,但其中将加入来自系统的信息和图像。换句话说,现实增强以无缝的方式连接了真实世界和虚拟世界。

现实增强用于学习和培训的起源

现实增强的历史可追溯至60年代,而第一个这种系统被同时用于现实增强和虚拟现实。系统利用了有一定透明度的头戴显示器,并通过两种方法来进行追踪:一种机械追踪技术,以及一种超声波追踪技术。由于当时计算机处理能力的限制,只有最简单的线框图像可以实时显示。自那时以来,有多家公司试图将现实增强技术用于可视化、培训,以及其他目的。“现实增强”一词由波音前研究员汤姆·考德尔(Tom Caudell)于1990年提出。

基于标记的现实增强,以及非基于标记的现实增强

现实增强系统可分为基于标记的系统,以及非基于标记的系统两种。基于标记的应用包括三大基本要素,即提供标记信息的手册,从手册中抓取信息并将其转换为另一种数据类型的工具,以及将增强信息转换为屏幕上3D信息的方块。另一方面,非基于标记的应用需要配合追踪系统。这样的追踪系统中包括GPS、数字罗盘,以及图像识别设备。后者有着更广泛的应用场景,因为不需要配合专门的标签或参考点,可以在任意地点使用。

在学习和培训中普及现实增强

许多研究人员指出,通过虚拟现实和现实增强,学生和接受培训的人员可以增强学习动力,加强实践。尽管过去20年中已有大量研究,但在学习和培训中推动现实增强的普及仍充满挑战。其中的问题包括如何将现实增强技术与传统学习方法进行结合,降低开发及维护现实增强系统的成本,以及如何解决人们对新技术天生的抗拒。

现实增强技术可以给学习者带来前所未有的多样化视角,探索并掌握更多材料。随着计算机和IT技术的发展,将出现更优的方式去推动现实增强在教育和培训中的应用,从而提高这项技术的普及程度。尽管自60年代以来,已有许多现实增强应用针对教育和培训目的而设计,但现实增强的潜力及实际应用才刚刚开始出现。现实增强将推动学习者更深入地参与,从而发现更多资源,并从多样化的角度将其应用至真实世界。

如何应用至学习和培训

有研究人员指出:“现实增强有着巨大的潜力,能提供与环境相关、有现场感的学习体验,并帮助人们在真实世界中随机探索并发现互相相关的信息。”过去20年,现实增强技术已在学校和企业环境中得到了尝试,但并未成为常用的学习和培训方法。除此之外,由于技术发展使现实增强技术变得更强大,而通过PC和移动设备,设备体积也使这样的设备不仅可以被企业所用,也可以被学术机构所用,因此在教育领域部署现实增强技术正有着更强的可行性。此外,移动设备,例如智能手机、平板电脑,以及其他电子创新产品,正在推动现实增强与移动技术的结合,给现实增强应用带来更好的前景,尤其是在教育和培训领域。

学校里的现实增强

专家和研究员正试图将现实增强技术应用至课堂学习中,覆盖化学、数学、生物、物理、天文,以及其他K-12或更高水平的教育领域,而具体应用包括增强的教科书和学习指南。不过2002年时有研究估计,由于缺少政府的财政支持,以及公众对现实增强的认知不足,因此现实增强尚未被充分用于教育领域。

企业里的现实增强

在企业界,对员工、经理和客户而言,现实增强是一种具有协作性、可用于学习技能、易于理解、易于获得指导的工具。相对于教育领域,企业是更有利于现实增强发展的环境,因为企业有能力承担成本,并支持现实增强应用。许多企业都有意利用现实增强进行设计,识别产品的不同部件。例如,通过现实增强,汽车企业可以实时调整车辆设计,并指导技师如何操作。

现实增强应用于学习和培训的现状

过去几十年,许多专家和研究人员都提出了具有实用意义的理论和应用,推动现实增强在学术界和企业界的普及。基于其中一些研究,关于现实增强的某些创新可用于提高学习和培训效率。除此以外,还有一些研究尝试优化现实增强在现实生活中的应用和兼容性。不过仍有些问题有待解决,例如性价比,以及现实增强指导系统与传统方法的效率对比等。

现实增强天文学

在天文学课堂上,学生学习地球和太阳之间的关系。为了帮助学生的理解,教师可以利用现实增强技术展示3D的地球和太阳图形,如下图:

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虚拟的太阳和地球可以通过小型手工操作平台来操控,其方向随着学生的观察角度而改变。学生可以控制视角,从而更好地理解不可见的东西如何与以往见过的东西共同工作。

此外,谷歌SkyMap也是现实增强技术的应用之一。SkyMap在星图上叠加了恒星和星座信息,当用户通过智能手机摄像头去观察夜空时将可以看到这些信息。

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现实增强化学

现实增强化学是一种互动教育平台,能向学生们展示原子和分子的构成。学生需要用双手操控三项工具,即手册、抓取工具,以及方块。手册中提供了图片和名称。学生用一只手拿着抓取工具去浏览手册,而工具上提供了按钮,用于将原子关联至分子模型。在使用过程中,学生首先用抓取工具从手册中抓取元素,并点击工具上的按钮获得元素信息。随后,学生移动抓取工具靠近方块,而方块中保存着分子模型。学生用另一只手旋转操作方块,确定原子如何连接至分子,以及位置放在何处。

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现实增强生物学

现实增强可被用于研究解剖学和人体结构。英国专科学校联合会(SSAT)已证明,在教室里,教师可以使用现实增强技术,通过3D的计算机模型展示人体器官。此外,学生可以使用内置摄像头的笔记本,以及连接至PC、带有现实增强信息的现实增强标记,独立研究人体器官。

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数学和几何教育

利用现实增强技术,教师和学生可以就图形和排列问题展开互动。例如,一款名为Construct3D的现实增强应用就专门用于数学和几何,带来了3D的几何结构模型。这款应用支持多名用户,例如学生和老师,共享虚拟空间。在佩戴头戴显示器之后,他们可以合作在虚拟空间中搭建几何形状。

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此外,现实增强可被用于多种形式的几何学教学。例如,通过现实增强应用,教师和学生可以直观地探索弧线、面,以及其他几何图形的特性。

K-12教育中的现实增强

2008年有研究人员开发了“现实增强教学系统”(SMART),利用现实增强技术展开教学。这一系统可用于二年级概念的教学,例如交通的定义,以及动物的类型。这一系统将3D模型或原型,例如汽车、卡车和飞机,叠加在实时视频中,向班级全体学生展示。由于大部分儿童会花很长时间去玩电子游戏,因此基于游戏的学习方法可以促进他们的学习。2008年,研究人员在葡萄牙的多所学校中对54名学生进行了测试。研究结果表明,SMART能提升学生的学习动力,对学习体验有积极影响,尤其是在学习成绩不佳的学生之间。

现实增强如何用于企业培训

文化遗址

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从文化和传统的角度,在文化遗址内,现实增强可以被当作一种有影响力的互动工具,以3D方式向游客展示这里的图片,介绍历史故事。早在2002年,就有研究人员展示了名为“基于现实增强的文化遗址现场导游”(ARCHEOGUIDE)的技术,通过现实增强技术提供现场帮助,并基于用户所在位置在现实增强环境中实时重建历史古迹。ARCHEOGUIDE基于计算机和移动技术,其中包括现实增强、3D可视化、移动计算,以及多模式互动等。这一设备由头戴显示器、耳机,以及移动计算元件组成。其他此类产品则采用了PDA,或是轻量级的便携式计算机,以及简单的输入设备。利用这些现实增强设备,个人游客可以在历史古迹中四处游览,了解原始的照片和现实增强模型,查看建筑物或人物的3D模型,即使这些早已不复存在。

工业设备维护

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在工业设备维护领域,对于技能要求较高的工种,现实增强可以成为非常实用的助手。研究人员发现,在军事、制造,以及其他行业,现实增强可以带来丰富的应用。例如,借助现实增强技术,军队的机械师可以更安全、更快捷地完成日常的维护工作。实现这样的应用需要多种设备和装置,例如可跟踪的头戴显示器。这类设备通过文字、标签、箭头和动画增强机械师的视场,对工作进行说明、定位及执行。

结论

作为一种可视化技术,现实增强的未来前景非常光明。企业和工业界已对此表示了兴趣,而许多期刊和研究论文也对此进行了探讨。不过,考虑到现实增强设备需要大笔投资,因此关于这一技术的效果如何,以及与传统方法对比的情况,目前仍有许多问题有待回答。不过,在未来的学习和培训中,现实增强的应用前景很乐观。新的技术和通信能力不仅足够强大到能通过PC和移动设备去提供现实增强体验,也能通过无缝的互动将增强的信息结合至真实世界。

现实增强用于学习和培训的未来

到目前为止,最强大的现实增强应用主要涉及位置信息、社交网络服务和娱乐等领域。用于其他目的,例如教育和培训的现实增强工具仍有待技术变得更先进。来自教育和培训科学领域的多名专家和研究人员预计,教育领域简单的现实增强应用将在未来几年中实现。

互动式教育

现实增强技术很可能将使教育环境效果更好、更令人愉悦、更具互动性。现实增强技术不仅能通过多种前所未有的互动方式吸引学习者的参与,还能借助计算机生成的3D环境和模型中的丰富内容,向个人提供独特的发现途径。

简洁性

正如此前的许多研究以及专家的观点显示,在提供学习和培训体验时,现实增强或许可以专注于简洁性和易用性,让学生和接受培训的人员方便地学到知识和技能。此外,相关行业和技术,例如计算机和移动产业、信息和通信技术,以及包括有线和无线服务在内的互联网基础设施,或许可以更直接地推动现实增强用于学习和培训。

与环境相关的信息

在许多专家看来,在将现实增强技术用于教育的过程中,这项技术带来的帮助在于,让学习和培训环境更具教育意义,提高效率,以及与环境更紧密地结合。从这种角度来看,似乎有许多与环境相关的元素可以集成至教育类的现实增强应用,从而通过丰富、富于建设性的内容提升学习和培训质量。例如,在历史文化古迹,位置标签信息可以关联起来,而在企业和学校中,对复杂实物对象的标注可以被加入现实增强工具。

效率和效果

通过在合适的时间、合适的地点提供丰富的内容和计算机生成的3D图像,现实增强有很大的潜力提高学术界、企业界的学习和培训效率。现实增强技术或许可以促进教育界的建设性概念,例如让学生自主掌握学习,给更有效的学习和培训方式创造更多机会。此外,对于有危险性的工作环境,基于现实增强的技能培训中的失误也不会造成任何严重后果。正如几项研究所显示的,现实增强系统可以提升人们的学习动力,带来更有乐趣、参与度更高的环境,从而有利于人们的学习。此外,现实增强在教育领域的应用对学生来说很有趣,能吸引他们的热情,给用户带来性价比较好的支持方式。

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