現(xiàn)代社會(huì)的電子信息技術(shù)自從計(jì)算機(jī)誕生以來(lái)就得到了飛速發(fā)展，人們不滿足于二維平面等級(jí)的人機(jī)交互界面，開(kāi)發(fā)了一系列幫助人們進(jìn)行多元化人機(jī)交互的輔助工具。輸入設(shè)備從最傳統(tǒng)的鍵盤、鼠標(biāo)，發(fā)展到今天的觸摸板、眼球測(cè)位儀、語(yǔ)音識(shí)別，輸出設(shè)備也從簡(jiǎn)單的顯示屏、揚(yáng)聲器發(fā)展出各種形態(tài)。在硬件設(shè)備進(jìn)化的同時(shí)，人機(jī)交互的“內(nèi)容”即軟件與信息層面也發(fā)生著急速變化。從最初的二進(jìn)制數(shù)字到后來(lái)的命令提示符字符串，再到后來(lái)的桌面化操作系統(tǒng)及多媒體聲像，時(shí)至今日人們已經(jīng)掌握了足夠頂層的技術(shù)以使用計(jì)算機(jī)來(lái)模擬日常所見(jiàn)的真實(shí)場(chǎng)景，而這種技術(shù)的代表作之一、同樣也是未來(lái)信息技術(shù)領(lǐng)域最有發(fā)展前景的技術(shù)之一，就是虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)。

隨著教育形式的多樣化以及前沿信息技術(shù)在教育領(lǐng)域的深入應(yīng)用，VR/AR 學(xué)習(xí)環(huán)境推動(dòng)越來(lái)越多的教育學(xué)者通過(guò)重塑學(xué)習(xí)方式回歸教育本質(zhì)，對(duì)培育創(chuàng)新型人才和教育普及產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響。本文在介紹VR/AR 概念的基礎(chǔ)上，闡述了國(guó)際VR/AR 的教育應(yīng)用現(xiàn)狀，介紹了經(jīng)典的VR/AR 教育案例開(kāi)發(fā)與實(shí)證結(jié)果，有助于我們更加深刻地認(rèn)識(shí)信息化教學(xué)模式構(gòu)建的一般規(guī)律。當(dāng)然，VR/AR 在教育領(lǐng)域的應(yīng)用還處于早期階段，在教育領(lǐng)域的應(yīng)用既有發(fā)展機(jī)遇，也還面臨著一些挑戰(zhàn)。在未來(lái)的研究中，應(yīng)該深入研究VR/AR 學(xué)習(xí)環(huán)境如何支持學(xué)與教，以提升學(xué)生在課堂教學(xué)中的學(xué)習(xí)效果，為教育教學(xué)模式的改革創(chuàng)新實(shí)踐提供經(jīng)驗(yàn)和啟示。

虛擬現(xiàn)實(shí)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用

不難看出VR技術(shù)在傳遞信息方面是多媒體技術(shù)的一大突破。VR所傳遞的信息不僅僅是簡(jiǎn)單的圖形、聲音或者超文本，而是一系列實(shí)時(shí)生成的擬真聲像信息、觸覺(jué)和運(yùn)動(dòng)感知（未來(lái)還要加上嗅覺(jué)和味覺(jué)）等。VR最大的特點(diǎn)就是“身臨其境”，這和教育原理中的“情景構(gòu)建”理論不謀而合，因此將VR應(yīng)用到教育領(lǐng)域也成為一個(gè)較為熱門的研究方向。

早期的探索中，人們可以利用VR技術(shù)構(gòu)建虛擬場(chǎng)景及理想實(shí)驗(yàn)，在輸入參數(shù)后運(yùn)行就可以觀察演化過(guò)程，美國(guó)就曾有利用3D場(chǎng)景復(fù)現(xiàn)推翻傳統(tǒng)火災(zāi)救援理論的實(shí)例，且成本相比真實(shí)的火災(zāi)實(shí)驗(yàn)大為降低。而在現(xiàn)在，VR技術(shù)由于其高度擬真和不受時(shí)空限制的特性，可以為學(xué)習(xí)者提供各種各樣的虛擬場(chǎng)景供他們細(xì)致觀察，甚至投入其中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)或操作。

下面列舉了幾種典型的VR在教育領(lǐng)域的應(yīng)用：

1 VR訓(xùn)練場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)臺(tái)

顧名思義，VR訓(xùn)練場(chǎng)和實(shí)驗(yàn)臺(tái)就是在虛擬世界中構(gòu)建出實(shí)驗(yàn)場(chǎng)所來(lái)供學(xué)習(xí)者進(jìn)行活動(dòng)與操作。由于操作對(duì)象從實(shí)際存在的物體變成了虛擬世界中的模型，允許操作方式會(huì)隨著教學(xué)設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)精細(xì)程度而增加或者減少（一般是減少），設(shè)計(jì)者可以給出較為精簡(jiǎn)的操作流程提示告知學(xué)習(xí)者應(yīng)當(dāng)怎樣控制和處理“眼前”的對(duì)象。同時(shí)，即使學(xué)習(xí)者由于失誤導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)失敗，也不會(huì)造成實(shí)際的財(cái)產(chǎn)損毀甚至生命危險(xiǎn)，是一種相對(duì)安全的訓(xùn)練方法。例如，我們可以在3D實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行制造TNT并試爆的化學(xué)實(shí)驗(yàn)。由于真實(shí)世界中的一些操作要根據(jù)操作對(duì)象的力的反饋（嚴(yán)格來(lái)說(shuō)是除聲光形式以外的反饋）獲取信息，對(duì)硬件就提出了一定要求。現(xiàn)在已經(jīng)投入應(yīng)用的力反饋裝置包括內(nèi)置振動(dòng)器的手套、外形仿真的筆等裝置。

2 科技研究與模擬觀測(cè)

這種應(yīng)用主要是上一種應(yīng)用的改版。相比高度的可操作性，科技研究與實(shí)驗(yàn)觀測(cè)更注重讓用戶觀察到更多更精確的有效數(shù)據(jù)以供后續(xù)分析或使用。因此，這種應(yīng)用重在以高度擬真的方式，將一些難以觀測(cè)的現(xiàn)象放到虛擬世界中，讓用戶以更為舒適便捷的視角或時(shí)間測(cè)度進(jìn)行觀測(cè)，相應(yīng)地也要由系統(tǒng)給出真實(shí)實(shí)驗(yàn)中應(yīng)當(dāng)觀測(cè)到的數(shù)據(jù)。例如，我們可以利用VR系統(tǒng)重建某次天體碰撞的場(chǎng)面及數(shù)據(jù)分析。這種應(yīng)用對(duì)硬件設(shè)備的要求不高，主要還是對(duì)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的運(yùn)算能力提出了要求。

3 虛擬校園

“不出門便知天下事”在前互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代已經(jīng)開(kāi)始逐步實(shí)現(xiàn)，而VR系統(tǒng)將賦予這句中國(guó)古諺以更新的內(nèi)涵。相比傳統(tǒng)的主要提供音視頻及超文本內(nèi)容的遠(yuǎn)程教育系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，若能用VR系統(tǒng)構(gòu)建高度仿真的校園，我們就可以克服由于交互性或互動(dòng)性不足所帶來(lái)的一系列問(wèn)題。世界各地的師生可以使用VR校園的軟硬件客戶端，通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)鏈接到同一個(gè)虛擬校園中，像真實(shí)處在相同地理位置的學(xué)生一樣進(jìn)行他們?cè)缫堰m應(yīng)的學(xué)習(xí)活動(dòng)。

綜合上述實(shí)例，我們可以看到VR系統(tǒng)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用前景有多么廣闊。然而技術(shù)本身的發(fā)展還不足以創(chuàng)建完全擬真和完全沉浸的虛擬現(xiàn)實(shí)世界。

典型VR/AR教學(xué)案例

國(guó)內(nèi)外對(duì)VR/AR 技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用的關(guān)注與日俱增，一些團(tuán)隊(duì)也對(duì)VR/AR 的教育應(yīng)用做了嘗試，下面通過(guò)一些典型案例來(lái)展示VR/AR 的教育應(yīng)用情況。

（一）三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境

第二人生（Second Life，簡(jiǎn)稱SL）是一部模擬真實(shí)社會(huì)的大型多人在線角色扮演平臺(tái)，作為一種沉浸式游戲?qū)W習(xí)環(huán)境，SL 應(yīng)用在合作式學(xué)習(xí)中具有較大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

有研究發(fā)現(xiàn)，教育技術(shù)學(xué)、媒體研究、定性研究方法、計(jì)算機(jī)科學(xué)、歷史學(xué)、女性研究、寫作與出版、文化研究和管理學(xué)等學(xué)科都曾在SL 中被教授過(guò)。以語(yǔ)言學(xué)為例，學(xué)習(xí)英語(yǔ)的學(xué)生與以英語(yǔ)為母語(yǔ)者在SL 中通過(guò)虛擬化身進(jìn)行口語(yǔ)交流，達(dá)到了現(xiàn)實(shí)生活中很難實(shí)現(xiàn)的效果。

趙晶晶以建構(gòu)主義為理論支撐，對(duì)虛擬現(xiàn)實(shí)中開(kāi)展對(duì)外漢語(yǔ)教學(xué)活動(dòng)的要素進(jìn)行了梳理歸納。以SL 平臺(tái)為研究載體，選取一個(gè)中文教學(xué)虛擬島嶼與一個(gè)英語(yǔ)教學(xué)虛擬島嶼作為案例進(jìn)行對(duì)比分析，重點(diǎn)探討了開(kāi)展對(duì)外漢語(yǔ)教學(xué)的教學(xué)環(huán)境特征、教學(xué)活動(dòng)特征以及人機(jī)交互界面的特點(diǎn)及局限。

基于SL 的學(xué)習(xí)環(huán)境有三個(gè)特點(diǎn)：①包含交互和知識(shí)建構(gòu)的沉浸式環(huán)境；②所有用戶創(chuàng)造維護(hù)；③注重網(wǎng)絡(luò)社交。盡管作為目前用戶最多、最流行、相對(duì)開(kāi)放的平臺(tái)，SL 中卻缺乏支持學(xué)習(xí)過(guò)程的管理工具。因此，Sloodle 應(yīng)運(yùn)而生。Sloodle，即基于Second Life 的面向?qū)ο蠓植际綄W(xué)習(xí)環(huán)境，它整合了SL 和目前最具開(kāi)放特點(diǎn)的網(wǎng)絡(luò)教學(xué)平臺(tái)Moodle 中的若干功能， 構(gòu)建了一個(gè)方便、有趣的三維學(xué)習(xí)環(huán)境。如圖1 展示了Sloodle 的體系結(jié)構(gòu)，它將Moodle 中的二維碼功能模塊對(duì)應(yīng)改造成自身的三維工具，并用HTTP 協(xié)議和XML 遠(yuǎn)程調(diào)用進(jìn)行通信。

Sloodle 中包含Web-Intercom、MetaGloss、Choicer、Translator 等工具，可支持角色扮演和模擬、協(xié)同合作、問(wèn)題呈現(xiàn)、活動(dòng)構(gòu)建（自創(chuàng)對(duì)象和屬性開(kāi)發(fā)）等教學(xué)活動(dòng)，并能在活動(dòng)前后和活動(dòng)過(guò)程中對(duì)學(xué)生進(jìn)行任務(wù)指導(dǎo)。

除了SL，北京師范大學(xué)蔡蘇等人自主設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)跨平臺(tái)的三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境平臺(tái)i3DVLE，并在中小學(xué)中開(kāi)展準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究，旨在分析和評(píng)估三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境下教學(xué)的有效性、學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和參與度。針對(duì)中小學(xué)的學(xué)科教學(xué)對(duì)于三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的潛在需求，i3DVLE 中設(shè)計(jì)了若干教育案例，如太陽(yáng)系行星運(yùn)動(dòng)規(guī)律、牛頓運(yùn)動(dòng)規(guī)律、虛擬大講堂等。

i3DVLE 被運(yùn)用到中小學(xué)的實(shí)際教學(xué)中，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)面對(duì)面的交流和網(wǎng)絡(luò)答疑等方式對(duì)學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行協(xié)助，了解到了教師和學(xué)生的實(shí)際應(yīng)用狀況。但是，部分學(xué)生的學(xué)習(xí)成效并不如預(yù)期那樣好，他們?cè)谡降恼n堂中能夠較好掌握的一些概念，在三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境中的學(xué)習(xí)效果卻不甚理想。因此，根據(jù)教師和學(xué)生的一些反饋，團(tuán)隊(duì)也做出了很多改進(jìn)，如添加虛擬教師，給予虛擬教師更多的權(quán)限去控制和把握課堂，改進(jìn)用戶的交互工具界面等，完善了i3DVLE 平臺(tái)的功能。

當(dāng)前三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境的發(fā)展趨勢(shì)為：一是用戶參與創(chuàng)作，即完全由用戶創(chuàng)作學(xué)習(xí)內(nèi)容。二是提供探究的空間，與學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)整合。前文介紹的Sloodle 就是一個(gè)典型案例，當(dāng)然它還做得不夠完美，為把三維虛擬環(huán)境和學(xué)習(xí)管理系統(tǒng)兩種異構(gòu)的環(huán)境更好地融合，還需要有更多的研究工作者和實(shí)踐人員的努力。三是虛擬與真實(shí)的融合。虛擬環(huán)境的真實(shí)感有賴于圖形學(xué)的發(fā)展，但不管它如何發(fā)展，虛擬的畢竟都是虛擬的，而我們的學(xué)習(xí)活動(dòng)還都是發(fā)生在真實(shí)物理世界里，“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)” 能使學(xué)習(xí)者進(jìn)行學(xué)習(xí)活動(dòng)時(shí)有更好的體驗(yàn)，應(yīng)該在教育領(lǐng)域更加普及該種技術(shù)。四是三維和人工智能技術(shù)深度整合。因?qū)W習(xí)的復(fù)雜性，三維虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境若要能完全做到像人類行為，比如自動(dòng)答疑、自動(dòng)組卷、自動(dòng)判卷等，還是比較困難的，需要人工智能界技術(shù)的突破。

（二）AR 圖書

在教育領(lǐng)域里最早運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的案例是畢靈赫斯特制作的魔法書（Magic Book）。它根據(jù)書本內(nèi)容制作成3D 場(chǎng)景和動(dòng)畫，并且利用一個(gè)特殊的眼鏡就能讓兒童看到虛實(shí)相結(jié)合的場(chǎng)景，如圖2 所示。

頓瑟和霍納科爾以寓言故事為載體，通過(guò)閱讀來(lái)完成故事設(shè)定的挑戰(zhàn)性任務(wù)，對(duì)兒童的學(xué)習(xí)行為進(jìn)行觀測(cè)和分析。研究發(fā)現(xiàn)，兒童普遍認(rèn)為AR 環(huán)境新穎有趣。而后他們又根據(jù)數(shù)據(jù)反饋，設(shè)計(jì)了針對(duì)七歲兒童閱讀的AR 書，主要分析兒童是如何將真實(shí)世界的知識(shí)技能與AR 環(huán)境建立起有意義的聯(lián)系的。研究得出，AR 交互與真實(shí)世界的交互基本一致，而這種新奇的顯示效果使得他們的閱讀興趣大大提升。

在這之后有團(tuán)隊(duì)又設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了填色繪本，書中圖片被涂色后，使用平板拍攝即可顯示涂顏色的3D 模型。

蔡蘇、宋倩和唐瑤 在2010年提出增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境的架構(gòu)，并基于此實(shí)現(xiàn)了一本增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)概念演示書——未來(lái)之書。書中選取了物理學(xué)科中的單擺、牛頓定律等實(shí)驗(yàn)呈現(xiàn)虛實(shí)相結(jié)合的效果，如圖3 所示。作為國(guó)內(nèi)最早的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)書，未來(lái)之書參展2010 年第十七屆北京國(guó)際圖書博覽會(huì)，獲得了與會(huì)者的好評(píng)。

（三）AR 理科教學(xué)

有大量學(xué)者把AR 運(yùn)用在理科教學(xué)中，以此增強(qiáng)學(xué)習(xí)者對(duì)現(xiàn)實(shí)情境的視覺(jué)感知能力。克拉瓦拉等人演示過(guò)一個(gè)天文學(xué)教學(xué)的例子，在AR 環(huán)境中老師和學(xué)生可通過(guò)旋轉(zhuǎn)虛擬地球探究太陽(yáng)和地球、白天和黑夜的關(guān)系。蔡蘇等人將AR 和Kinect 體感設(shè)備相結(jié)合能使磁場(chǎng)可視化。學(xué)生在學(xué)習(xí)有關(guān)磁場(chǎng)的知識(shí)時(shí)，通過(guò)手勢(shì)能與設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)交互，從而了解磁場(chǎng)的分布和變化。維也納理工大學(xué)研究人員就曾做過(guò)專門的力學(xué)教學(xué)展示，通過(guò)AR 物理引擎模擬力學(xué)領(lǐng)域的物理實(shí)驗(yàn)，分析物體質(zhì)量、受力、運(yùn)動(dòng)路徑等參數(shù)。但利用該系統(tǒng)教學(xué)需要配置較昂貴的頭盔、立體眼鏡等設(shè)備。

北京師范大學(xué)蔡蘇團(tuán)隊(duì)研發(fā)的基于AR 的凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)通過(guò)實(shí)證探索了AR 技術(shù)對(duì)八年級(jí)學(xué)生物理學(xué)習(xí)效果以及深層次認(rèn)知方面的影響?；贏R 的凸透鏡成像教具通過(guò)使用三個(gè)不同的標(biāo)記卡片來(lái)模擬蠟燭、凸透鏡和熒光屏。當(dāng)攝像機(jī)捕獲到標(biāo)記卡片時(shí)， 凸透鏡的3D 模型與用于標(biāo)記焦距和兩倍焦距數(shù)據(jù)的平行數(shù)軸等參數(shù)都將顯示在屏幕上。將蠟燭標(biāo)記卡片和屏幕標(biāo)記卡片分別放置于凸透鏡標(biāo)記卡片的兩邊，屏幕將基于蠟燭和凸透鏡之間的距離自動(dòng)呈現(xiàn)相關(guān)的圖像，如果調(diào)節(jié)蠟燭和凸透鏡之間的距離，屏幕上的圖像將根據(jù)凸透鏡成像規(guī)則實(shí)時(shí)變化。假設(shè)物距為u，像1u 1 + = v 1f 距為v，焦距為f。根據(jù)凸透鏡成像的公式， 當(dāng)u《f 時(shí)，成虛像；當(dāng)u=f 時(shí)，光屏不呈現(xiàn)像；當(dāng)u》f 時(shí)， 光屏?xí)尸F(xiàn)實(shí)像。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明AR 對(duì)成績(jī)較落后的學(xué)生具有更大的影響。

北京師范大學(xué)蔡蘇團(tuán)隊(duì)研發(fā)的微觀粒子交互式實(shí)驗(yàn)主要是對(duì)中學(xué)化學(xué)課程中基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)工具的補(bǔ)救性學(xué)習(xí)效果的研究。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包含如表2 所示的四個(gè)部分。

該軟件使用Java 語(yǔ)言開(kāi)發(fā)，使用了NyArToolkit、Java3D 以及JMF（Java Media Framework，Java 媒體框架） 的軟件包。通過(guò)捕獲標(biāo)簽的位置來(lái)呈現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)層次以及原子的各種組合。圖5 和圖6 展示了水和鉆石兩個(gè)實(shí)例的操作。如圖5（a） 所示，屏幕中放入了兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子。當(dāng)慢慢將兩個(gè)氫原子向氧原子靠近時(shí)，一個(gè)水分子便形成了，如圖5（b） 所示。學(xué)生可以拿起水分子靠近攝像頭來(lái)觀察它的結(jié)構(gòu)，若將標(biāo)簽向上抬高， 即可看到屏幕出現(xiàn)一滴水滴，如圖5（c） 和圖5（d） 所示。

在認(rèn)識(shí)和學(xué)習(xí)金剛石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)時(shí)，探究活動(dòng)要求學(xué)生使用碳原子構(gòu)造金剛石晶體。首先，使用碳原子和化學(xué)鍵搭建金剛石的正四面體單元，如圖6（a） 所示。此外，研究者將使用學(xué)生搭建的正四面體單元組建一個(gè)完整的金剛石結(jié)構(gòu)，如圖6（b）所示。學(xué)生可以從桌子上的另一個(gè)標(biāo)簽所呈現(xiàn)的物體得到提示，他們搭建的金剛石結(jié)構(gòu)就是鉆石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這將化學(xué)和日常社會(huì)生活聯(lián)系到了一起。

研究表明AR 工具可以較好地幫助學(xué)生記憶原子的結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)課堂上，僅通過(guò)老師的簡(jiǎn)單指導(dǎo)，學(xué)生對(duì)于知識(shí)的理解程度和記憶持久性較低。但基于AR 的軟件教學(xué)可調(diào)動(dòng)學(xué)生積極性，促使其注意力更加集中。在直觀地看到仿真模型并與其交互后，學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的印象也更加深刻。AR 工具能提高學(xué)生在實(shí)驗(yàn)探究中的操作能力。相比于鍵盤、鼠標(biāo)與計(jì)算機(jī)的操作， 直接通過(guò)AR技術(shù)提高活動(dòng)參與感的這種方式對(duì)程序性知識(shí)的識(shí)記效果更好。同時(shí)，學(xué)生也對(duì)這個(gè)工具提出了一些建議，例如他們希望物質(zhì)的模擬現(xiàn)象能更加逼真，另外還可以加入一些卡通或者動(dòng)畫元素使軟件變得更有趣。

李淑惠等人實(shí)施了中學(xué)數(shù)學(xué)概率知識(shí)點(diǎn)中的經(jīng)典拋硬幣實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)工具為研究者開(kāi)發(fā)的基于AR 的Android 平臺(tái)上的應(yīng)用程序——拋硬幣。在游戲開(kāi)始前，學(xué)生可以設(shè)定兩個(gè)參數(shù)：間隔時(shí)間與識(shí)別時(shí)間。其中， 間隔時(shí)間是指攝像頭兩次識(shí)別硬幣之間的最短間隔時(shí)間，識(shí)別時(shí)間為攝像頭成功識(shí)別一次硬幣的最短停留時(shí)間。游戲啟動(dòng)后，移動(dòng)設(shè)備的攝像頭能夠捕捉并識(shí)別畫面中硬幣的正、反面狀態(tài)，并在屏幕中顯示相應(yīng)的3D 模型以提示用戶該硬幣已被成功識(shí)別。一旦識(shí)別成功，系統(tǒng)會(huì)為硬幣的當(dāng)前狀態(tài)自動(dòng)計(jì)數(shù)，同時(shí)更新已識(shí)別的正、反面次數(shù)和頻率。如圖7 所示，系統(tǒng)左上角記錄硬幣的正、反面次數(shù)，右下角折線圖可實(shí)時(shí)更新正面頻率。將實(shí)驗(yàn)對(duì)象分為兩人一組，分別負(fù)責(zé)硬幣的拋擲和識(shí)別，進(jìn)行多次數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)。當(dāng)學(xué)生退出游戲后，此次游戲的歷史數(shù)據(jù)將被保存在數(shù)據(jù)庫(kù)中。硬幣拋的次數(shù)越多，其正、反面出現(xiàn)的概率就均越接近50%。這個(gè)實(shí)驗(yàn)既能快速統(tǒng)計(jì)大樣本實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)， 又能讓學(xué)生真正體驗(yàn)到游戲動(dòng)作“拋”的感覺(jué)。研究結(jié)果表明，當(dāng)使用AR 工具進(jìn)行數(shù)學(xué)教學(xué)時(shí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性均有顯著的提高。

（四）AR 語(yǔ)言教學(xué)

北京郵電大學(xué)的李鐵萌等針對(duì)幼兒園兒童漢字和英語(yǔ)學(xué)習(xí)開(kāi)發(fā)了AR 識(shí)字系統(tǒng)，旨在探究學(xué)齡前兒童的識(shí)字能力和對(duì)生字學(xué)習(xí)的記憶效果。該系統(tǒng)信息架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖8 所示。

該實(shí)驗(yàn)有兩項(xiàng)任務(wù)：①?gòu)牟僮鞣绞?、學(xué)習(xí)應(yīng)用和效果三方面測(cè)試不同年齡兒童對(duì)識(shí)字系統(tǒng)的態(tài)度。②使用AR 識(shí)字系統(tǒng)的學(xué)習(xí)效果測(cè)試。實(shí)驗(yàn)表明，AR 識(shí)字系統(tǒng)能夠提高學(xué)前兒童的生字認(rèn)知能力、提升記憶效果， 而且教學(xué)效果對(duì)較大年齡學(xué)前兒童更好。

北京師范大學(xué)蔡蘇團(tuán)隊(duì)研發(fā)了“快樂(lè)記單詞”軟件，如圖9 所示。該系統(tǒng)基于Java 1.7、Android SDK 和Wikitude SDK 設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)。

使用平板電腦或手機(jī)掃描卡片識(shí)別單詞，然后浮現(xiàn)對(duì)應(yīng)的圖片或三維模型，并發(fā)出讀音，能很好地幫助兒童進(jìn)行詞匯的拼寫和發(fā)音學(xué)習(xí)。研究表明，這種學(xué)習(xí)將觸覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)和視覺(jué)結(jié)合在一起，較傳統(tǒng)教學(xué)方式更容易激發(fā)孩子的熱情，對(duì)非英語(yǔ)母語(yǔ)學(xué)習(xí)者的單詞學(xué)習(xí)效果顯著。使用手機(jī)掃描單詞，呈現(xiàn)匹配的圖片和發(fā)音也符合兒童的認(rèn)知規(guī)則，但是手機(jī)可能會(huì)分散兒童的注意力。這種類型的教學(xué)可能更適合一對(duì)一的情況。

（五）基于地理位置的AR 學(xué)習(xí)

江蕙楨等人完成了一個(gè)中學(xué)科學(xué)教育探究活動(dòng)?；顒?dòng)中不同組的學(xué)生分別使用GPS 位置獲取不同區(qū)域的信息，信息就會(huì)以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的方式呈現(xiàn)并上傳至服務(wù)器。其他組成員來(lái)到同一地點(diǎn)時(shí)，可以查看已有的分享內(nèi)容。這個(gè)實(shí)驗(yàn)提升了學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)，也促進(jìn)了知識(shí)共享。

蕭顯勝等人開(kāi)發(fā)了一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的系統(tǒng)天氣觀察員（Weather Observers），輔助學(xué)生進(jìn)行大氣系統(tǒng)等地理知識(shí)的學(xué)習(xí)。比如，在博物館的教學(xué)環(huán)節(jié)中， 學(xué)生可掃描識(shí)別卡片，進(jìn)而獲得相應(yīng)天氣元素的模型。研究發(fā)現(xiàn)，該增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)對(duì)學(xué)習(xí)者地理學(xué)科的學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果的提升都有較大的幫助。

王曉玲等人開(kāi)發(fā)了一款在戶外調(diào)查的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)定位工具，實(shí)踐表明該應(yīng)用可協(xié)助學(xué)生實(shí)時(shí)定位和信息共享，深受他們歡迎。

華東師范大學(xué)開(kāi)發(fā)了一款叫做“快樂(lè)尋寶”的教育游戲。這是一款基于移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教育游戲， 參與者可通過(guò)任務(wù)驅(qū)動(dòng)、在線答題進(jìn)行闖關(guān)。游戲的相關(guān)設(shè)置更為靈活自由，如學(xué)科知識(shí)、任務(wù)地點(diǎn)都可由老師進(jìn)行學(xué)情分析后自主設(shè)定。游戲主要設(shè)計(jì)思路如圖10 所示。

實(shí)踐表明，學(xué)生能更好地沉浸于游戲中，實(shí)時(shí)交互，快速反饋。當(dāng)然，游戲依然有待進(jìn)一步完善與開(kāi)發(fā)， 存在的問(wèn)題有模型真實(shí)感不強(qiáng)，交互有延遲，學(xué)習(xí)內(nèi)容不完善，等等。

北京師范大學(xué)王沛文等人基于移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和位置服務(wù)技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了地理導(dǎo)航與文化導(dǎo)覽一體化的服務(wù)系統(tǒng)，并在大學(xué)校園部署應(yīng)用。研究選取了小樣本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，請(qǐng)實(shí)驗(yàn)對(duì)象對(duì)系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行試用和評(píng)價(jià)，旨在探索移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于校園導(dǎo)覽的效果。使用者試用系統(tǒng)平臺(tái)2—3 個(gè)小時(shí)。使用過(guò)程中用戶可以根據(jù)攝像頭中捕獲到的真實(shí)場(chǎng)景去尋找校園相關(guān)建筑物，如圖11 所示。在到達(dá)目標(biāo)建筑物后， 攝像頭通過(guò)捕獲圖像自動(dòng)識(shí)別出該建筑物信息，并作為學(xué)習(xí)內(nèi)容呈現(xiàn)給用戶。

該實(shí)驗(yàn)分別從可獲取性、宣傳效果、可用性、美觀性、環(huán)保性、可交互性、可推廣性以及功能性八個(gè)方面對(duì)軟件進(jìn)行調(diào)查。調(diào)查表明AR 導(dǎo)覽軟件方便美觀。絕大多數(shù)被試者都提到使用手機(jī)可以隨時(shí)隨地獲取信息，而且定位技術(shù)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合使得搜索過(guò)程和呈現(xiàn)方式變得更加自然，不僅省去了手動(dòng)輸入的過(guò)程，而且所見(jiàn)即所得；絕大多數(shù)被試者都提到目前使用紙質(zhì)地圖時(shí)的資源浪費(fèi)問(wèn)題，并認(rèn)為該軟件是替代紙質(zhì)媒介的比較好的手段之一；絕大多數(shù)被試者都提到使用手機(jī)攝像頭與真實(shí)物理環(huán)境進(jìn)行交互的方式非常新穎有趣，之前并沒(méi)有接觸過(guò)，信息的快速即時(shí)呈現(xiàn)的特點(diǎn)也讓校園文化隨手可及。使用者對(duì)軟件也提出了很多建設(shè)性意見(jiàn)，有些意見(jiàn)限于目前硬件技術(shù)能力還不能解決，比如校園無(wú)線網(wǎng)網(wǎng)速慢速導(dǎo)致加載信息過(guò)慢，手機(jī)GPS 定位所需時(shí)間過(guò)長(zhǎng)且有時(shí)定位不準(zhǔn)確等。