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教育中的增强现实——案例、地点和潜力

Matt Bower, with Cathie Howe, Nerida McCredie, Austin Robinson amp; David Grover

摘要：增强现实正深刻地改变我们所知的教育。将丰富的媒体覆盖到现实世界的能力，通过诸如手机和平板设备等网络功能设备来观看，意味着信息可以在需要的确切时间和地点提供给学生。这有可能通过为学生提供“完全定位的支架”，以及使学习在一系列其他方式中减少认知过载。本文将综述增强现实在主流社会和教育中的应用，并讨论该技术所提供的教育潜力。基于在教育中使用增强现实的信息递送的流行，我们认为让学生设计增强现实体验以发展他们的高阶思维能力的优点。本文介绍了在高中视觉艺术中使用“增强现实”的“设计学习”的案例研究，通过对学生工作的样本和他们的反馈，表明该方法导致了高水平的独立思考、创造力和批判性分析。本文的结论是建立一个未来的前景增强现实和设置研究议程向前迈进。

关键词：增强现实，AR，教育学，莫比尔，设计性学习，高阶思维

增强现实导论

增强现实技术在社会上越来越普及，并越来越普遍的性质（约翰逊，史米斯，莱文，和海伍德，2010）。增强现实系统可以被定义为允许真实和虚拟对象共存于同一空间并实时交互（AUMUA，1997）的系统。将虚拟数据与真实世界数据相结合的过程可以为用户提供对上下文相关的丰富且有意义的多媒体内容的访问，并且可以很容易地、立即地采取行动（Birner-HurST，Kato，PouPyReV，2001）。不像虚拟现实，它完全沉浸在用户的感官在合成环境中，增强现实允许用户通过虚拟覆盖感知真实世界。在增强现实系统中使用的虚拟对象可以包括文本、静止图像、视频剪辑、声音、三维模型和动画。理想情况下，这些虚拟对象将被感知为共存于真实世界环境中。一些研究人员已经确认增强现实具有巨大的潜力，以加强学习和教学（例如，比林赫斯特和杜森，2012；德德，2009；邓利维，Dede，米切尔，2009；约翰逊，亚当斯，康明斯，2012；考夫曼和施马斯蒂格，2003；谢尔顿，2002；乡绅和简，2。007）。

增强现实可以被认为是位于真实环境和虚拟环境之间的“现实虚拟连续体”（米尔格拉姆，Takemura，Utsumi，KiSiNo，1994）。增强现实是“混合现实”的一种类型，将数字内容注入真实环境中，而不是将虚拟世界中的真实世界内容移植到虚拟环境中（参见图1）。因此，增强现实可以被看作是将虚拟环境和现实世界中的教育结合在一起的管道。

增强现实系统的基本硬件要求包括（AUMUMA，1997；BirnHurST，等人，2001）：X存在视频摄像机以捕获实时图像，X为虚拟对象的重要存储空间，X是组合虚拟和真实对象或分解的强大处理器。Y实时模拟3D环境，X允许用户与真实对象和虚拟对象交互。虽然这些是运行增强现实系统的基本要求，但是可以使用其他技术来增强用户的整体体验（约翰逊等人，2010）。例如：X GPS技术允许系统考虑用户的真实世界位置，确保在地理上重要的位置向用户提供上下文相关的虚拟数据。X图像识别软件-使现实世界的图像和对象充当“触发器”的多媒体和模型覆盖，并锚定虚拟数据在环境中。X扬声器和声音系统-可以播放相关的声音和录音。X因特网访问-提供使用社交媒体和Web 2技术存储、检索和共享内容的手段。X直观界面——触摸屏、陀螺仪和触觉输入技术的进步提供了与虚拟对象交互和操纵的更自然的手段。增强现实系统所使用的复杂软件和许多硬件设备也被许多其他技术所利用，然而，增强现实的区分能力是虚拟对象在上下文相关的真实环境中的无缝合成。方式（比林赫斯特，等，2001；常，Morreale，和MealHelLA，2010）。作为这个独特的功能的结果，增强现实被一些学者预测为二十一世纪的基本用户界面（KROEKER，2010）。

增强现实的应用

自1990年初以来，包括医学、制造、航空、机器人、娱乐、旅游以及最近的社会网络和教育（AZUMA，1997；BrimulHurt，2002；HucCIPi，Copoo，Rios）在一系列的工业中使用了增强现实系统。，和门迪维尔，2011；谢尔顿，2002；申，等，2010；舒海伯，2004）。通过将媒体元素叠加到用户的真实世界中，上下文增强现实可以为困难的任务提供认知支持。来自工业的例子包括驾驶员培训（ReGeNeReStt，Baratoff，Wikk，2005），实践复杂手术的方面（Cristango，Moussa，DuBuffSKY，2011），以及学习如何在空间站上改变过滤器（ReGeReCrutt，等人，2005）。最近的移动计算能力和功能的改进已经导致更大的资源被引导到移动增强现实系统的发展（约翰逊等人，2010），因此增强现实现在广泛地提供给普通消费者，而不仅仅是居住在DOMA中。在高端实验室的研究和产业化。

一些更流行的用途正在出现，说明了增强现实的可能性。例如，有几个基于位置的内容聚合器正在出现，它可以虹吸周围环境的信息。例如，WikKutd（HTTP://WiKuuDE.com）允许在相机视口顶部的文本层中显示关于风景、餐馆和事件的信息。平面查找器AR (http://my.pinkfroot.com/page/plane-finder-ar-track-live)将信息层叠加在该区域中的平面上，实时提供它们的航班号和距离。WorksNug (http://worksnug.com)在本地找到免费WiFi，将WiFi服务的方向和距离叠加在相机视图上。其他基于位置的增强应用程序允许用户在真实环境中交换基于位置的信息。例如，SeaCiMaMa (http://sekaicamera.com)使用户能够在文本周围使用文本或音频来留下“空注”。GLULL，并为其他人提供功能以留下答复。另外，StreetTag (http://www.designboom.com/technology/street-tag-iphone-app/)使人们可以在世界上的一个层留下涂鸦，这意味着用户不需要干扰街景以留下涂鸦标签。

几个供应商已经发布了展示如何增强现实可以使用图像来触发参与和互动模式。例如，Pix4D展示(http://sealiongames.com)有各种各样的图像标记来显示蒸汉堡，一个移动的跑道，让用户改变其颜色，一盒爆裂的爆米花和一个嵌入的电影，还有一个响尾蛇，对那些风险太近的用户进行打击。String (http://www.apptoyz.com/apps/alienattack/)使用标记来创建效果，例如从墙上弹出的龙，用3D墨水书写，以及可以在房间里走动的宠物外星人。一些应用，如AR媒体l (http://augmentedpixels.com)和BrangIpApps (http://braingapps.com)，使得用户能够通过仅使用一个标记的应用接口来选择和操作多个模型。AdSugar Media (http://adsugarmedia.com)演示了如何使用单独的标记触发的模型可以使用物理引擎进行交互，从一个触发图像激发的炮弹逐渐击落另一个图像触发的盒壁。

还有一系列增强现实游戏展示了该技术的潜力。像活蝴蝶（HTTP://SealangunaSeMe）和外星人攻击（HTTP://www-APAPtoyZ.COM/Apps/AddiaTrack/）游戏在屏幕上叠加在屏幕上的用户捕捉或拍摄。请注意，这些不使用任何来自真实世界环境的信息，而不是一致地定位多媒体覆盖。AR篮球（HTTP://AuxMeMeTimePixel.com）通过使用标记来扩展多人篮射击。ARFIN（HTTP:/LabsLALAN）允许用户通过踢球动作控制虚拟足球。也有扩展的角色扮演游戏，如入口（HTTP://IGRES.com）和阴影城市（HTTP://SimoViTiSeS.com），使用基于位置的增强现实来将信息叠加在城市中，并将世界变成实时的游戏场。

增强现实的教育应用也正在出现。Selnar资源中心为生物学、物理、语言、英语、数学和宗教教育提供了一套十个基于标记的增强现实学习体验（http://Lelnar .org）。获取午餐匆忙（HTTP//PBSKID.Org/Mauliel/FouCH-Lun-RuH.HTML）帮助学生通过询问他们的问题来发展初级数学技能，并要求他们找到具有正确答案的增强现实标记。Zooururt（HTTP://ZooururSt.com）支持学生开发3D数字故事，使他们上传的照片、文本和音频出现在图像标记上的增强现实形式中。Wordlens（HTTP://QuestVisalLo.com）通过将语言翻译叠加在符号和文档之上，可以用来支撑语言学习。

更多的增强现实应用程序已经开发的学科使教师能够创建围绕主题的增强现实体验的集成序列。空间的话题就是一个例子。在寻找另一个可持续的人居住的地方，学生可以使用SkyVIEW（HTTP://www-TelaLo.No.COM/SkyVIEW）增强现实的星际观测应用来绘制通往月球和Mars的路径。透明的地球（HTTP://www. HoGeR.COM/PurruttEngEnter）可以用于通过全球同行并为旅程选择合适的发射地点。学生可以使用ISS现场（HTTP://StestestLIVE.NASA.GOV）找到国际空间站并推断如何以及在何处停靠。Mangulple和MassPurWork（见HTMP://www. MixMaldayNo.com）可以让学生探索月球和火星，寻找栖息的最佳场所。航天器3D（HTTP://www. Nasa. GOV/CONTT/APPS.HTML）可以用来模拟火星数据收集。通过增强现实的PrimeSt3D书（http://PopARBoo.com）可以促进进一步行星的冒险。这样，增强现实应用的组合可以为学生提供更沉浸式和情境体验。

对于教育者来说，潜在的更令人兴奋的是增强现实系统的出现，它允许用户定义自己的触发器和覆盖。示例包括AurasMA（http://AurasaM.com）Layar（http://Layal.com）和Junaio（http://junai.com）。BuffDAR在此基础上扩展以提供第一个增强现实内容管理系统（http://BudidA.com）。这意味着教育者和学生可以开始设计、构建和管理他们自己的增强现实体验。

教育文学中的增强现实

这种增强现实的几种教育用途已经在文献中被证明。增强现实已被用于培养学生对科学的理解，包括环境科学（Hsiao，陈，黄，2011；Surramp; KLopfter，2007），微生物学（陈，2006）和生物医学科学（Rasima，艾哈迈德，Zaman，2011）。基于场景的“外星人接触”！“模拟已经被用来发展数学思维技能（邓利维，等人，2009；米切尔，2011）。游戏化和角色扮演为基础的增强现实已被应用于增强动机和真实感的医学科学（罗森鲍姆，Klopfer，佩里，2007）。举例说明了增强现实在人文学科中的应用，例如通过提供更吸引人的文学体验（比林赫斯特等人，2001），并通过视觉诗歌的发展（LIN，2012）。增强现实已经被用来让学生学习各种蝴蝶的虚拟生命周期（Taln＆OU，2012）。也有学生通过增强现实系统的作者学习的例子，例如科学游戏创作者（KLopfamp;谢尔登，2010），以及使用ARSITES构建谷歌地球模型的学生（松顿，厄恩斯特，克拉克，2012）。更详细的审查增强现实使用在学校和高等教育见（李，2012）。

在综合意义上，增强现实技术允许教育者创建一个场景，提供基于GPS位置的位置特定信息，将脚本或非玩家角色注入到学习体验中，并在RE内无缝地嵌入数据（通过图像或对象触发器）。世界语境。乡绅和简（2007）在他们的谋杀神秘游戏中使用所有这些能力，要求学生通过收集证据和采访虚拟非玩家人物来推断一个人是如何死亡的。然而，教育者作为设计师和促进者的作用似乎是一个关键因素。杰瑞和亚伦（2010）在使用增强现实来追踪物体和图形的垂直和水平速度和位移时发现，教师使用发人深省的问题和他们的促进技能对于激发学生的挑战感和ENA是至关重要的。让同学们从活动中学习。增强现实在课堂上的使用被反复显示以增加学生的动机（Belnin Hurth＆DueSeNER，2012；约翰逊，等人，2010；Trng＆OU，2012）。重要的是，它也被证明有助于学生的学习成果（杰瑞和亚伦，2010；李，2012；Rasimh等人，2011；Trng＆Ou，2012）。此外，使用增强现实系统对一些学生的学习态度有一个小的，但积极的影响，并有助于他们了解他们的学习与他们的日常生活的相关性（杰瑞和亚伦，2010）。

从设计中学习

在绝大多数的实例中，增强现实被教育者用来为学生提供预先打包的学习经验。这可能导致增强现实只通过支持理解和应用来开发低阶思维技能的情况，而不鼓励高阶综合思维技能如分析、评价和创造。另一个选择是让学生成为具有增强现实能力的设计师，以便培养更高层次的思维技能。

设计性学习是在建构主义教学范式中建立起来的，它支持学生在主动创造真实对象时对自己世界的理解是最好的（Prutt and HaReR，1991）。设计学习已被证明是提高学生的学习成果。例如，使用基于设计的学习方法的科学课导致学生成绩的提高和学生学习科学的愿望的增加（DopPet，Mehalik，Schunn，Stand，KrysSikk，2008）。使用先进的视频技术的设计目的，提高学生对主题和特定领域的认知技能的理解（赞恩，豌豆，黑塞，和罗森，2010）。以及改进的概念理解，设计为基础的学习已导致提高学生的动机追求职业领域的实践（Apdoe，雷诺兹，Ellefson，Sunn，2008）。

在以前的工作中，van Haren（2010）已经确定了若干机制来支持基于设计的学习方法的积极影响。借鉴学生的知识可以提高投入。通过讨论、解决问题、理论化

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