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教育技術:推動教育的技術手段升級,混合現實技術MR在教育中的應用
大家好,今天為您分享由孔璽等所撰寫的文章《混合現實技術及其教育應用現狀與展望》。文章說到,近年來,隨著計算機顯示技術以及硬件計算能力的發展與增強,諸如虛擬現實VR、增強現實AR、混合現實MR等現實增強技術給眾多使用者帶來全新的視覺感受和交互體驗。作為快速發展起來的新型交互技術,MR對VR和AR進行了創新融合發展,不僅成為開啟新一代交互革命的鑰匙,也為教育等諸多領域帶來新的機遇與挑戰。以虛擬融合、實時交互、三維注冊等為主要特征的MR技術將以獨特優勢在教育領域展現其巨大的應用潛力。2019年《地平線報告》(高等教育版再次)指出,MR技術的交互性和虛實結合可為學習者構建知識提供顯著支持,并預計其將在近幾年內實現初步應用。文章對混合現實技術內涵進行了介紹。MR技術實現了虛擬場景與真實世界的無縫融合,借助先進的圖像處理技術和顯示設備生成具備虛實融合特征的可視化環境,實現相異時空場景的嵌入。
混合現實技術內涵:VR、AR和MR在交互理念和實現技術上存在差異
文章分析了VR、AR和MR在交互理念和實現技術上存在差異,由此區分在教育特性方面的特征。
(1)沉浸體驗。
VR通過生成三維虛擬學習環境和借助頭戴顯示設備使學習者獲得良好的沉浸感,但由于學習場景是根據計算機建模技術來生成的,因此VR在真實性體驗上難以滿足學習者的需求。AR可將學習內容通過虛擬物體疊加的方式進行可視化處理,但虛擬場景和現實景象間依然存在著較大的視覺差異,會對沉浸體驗的效果造成一定影響。MR促進了虛擬世界和真實世界的聯結,在構建多重感覺通道的基礎上將人的感覺延伸到新創建的學習場景中。該場景可以充分調動視覺、聽覺、觸覺甚至嗅覺等多種感官,將有效提升學習者的沉浸感、代入感和置入感,并能夠幫助學習者迅速進入學習狀態,從而提高感知體驗,促進認知并使學習效率得到提高。
(2)視覺顯示。
VR頭戴顯示設備存在分辨率低和刷新率低等缺點,由此產生的視覺滯留及眩暈感將會嚴重影響學習者的學習體驗。AR在顯示效果上得到了進一步增強,但是視覺范圍上比較狹窄。MR技術為學習者提供質量更優的顯示效果并擴大顯示范圍,在增強視覺體驗的同時,使學習情景得到明顯增強,對培養學習興趣和提升專注度有較好的幫助。此外,由顯示質量低、刷新率低造成的眩暈感和畫面滯留也將得到有效改善。
(3)交互方式。
由于VR頭戴顯示設備存在封閉性強、體積大、學習者難以觀察到現實場景等問題,因此VR在人機交互上存在著較多不足。AR的交互性得到顯著提升,使用者可借助外接設備、特定標識、徒手式交互等方式與AR環境發生交互,但學習者交互體驗容易受到系統本身算法優化程度、精度以及外界光照環境的影響。MR結合了VR和AR的優勢,可以實現人與MR場景的深度交互。在擴展設備支持下,MR允許學習者使用手勢、體感、凝視以及觸摸等自然方式與虛擬或現實對象進行交互并提供多種反饋。這種可視化交互對提高受訓者技能水平具有明顯的促進作用。此外,可將MR構建的虛擬學習情景同時呈現給不同學習者,并能夠在網絡的支持下實現多人交互與實時共享,將為遠程學習、在線合作學習、小組協作學習等提供有力支持。
混合現實技術教育應用的現狀
文章介紹了混合現實技術教育應用的現狀。教育形態變革離不開技術創新的推動,新興技術對學習的內涵、形式以及環境的理解與發展產生不可忽視的影響。近年來,基于VR、MR的教育游戲、模擬場景等資源的開發與應用愈加成熟,并在教學實踐活動中取得了較好的效果。MR作為融合了VR、AR兩者優勢的新型交互技術,盡管在硬件和交互體驗上依然存在著較大的提升空間,但在教育工作者和科研人員的共同參與下,MR技術已在學科教學、在線虛擬課堂創設、醫療衛生和建筑與電氣工程等領域取得了初步應用。
(一)、支持具體學科教學
MR具有模擬性強、顯示質量優、采用自然方式交互等優點,與學科知識的深度融合將改變傳統教學資源的形式,為學習者提供真實感覺體驗,有效改善教學形態和學習方式。
(二)、支持創設在線虛擬課堂
喬納森指出學習環境是以技術作為支撐的,各種數字技術相互交融,彼此協調,為學習者提供探索、建構和反思的有效方式。隨著傳感器、人工智能、學習分析、大數據、情感識別等技術在教育領域中的應用,學習環境中的技術豐富程度加速上升,對學習者的認知過程產生的重要影響。MR技術可以創造一個虛擬與現實完美結合的世界,并通過網絡技術將處于不同地域學習者的虛擬化個體耦合連接到同一個在線虛擬課堂之中。
(三)、支持醫療衛生領域的技能培訓
由于受環境資源等客觀條件的限制,一些危險系數高、資源開銷大或需要特殊場景的實驗和培訓在現有條件下難以開展,而MR技術可為學習者提供真實高效的虛擬實驗和操作的機會。
(四)、支持建筑與電氣工程領域中的技能培養
建筑行業工人往往需要在腳手架、屋頂、鋼架等多種高風險環境中工作,由于工作性質等原因,要求新手工人在開始正式工作之前必須具備一定的技能水平與安全意識。MR技術可為受訓者呈現高空腳手架等模擬建筑環境,受訓者可在其中進行各種類型的模擬訓練。此外,MR技術虛實融合的特性可將電氣施工設計模型疊加到施工人員的視覺場景中,與工程設計圖的傳統呈現方式如文字描述、圖紙等相比,該方式具備直觀、容易理解、提高施工效率等特點。
(五)、支持航空航天與軍事領域的仿真訓練
在航空航天領域,基于各類現實增強技術的仿真訓練系統具有低風險、高收益以及不受氣候條件影響和場地限制等獨特優勢,并且能夠為飛行員、航天員提供充分的訓練機會。MR仿真訓練系統可實現虛擬景象與真實環境的相互融合,在呈現真實世界的基礎上,又可將當前時空不存在的物體反應到受訓者視覺范圍中,從而為受訓者提供超越真實的模擬飛行環境。此外,MR仿真訓練系統能實現聽覺、觸覺等綜合感知與交互與傳統模擬器相比具有明顯的優勢。
文獻來源:孔璽、孟祥增、徐振國、劉濤、陳長勝《混合現實技術及其教育應用現狀與展望》
解說人:周凌波
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