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教育技术：推动教育的技术手段升级，混合现实技术MR在教育中的应用

大家好，今天为您分享由孔玺等所撰写的文章《混合现实技术及其教育应用现状与展望》。文章说到，近年来，随着计算机显示技术以及硬件计算能力的发展与增强，诸如虚拟现实VR、增强现实AR、混合现实MR等现实增强技术给众多使用者带来全新的视觉感受和交互体验。作为快速发展起来的新型交互技术，MR对VR和AR进行了创新融合发展，不仅成为开启新一代交互革命的钥匙，也为教育等诸多领域带来新的机遇与挑战。以虚拟融合、实时交互、三维注册等为主要特征的MR技术将以独特优势在教育领域展现其巨大的应用潜力。2019年《地平线报告》(高等教育版再次)指出，MR技术的交互性和虚实结合可为学习者构建知识提供显著支持，并预计其将在近几年内实现初步应用。文章对混合现实技术内涵进行了介绍。MR技术实现了虚拟场景与真实世界的无缝融合，借助先进的图像处理技术和显示设备生成具备虚实融合特征的可视化环境，实现相异时空场景的嵌入。

混合现实技术内涵：VR、AR和MR在交互理念和实现技术上存在差异

文章分析了VR、AR和MR在交互理念和实现技术上存在差异，由此区分在教育特性方面的特征。

(1)沉浸体验。

VR通过生成三维虚拟学习环境和借助头戴显示设备使学习者获得良好的沉浸感，但由于学习场景是根据计算机建模技术来生成的，因此VR在真实性体验上难以满足学习者的需求。AR可将学习内容通过虚拟物体叠加的方式进行可视化处理，但虚拟场景和现实景象间依然存在着较大的视觉差异，会对沉浸体验的效果造成一定影响。MR促进了虚拟世界和真实世界的联结，在构建多重感觉通道的基础上将人的感觉延伸到新创建的学习场景中。该场景可以充分调动视觉、听觉、触觉甚至嗅觉等多种感官，将有效提升学习者的沉浸感、代入感和置入感，并能够帮助学习者迅速进入学习状态，从而提高感知体验，促进认知并使学习效率得到提高。

(2)视觉显示。

VR头戴显示设备存在分辨率低和刷新率低等缺点，由此产生的视觉滞留及眩晕感将会严重影响学习者的学习体验。AR在显示效果上得到了进一步增强，但是视觉范围上比较狭窄。MR技术为学习者提供质量更优的显示效果并扩大显示范围，在增强视觉体验的同时，使学习情景得到明显增强，对培养学习兴趣和提升专注度有较好的帮助。此外，由显示质量低、刷新率低造成的眩晕感和画面滞留也将得到有效改善。

(3)交互方式。

由于VR头戴显示设备存在封闭性强、体积大、学习者难以观察到现实场景等问题，因此VR在人机交互上存在着较多不足。AR的交互性得到显著提升，使用者可借助外接设备、特定标识、徒手式交互等方式与AR环境发生交互，但学习者交互体验容易受到系统本身算法优化程度、精度以及外界光照环境的影响。MR结合了VR和AR的优势，可以实现人与MR场景的深度交互。在扩展设备支持下，MR允许学习者使用手势、体感、凝视以及触摸等自然方式与虚拟或现实对象进行交互并提供多种反馈。这种可视化交互对提高受训者技能水平具有明显的促进作用。此外，可将MR构建的虚拟学习情景同时呈现给不同学习者，并能够在网络的支持下实现多人交互与实时共享，将为远程学习、在线合作学习、小组协作学习等提供有力支持。

混合现实技术教育应用的现状

文章介绍了混合现实技术教育应用的现状。教育形态变革离不开技术创新的推动，新兴技术对学习的内涵、形式以及环境的理解与发展产生不可忽视的影响。近年来，基于VR、MR的教育游戏、模拟场景等资源的开发与应用愈加成熟，并在教学实践活动中取得了较好的效果。MR作为融合了VR、AR两者优势的新型交互技术，尽管在硬件和交互体验上依然存在着较大的提升空间，但在教育工作者和科研人员的共同参与下，MR技术已在学科教学、在线虚拟课堂创设、医疗卫生和建筑与电气工程等领域取得了初步应用。

（一）、支持具体学科教学

MR具有模拟性强、显示质量优、采用自然方式交互等优点，与学科知识的深度融合将改变传统教学资源的形式，为学习者提供真实感觉体验，有效改善教学形态和学习方式。

（二）、支持创设在线虚拟课堂

乔纳森指出学习环境是以技术作为支撑的，各种数字技术相互交融，彼此协调，为学习者提供探索、建构和反思的有效方式。随着传感器、人工智能、学习分析、大数据、情感识别等技术在教育领域中的应用，学习环境中的技术丰富程度加速上升，对学习者的认知过程产生的重要影响。MR技术可以创造一个虚拟与现实完美结合的世界，并通过网络技术将处于不同地域学习者的虚拟化个体耦合连接到同一个在线虚拟课堂之中。

（三）、支持医疗卫生领域的技能培训

由于受环境资源等客观条件的限制，一些危险系数高、资源开销大或需要特殊场景的实验和培训在现有条件下难以开展，而MR技术可为学习者提供真实高效的虚拟实验和操作的机会。

（四）、支持建筑与电气工程领域中的技能培养

建筑行业工人往往需要在脚手架、屋顶、钢架等多种高风险环境中工作，由于工作性质等原因，要求新手工人在开始正式工作之前必须具备一定的技能水平与安全意识。MR技术可为受训者呈现高空脚手架等模拟建筑环境，受训者可在其中进行各种类型的模拟训练。此外，MR技术虚实融合的特性可将电气施工设计模型叠加到施工人员的视觉场景中，与工程设计图的传统呈现方式如文字描述、图纸等相比，该方式具备直观、容易理解、提高施工效率等特点。

（五）、支持航空航天与军事领域的仿真训练

在航空航天领域，基于各类现实增强技术的仿真训练系统具有低风险、高收益以及不受气候条件影响和场地限制等独特优势，并且能够为飞行员、航天员提供充分的训练机会。MR仿真训练系统可实现虚拟景象与真实环境的相互融合,在呈现真实世界的基础上，又可将当前时空不存在的物体反应到受训者视觉范围中，从而为受训者提供超越真实的模拟飞行环境。此外，MR仿真训练系统能实现听觉、触觉等综合感知与交互与传统模拟器相比具有明显的优势。

文献来源：孔玺、孟祥增、徐振国、刘涛、陈长胜《混合现实技术及其教育应用现状与展望》

解说人：周凌波