探究全息技術(shù)賦能教育教學(xué)變革

探究全息技術(shù)賦能教育教學(xué)變革摘要：隨著科技的發(fā)展，以人工智能、全息技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）等為代表的信息技術(shù)掀起了第四次教育革命，正逐步而深刻地改變著技術(shù)與教育的關(guān)系。因全息技術(shù)具有全沉浸性、全數(shù)據(jù)化、全互動(dòng)性等特性，對(duì)現(xiàn)代教育來(lái)說(shuō)有著自身的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)，所以本文著重選取了這顆孕育著無(wú)限潛能的新星來(lái)進(jìn)行分析，試以發(fā)展性的眼光來(lái)看未來(lái)的教育，希望未來(lái)的教育能有一個(gè)新的發(fā)展和進(jìn)步，真正對(duì)教師傳授知識(shí)、學(xué)生學(xué)習(xí)知識(shí)有所幫助，為國(guó)家提供人才資源和保障。論文簡(jiǎn)單講解全息技術(shù)的概念、全息技術(shù)相關(guān)設(shè)備、全息技術(shù)在教育教學(xué)中的好處、全息技術(shù)在當(dāng)前教育中被推廣的局限幾個(gè)方面，并希望做教育產(chǎn)品設(shè)計(jì)的開發(fā)者能將該技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品中，讓人們隨時(shí)隨地都能享用到該技術(shù)的成果。關(guān)鍵詞：全息技術(shù)、教育應(yīng)用、教育教學(xué)變革、教育公平引言隨著5G、人工智能、大數(shù)據(jù)等技術(shù)在當(dāng)今社會(huì)的成熟應(yīng)用，人們看到了科技改變生活的實(shí)在性，這更推動(dòng)了全息技術(shù)、AR、VR等虛擬技術(shù)的發(fā)展，也進(jìn)一步激發(fā)了它們?cè)诮逃I(lǐng)域上變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)和廣泛應(yīng)用的可能性。恰如《科普中國(guó)》融創(chuàng)項(xiàng)目編輯委員會(huì)主任委員楊再石所說(shuō)的：基于擴(kuò)展現(xiàn)實(shí)技術(shù)，融合調(diào)度現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景和虛擬場(chǎng)景，促進(jìn)教學(xué)情景“靈境化”。與虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)（VR）不同，全息技術(shù)不需要借助頭盔或者眼鏡等設(shè)備來(lái)充當(dāng)一個(gè)虛擬顯示器，它可以讓用戶用肉眼直接看到逼真的虛擬圖像，甚至可以進(jìn)行手動(dòng)操作進(jìn)行變換，并且它還可以追蹤用戶的聲音或者手勢(shì)，來(lái)實(shí)現(xiàn)更先進(jìn)、更具代入感的技術(shù)操作。在當(dāng)今社會(huì)中，科技者已經(jīng)實(shí)現(xiàn)并相對(duì)成熟地將這門技術(shù)應(yīng)用到博物館、科技館、城市規(guī)劃的數(shù)字展館、舞臺(tái)表演之中，比如我們省博全息文物的數(shù)字展廳曾在2019年用它展示過陶瓷、青銅器、玉器、書畫等這些出現(xiàn)于唐明清代歷史久遠(yuǎn)的文物；早在2012年我國(guó)也在大型情景音舞詩(shī)畫《天安門》中首次應(yīng)用了全息技術(shù)。其實(shí)全息技術(shù)除了全息投影的應(yīng)用，還有涉及其他各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用，例如利用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行虛擬購(gòu)物、虛擬旅行、虛擬游戲等，同時(shí)在國(guó)內(nèi)教育領(lǐng)域它也開始嶄露頭角——在2019年開學(xué)季，北京郵電大學(xué)首次采用5G全息直播技術(shù)實(shí)現(xiàn)兩校區(qū)同上一門課，以全息影像的方式，將遠(yuǎn)在25公里外的教授“搬”到了另一校區(qū)的教室里，讓人們看到了將“天涯變咫尺“的全息技術(shù)更多的可能性。一、全息技術(shù)概述區(qū)別于平時(shí)我們使用的手機(jī)、電腦、照相機(jī)的屏幕所呈現(xiàn)的平面化的二維空間，能夠讓傳統(tǒng)的二維變成三維的技術(shù)，便是全息技術(shù)。全息技術(shù)能夠?qū)⑽矬w的三維形態(tài)記錄下來(lái)，并能夠精確地還原出被記錄物體的三維影像。它是一種結(jié)合了干涉和衍射的光學(xué)原理，利用干涉原理記錄物體光波的相位和振幅，在經(jīng)過衍射將物體的光波展示出來(lái)，也就呈現(xiàn)出物體的三維圖像。它不需要準(zhǔn)備人手一個(gè)的昂貴設(shè)備只需要投影設(shè)備將不同角度影像投影至空氣或全息投影膜上，眾人就可以同時(shí)用肉眼看到原先自身角度所看不到的其他立體圖像。二、全息技術(shù)相關(guān)設(shè)備及其在教育上的應(yīng)用1.360度幻影成像系統(tǒng)利用全息技術(shù)制造出來(lái)的360度幻影成像系統(tǒng)，可將三維圖像懸浮在半空中成像，形成的幻象可以結(jié)合實(shí)物，也可配加觸摸屏實(shí)現(xiàn)與觀眾互動(dòng)能，夠營(yíng)造出強(qiáng)烈的奇特效果，給人一種完全立體的感覺，亦真亦幻，引人注目。在全息課堂上，無(wú)論坐在教室哪個(gè)角落的同學(xué)都可以360度無(wú)死角，全方位鎖定所投之物的每一個(gè)細(xì)節(jié)，因?yàn)槿⑼队皶?huì)將它清晰、完整地傳達(dá)到每一位同學(xué)的眼中，充分照顧到課堂上每一位同學(xué)的需求，讓大家以最快的速度接受知識(shí)，進(jìn)一步提高課堂教學(xué)的質(zhì)量。將來(lái)教室中若引進(jìn)了此設(shè)備，可以在教室前方或上空呈現(xiàn)譬如人物、動(dòng)物、星體等立體的圖像，能更直觀地表現(xiàn)其細(xì)節(jié)，讓課本“活”起來(lái)，給學(xué)生一種完全真實(shí)、立體的感覺，激發(fā)學(xué)習(xí)熱情。比如科學(xué)課上講到星體，教師可以投出適當(dāng)比例大小的地球，學(xué)生會(huì)仿佛站在地球上空，各個(gè)大陸板塊清晰可見，地球上聚集的層層白云也被還原。隨著操作，鏡頭轉(zhuǎn)換，可看到其它美麗的天體。當(dāng)面對(duì)太陽(yáng)時(shí)，雖然感受不到它的滾燙，可以看到它的耀眼，而且動(dòng)感模擬非常到位，可以感覺到太陽(yáng)表面黑子、耀斑、太陽(yáng)風(fēng)的活動(dòng)是那么猛烈。2.全息互動(dòng)展示系統(tǒng)利用納米感應(yīng)觸摸膜與散射投影技術(shù)，使用者可以通過全息展示屏鏡像互動(dòng)，同時(shí)該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)用手指或者其他物品在投影屏上進(jìn)行操作，觸摸選擇、打開界面、轉(zhuǎn)換界面、信息查詢、拖動(dòng)控制等功能。使用這種系統(tǒng)給人一種雖隔萬(wàn)里但對(duì)方就在面前的感覺，它提供了一種新的交流手段，打破了時(shí)間空間的限制，方便了人們之間的交流和表達(dá)。比如家長(zhǎng)可以將自身影像投到居家的孩子身邊，可進(jìn)行眼神、語(yǔ)言的交流，督促他完成作業(yè)或其它事情，孩子在家長(zhǎng)的監(jiān)督下能按要求完成任務(wù)。有時(shí)受時(shí)間、空間的限制，師生有時(shí)不方便面對(duì)面的進(jìn)行授課和聽課，那必要時(shí)利用全息技術(shù)就可以使一個(gè)老師同時(shí)出現(xiàn)在不同的教室，使學(xué)生直面老師產(chǎn)生課堂感，此外利用全息技術(shù)的授課過程還可以被錄制下來(lái)，在需要的時(shí)候可以再次播放。在2018年11月，英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院也在商學(xué)院首次開設(shè)了“全息投影”課程形式，學(xué)生和講師隔空互動(dòng)，并可以實(shí)現(xiàn)4個(gè)人的同時(shí)交互活動(dòng)，可謂是全息技術(shù)成功的成果展示。全息技術(shù)可解決實(shí)驗(yàn)中受條件限制的問題，比如，涉及到輻射、放射、有毒有害物質(zhì)的物理、化學(xué)實(shí)驗(yàn)，或者使用造價(jià)高昂的實(shí)驗(yàn)器材或不方便獲取的資源的情況。在全息影像構(gòu)建的虛擬的、立體的實(shí)驗(yàn)室中，人們既可以身臨其境地一遍遍來(lái)操作，又保證了安全性。三、全息技術(shù)在教育教學(xué)中的好處1.形象化、可視化使得受眾廣泛且實(shí)用利用全息技術(shù)，能夠?qū)⒊橄蟮闹R(shí)和平面的知識(shí)以立體、直觀的方式進(jìn)行呈現(xiàn)，通過身臨其境的體驗(yàn)，能夠?qū)W(xué)生“存在感”、“印象性”“直覺感受”放大，并增強(qiáng)其學(xué)習(xí)的樂趣。全息投影技術(shù)可廣泛應(yīng)用于教育的各個(gè)階段。在學(xué)前教育階段，處于該階段的兒童對(duì)文字印象不深，但對(duì)圖像印象深刻，因此該技術(shù)在兒童視野中呈現(xiàn)出真實(shí)的3D圖像，圖像可動(dòng)并配有顏色，動(dòng)感模擬增強(qiáng)了觸覺，可以吸引他們的注意力并鍛煉其思維能力，從而達(dá)到更好的教學(xué)效果。在中學(xué)教育和大學(xué)教育中，突破了幻燈片這些年的傳統(tǒng)地位，又使教學(xué)邁出了一大步。生動(dòng)、靈活的全息投影技術(shù)將以往書本上死板的知識(shí)進(jìn)行三維圖像轉(zhuǎn)化，讓書本上的知識(shí)變得“活”起來(lái)，充分調(diào)動(dòng)了學(xué)生的視、聽、觸覺，無(wú)論是老師教著，還是學(xué)生學(xué)著，都因它的加入產(chǎn)生了很大的興趣，也有助于讓教師的講解更具有說(shuō)服力，更有助于學(xué)生知識(shí)的學(xué)習(xí)記憶和思維的發(fā)散。例如，用全息技術(shù)把中小學(xué)幾何課上原來(lái)學(xué)生們難以理解的立體幾何圖以三維的形式呈現(xiàn)出來(lái)，這樣學(xué)生能更直觀的去觀察圖像并思考問題。在大學(xué)的醫(yī)學(xué)課程中，教授可以將器官通過全息立體投影成像，讓學(xué)生看到虛擬成像的具體細(xì)節(jié)，一目了然地了解生物的具體內(nèi)部結(jié)構(gòu)，也可以呈像人體相應(yīng)部位來(lái)模擬真實(shí)的手術(shù)場(chǎng)景，打破時(shí)間、空間限制，減少資源浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)高效學(xué)習(xí)。2.強(qiáng)化教師教學(xué)技能，優(yōu)化學(xué)生學(xué)習(xí)全息技術(shù)為豐富課堂提供了技術(shù)支持，同時(shí)也為提升教師教學(xué)技能創(chuàng)造環(huán)境，教師的教學(xué)技能在這一過程中得到提升，學(xué)生自由思考，自主學(xué)習(xí)在課堂上發(fā)揮主觀能動(dòng)性，使其學(xué)習(xí)成果更優(yōu)化，減輕教師工作量。推動(dòng)了師生間的互動(dòng)，使教與學(xué)更加和諧。3.突破時(shí)間和空間的限制，更好的促進(jìn)教育公平利用虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將“全息”老師帶進(jìn)課堂，逐漸實(shí)現(xiàn)和北郵、英國(guó)帝國(guó)理工學(xué)院一樣，哪怕教師和學(xué)生不在同一空間內(nèi)，“教授”也能在不同校區(qū)同時(shí)上課的愿望，以最低成本完成“跨越時(shí)間和空間”的“面對(duì)面”的沉浸式教學(xué)學(xué)習(xí)體驗(yàn)。尤其是偏遠(yuǎn)山村的學(xué)生不用不遠(yuǎn)千里跑到大城市接受教育，他們?cè)谧约旱拇迩f、縣城，在足夠的帶寬支持下，就可將優(yōu)秀老師的“真人”顯示出來(lái)，實(shí)現(xiàn)課程同步。在其它需要宣傳知識(shí)的場(chǎng)合中，宣講人員可同時(shí)出現(xiàn)在不同地點(diǎn)，面對(duì)面地和聽講人交流，這都促進(jìn)了教育的公平。四、全息技術(shù)在當(dāng)前教育中被推廣的局限1.全息技術(shù)本身還不夠成熟。國(guó)內(nèi)全息技術(shù)教育應(yīng)用還處在初級(jí)階段，全息技術(shù)要靠其呈現(xiàn)的內(nèi)容作為基礎(chǔ)，而現(xiàn)階段的內(nèi)容的制作技術(shù)不夠成熟，且受到系統(tǒng)制作平臺(tái)的限制，同時(shí)從事相關(guān)制作的技術(shù)人員比較缺乏，人員掌握的技術(shù)還不夠豐富，當(dāng)涉及到制作一些科普內(nèi)容時(shí)，還必須拍攝大量的全息照片，過程繁瑣，整體制作起來(lái)會(huì)感到復(fù)雜，導(dǎo)致更新速度慢且很難產(chǎn)出高質(zhì)量的內(nèi)容。由于受場(chǎng)地和技術(shù)的限制，目前全息技術(shù)成像也存在比如人機(jī)交互部分還不能實(shí)現(xiàn)完全智能化的問題。因此全息技術(shù)運(yùn)用于教學(xué)的普及，首先其技術(shù)亟需突破，在全息資源建設(shè)、全息虛擬環(huán)境構(gòu)建和全息教學(xué)層面還需廣大的教育工作者進(jìn)行深入的研究，以推動(dòng)全息技術(shù)在國(guó)內(nèi)教育應(yīng)用的進(jìn)程。2.全息設(shè)備成本過高。全息技術(shù)以投影呈像在人們眼前來(lái)實(shí)現(xiàn)沉浸式體驗(yàn)，必不可少要使用到投影機(jī)，以比利時(shí)的BARCO投影機(jī)為例，其價(jià)格高達(dá)上萬(wàn)元，價(jià)格高且維修貴。為實(shí)現(xiàn)動(dòng)作感知，將用到動(dòng)感模擬裝備，它可以感知包括眼睛及肢體動(dòng)作(如頭、手、腳等)，使使用者產(chǎn)生臨場(chǎng)感，這是一種由計(jì)算機(jī)技術(shù)輔助生成的高精密度模擬仿真系統(tǒng)，其價(jià)格也昂貴。此外若想達(dá)到更好的投影效果，也就是將全息投影效果最終呈現(xiàn)在空間的各個(gè)立面，達(dá)到更動(dòng)態(tài)、逼真的視覺效果，這就需要全息投影膜，但這種投影膜價(jià)格昂貴，運(yùn)作成本高。所以，在學(xué)校教育中配備這些設(shè)備，可想而知學(xué)校需要得大量資金支持才能實(shí)現(xiàn)，教育成本過于昂貴，這對(duì)目前該技術(shù)的普及有一定壓力?？梢钥紤]先在學(xué)校特定的房間里配備，再逐步推廣到各個(gè)教室。3.全息教育資源產(chǎn)權(quán)缺乏保護(hù)。全息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)之一是全息影像可以被錄制，并可復(fù)制。零成本復(fù)制問題，導(dǎo)致部分平臺(tái)在未得到教師許可的情況下，借助教師的全息影像來(lái)牟利，這不僅侵犯教師的肖像權(quán)與著作權(quán)，也使得保護(hù)知識(shí)產(chǎn)權(quán)顯得尤為重要。4.全息網(wǎng)絡(luò)信號(hào)亟待增強(qiáng)。全息技術(shù)要靠投影來(lái)實(shí)現(xiàn)，它對(duì)網(wǎng)絡(luò)的傳輸?shù)囊蠛芨撸绻盘?hào)傳輸速度慢，將無(wú)法滿足全息傳送的需要，會(huì)出現(xiàn)遠(yuǎn)程呈現(xiàn)的彩像分辨率低、實(shí)時(shí)性差等問題，它們將會(huì)大大降低使用者的使用體驗(yàn)，在一定程度上影響了沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境的構(gòu)建。早在2000年，英國(guó)倫敦南部一所學(xué)校的數(shù)學(xué)老師使用全息技術(shù)投影“虛擬教師”到教室的事例，提醒我們?nèi)羰芫W(wǎng)絡(luò)的限制，傳輸?shù)木嚯x會(huì)受影響。5.當(dāng)前教育制度不能保障全息技術(shù)的實(shí)施。近些年來(lái)我國(guó)不斷嘗試改革教育制度和教學(xué)模式，但當(dāng)前還處于九年義務(wù)教育的應(yīng)試教育的大背景之中，學(xué)校為了保證升學(xué)率，使教師還是過度地強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)和強(qiáng)化訓(xùn)練，片面地追求分?jǐn)?shù)，造成學(xué)生作業(yè)量過大，學(xué)習(xí)壓力過大，不利于素質(zhì)教育的實(shí)施，此背景下教師和學(xué)生都難以有充足的時(shí)間和精力去了解和掌握新的技術(shù)，這使得很多新技術(shù)的介入也無(wú)法改變“知識(shí)課堂”為主的狀況，只是匆匆而過，并沒有充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)，沒有發(fā)揮學(xué)生的主觀能動(dòng)性和創(chuàng)造性，因此如何能使全息技術(shù)充分發(fā)揮其優(yōu)勢(shì)將成為教育工作者需要思考的問題。解決這個(gè)問題關(guān)鍵在于從上級(jí)教育部門能出臺(tái)相應(yīng)的制度，為實(shí)現(xiàn)素質(zhì)教育指明一個(gè)方向，這緩解了教師的成績(jī)壓力，給教師一個(gè)自由發(fā)揮的空間，讓教師寓教于樂，用科技激發(fā)起學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和創(chuàng)造力。相信有了國(guó)家的制度加持，基層教師不會(huì)有那么多的顧慮，哪怕“犧牲”一節(jié)課的時(shí)間，也能使學(xué)生收獲翻倍。各學(xué)校也要相信老師對(duì)課堂的把控能力，相信老師們能用新技術(shù)傳授給學(xué)生更優(yōu)的知識(shí)。五、全息技術(shù)在教育產(chǎn)品中未來(lái)的發(fā)展近年來(lái)，隨著通信技術(shù)的發(fā)展，手機(jī)、平板等電子產(chǎn)品技術(shù)的進(jìn)步，開發(fā)移動(dòng)學(xué)習(xí)的新模式成為教育媒體關(guān)注的焦點(diǎn)，他們紛紛推出了手機(jī)版用戶端。未來(lái)，全息教學(xué)資源與手機(jī)的融合可打造便攜式全息移動(dòng)課堂，實(shí)現(xiàn)資源的立體交互，增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)。早在2014年美國(guó)Ostendo科技公司就研發(fā)出三維全息投影芯片，該芯片嵌入到移動(dòng)設(shè)備中可實(shí)現(xiàn)三維全息投影，同年，我國(guó)的鈦客科技在北京國(guó)家會(huì)議中心正式發(fā)布全球首款全息智能手機(jī)，即takee全息手機(jī)。雖然8年過去，受技術(shù)等因素的限制它們未能成功投入到移動(dòng)設(shè)備中走進(jìn)千家萬(wàn)戶，但這不會(huì)阻礙全息技術(shù)在移動(dòng)設(shè)備中發(fā)展的進(jìn)程，全息技術(shù)是有發(fā)展前景的，未來(lái)終會(huì)實(shí)現(xiàn)。中國(guó)移動(dòng)“和