悅趣多：基于增強現實技術的高中通用技術創新教育平臺

魏小東等

[摘 要] 越來越多的高中嘗試把增強現實（Augmented Reality，簡稱AR）技術引入高中通用技術創新設計課程，從而提高教學質量和學生作品的創新力。然而由于教師資源、相關教學設備以及高中生缺乏編程能力的限制，大部分中國高中沒有能力建立引入AR的通用技術課程。為了解決這個問題，筆者基于John Keller的ARCS動機激發模型，利用AR交互技術和動態編譯技術設計實現了名為“悅趣多”的教學輔助系統。在這個平臺上學生既可以學習AR技術的基本原理，親身感受AR應用的特點，也可以在不懂編程技術的情況下實現自己的AR創新設計。在人大附中進行試點教學，并利用學習動機調查問卷和創意產品語義量表評估了教學效果，結果顯示“悅趣多”作為創新教育平臺能很好地促進學生對于AR技術基本原理的學習，提高學生作品的創新力。

[關鍵詞] 增強現實； 教育技術； 計算機輔助教學； 輔助設計

[中圖分類號] G434 [文獻標志碼] A

[作者簡介] 魏小東（1984—），男，甘肅蘭州人。博士，主要從事人機交互技術在教育應用中的研究。E-mail： wxd1633@163.com。

一、引 言

《普通高中通用技術課程標準》提出的課程目標是：“以基礎的、寬泛的、與學生日常生活聯系緊密的技術內容為載體，以進一步提高學生的技術素養、促進學生全面而富有個性的發展為目標。”其核心思想就是提高學生的技術素養和創新力，包括通用技術的基本知識和基本技能，技術及其設計的一般思想和方法，運用技術原理解決實際問題的能力和終身進行技術學習的能力，還包括正確的技術觀，技術創新意識，負責、安全地使用技術的行為習慣以及對技術文化的理解、評價及選擇能力[1][2]。

根據通用技術課程目標，越來越多的高中希望引進目前流行的新技術和新教學思路來改善高中通用技術教學效果，提高學生設計作品的創新力。

增強現實（Augmented Reality，簡稱AR）技術，是在虛擬現實的基礎上發展起來的新技術，也被稱之為混合現實，是指通過將計算機生成的虛擬場景、文字注釋等信息實時、精確地疊加到使用者所觀察到的真實世界景象中，對人的視覺系統進行延伸和擴充的一種技術[3][4]。目前也已經出現了流行的科技產品，如Google Glass，是由谷歌公司于2012年4月發布的一款增強現實眼鏡[5]。AR技術應用于教育教學也慢慢成為了一個研究趨勢，如立體書籍、操作技能培訓、AR教育游戲，殘障人群學習等[6][7]。科技創新教育走在前列的人大附中已經將AR技術教學納入到了通用技術教學的必修課中，主要培養學生AR應用創新實現能力，借此使學生明確一個通用的、完整的設計過程，學會與技術有關的各種實現途徑和方法。但由于AR技術教師資源和AR教學設備的限制，在課程實施過程中出現了兩方面的問題。

1. 人大附中為了讓學生更好地設計實現AR應用，需要給學生講解基本的AR原理。但在這一教學階段，采用普通的教學方式，極大地降低了學生的參與性。在通用技術課堂中，學生更喜歡動手參與，僅僅通過教師講解比較難理解的AR技術，無疑大大降低了學生的學習興趣。再加上AR技術教師短缺，這種情況無疑加重了教師的教學負擔。

2. AR應用是真實場景和虛擬物體的疊加，人大附中開設的AR技術課程要求學生在攝像頭采集的真實場景上疊加3D模型，因此開設了3D建模軟件使用課程。學生設計完自己的AR應用后，先制作需要疊加的3D模型，然后在教師的幫助下完成模型和場景的疊加。由于大部分的學生并沒有編程經驗，3D模型和真實場景的疊加工作全部落在教師的身上，這使得教師的工作負擔過于繁重，并且極大地降低了學生創作的靈活性。

為了解決以上問題，筆者設計實現了“悅趣多”教學輔助系統。

二、基于ARCS模型的系統設計

為了提高學生學習AR技術的積極性，增強學生設計作品的創新力，減少代課教師的教學負擔，讓“悅趣多”科學并有效地應用于高中通用技術課程，我們引入了美國心理學家John Keller 提出了ARCS 動機激發模型。Keller 認為影響學生學習動機的因素有四類：注意（Attention）、關聯（Relevance）、自信（Confidence）、滿足（Satisfaction），簡稱ARCS 動機激發模型（ARCS 模型）[8][9][10]。該模型說明，為了激發學生的學習動機，首先要引起學生對一項學習任務或學習目的的注意和興趣；其次，使學生理解完成這項學習任務與自己密切相關；再次，對學生進行鼓勵，逐漸培養和建立他對完成學習任務的信心；最后，讓學生產生完成學習任務后的滿足感。因此在設計“悅趣多”教學輔助系統的功能時結合ARCS 動機激勵模型，始終以激發學生學習動機，提高學生學習的自信心和自主性以及提高該課程的教學效果為目標。

（一）使用AR技術作為交互方式引起學生的注意

根據ARCS動機激發模型，“注意”是影響學生學習動機的首要因索，也是學習的先決條件。激發學生的學習動機，首先需要喚起學生的注意[11]。如果“悅趣多”教學輔助系統使用鼠標鍵盤這種普通交互方式則無法引起學生太大的交互興趣，再加上通用技術設計課程教學是一個相對寬松的教學氛圍，在AR基本原理教學階段，長時間使用鼠標鍵盤作為輸入方式，學生很容易去做一些與課堂無關的事情，如玩游戲、瀏覽網頁等。因此，我們給“悅趣多”設計了一套新的交互方式來增加學生課堂的參與性，增加學習的趣味性。目前的AR系統，通常都采用基于視覺的注冊方法。系統中采用一個攝像機拍攝環境場景，通過對于場景圖像的分析處理來進行攝像機定位和姿態計算。因此“悅趣多”可以通過識別不同的圖片，然后生成相關操作指令，從而達到交互的目的。如圖1（a），學生正在使用標志點做選擇題。

這種方式可以很好地激發學生的學習興趣，引起學生的注意，從而達到用AR技術來學習AR原理的目的。學生不但了解了原理，也親身體驗了AR應用。AR技術中圖像識別技術主要分為標志點識別和無標志點識別[12]。由于通用技術課程面向的是高中學生，需要給他們講解基本的AR原理，因此需要選擇成本較低、原理清晰的識別方式，這樣更有利于高中學生學習。因此我們采用標志點識別作為三維注冊的方法。由日本廣島城市大學與美國華盛頓大學聯合開發的標志點識別系統二次開發工具ARToolKit因其開放性和易用性，獲得了廣泛的應用。[13]ARToolkit是低成本的AR開發工具包，定位標記一般由具有一定寬度的黑色四方形邊緣和中心區域中黑色的幾何圖形構成[14]。利用這個工具包不但可以給學生深入地講解AR的基本原理，而且學生也可以下載大量的與ARToolKit相關的科技論文進行研究性學習，對于有編程能力的學生還可以自主開發自己的ARToolKit應用。

（二）使用游戲引擎展現與日常生活相關聯的多媒體素材

根據ARCS動機激發模型，課程教學必須與學生學習和生活中的重要目標建立關系，讓學生明確所參與的學習活動是與他們的生活實際有“關聯”的。因此，教師在課堂教學中要做到教學目標、教材內容與學生的需要和生活相貼近 。因此需要將一些AR的有趣應用整合到“悅趣多”中，引入如聲音、視頻、圖片、3D模型等大量的多媒體素材，而ARToolKit內部采用的OpenGL 實用工具庫，通常僅用來編寫跨平臺示例程序和演示例程序， 使引入大量的多媒體素材變得十分復雜。因此我們利用游戲引擎和ARToolKit結合，將大量多媒體素材整合到“悅趣多”中，讓學生感受到AR應用貼近生活，AR技術與自己的生活、工作息息相關。XNA是微軟推出的所謂“通用軟件開發平臺”，目標是降低游戲開發成本、縮短開發周期。與OpenGL和Direct3D相比，XNA不僅繼承了Direct3D在顯示、聲音以及系統組件等多媒體技術方面的優勢，而且XNA在游戲開發效率、內容與代碼維護管理、平臺支持等方面的優勢更為突出。因此我們把XNA作為“悅趣多”的軟件框架，如圖1（b）所示，學生正在使用“悅趣多”觀看疊加在標志點上的有關AR應用的視頻。

（三）利用動態導入技術讓學生親自實現AR應用，建立學習信心

根據ARCS動機激發模型，要激發學生的學習動機，必須讓學生自信，讓學生覺得通過努力可以成功地達到教學目標。這種適度的自信對維持學生的學習動機是很有必要的。缺乏自信，對學習有恐懼感必然會影響其學習效果。而人大附中之前實現學生AR應用設計的方法，完全是靠教師將學生制作的3D模型通過編程的方式疊加到真實的場景中，這種方式不但使得教師教學負擔十分繁重，而且使得學生創新設計的靈活性大大降低。于此同時，這種方式使得學生感覺AR技術十分難掌握，自己要獨立完成AR應用設計開發是件十分困難的事情，大大降低學生學習的積極性。因此我們利用動態導入技術，讓學生在不使用軟件開發環境的情況下，把自己制作的3D模型動態地導入到“悅趣多”中，并和真實場景疊加。微軟的Microsoft Build Engine（MSBuild）是一個用于生成應用程序的平臺，Visual Studio使用MSBuild，但它不依賴于Visual Studio。通過調用解決方案文件的msbuild.exe，可以在未安裝 Visual Studio 環境中編寫和生成應用[15]。因此“悅趣多”利用MSBuild將學生做好的3D模型生成系統可以調用的資源，供AR應用使用。通過這種方式，學生可以完全自主設計開發自己的AR應用作品，極大地提高了設計的靈活性和學習積極性。如圖1（c）所示，學生正在把標志點和通過動態導入的3D模型綁定。

（四）制作AR應用展示平臺增加學生的滿足感

根據ARCS動機激發模型，學生經過自身的努力對所得到的結果感到滿足時，就會保持這種動機，因此教師要使學生在學習過程中對學習結果產生“滿足感”，并提供展示平臺，讓學生表達自己的創新理念。因此“悅趣多”提供了一個讓學生利用多個標志點，展示多個模型疊加到真實場景的平臺。讓每個學生充分展示并表達自己的AR創意。通過這種方式，極大地增加了學生學習的滿足感，使學生有更大的熱情投身到科技創新中去。圖1（d）中學生正在展示自己的創意理念，圖1（e）和圖1（f）展示了一些學生作品。

（五）系統功能設計

根據以上描述，我們設計了“悅趣多”教學輔助系統的功能結構，如圖2（a）所示。系統主要分為三大部分：學習AR、制作AR和展示AR。學生在主界面實時視頻圖像下，出示不同的標志點，進入到相應模塊。為了使學生容易理解ARToolKit的原理，我們把“基本原理”拆分成“圖像處理”、“3D建模”和“虛實融合”三部分。在學習完基本原理后，學生通過一個互動小測試來檢測自己的學生成果，也可以使用標志點來回答問題。由于高中通用技術課程中涉及了很多如簡單機器人設計、城市規劃、教育游戲設計和教學儀器制作，因此“悅趣多”主要介紹了四類AR應用，即AR在建筑設計的應用、AR在機械設計的應用、AR游戲應用和AR教學設備應用。“制作AR”模塊允許學生將制作好的3D模型動態導入到“悅趣多”中，并和相應的標志點綁定。“展示AR”模塊可以同時顯示全部綁定好的3D模型。

（六）交互標志點設計

“悅趣多”采用標志點識別的交互方式，學生無論 是選擇相關的學習課程，還是制作自己的AR應用，都需要標志點的參與。因此，需要設計一套有趣的標識點增強“悅趣多”本身的吸引力，使學生能沉浸在學習知識和設計制作的過程中。“悅趣多”通過九個標志點完成全部輸入操作。具體操作流程如圖2（b）所示。圖中菱形圖形表示標志點的編號，九個標志點是通過圖2（b）所示的方式進行指令輸入的。九個標志點首先按編號進行優先級排序，數字越小的優先級越高。當幾個標志點同時出現在攝像頭下時，序號最小的標志點起作用。在主界面下只有前三個標志點起作用，出示相應的標志點就會進入到一級功能界面。在進入“學習AR”界面時，標志點1～8起作用，分別表示“學習AR”下的八個功能。當進入到小測試界面時，標志點5～8起作用，分別表示選擇題的A、B、C、D選項。當進入到“制作AR”界面時，標志點1～2可以瀏覽導入的3D模型，把標志點3～8其中一個放入到攝像頭下5秒鐘，屏幕中顯示的3D模型就可以和使用的標志點綁定，如圖1（c）所示。在“展示AR”界面，學生可以使用3～8標志點展示自己最終的創意設計，第3～8標志點的優先權在這個模塊中失去作用，3～8標志點可以同時展示AR效果，如圖1（d）所示。

（七）系統軟件結構設計

“悅趣多”的整體結構如圖3（a）所示。系統首先通過攝像頭采集圖像，標志點的信息通過ARToolKit工具生成，包括標志點的序號和變換矩陣，然后由交互命令生成器根據系統所處的功能階段生成不同的操作指令，XNA游戲引擎根據不同的指令調用不同多媒體素材來呈現不同功能界面。學生將設計制作好的3D模型導出為FBX文件并存放在指定目錄下。系統會自動檢測到FBX文件，并利用MSBuild動態編譯成系統調用的資源。根據操作指令，3D模型和相應的標志點綁定，綁定關系存儲在XML文件中。ARToolKit在向命令生成器傳遞標志點編號的同時，也將標志點生成的變換矩陣傳給命令生成器，命令生成器也會將標志點的變換矩陣傳輸給XNA，XNA根據變換矩陣實時繪制不同的3D模型輸出到計算機顯示器。

三、系統的教學評估

為了全面地評估“悅趣多”教學輔助系統，筆者在人大附中進行了試點教學。成立了兩個實驗班，每個班有12個高中二年級的學生。A班采用傳統的教學方式，B班利用“悅趣多”教學輔助系統進行教學。兩個班都采用相同的教學流程，如圖3（b）所示。每個班的學生分成四個學習小組，每組三位同學，選出組長，要求每個小組完成一個AR應用作品。具體實驗過程如下：

第一步：A班和B班通過教師講解的方式，學習3D建模軟件。第二步：A班學生通過教師講解的方式學習AR基本原理，B班學生通過“悅趣多”學習AR基本原理。第三步：A班同學根據教師講解的各種AR應用來討論設計自己的AR應用；B班學生通過“悅趣多”了解AR的相關應用，并親自動手感受AR應用的特點。第四步：兩個班的學生都在各個小組長的帶領下制作自己AR應用需要的3D模型和真實場景需要的實物。第五步：A班同學依靠教師編程完成作品；B班同學將自己制作的模型動態導入到“悅趣多”系統中，并根據需要綁定相應的標志點，實現AR應用。第六步：A班學生講解自己的創新思路，B班同學利用“悅趣多”的展示平臺展示自己的創意理念。

（一）悅趣多對學習動機的影響

試點教學完成后，對全部學生作了有關學習興趣的調查問卷。調查問卷采用五點李克特量表設計。調查項目如下：1.我覺得AR技術基本原理理解起來不是太容易；2.我還想進一步學習AR技術；3.我覺得AR應用十分有趣；4. 我覺得AR應用實現起來不是太困難；5. 我覺得展示自己的AR設計十分有趣。利用配對樣本T檢驗，對A、B班調查問卷的數據進行了統計，結果如表1所示。

第一個問題的對比結果（Pair1， t=0， p>0.05）顯示，A、B兩個班的學生對AR技術的初步認識都是一致的，大部分的學生覺得AR基本原理比較難理解。第二問題對比結果（Pair 2， t=-3.317， p<0.01）顯示B班學生想進一步學習AR原理的意愿遠遠高于A班。第三個問題的對比結果（Pair 3， t=-2.345， p<0.05）顯示，通過親自體驗AR應用的B班學生對AR應用的興趣感要大于A班學生。第四個問題的對比結果（Pair 4， t=-2.803， p<0.05）顯示，B班學生認為AR應用實現的難度要低一些。第五個問題的對比結果（Pair 5， t=-3.317， p<0.01）顯示，B班學生認為通過自己完成AR應用帶來樂趣感要比A班學生依靠教師實現AR應用帶來的樂趣感強。綜上所述，“悅趣多”對促進學生學習興趣起到了積極的作用。

（二）“悅趣多”對學生作品創新力的影響

在學生展示自己AR應用設計階段，我們聘請了四位具有兩年以上從事高中通用技術創新設計研究的碩士研究生作為評委，利用創意產品語義量表給每個小組最后的作品作創新力評定。

創意產品語義量表（Creative Product Semantic Scale，簡稱CPSS）是非專家評估者對產品創新力的評估方法。量表主要有三個向度：“新奇性”（Novely）、“解決性”（Resolution）、“精致與整合”（Elaboration and Synthesis）[17]。原版的CPSS每個向度還有子向度，共計55個子向度，都是由不同的形容詞構成的并采用李克特量表進行評估。考慮到采用這么多的子向度評估學生作品，會消耗評估者大量的時間和精力，我們最終采用White和Smith的方法選擇了15個子向度作為評定學生AR應用設計作品的依據[18]。我們同樣利用配對樣本T檢驗對學生作品的評定結果進行了分析，如表2所示。

統計結果顯示“新穎的”、“不同尋常的”、“唯一的”、“原創的”、“新潮的”、“合邏輯的”六個子向度基本沒有明顯變化。說明無論學生通過教師幫助還是使用“悅趣多”都沒有明顯提升創新作品的新奇性和解決性。主要原因是通過教師整合的AR應用可以加入更多的多媒體素材，如聲音、視頻、二維動畫等，而“悅趣多”目前只能動態地將3D模型編譯到系統中，這使得學生作品素材單一，從而使學生作品的新穎性沒有得到改觀。但“充足的”（t=-5.196， p<0.05）、“巧妙的”（t=-5， p<0.05）、 “做工精良的”（t=-5， p<0.05）、“精心制作的”（t=-5， p<0.05）、“一絲不茍的”（t=-5， p<0.05）、“認真的”（t=5.196， p<0.05）子向度有了明顯提升。這說明學生利用“悅趣多”實現AR應用能夠將自己的作品調整得更精致，功能更完整。在作品設計的整個過程中，學生充分實踐了AR應用創新的設計、構思、權衡、優化、實驗、結構、流程、系統等，從而使得學生作品的創新力有了提升。

四、總結與展望

研究創新性地利用美國心理學家John Keller 提出了ARCS 動機激發模型，結合低成本的三維注冊工具ARToolKit，采用標志點識別的交互方式和動態導入技術，設計開發了“悅趣多”教學輔助系統。

同時，在實驗過程中也發現“悅趣多”教學平臺存在的諸多不足：（1）“悅趣多”使用基于人工標志點的識別系統，使學生感到很不自然，從而失去了設計興趣。他們更希望使用基于普通圖片識別的增強現實系統，把自己設計的自然圖片，如風景照片、漫畫圖等和三維模型疊加在一起。（2）“悅趣多”系統只允許學生將3D模型導入作品中，使得學生覺得完成的作品缺乏表現力。他們希望將更多的多媒體素材導入到自己的創新作品中，如聲音、圖片、視頻，從而增強作品的表現力。（3）“悅趣多”使用了單一的顯示設備和交互方式（普通液晶顯示器和臺式電腦增強現實系統），使得學生不能充分體驗增強現實技術的高級交互方式。學生希望接觸到更多種類和更加先進的增強現實顯示設備和交互設備，如頭盔顯示器、3D顯示器、智能移動手機、深度識別相機、手勢識別設備等。

根據“悅趣多”在試點教學中出現的各種不足，未來還有很多工作需要完成：（1）研究基于特征點匹配的圖像識別算法，將基于無人工標志點的三維注冊技術引入“悅趣多”教育平臺中，使學生設計的虛擬素材和現實場景能更好地融合在一起。（2）制作多媒體資源導入組件，允許學生將聲音、圖像、視頻等多媒體資源應用到自己的創新作品中，增強學生作品的表現力。（3）制作性能穩定、顯示效果良好的頭盔顯示器，引進目前應用廣泛的三維顯示器，讓學生充分接觸增強現實領域的各種前沿技術，從而產生濃厚的研究興趣。

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