增強現實學具的開發與應用*
——以“AR電路學具”為例

陳向東，喬 辰

(華東師范大學 教育信息技術學系，上海 200062)

增強現實學具的開發與應用*
——以“AR電路學具”為例

陳向東，喬 辰

(華東師范大學 教育信息技術學系，上海 200062)

增強現實學具將虛擬信息融入真實學習環境，使信息的呈現既能與真實物理空間對應，又不受學具真實屬性的約束，彌補了傳統學具的諸多不足。增強現實技術融入學具的開發，能夠向學習者提供降低認知負載的知識訪問接口，從物理感知、認知、情境三個維度拓展了學具的應用。該文通過“AR電路學具”的開發與應用，介紹了增強現實學具需求分析、設計、開發、調試與分布的完整流程，給出了相應的技術選型方案和開發實施路線，提供了實際應用方案。增強現實學具的研究可以強化學具的助學功能，拓展學具的應用范圍，豐富教學工具的表現形式與互動手段。

增強現實；學具；電路學具

一、引言

學具是一種輔助教學活動的重要工具，它能夠將抽象的信息轉化為具體的形態，向學習者提供直接的觀察或觸控體驗，從而刺激學習者的多維感官。然而，傳統學具的表現力受其物理載體的限制，在很多應用中效果不太理想。增強現實、體感控制、可穿戴設備等各類新技術的涌現，大大豐富了教學工具的表現形式與互動手段。將增強現實技術應用于學具的設計和開發，可以使學具以一種新的形式發揮輔助學習的功能，拓展了它的應用前景。

二、增強現實學具的作用

增強現實是一種融合真實世界和虛擬世界的成像技術，它將計算機實時渲染得到的虛擬信息呈現在真實世界相應的注冊區域之上。所謂的注冊區域可以理解為存儲在增強現實程序中的真實世界影像，例如一張圖片或者一個標記，程序能夠從攝像頭捕獲的視屏輸入流中比較并識別這些“注冊”了的影像，同時進行相應的虛實疊加操作。

將增強現實技術融入學具，既能夠保留學習者直接操控實物材料的真實體驗和空間臨場感，又能夠利用計算機處理和呈現豐富的教學信息。除此之外，借助AR技術融合真實環境和虛擬環境，在支持實物操控體驗的同時，通過感知真實環境中的變化(學習者改變作為標記的學習素材的位置、方向或外形；學具系統通過各種傳感器或GPS定位系統檢測到環境的變化)對學習者的學習行為做出反饋，這一方式使得增強現實學具(以下簡稱AR學具)虛擬信息的呈現更為自然。

和所有學具一樣，AR學具需要嵌入學習目標，并且其學習內容的呈現應當充分發揮增強現實技術的優勢。AR學具在一定的學習目標下安排合適的內容、設計潛在的學習互動，并將這些要素通過適當的使用規則整合到學具中去，提供教學信息訪問的接口。有別于一般學具的是，AR學具的使用，要求學具系統必須斟酌目標主體的技術接受能力、學習習慣及其認知規律，從而使AR形式的學具在有效助學的同時，不產生額外的認知負擔。

AR學具在教學過程中所起的作用如下頁圖1所示。在一個以AR學具為載體的學習環境中，學習者與虛實資源的交互是教學活動的重要組成部分，通過各種視覺、聽覺信息以及與對應于真實物體方位的虛擬資源的交互，AR學具使得學習者受到多維度的感官刺激，擴充了其知識內化的信道數量。

圖1 AR學具的作用形式

圖1的模型也反映了AR學具的應用功能，它承擔著呈現和傳播教學內容的職能。學習者直接與AR學具交互，通過學具提供給他們的訪問通道去接觸所學內容，這也是AR學具的價值所在—向學習者提供降低了認知負擔的知識訪問接口。

當然，在教學內容、學具和學習者要素之外，該模型還包含教師或其他協調人員。通常情況下，學習活動都直接或間接的需要協調者的組織，不論是老師的課堂引導、布置家庭作業，還是家長的家庭輔導。另外，AR學具應當能夠記錄學習者的學習狀態，實時或異步地將學習者的學習情況反饋給教學組織者以及學生自身，從而促成AR學具環境中各要素之間的信息溝通。

TinkerLamp就是這樣一種典型的AR學具[1]。它是一個用于倉儲管理職業培訓的AR學具，學習者可以在學具提供的增強現實倉庫模型中對理論知識進行實驗，從而將理論與實踐聯系起來。學習者借助學具實體部分(貨架、辦公室、貨運碼頭等塑料模具)與學具交互，學具將增強效果反饋給學習者。同時，教師也可以通過TinkerKeys(標記)與學具進行交互，切換學具的不同狀態、控制學習進程，并由此與學習者進行直接或間接的交互。

對于增強現實技術對于學習的作用，有學者曾經從物理感知、認知和情境三個緯度進行了分析[2]。基于這三個維度，增強現實技術拓展了傳統學具的應用。

(1)物理感知

物理接觸的體驗是一個人認知世界的最原始方式。與鼠標、鍵盤控制圖形界面發生抽象交互的形式不同，支持物理世界真實交互的AR學具能夠以真實的觸感、自然的實時交互降低學習者操控體驗的時空隔閡。同時，相比于虛擬學具需要掌握計算機操作技能，使用AR學具完全可以利用學習者已經慣用的真實物體作為操作接口，在一定程度上抑制了額外認知負擔的產生。

認知心理學中具身認知(Embodied Cognition)的觀點認為[3]，在學習的過程中認知主體的身體屬性也是認知活動的重要因素，并且人們會在物理動作和抽象概念之間形成一種隱式的關聯。相比單純以視聽方式表示的知識，具身化的知識應該能夠取得更加牢固的建構效果。AR學具正是綁定身體動作與抽象知識的良好媒介，這種綁定通過學習者對物理對象的操控體驗而得以發生。同時，AR系統支持虛擬物體在空間和時間上以最接近自然環境的方式反饋，這也強化了學習體驗的效果。在配備了數據手套、體感識別、可穿戴顯示器等交互設備的AR學具環境中，學習者可以獲得體感操控、觸感、重力反饋等細節體驗的支持。這種更精細的體驗給知識提供了更多的呈現方式，同時也能有效地吸引學習者的注意力，增添學習樂趣。

(2)認知

以抽象符號為載體的知識往往需要借助較為直觀的道具來教授，特別是針對沒有經驗的初學者。但實物道具具有先天的缺陷，其中一個方面就是缺乏將演算過程中的符號表示同物理實體的狀態變化對應的機制，尤其是當推演變得復雜的時候。例如，當學生在用實體學具進行數學演算時，由于與抽象數學符號分離，可能在腦海中并沒有出現相應數學符號的推演變化，而這恰恰正是應該被學生構建的知識內容。

如果承載知識的相關信息在時間和空間上能夠保持呈現和響應的一致性，那么這種機制對于降低學生的認知負擔、簡化認知難度產生積極的影響。AR學具的信息展示特點正好給時空連續的教學信息呈現提供了機會，它能夠將這些信息同物理實體和空間方位整合在一起，同時在學習情境中對學生的操控提供與實物在空間方位上對應的響應信息。

此外，AR學具能夠提供學習者在物理實體中或常態下難以獲得的狀態、環境和場景。例如模擬諸如深海、真空以及高溫等極端環境中的現象，并將這些現象呈現在學習活動的真實空間內，學習者在普通的環境中就能輕松的獲得這些平時無法輕易得到的感性材料。

(3)情境

AR學具能夠創造特定的學習情境。例如，實驗、實踐形式的AR學具可以作為真實實驗、實踐操作的預演，這種預演在保證學習者絕對安全的同時，提供逼真的操作體驗，也能夠訓練學習者的操作熟練度，提高他們進行真實實驗、實踐的效率。

AR學具也能夠支持多種類型的情境學習，在智能手機、平板電腦等移動設備的支持下，AR學具可以脫離教室，在更廣闊的空間范圍內發揮作用。例如，借助移動設備的GPS、電子羅盤等傳感器，AR學具能夠在歷史遺跡中再現特定場所的歷史畫面，從而為實地參訪的歷史主題學習活動提供更生動的認知體驗。

通過改變學習者感知真實的體驗，AR學具還能夠在學習者熟識的情境中創造變化，這既重用了已有的環境資源，也能夠在一定程度上維持學習者的好奇心和興趣。

三、AR電路學具的開發

本節以筆者開發的AR學具—“AR電路學具”為案例，展示AR學具開發的主要流程。雖然在AR學具開發過程中，開發者往往根據現實條件選擇不同的開發路線，但是與一般的軟件系統的開發類似，AR學具的開發一般都需要經歷需求分析、設計、開發和調試發布這幾個階段，如圖2所示。

圖2 AR學具開發流程

(一)需求分析

開發人員分析AR學具的使用情境、使用主體，明確AR學具所要提供的學習內容，確定學具的具體功能。AR電路學具針對的內容是初中物理電路結構相關的知識。根據《義務教育物理課程標準》(2011年版)條目3.4.3中給出的有關電路知識的學習要求[4]：

會看、會畫簡單的電路圖；會連接簡單的串聯電路和并聯電路；說出生產、生活中采用簡單串聯或并聯電路的實例；了解串、并聯電路電流和電壓的特點。

從以上內容來看，帶有串聯、并聯結構的簡單電路是基礎教育階段學生需要掌握的知識點。在各種練習、測試當中，帶電路圖的電路分析題也常常出現，可見電路結構是初中物理考察的重要內容。

考察學習內容包含的知識單元，電路結構知識是一種概念性的知識，其中包含了至少三個概念：電壓、電流和電阻，以及至少一個原理：歐姆定理，它反映了前面三個概念的關系(電流 = 電壓/電阻)。這給了我們在虛擬呈現方面的一些啟發：以某種方式顯示三種概念和它們之間的關系。

學具的使用者大概是十三到十四歲左右的中學生，對于抽象概念有一定的理解能力，并且在進行電路結構學習之前應該已經掌握電壓、電流、電阻的基本概念。因此學具的設計重心應當放在三者關系的表現上。

實驗是輔助電路知識學習非常有效的形式。目前學生可以體驗的實驗主要有實驗課上的真實實驗和計算機中的虛擬實驗。真實實驗的進行需要眾多條件的限制，而使用鼠標、鍵盤操控的虛擬實驗則缺乏真實實驗帶給人的臨場感和自然交互的體驗。AR學具能夠集兩者的優勢，更好地支持電路知識的學習。

項目的最終成果應該能夠以虛實結合的方式呈現基本或較復雜的電路結構，并且可以模擬真實電路的通電狀態，當用戶改變電路元件時，電路狀態應當發生正確的變化并反饋結果；此外，學具還應當具有某種策略或機制，引導學習者的學習過程，并提供啟發性的思考和探索的機會；最后，學具應當使用方便、靈活，具備一定的擴展性。

(二)設計

AR電路學具的總體架構如圖3所示，系統的實體部分包括引導學習過程進行的學習手冊、若干代表特定電路結構的留空電路圖以及表示電路元件的標志物。系統通過攝像頭將真實環境的影像捕獲并輸入到計算機主機，學具軟件的AR引擎從每一幀的視頻輸入流中掃描標記并在掃描命中的情況下注冊和追蹤標志物，最后，系統將虛擬信息疊加到每一幀輸出流中以標記物標定的空間的相對位置，在顯示器上呈現虛實疊加后的影像。

圖3 AR電路學具的系統架構

學習的主要引導工具是學習手冊，這是一個實體素材，和實驗手冊類似。手冊扮演了教師的角色，學生根據手冊的提示學會學具的操作使用，并在手冊的引導下使用標記在特定的電路底板上生成可聯通的電路，然后使用攝像頭掃描電路，在顯示器上觀察程序處理得到的結果，并記錄觀察到的現象、反饋手冊中的提問和其他要求，如圖4所示。

圖4 學習者用例圖

設計階段需要進行數字和實體資源的設計、操控交互設計與互動程序等方面的設計。學具素材外觀的設計力求簡潔清晰，對有效電路中各電性關系及量化數據的呈現力求做到實時有效。這些模型包括電燈、電壓表、電池、可變電阻、電阻和開關等。此外，還需設計相應的實體資源，包括留空電路圖、標志電路元件的黑白方框標記和學習手冊。留空電路圖是電路的底板，每一張圖都表示某個特定的電路結構，空位是放置電路元件的位置，未放元件的空位表示電路在此斷路；黑白方框標記代表具有一定阻值的電路元件或可變電阻，也可以是固定或可變電源，把這些標記放在留空電路圖的空位上，將斷路“連通”，AR程序就可以將虛擬信息疊加在連通電路中的每個元件上，增強實體資源的呈現效果。

本案例使用基于視覺的傳統黑白方塊標記作為注冊標識物，同時在標識物上注明其所代表電路元件的屬性及屬性值。標識物能夠表示多種電阻元件，包括燈泡、電源、可變電阻等，此外還有控制類型的標識物，它們作為操控可變電阻、可變電源電阻值、電壓值的交互接口。

交互程序則是學具實現增強現實功能的關鍵。程序啟動后就要從相關的配置文件中將標識物、電路結構描述矩陣等信息讀入，進行預操作、啟動攝像頭；接著程序需要從攝像頭的視頻輸入流中掃描并注冊標記，并根據追蹤的標記信息判斷電路的連通狀態；如果電路連通，程序就需要計算電路，包括每個元件的電壓、電流值，并渲染相應的虛擬素材，將它們疊加到視頻輸出流中反饋給用戶；用戶如果做出了改變電路元件或加減可變電源、電阻屬性的操作，程序應該能夠正確響應并將新得到的結果呈現在顯示器中。

(三)開發

本系統以開源項目為開發工具，對程序語言、集成開發環境(IDE)、增強現實開發包、以及系統平臺和硬件設備的選型都以此為依據。此外，高自由度、易用和低成本也是開發選型的考慮標準。綜合各方面的因素，本案例程序設計語言采用Java，集成開發環境采用Eclipse和Processing，增強現實開發包則采用NyARToolKit for Processing。Processing最初來自麻省理工大學多媒體實驗室[5]，是一個開發人員為簡化數字藝術作品的創作難度而設計的開發工具。它實質上封裝了Java語言，并提供了自己的開發環境，集成了一些與圖形圖像處理相關的API。個案開發選擇開源的增強現實引擎NyARToolKit，這是一個完全用Java編譯的增強現實開發包[6]，是在ARToolKit 2.72.1版本的基礎上衍生而來，可以認為NyARToolKit是ARToolKit的Java版本。其他方面，采用普通的網絡攝像頭和顯示器作為增強現實系統的外圍設備。

程序的開發主要分為兩個階段，其中第一個階段在Eclipse平臺進行，完成ARCLT SDK(Augmented Reality Circuit Learning Tool Software Development Kit，增強現實電路學習工具軟件開發包)的開發；第二個階段在Processing平臺中進行，完成系統主控程序的開發。

ARCLT SDK，即增強現實電路學具開發包，封裝了存儲電路元件的數據結構，并設計了與電路生成和計算有關的算法。ARCLT SDK設計初衷是能將它應用于更多需要進行簡單電路計算的場合，因此它與第二階段的主控程序耦合度低。開發的第二階段轉入Processing平臺，在項目中導入前一階段開發的ARCLT SDK開發包以及增強現實引擎包Nyar4psg。主控程序需要使用兩個包構建交互程序，它識別真實環境中的標識物電路，確定電路結構的每個位置上的元件，再將完整的電路信息交給CEGA(Circuit Expression Generating Algorithm，電路表達式生成算法)和CECA(Circuit Expression Calculating Algorithm，電路表達式計算算法)兩個算法實現電路計算，CEGA算法根據注冊追蹤反應的電路信息生成能夠以簡單運算數和運算符號反映電路結構的“電路表達式”，CECA算法則根據前者生成的電路表達式計算電路中每個電路元件的電壓、電流值。最后，將疊加了虛擬信息的影像輸出到屏幕上。主控程序的活動圖如圖5所示，它組織實現了程序的主要執行邏輯。

圖5 主控程序運行活動

開發完成后，需要對AR電路學具需要進行學習者和教師兩種用例的測試。

四、AR電路學具的使用

一般AR學具的應用可以分為三個方面：(1)用于知識表現和教學演示。AR學具可以在課前引入情境、課中輔助概念講解、學生自行演示體驗等方面得到應用。(2)用于動作引導和實驗操作。AR學具可以發揮其實時交互和智能計算的能力，對學習者的動作做出響應，表現出與真實物體互動的特性。(3)用于參觀、學習游覽等非正式學習活動。AR學具在移動設備的支持下仍然能夠成為輔助學習的有效工具。

本案例中的AR電路學具既可用于課堂知識表現與教學演示，也可用于實驗操作。由于本學具的應用主要定位于學生的自主學習，所以針對第二類應用作使用說明。

電路相關知識的學習需由教師確定學習內容和目標，使用學具系統自帶或教師自行制作的留空電路圖、標記作為學具的實體材料。教師還需制作包含自學引導和學習情況記錄等功能的學習手冊，手冊需在安排學習任務時分發給學生。學習手冊同時也是學習活動的反饋報告，學習者需在自學結束后將手冊遞交給教師，教師需對學習者的學習成果進行評價。

與一般導學方案類似，學生在學習手冊引導下，根據教師的要求知識回顧、接觸新知、動手實踐、現象分析、規律總結、鞏固發散等環節的學習，其中在動手實踐與鞏固發散階段，利用AR電路學具進行探究。學生在學習手冊的指導下，在AR電路學具的留空電路圖中放置代表電路元件的標記、打開AR交互程序以實現電路的增強顯示，學生在AR環境中觀察電路現象(根據燈泡的明暗判斷各原件電能的強弱)，并操控AR學具改變電路元件的屬性，將觀察得到的數據以表格方式記錄在學習手冊中(如圖6、7所示)。

圖6 在留空電路圖中擺放電路元件

圖7 學具呈現各個電壓、電流和電阻屬性

AR學具的學習手冊可以幫助學習者分析數據，總結實驗結果，并歸納出相關的電路變化規律。在此基礎上，引導學習者自主探究、鼓勵學習者借助AR電路學具的增強現實效果進行不同類型電路的試驗。

在學習過程中，教師指導學生互相評估、交流各自的學習體驗和發現，并且根據學生遞交的學習手冊情況，對學生的學習過程進行講評，給每一個學生做出書面評價。

五、結束語

通過AR電路學具的初步應用，我們可以發現該學具的一些特點：(1)一致性。真實電路圖的外觀使得學習者很容易判斷學具的使用意圖。(2)有效反饋。互動程序能夠對使用者改變電阻、設置電路結構等操控產生實時和正確的響應。(3)控制權。可以由學生完成整個學具的操作，教師并不一定需要出現在學習活動現場。(4)靈活性。能夠支持使用者開發自己的留空電路圖、電路元件標記和學習手冊，滿足個性化的使用需求。(5)最小化。AR電路學具聚焦具體電路結構的知識，功能簡單，只給出最關鍵的電路狀態數據。此外，受益于前期低耦合的設計，本項目中的AR電路學具從某種意義上說是一個學具框架，它支持并鼓勵后期的自主定制開發，從而滿足更多的教學需求。

本文的案例只展示了基于基本電路元件的學具開發過程。未來該學具的開發可以作更多的擴展：首先，用戶的界面、學習狀態記錄和過程控制可以作更多的改進；其次，需要支持諸如二極管、電容等更多的電路元件；最后，改進學具的使用方式，進一步開發適合多人協作、基于移動終端的AR電路學具。

[1]Cuendet S, Bonnard Q, Do-Lenh S, et al. Designing augmented reality for the classroom[J]. Computers & Education,2013,(68):557-569.

[2]Bujak K, Radu I, Catrambone R, MacIntyre B, et al. A psychological perspective on augmented reality in the mathematics classroom[J].Computers & Education, 2013,(68):536-544.

[3]葉浩生.具身認知:認知心理學的新取向[J].心理科學進展,2010,(5):705-710.

[4]義務教育物理課程標準(2011年版)[M].北京:北京師范大學出版社,2012.

[5]Processing. Overview[EB/OL]. http://www.processing.org/overview/,2014-04-30.

[6]NyARToolkit Project. Welcome to NyARToolkit project[EB/OL]. http://nyatla.jp/nyartoolkit/wp/,2014-04-30.

陳向東：博士，副教授，研究方向為新媒體閱讀、在線知識交流模式、數字圖書館（chen_xiangdong@163.com）。

喬辰：在讀碩士，研究方向為教育數據挖掘、移動教學技術（qiaochen@outlook.com）。

2014年6月9日

責任編輯：李馨 趙云建

The Development and Application of Augmented Reality Learning Aids——The Case Study of AR Circuit Learning Aids

Chen Xiangdong, Qiao Chen
(Department of Education Information Technology, East China Normal University, Shanghai 200062)

With virtually unlimited expressiveness and ability to keep the virtual world aligned with the real, augmented reality(AR) learning aids overstep the limitations of their traditional counterparts. The introduction of AR into learning aids expands their application fi eld in the sense of physical, cognitive, and contextual dimensions, and thus supplements knowledge access with an interface that features in reduced cognitive load. Through the case study of “AR Circuit Learning Aids”, this paper explained the whole process of AR learning aids implementation, provided its technical selection and implementation routes, and gave correspondent usage scenarios. The study showed that AR learning aids are more expressive and interactive, and thus have a wider application fi eld. This study yielded a scalable circuit learning aid, and gave light to the application of AR in the classroom as learning aids.

Augmented Reality; Learning Aids; e-Circuit Learning Aids

G434

A

1006—9860(2014)09—0105—06

* 本文系教育部人文社會科學重點研究基地重大項目“教育信息化與基礎教育教學方式轉變研究”(項目編號：11JJ0880004)、教育部人文社會科學研究一般項目“增強現實電子書的開發與應用” (項目編號：12YJA880012)、上海市教育科學研究重點項目“基于新媒體的社會性閱讀研究”(項目編號：A1308)階段性研究成果。