基于增強現實技術的立體化教材研究與開發

郭 瑾，高英杰，霍達明，劉蘊緯

(遼寧師范大學 計算機與信息技術學院，遼寧 大連 116029)

隨著時代發展和科技進步，越來越多操作便捷且內容豐富的電子書、在線視頻教學資源涌現并對教育教學產生極大影響.它們相較于傳統紙質書籍而言，雖有諸多便利，但在內容呈現上依然沒有脫離扁平化媒介[1]，仍未解決教學形式單一，師生交互困難等問題.本論文通過對人工智能、大數據和增強現實技術的研究，探究相互融合的途徑，并以解決傳統教學問題和創建實時交互課堂環境為目標，研究并設計立體化新型教材.此教材以傳統紙質教材為基礎，以增強現實技術為支撐，基于虛實結合的技術特點實現教材內容立體化呈現.對立體化教材的定義，大多數學者認為是融合網絡學習資源和紙質教材，以現代教學理論為指導，通過一體化設計，服務師生課堂教學活動需要的整體解決方案[2].

國內外學者在立體化教材方面的研究取得了顯著成果.Peter Brusilovsky提出在開放的情境下，立體化教材的個性化導航對滿足交互需要和幫助學生學習有巨大意義[3].Joseph Defazio針對教材開發，提出在立體化教材建設中應充分結合集成交互性多媒體[4].劉蘊等通過對高職院校計算機專業立體化教材建設情況的綜述，認為當前教材編寫針對性差、教材設計多元化不足且教材對網絡資源利用率低[5].顧菲主張新一代大學英語立體化教材應結合計算機虛擬信息技術，引入中國傳統文化，促成英語學習的良性循環[6].

增強現實(Augmented Reality，簡稱AR)是虛擬現實(Virtual Reality，簡稱VR)的擴展，它允許用戶在看到真實世界的同時看到置于真實世界中的虛擬對象[7].當下增強現實技術逐步融入教育領域，基于增強現實技術的教育產品不斷出現.在立體化教材的基礎上，AR立體化教材便應運而生，其在內容上追求增強現實的立體化形式，應用方面旨在實現學生、教師、教材“三位一體”的實時交互和沉浸式學習.因此，課堂教學中使用AR立體化教材能激發學生獨立思考，有利于培養和鍛煉學生動手實踐能力及觀察分析能力，進而推動理實一體化教學模式的實現，推動技能型人才的培養.

1 AR立體化教材開發的可行性

作為重要教學工具的教材與增強現實技術相結合，能真正的使教材內容“活起來”，實現立體化教學.筆者基于增強現實技術交互性、沉浸性、個性化等特點，結合微課等現代教育技術，以紙質教材為基礎與多種技術相結合探討立體化教材新形式.AR立體化教材不僅使教材內容多樣化呈現，也有助于突破傳統教材的空間局限性，提高學生學習動機和學習興趣，進而為革新課堂教學活動奠定媒介基礎.

1.1 有助于優化教材內容呈現

AR立體化教材基于增強現實和微視頻等技術，對教材內容重新規劃，使教材內容呈現形式得到了質的改變.加速教學內容數字化、教學過程清晰化，營造了全面新穎的教學環境.基于增強現實技術虛實結合的特點，將以往抽象刻板的內容以更加靈活的形式展現，結合微課的理念和技術整合有關教學資源，使教材內容更加生動形象.

1.2 有助于實現沉浸式學習

學生對枯燥抽象的知識往往缺乏學習興趣且難以集中注意力，增強現實技術依靠其沉浸性特點優化課堂教學，對促進學生沉浸式學習具有積極作用.

北京師范大學蔡蘇團隊以數學相遇問題為例，研究了增強現實技術應用于課堂模擬仿真對學生學習的影響，該實驗利用基于增強現實技術的應用程序進行，給予學生“實地觀察”相遇過程的參與感，從而使學生獲得身臨其境的沉浸感，進一步加深對解決問題的理解.實驗研究結果表明增強現實技術不僅有助于學生實現沉浸式學習，對提升學習興趣，降低認知負荷也有顯著效果[7].

蔡蘇團隊證實了“AR+教育”的可行性，以及增強現實技術對沉浸式學習的促進作用.多技術融合應用于教育有助于教學立體清晰，結合微課視頻，實現眼、耳、手的同步參與，對提高學習效率有極大幫助.百度教育推出的AR考點解析，是通過手機掃描教材上的內容，來觸發相關知識點解析和立體模型，同時還配合相應的語音解說，多感官出發使學習者身心投入[8].

1.3 有助于促進師生實時交互

教學中師生交互是學生獲取知識的重要途徑，AR立體化教材基于增強現實技術實時交互的特點在教學中充當知識載體和交互工具的角色，對學生創造性的培養有重要作用.為探究增強現實技術與教育結合的有效方式和積極意義，國內外學者對增強現實技術應用于教學活動展開多方面的研究，并取得顯著成果.

其中，韓國Lee團隊受“大富翁”游戲的啟發，開發基于增強現實技術“大富翁”教育游戲[9].在游戲中學生投擲骰子使游戲人物移動，通過骰子點數探索數字的規律，學生們更多的是將這種教學當做一場游戲，通過教師的引導和對游戲的探索，不知不覺間便學到了數字的規律.此實驗證明實時交互的游戲過程對學習者具有強大的吸引力，對實現沉浸式學習有極大的幫助.

國內蔡蘇團隊為探討增強現實技術對學生學習體驗和學習效果的影響，自主開發了基于Android手機的拋硬幣程序來學習數學概率章節內容.實驗過程中學生使用手持設備進行拋硬幣的實驗，一方面避免了課堂中使用真實硬幣帶來的不便，另一方面師生共同參與并記錄實驗過程的各種數據有利于師生在交互中互相學習.在實驗結束后，研究人員通過對課程效果的分析發現增強現實技術對學生學習積極性有顯著的提高[10].諸多實驗證實教學活動是教與學的雙向交互活動，單方面的教會導致填鴨式教學，不利于學生個性發展，使用增強現實技術不僅使教學活動豐富多彩，更有助于實現教學要素間的實時交互，從而提高教學質量.

1.4 有助于實現個性化教學

與傳統教材相比，數字化教材資源在深入解讀新時期課程標準的前提下，以手機、平板電腦等移動電子設備為依托，借助科學技術的革新來凸顯數字化教材的交互性和靈活性，以數字化教材為信息化學習的接入口，推進個性化教學的發展[11].AR立體化教材的優勢主要體現在技術資源的整合和合理利用，致力于打造新奇的教材內容吸引使用者.一方面實現教材內容、結構和呈現形式的多樣化，另一方面基于教學雙邊活動的性質，為教師提供個性化教的機會，為學生創造個性化學的機會.這種立體化教材框架理論上面向所有書本，尤其對于充滿好奇心和求知欲的中小學學生，不僅有利于使他們專注課堂學習，而且對傳統課堂學習環境有較大的優化作用，對學生言語表達能力、動手實踐能力都有極大提升.

2 AR立體化教材框架設計

傳統紙質教材以文字和圖片的形式承載知識信息.在此基礎上，AR立體化教材合理使用增強現實技術革新教材內容呈現形式和優化教學活動組織環節.基于概念定理與實驗活動的不同知識性質，AR立體化教材分別采用AR微課和依托AR目標圖片的實驗活動進行教材設計.

2.1 設計AR微課和智能題庫輔助課外自學

AR微課是融合人工智能、大數據、微課、增強現實技術于一體的微視頻教學形式，其設計理念是基于人工智能和增強現實技術實現視頻中的授課教師在增強現實環境下立體呈現，這有助于使學生產生教師陪同下學習的臨場感.其次，教材中設置微課，不僅在形式上可以打破教學的時空限制，實現隨時隨地的學習，而且學生無論是課前還是課后都可以反復觀看微課視頻，這為學生理解和掌握知識內容提供了可靠的保證[12].將理論講解和例題分析存儲于二維碼形式下的AR微課，學生通過掃描二維碼觀看教學視頻，在一定程度上更有利于提高課前預習和課后復習效果，如圖1所示.

圖1 AR微課設計流程

另一方面將傳統教材內容中的例題詳解和概念解析轉移到AR微課中，紙質教材保留抽象概念和例題題目，減少解釋說明的內容，將剩余空間設置為筆記區域，學生根據自己學習情況填充筆記，進一步提高學生學習的自主性.

課堂教學需要一些必要的及時練習和課后作業來鞏固學習成果，因此AR立體化教材基于大數據技術整合網絡習題資源，通過對數據集的分析，按照題型和解題難易編寫算法設置分類習題資源庫.學生登錄習題庫可進行自測，教師可使用題庫篩選題目給學生布置作業或安排考試.此外，將試題中的圖形和實驗設計成AR識別圖片，在做題中強化交互學習效果，培養學生的動手能力和立體思維.

AR微課以增強現實的形式呈現，整合多種信息技術和課程資源，隨著信息化教學普及，在未來必將成為教育教學活動的重要資源.

2.2 制作AR目標圖片實現“人材交互”

傳統教材中立體圖形和實驗討論均以平面圖片的形式呈現，內容相對抽象.因此，基于增強現實技術開發AR立體化模型和AR教學實驗，建成360度全景模式的學習場景，有助于進一步實現“人材交互”效果.首先通過3Dmax對所收集的目標圖片進行建模，然后導入到Unity3D中使目標圖片與3D模型匹配，最后編譯生成Easy AR軟件.傳統教材中的二維圖片也就成為了目標識別圖片，師生使用Easy AR對其掃描即呈現出對應的立體模型.

目標識別圖片是AR立體化教材的重要組成部分.例如:在高中數學立體幾何三視圖的新授課教學中，教師使用AR立體化教材向學生講演相關知識的同時，學生也可獨立對圖形進行旋轉、平移等操作，如圖2所示.這不僅使學生實踐操作能力得到培養，而且有利于激發學生自主探究教材內容的動力，加深對知識的理解.增強現實技術的運用有助于立體課堂的建成，為學生和教師帶來全新的學習和教學環境.使用AR立體化教材學生能夠反復觀看AR微課、研究AR模型或是進行AR模擬的實驗，而不用再考慮資源損耗和實驗危險等問題[13].

圖2 數學AR立體化圖形設計與應用流程圖

AR立體化教材的創新在于它不僅提高了師生交互效果，而且實現了學生與教材內容的實時交互.強調學生與教科書的交互，重視學生的自主學習、主動探究和個性化學習能力的培養，是新型數字教科書開發的應有之義[14]，也是增強現實技術在課堂教學中的重要價值體現.

3 AR立體化教材在高中教學中的實踐

為了驗證AR立體化教材在課堂教學中的應用效果，選定高中數學三視圖部分內容進行教材設計，圖3所示的是選自2020年全國二卷高考真題第7題，基于本題進行了教材建設實踐.題目要求學生依據正視圖和俯視圖中對應的點，通過觀察分析進一步推斷該幾何體上的給定點在側視圖中的位置.解決此問題一般需要先結合三視圖發揮想象繪制出原立體圖形，找出該點對應的位置，進而確定在側視圖中對應的字母.與傳統方法不同，在日常練習或講解時使用數學AR立體化教材，學生只需借助設備掃描目標識別圖片，在AR環境中就會顯示題目所對應的原幾何體立體圖形，通過按鈕和設定好的指令可與該立體模型直接交互，如圖3所示.

圖3 高考真題及其AR交互模型

其中,實現AR模型旋轉和平移的代碼分別如下：

While(Input.GetMouseButton(0)&&mousePos=Input.mousePosition)

{//旋轉

Vector3 offset=mousePos-Input.mousePosition;

cube.transform.Rotate(Vector3.up*offset.x, Space.World);

cube.transform.Rotate(Vector3.right*offset.y, Space.World);

yield return null;

}

實現AR模型平移的代碼如下：

void ButtonClicked(int i)

{//正負1與正負2 向不同軸移動

if(abs(i)==1) //向Y軸正/負半軸移動10個單位

transform.Translate(new Vector3(0.0f,10.0f*i,0.0f),Space.World);

else if(abs(i)==2) //向X軸正/負半軸移動10個單位

transform.Translate(new Vector3(5.0f*i,0.0f,0.0f),Space.World);

}

對AR模型進行標點與連線的相關代碼如下：

while(pointList.Count>pointCounter)

{//Draw Lines 畫線

if(pointCounter !=0&&pointCounter % 2==1)

{//設置物體的位置Vector3三個參數分別代表x,y,z的坐標數

GameObject NewObj=CreateCube(pointList[pointCounter-1],pointList[pointCounter]);

NewObj.transform.parent=thisObj.transform;

LinesObj.Add(NewObj);

}

pointCounter++;

}

//Draw Points 畫點

While(points.Count>pointCounter2)

{

GameObject point=GameObject.CreatePrimitive(PrimitiveType.Sphere);

PointsObj.Add(point);

point.transform.position=points[pointCounter2];

point.transform.parent=thisObj.transform;

point.transform.localScale=new Vector3(0.025f,0.025f,0.025f);

point.GetComponent().material.color=new Color(0.14f,0.12f,0.21f);

pointCounter2++;

}

通過AR立體化教材設計使學生與教學內容完成交互，如圖黑色標記即題目中所研究的點.學生在與AR模型交互過程中可以從多角度觀察幾何體，這對學生學習三視圖知識和建立空間思維能力有極大助力作用.充分發揮AR立體化教材實時交互性的特點，使學生在交互探索的過程中積極主動的汲取知識.

為了驗證AR立體化教材在課堂教學中的應用效果，在2020—2021年進行了教學實踐.2 a的對比效果表明，高中數學AR立體化教材在學生學習立體幾何知識的過程中既加速了知識內化，也促使學生在操作中逐步提高思維創造力.教材的建設模式得到了遼寧省大連市某中學教師和學生的認可.AR立體化教材深入貫徹“教師為主導，學生為主體”的教育理念，對實現課堂教學形式多樣化和個性化、實現課堂實時交互和沉浸式學習具有重要價值.

4 結 語

AR立體化教材是互聯網技術高速發展的產物，是以增強現實技術為主導融合多種技術產生的教材新形式.它不是技術的堆砌，而是在技術優勢推動下的教材進化，是與信息化社會更契合的教學媒介.但是，AR立體化教材的建設和全面普及需要技術人員、教師和學生等多方面的共同努力，其在課堂活動中的巨大價值必能成為未來必不可少的教學媒介.

教材資源的開發是一個動態過程，邊開發邊使用，在使用中改進，是一個持續更新的過程[15].在后續的研究中作者將繼續深入對AR立體化教材的研究和改進，致力于開發更具普適性、更優質的教材來為教育教學服務.