基于移動端增強現實教學環境的交互體驗研究

黃麗達+甘廣欣+魏源良+陳燕

[摘 要] 隨著移動設備的普及，如何從移動端開展課堂教學成為高校教學研究不可忽視的內容。在虛擬教學環境融入課堂的過程中，對學生交互體驗的研究是評價教學效果的重要指標。本文以實踐課程為例，討論了在基于移動端和增強現實技術的虛擬教學環境中的交互體驗和可用性。以提高學生與虛擬現實課堂互動的效果。

[關鍵詞] 移動端；增強現實；交互體驗；課堂教學

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 17. 116

[中圖分類號] G434；TP391.9 [文獻標識碼] A [文章編號] 1673 - 0194（2017）17- 0240- 03

0 引 言

對于高校人才培養來說，學生的實踐能力是重要的培養目標之一。如何通過課堂教學達到理論與操作相結合的效果，是目前高校教學正在研究突破的內容，也是現今互聯網+教學關注的熱點。隨著移動通信的普及，各種手持式移動設備使高校師生能夠通過互聯網開展教育活動，為教育資源的充分共享和知識深刻理解提供了可能。移動設備如手機、平板電腦相比傳統教學多媒體設備，具有自帶觸摸屏幕和無線互聯網連接等優勢。此外，移動設備在師生中具有適普性，在此基礎上能夠簡易有效地拓展互聯網+課堂教學技術。本項目提出應用移動端增強現實技術構建實踐教學課堂的仿真環境，通過使用這種混合現實的方法，讓學習者直觀地觀察授課教師的行為，讓教師教學操作變得透明。通過完成該實踐課程，進行問卷調查，研究課程參與學生在教學環境中的交互體驗，測試該環境下的學習效益，提高課堂的知識轉化率，為更好地應用移動技術和增強現實技術促進學生認知提供科學依據。

1 研究背景

目前，移動學習和增強現實是國內外教育界研究和探討的熱點。增強現實技術在移動手持設備上的應用又稱為移動增強現實（ Mobile Augmented Reality，MAR）。Billinghurs于2002年應用增強現實技術開發了一套兒童動態圖書，以增強現實的形式在書本不同章節內容上疊加動畫。El Sayed等人于2011年開發了一款手機增強現實學習卡片（ARSC），能夠將卡片和立體模型相結合進行學習體驗和學習效果檢驗。2012年Shelton和Hedley將增強現實技術應用在天文課堂教學中，進行八大行星教學實驗。增強現實教學技術在國內也逐步受到研究關注。華東師范大學通過增強現實電子書開發案例，探討了增強現實在教學演示中的多種形式。北京郵電大學基于通信專業“微波技術與天線”課程，在移動教學情境下進行了增強現實技術的實證研究，設計實施了移動探究學習實驗，考察了該技術的應用效果和學生對于移動學習的基礎和態度。蘇澤蔭針對移動設備硬件特征和使用環境開發了一種新型的增強現實技術，提高了移動設備增強現實實時渲染和目標圖形匹配的效率和精準度。廣西藝術學院基于移動交互技術，研究了可穿戴移動設備的界面設計和微交互模式，為進一步開發移動教學情境提供了理論指導。

2 研究方法

2.1 系統架構

本文提出一個基于移動設備增強現實進行課堂教學的新型教學系統。授課系統由兩個顯示器和一個攝像頭構成（圖1）。其中一個顯示器為移動設備多點觸摸桌面，顯示課堂交互的基本框架，另一個顯示器用于接收和顯示增強現實場景。攝像頭記錄教師授課實踐操作動作，經過教師機處理，合成實時視頻與教師機操作界面，將記錄的視頻同步疊加顯示在增強現實顯示屏上（例如教師執行電腦手繪時，能夠同步顯示教師繪制的手動操作和屏幕的畫面內容）。通過整合AR和觸摸屏交互技術，學生使用移動設備同步至教師授課活動和教學內容，并直接操控移動端顯示屏進行選擇性觀看，例如通過點擊和拖動手機觸摸屏放大縮小、暫停、回放、保存或切換直播窗口。由此實現教學平臺“一源多屏”的需求。在實踐課程中，應用增強現實技術進行移動端教學，從而優化師生的課堂交互體驗，并加深學生對實踐課程的理解和提高教學的互動參與程度。在這項研究中課堂使用的移動設備是蘋果的iPad 2，具有9.7英寸2048×1536分辨率的多點觸摸顯示屏，1GHz雙核處理器，和一個0.7-megapixel后置攝像頭。iOS的軟件開發支持開放源碼和第三方庫的使用，如開源計算機視覺庫，開源的圖形庫，CocoaAsyncSocket即時通信等。

2.2 交互體驗評估設計

為了評估該教學環境的交互體驗和教育效益，本文針對系統在教學實踐課的應用開展了測試調研研究。研究對象為120位高等職業教育設計專業相關的學生。這120名學生中，有80人已完成畢業設計實驗課程，其他40人已完成數字媒體項目課程。本項目交互體驗研究將學生分為實驗組和對照組，每組60人，實驗組學生參與增強現實教學環境的課堂教學，對照組參加傳統教學形式下的課堂教學。首先對所有學生進行教學知識預測試，對每一學生的課程實踐技能進行課前考核，接著在參與完成該新型課程環境之后，進行教學知識期終測試，與預測試的成績進行比較，對照評估移動端虛擬現實的可用性、可學性和交互功能，從而與傳統教學技術效果進行對比分析。針對參與增強現實教學環境的學生，采用問卷形式檢驗學生在該課程環境中的使用反饋、交互體驗和系統可用性。評估問題主要包括以下方面：①導航應用程序可用性；②APP交互難易程度；③使用觸摸屏控制增強現實視口的難易程度；④與增強現實教學交互的趣味性；⑤熟悉該教學系統的難易程度；⑥是否通過增強現實教學內容提高了知識理解和實踐操作；⑦對增強現實課程環境的推廣評價。

2.3 結果分析

數據表明，參與增強現實教學環境的實驗組中，有18.3%（11人）的學生沒有在問卷留下評論，其余81.7%（49人）的學生中，有63.3%（31人）的學生對該教學環境持有支持和肯定評價，32.7%（16人）的學生給出了評論和建議，4%（2人）的學生對該教學環境表示不支持。這一結果說明大多數的參與者在課堂采用移動端進行增強現實學習能夠獲得較好的交互體驗。并有絕大多數學生表示支持在今后課堂教學中引進推廣增強現實的教學環境，以輔助實踐類教學的學習。通過對比實驗組及對照組學生在參與教學前后的成績變化，期終測試結果顯示實驗組比對照組的成績提升幅度更高（圖2），證實了移動端學習和增強現實環境對實踐課程教學具有優化作用。參與者在移動端增強現實的輔助下，能夠觀察教師的示范操作，深入理解授課內容。同時，參與者的批評建議主要集中在可用性問題，例如，此類實踐課程仍然處于起步階段，依然有待改進以提高可用性、師生間的互動方式以及移動端增強現實教學系統的應用潛力。

3 結 語

本研究提出了一個教育平臺，集成了增強現實功能和移動交互功能，使學習者的移動設備通過互聯網直接與教師操作界面連結，提供了互動的可視化學習環境。結果表明，本次實踐授課無論在技術層面還是在理論層面都取得了一定的收獲。相比傳統的教學環境，學生在增強現實教學環境中能夠更有效地提高知識理解能力和互動水平。同時，該系統的交互效果理想，交互體驗較好，能夠完成大多數學生的課堂學習需求。

本項目是基于移動端增強現實教學的一次交互體驗測試研究。相對于目前的大型增強現實設備來說，本文提出的移動端增強現實教學環境對高校更具有普適性。通過移動端完成師生教學同步，能夠避免傳統實驗室級別對虛擬教學的硬件和軟件的過高需求；同時，移動端的用戶入口能夠更易于為學生提供隨時隨地的學習機會，能夠分享、收藏和對教學內容進行評價反饋，擴大教學內容的共享范圍。此外，增強現實教學環境可以集成教師的多方位操作演示，進一步給學習者提供身臨其境的混合現實的經驗，提高他們的交互體驗感受。移動增強現實技術的實用性和交互性是其在教學應用方面獨特的優勢，將會成為互聯網+教學的重要組成部分。

主要參考文獻

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