基于AR技術的數字化教材設計模式探究

李秋實

摘 ?要 增強現實是信息技術與教育整合的一種創(chuàng)新形式，學習者可在現實和虛擬結合的環(huán)境中探索知識。基于AR技術的數字化教材以傳統(tǒng)紙質教材作為載體，通過識別圖像特征點使動畫模型躍然紙上。結合基于情境學習的設計模式、基于設計的研究模式，提出基于AR技術的數字化教材可參考的設計模式及一般流程。

關鍵詞 增強現實技術;數字化教材;情境學習

中圖分類號：G642.0 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2019）12-0056-03

Research on Design Mode of AR-Based Digital Textbook//LI Qiushi

Abstract Augmented reality is an innovative form of information technology and education， and learners can explore knowledge in a

real and virtual environment. AR-based digital textbooks take tra-ditional paper teaching materials as carriers to make the animated model present on paper by identifying the feature points of the image.

Combined with the design mode of situation-based learning and the design-based research mode， the referable design mode and general process for AR-based digital textbooks are put forward.

Key words augmented reality technology; digital textbook; situated learning

1 引言

目前，正式教育和非正式教育領域的教材主要是傳統(tǒng)紙質教材和電子書。對于傳統(tǒng)紙質教材，對學習者視力影響較小，也符合大多數學習者的閱讀習慣，但其缺乏交互性、生動性、沉浸性。市面上流行的電子書呈現知識內容較為生動，同時便于攜帶，可同時集文字、圖形、圖像、聲音等多媒體綜合刺激讀者感官，提高學習者認知事物的能力;但大多數電子教材僅將傳統(tǒng)紙質教材讀物內容直接搬移到設備上，產生的交互性單調生硬，對于像物理、化學等實驗情境較多的教材，學生很難通過想象在真實情境中還原實驗的過程。

增強現實技術，即AR技術，是廣義上虛擬現實技術的擴展，當學習者產生互動時，將情境和教具與學習三者之間建立有意義關聯。增強現實技術能將熟悉的場景生成豐富的變化，將已有的情境進行意義重構，持續(xù)輸出的變化也能持續(xù)地激發(fā)學習者的好奇心。基于AR技術的數字化教材能將真實環(huán)境下難以把控的實驗進行仿真模擬，無限拓展學習情境，重現實驗的真實操作，符合學習者對于逼真度和具身認知的需求，以最熟知和簡易的方式進行探索，更適合過于抽象和難以理解的內容。因此，基于AR技術的數字化教材的設計與開發(fā)具有實用性和價值性。

2 增強現實教材國內外現狀

AR教材國外研究現狀 ?AR教材是基于顯示器來對教材所疊加的識別圖片進行實時查看所呈現的虛擬對象。AR不僅能夠進行物理世界和虛擬世界之間的無縫銜接，還為用戶提供了具象性的體驗和連續(xù)而自然的交互。根據新媒體聯盟（NMC）的“地平線報告”，增強現實技術代表了科技行業(yè)投入的大量資本，并被視為未來幾年發(fā)生的重要發(fā)展之一。鑒于此，AR教材將紙質印刷教材的閱讀習慣等優(yōu)勢與數字化互動內容相結合，可能值得深入探討。

Billinghurst的Magic Book是AR教材的開端。它將教材內容通過三維動畫和模型進行創(chuàng)新型表現，讀者既可以閱讀文字，又可以通過配套的眼鏡來觀看躍然紙上的數字化場景，便于讀者更好地理解內容所表現的情境[1]。Tsai

討論了在父母參與的AR圖書閱讀中，學生的認知策略和行為模式。隨著技術和教育融合趨勢的發(fā)展，一些教育研究努力探索AR技術的虛擬信息與物理環(huán)境混合以實時呈現的特點，在輔助教育中扮演什么樣的角色并且起到哪種程度的效果。這些研究的發(fā)現主要表明了AR技術的優(yōu)勢，并且進一步解決了AR對科學和工程學習等領域學習效果的積極影響[2]。相對較少的研究探討AR技術如何與紙質書籍（AR書籍）結合起來幫助學生閱讀。最近的一項研究表明，在AR學習背景下，兒童對AR教材內容的想象可以擴展[3]。由于AR在閱讀中的作用已被以前的研究所強調，因此建議在研究相關問題時加倍努力。

AR圖書國內研究現狀 ?國內對增強現實的關注也在逐漸增多，但是主要還集中在算法實現和優(yōu)化階段，在教育領域應用很少。國內更多關注軟件算法，與教育結合的作品還在成長中。

蘇俊欽分析了兒童在此類書籍中學習的有效性，設計開發(fā)一套AR拼音教材，以期加深兒童對拼音的理解[4]。百度公司推出面向智能手機的增強現實平臺，如圖1所示。針對高考熱門知識點，百度教育推出AR考點解析，通過手機百度掃描教科書上的知識點，即可觸發(fā)相關知識點的AR解析，操作簡單。目前支持的高中知識包括安培定律、動物激素調節(jié)、地球公轉、有機分子等高考熱點，在對模型進行360°旋轉操作的同時會配合相應解說，讓學習者在樂趣中學習。基于AR技術的數字化教材知識內容的表達富有生機，學習更加有趣。

夢想人軟件科技公司構建了AR+數字圖書出版系統(tǒng)，如圖2所示，并與國內外近100家出版集團開展合作。如“4D書城”可通過手機商店免費下載，是國內首創(chuàng)集成AR和VR技術的少兒教育娛樂內容平臺，使原本平面、抽象的文字變成立體、形象的多媒體內容，增加了閱讀興趣，生動的展現形式拓展了思維方式。

3 基于AR技術的數字化教材設計模式

基于情境學習的設計模式 ?情境學習理論（Situated Learning）是一種情境化的學習理論，情境學習發(fā)生在社會環(huán)境，觸發(fā)于個體實踐，同時是綜合要素互動的過程[5]。埃蒂斯·考溫大學的研究人員在交互式多媒體教學模式設計中運用情境學習的原理，如圖3所示。情境學習理論為AR數字化教材的設計模式提供了新思路，在情境學習的理念和方法指導下，遵循AR和具體學科教材的特點來進行設計與開發(fā)。

基于設計的研究模式 ?基于設計的研究模式能夠解決現實中出現的教育問題，在真實的情境下，管理者、研究者、實踐者和設計者共同協作，通過形成性研究過程和綜合運用多種研究方法，根據來自實踐的反饋不斷改進，直至排除所有缺陷，形成可靠而有效的設計，進而實現理論和實踐雙重發(fā)展的新興研究范式，其研究的核心是設計開發(fā)、實施、分析評價和完善優(yōu)化[6]。基于AR技術的數字化教材設計與開發(fā)，可采用基于設計的研究范式來執(zhí)行教材的設計開發(fā)與評估過程。研究過程主要經歷四個階段，每個階段都需要教育干預，基于設計的研究一般過程如圖4所示。

4 基于AR技術的數字化教材設計流程

基于AR技術的數字化教材制作分為四步：獲取真實社會環(huán)境中的信息，紙質媒體上相關圖形內容;以相機鏡頭和現實情境的相對位置來計算虛擬模型到場景視平面的映射;按照仿射變換矩陣在視平面上繪制虛擬物體，設計與生成圖形內容的虛擬物象;最后直接通過S-HMD顯示或與真實場景的視頻合并后，一起顯示在普通顯示器上。增強現實的實現方式需要大量精細的坐標和定位數據來呈現無縫銜接。

根據增強現實特點，結合以上參考流程，對基于AR技術的數字化教材的設計流程進行改進。以AR虛實融合的交互式教材環(huán)境設計中的問題為研究起點，平臺開發(fā)者、教學案例設計者以及最終學習者共同參與分析實踐問題;設計為主線，依據相關理論框架和技術，過程中不斷進行教育干預，進而形成開發(fā)方案。根據應用效果反復檢測、評估與反饋，往復調整設計方案，以期更有效地解決AR虛實融合的交互式教材環(huán)境設計中存在的問題;最后反思、總結并完善開發(fā)原則及應用策略等，由此為下一輪迭代循環(huán)研究做充分的準備，如圖5所示。

5 建議

通過整理大量國內外文獻資料，對比基于AR技術的現實數字化教材和傳統(tǒng)紙質教材、電子書之間的優(yōu)劣，希望能為AR技術應用于傳統(tǒng)教材行業(yè)提供一定的參考。

技術方面 ?傳統(tǒng)紙質媒介的數字化版本大多是基于手機、平板電腦等移動設備，閱讀時對眼部損傷偏大，而且聯網使用時干擾較多，閱讀者很容易分散注意力;資源良莠不齊，更多的是圖片和文字內容的簡單平移。而基于AR技術的教材讀物以紙媒為載體，對眼部傷害相對較小，并且增強現實技術把平面教材難以展現的信息通過模擬仿真疊加到圖書中，移植性強，可以使學生注意力更集中，防止在使用平板電腦時受到其他網絡資源的干擾。但為了確保體驗更好，要注意用戶體驗（UX）和有意義內容的持續(xù)性輸出。

認知交互方面 ?傳統(tǒng)的紙媒教材在千百年的傳承下更符合用戶的閱讀習慣，真實感強烈。典型的表現方式為文字與配圖的結合，對于較為簡單具象的內容有較好的易讀性，而且文字也利于抽象概念的描述。如對于制作雙氧水這一生活中不常見的化學實驗，讓學生深刻了解其交互規(guī)律，可能需要增強現實技術提升使用體驗和讀者的閱讀興趣。通過文字、圖像和多感官的交互進行多種媒體的跨界融合，寓教于樂，更符合認知規(guī)律。

教科書的虛擬演示應注意創(chuàng)造趣味性、有意義性。學生交互的過程也是學習的過程，富于趣味性、挑戰(zhàn)性和交互性的增強現實才能夠讓學生保持長久的學習興趣。因此，增強現實絕不能僅僅展示模型、畫面等信息，更多的應該讓學生親身體驗實驗操作，而不是簡單地呈現一個模擬仿真的實驗視頻。

6 結語

增強現實的一些實景交互功能可以極大地提高用戶的使用體驗。使用AR技術，學生可以將虛擬環(huán)境與真實環(huán)境相結合，達到超感官的體驗，并且可以降低學校教學的實驗成本，提高教師和學生實驗的安全性。另外，AR技術使學生能夠更好地進行學習，加深學習內容與現實世界之間的聯系。

此外，AR技術應用于傳統(tǒng)教材行業(yè)，要考慮將用戶體驗納入構建增強現實學習體驗的結構模型。交互的有意義性也是應當注意的，要避免增加學習者的認知負荷、無意義的交互，比如簡單的模型呈現（非微觀）、炫技術的移動，這些都是需要注意是否會增加認知負荷的地方。在教材內容方面，對于難點內容，學生學起來還是比較吃力，對于之前學過的內容可以通過前概念去理解認知，而對于沒有學過的內容，理解就會有一定的模糊性。因此，基于AR技術的數字化教材在設計與開發(fā)中應盡量加一定的注釋和旁白，才能不至于讓學生的理解方向產生偏離。

參考文獻

[1]Billinghurst M， Kato H. Collaborative augmented reality[J].Communications of the ACM，2003，45（7）：64-70.

[2]CHENG K， Tsai C C. Children and parents reading of an augmented reality picture book[M].Elsevier Science Ltd，2014.

[3]CHENG K， Tsai C C. Children and parents reading of an augmented reality picture book： Analyses of behavioral patterns and cognitive attainment[J].Computers & Education，2014，72（C）：302-312.

[4]蘇俊欽.擴增實境應用于中文注音符號學習之研究[D].臺灣：國立成功大學工業(yè)設計研究所，2004.

[5]殷玉新.情景學習理論及新進展研究：基于萊夫和溫格的思想探索[J].成人教育，2014，34（10）：4-8.

[6]張文蘭，劉俊生.基于設計的研究：教育技術學研究的一種新范式[J].電化教育研究，2007（10）：13-17.