基于AR技術的 人工智能教材開發路徑研究

曹烔烔 焦寶聰

摘要：為了解決當前人工智能教材引導性不足、情意類活動缺乏等問題，作者從AR融合出版角度思考人工智能教材開發，發揮AR融合出版的情境性、交互性、引導性特征，設計了基于AR技術的人工智能教材開發路徑，即分別從紙質內容和數字化內容兩個模塊進行開發，使用AR編輯軟件進行邏輯串聯，最后選擇“圖像識別”一章作為案例進行了開發過程的說明。

關鍵詞：人工智能;增強現實;AR出版;教材開發

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2021）15-0092-05

● 引言

隨著人工智能的發展及其對生產生活產生的廣泛影響，世界各國都越來越重視學校中的人工智能教育，以培養更多的人工智能人才，投入到人工智能的研發中。2018年教育部進一步強調在中小學階段引入人工智能普及教育。目前人工智能教材已初具規模，但存在活動難度差異性大、情意類活動缺乏等問題。[1]主要原因在于不少教材只顧將編程、硬件搭建、創客教育融入到教材中，但缺乏深入的活動引導和必要的情境設計，重知識和技能傳授，輕情感引導，從而使學生不能深入思考人工智能與人類的關系。而AR出版基于其情境性、引導性、交互性等特征，能夠彌補紙質人工智能教材在情境創設和學習引導方面的不足，因此筆者以AR融合出版技術為切入點思考可交互的人工智能電子教材，設計了基于AR技術的人工智能教材開發路徑。

● 關鍵概念

1.人工智能

人工智能是研究使計算機來模擬人的某些思維過程和智能行為，涉及計算機科學、控制論、信息論、神經生理學、語言學、心理學等多個領域。人工智能不僅是一次技術層面的革命，它還將與重大的社會經濟變革、教育變革、思想變革、文化變革等同步。[2]因此，在中小學階段開展人工智能課程，培養學生的計算思維、創造力和人文素養，能使學生更好地適應并改造人工智能社會。人工智能教材是人工智能課程實施的參考和學生學習的主要資源，中小學人工智能教材一般分為人工智能基礎知識、機器人及其應用、人工智能硬件及其應用、人工智能的關鍵技術、知識表達與人工智能語言、人工智能的未來和展望六大核心內容，從基礎知識入手，以算法和實踐編程為抓手，呈現人工智能的關鍵技術和前沿應用領域。[1]

2.AR出版

AR出版（AR圖書）是實體圖書與虛擬形象、虛擬場景的有機融合，學習者通過使用配套設備，如智能手機、智能眼鏡、智能顯示屏等看到與實體圖書中對應知識在現實場景中的形象化呈現。在這種情境中，學習者可以更容易地產生興趣、理解抽象知識、建構知識意義。AR 圖書因其形象性、交互性、情境化、正式學習與非正式學習相結合等特性，能夠很好地與翻轉課堂、微課等教學模式對接，并適用于家庭教育、親子教育。

● 基于AR技術的人工智能教材特征

1.多種媒體形式創設故事情境

出色的情境設計能夠促進學生對知識意義的建構，學生在具有故事性的、可視化的、可交互的情境中，會形成潛在的學習傾向，更容易達到理想的學習效果。基于AR出版的人工智能教材可以通過多種媒體形式，如模型、二維動畫等，營造未來感、科技化、真實感、故事化的故事情境，促進學生的興趣，并使其在更深入的學習體驗中形成對人工智能時代的思考。

2.形象化實踐操作過程

重視實踐操作是人工智能課程的特點之一，多數教材也通過硬件搭建和軟件編程培養學生的操作技能。學生完成硬件搭建，并建立硬件與程序之間的聯系，是人工智能課程的難點之一。基于AR出版的人工智能教材將操作過程視頻、圖片、音頻解釋等內容疊加在教材內，學生通過視頻等內容更直觀地看到操作過程，完成硬件搭建等實踐內容。這種形式打破了互聯網資源與傳統紙質教材的壁壘，增強了互動感，支持線下學習。

3.“紙質+電子”雙重閱讀形式

隨著閱讀方式的轉變，電子閱讀逐漸成為年輕人主要的閱讀方式，但傳統紙質閱讀在我們生活和學習中不可或缺，因此使用“屏讀”還是使用紙質書成為了一對矛盾。基于AR出版的人工智能教材給予閱讀者雙重的閱讀方式，既注重發揮電子教材的優勢，又促使學習回歸傳統紙媒。學習者先通過紙質書進行學習，對基礎知識技能進行掌握，而對于其中較為抽象、紙質書難以演示的內容，則通過電子書觀看模型、視頻等形式獲得更直觀的學習體驗。

4.適應個性化學習需求

基于AR出版的人工智能教材通過虛擬助教的形式，在學習的各個環節之間提供引導和支持，在抽象的部分提供精準匹配的資源講解，在學生做出應答后給予初步的評價反饋。學生可以通過點擊或拖動的形式，與教材中的內容進行互動，提高學習興趣。電子閱讀的方式可以支持學生的泛在學習，使學生既可以在學校學，也可以在家庭內自學。

● 基于AR技術的人工智能校本課程開發路徑

基于AR技術的人工智能校本課程開發分為兩大板塊，分別是紙質頁面內容設計開發和數字化內容設計開發（如圖1），最后通過AR編輯軟件將二者進行邏輯串聯形成AR教材。

1.紙質教材內容設計

（1）設計教學目標

基于AR技術的人工智能課程教學目標除了傳統的三維教學目標以外，還應增設數字化學習與創新目標。學生通過紙質書結合AR電子書的形式，通過書中虛擬助教的引導進行自主學習，通過改造書中提供的項目或制作新項目進行創新。課程目標還應引導學生客觀理性地認識對待人工智能，遵守人工智能時代的倫理道德。

（2）創設課程情境

人工智能課程創設的情境應接近學生生活，學生通過對身邊的實際案例的感受，更容易投入到課程中，獲得深度的學習體驗。課程情境應具有故事感，在課程的各個環節用一個完整的故事進行串聯，環環相扣。學生在學習當前環節時對下一學習環節具有學習期待，每一環節得到不同的學習成果，當整個故事完結的時候，各個學習環節也已完成，學生的學習成果在最后得到匯總和升華。同時，開發者在創設課程情境時應規劃好在AR教材中用何種形式呈現。

（3）設計項目化學習

基于AR技術的人工智能課程可以采用項目化學習方式開展。開發者設計與教學情境緊密相關且能承載教學目標的項目，為學生提供基礎的學習資源，如人工智能基礎知識、項目實現的邏輯結構、程序編寫參考、硬件搭建等，采用恰當的順序排列，學生通過學習這些基礎知識要能夠自主或合作完成項目，并對項目成果進行檢測。

（4）設計課程作業

課程作業的設計可以依據項目化學習的內容，促使學生在完成項目任務的基本要求后，還能對項目成果進行創新性改造，如改變參數使燈光的顏色和閃爍頻率改變、改造智能車使它完成當前行駛路線后原路返回等，這類作業難度一般較低，因此可以在靠前的章節采用這種形式。當學生對人工智能有更深的認識后，應設計難度系數更高的作業，如在學習“如影隨形”小車使它能跟隨人前進或后退項目后，完成“自動避障智能車”設計的作業，在學習“自動室內加濕器”的項目后，完成“智能澆花器”設計的作業。

2.數字化課程內容設計

（1）設計虛擬助教

AR圖書中的虛擬助教為學生提供學習引導、輔助和反饋，滿足學生的個性化學習需求，學生在沒有教師輔導的情況下，也可以通過虛擬助教的引導進行自主學習并獲得學習反饋。AR圖書中的虛擬助教可以是虛擬人物、真實人物、三維形象，可以采用一個虛擬助教貫穿各個學習環節，也可以采用多個虛擬助教分布在學習的各個環節。

在情境引入環節，虛擬助教可以通過語音講解、虛擬空間展示、視頻演示等方式將學生帶入人工智能相關的場景中;在項目化學習中，虛擬助教可通過語音講解文本難以描述的復雜知識;對于學生的項目任務完成情況，虛擬助教應給予一定的反饋。

（2）設計交互內容與方式

數字化交互內容可以包含模型、音頻、視頻、圖片、動畫、鏈接等，交互方式是指通過點擊或掃描形狀、文字、圖片等方式播放相應的數字化教學內容。開發者應在課程的不同環節設計適宜的交互內容和交互方式，注意數字化交互內容是為紙質文本內容難以呈現或呈現效果不佳的內容做補充，學習材料以紙質教程為主，AR教程為輔助，如果只是將紙質內容簡單重復則是贅余。

（3）制作數字化教學內容

數字化教學內容是理解紙質文本的輔助材料，在制作時應抓住重點難點，避免冗余內容，提升學習效率。

視頻制作可以采用EV錄屏、Camtasia Studio等軟件，在視頻中對于重點內容用符號標記。音頻錄制可以采用手機錄音或軟件配音，使用Audition進行制作。圖片可以使用美圖軟件、Photoshop等工具制作。二維動畫通過Powerpoint、Focusky、萬彩動畫大師等軟件制作。三維模型等可以采用3D-MAX軟件制作。

3.邏輯串聯

選用合適的AR制作軟件將紙質書頁面與數字化教學內容進行邏輯串聯，建立二者的邏輯關系。學習者在學習時可以通過點擊AR書或掃描紙質圖書頁面，播放相應的數字化學習內容。目前，市場上AR制作平臺也非常多，開發者如為教師，可選擇對專業技能要求較低、使用更加友好的軟件。

● 基于AR技術的人工智能校本課程案例

為增添課程的故事性，引起學生興趣，構造了名為“I悅之城”的智能城市，“I”為字母Intelegence的縮寫，“悅”意為喜悅，整體含義是指人工智能讓人類生活更加美好。在I悅之城里有無人超市、無人駕駛汽車、智能家居、智能城市交通系統等，人類通過城市的各種智能設備，學習人工智能知識。

下面，筆者通過圖像識別章節《I悅之城——超市站》一課闡述教材開發過程。掃描二維碼（如圖2）下載圖書觀看圖書效果。

1.教學目標（如下表）

2.教學情境

I悅之城超市里不需要設置收銀員，消費者在購物之后通過掃描商品條形碼就能看到商品價格，選好商品后并刷臉完成支付。

3.項目化學習

項目：設計超市商品二維碼系統。使攝像頭掃描到不同二維碼時，掌控板的LED燈亮不同顏色，掌控板液晶屏顯示商品的價格。

基礎知識：While循環、分支結構。

邏輯流程圖：二維碼識別邏輯流程圖、串口通信邏輯流程圖。

程序編寫：為學生提供程序編寫的參考，并對關鍵程序塊進行解釋。

硬件搭建：詳細解釋硬件搭建過程的每一步，并用圖片展示搭建后的硬件形態。

功能檢測：正常運行的效果。

4.作業設計

通過“改造I悅之城”，改進亮燈效果，能夠實現在攝像頭掃描到二維碼時，掌控板上的0、1、2號燈以2秒為時間間隔，分別被點亮。

5.虛擬助教設計

智能導游小I：貫穿各個章節的虛擬人物，帶領學生分別走進超市站、無人駕駛、智能家庭等。

智慧博士：在關鍵概念處如“圖像識別”，對關鍵概念進行講解。

I悅架構師小玲：引導學生建立起項目實現的邏輯結構，形成項目的思路。

I悅工程師小悅：在形成邏輯結構后，引導學生為掌控板編寫程序。

I悅建筑師小壯：引導學生建立其硬件與軟件的聯系，進行硬件搭建。

I悅檢測師小言：在硬件和軟件準備完畢后，使設備正常運行，檢測是否達到項目預期的效果。

6.數字化教學內容

在情境創設部分制作了動畫視頻，由智能導游小I引導參觀I悅之城并來到超市站，視頻演示超市的智能支付系統。為每個虛擬助教設計了動畫形象并在對應環節進行引導。

7.制作AR教程

選用夢想編輯器對圖書頁面內容和數字化教學內容進行邏輯串聯。因該書文字內容較多，所以選用“4D教材”模板，并在圖書頁面和數字化內容間建立交互關系（如下頁圖3）。

● 基于AR技術的人工智能教材開發原則

1.從教學的角度，注重情境的創設

知識無法獨立地從情境中抽離出來，知識間的關聯也必須通過情境來連接，人只能在情境中獲取知識。[3]因此，在進行教材開發時，要設計符合學生思維特征的故事情境。情境要能承載教學目標，使學生學習的其他環節能夠圍繞這一情境展開，各個教學環節作用不同，卻又環環相扣。引導學生在情境中對人工智能產生深度的認識，具體就是要清楚人與人工智能的關系，不僅要知道人工智能能夠為人類做什么，更要知道人工智能不能做什么。使學生在與人工智能打交道時能做出符合倫理道德的抉擇。

2.從學科的角度，注重跨學科的內容設計

《新一代人工智能發展規劃》強調形成“人工智能+X”的復合專業培養新模式，重視人工智能與數學、計算機科學、物理學、生物學等多學科的交叉融合。[4]硬件與軟件結合，重視實踐操作是人工智能課程的特點。在教材中，硬件的搭建組合部分應融合數學和物理等知識，軟件部分則融合編程、數學等部分，學生通過編寫程序、調整參數，使硬件呈現不同的形態和效果。

3.從學習形式的角度，注重學習的引導性

基于AR出版的人工智能教材能夠支持學生個性化學習。AR教材中要精心設計虛擬助教，虛擬助教的角色要符合教材中的情境和學習者特征。各個環節之間要設計適當的引導性內容，如虛擬助教的語音講解或視頻解釋等，項目任務中較為抽象的部分可以通過三維模型、視頻演示等內容進行解釋。

4.從知識呈現的角度，注重交互內容的設計

在學生進行項目測試后，要設計合適的互動內容，給予學生正確的反饋。電子教材中嵌入的視頻、音頻等多媒體內容，要用清晰、明顯的圖標呈現。對于可交互模塊要有一定的提示，如“點擊此處看提示”“掃一掃看視頻等。”

● 結語

本文設計分析了基于AR技術的人工智能教材開發路徑，并通過已開發的章節案例進行詳細說明，希望能為人工智能數字化教材開發者提供思路和參考。文中所提出的AR人工智能教材需要適應特定的教學情境，不能滿足所有的線下課堂教學情境，因此還需要思考線下教學時紙質教材用何種形態呈現。

參考文獻：

[1]王東麗，周德青，王亞如，等.中小學人工智能教材綜述——基于45本已出版教材的分析[J].現代教育技術，2021（02）：19-25.

[2]王本陸，千京龍，盧億雷，等.簡論中小學人工智能課程的建構[J].教育研究與實驗，2018（04）：37-43.

[3]周云華.教學設計應重視對學習情境的研究[J].中小學教師培訓，2021（04）：61-65.

[4]李歡冬，樊磊.“可能”與“不可能”：當前人工智能技術教育價值的再探討——《高等學校人工智能創新行動計劃》解讀之一[J].遠程教育雜志，2018（05）：38-44.

作者簡介：曹烔烔（1997—），女，首都師范大學教育學院碩士研究生，研究方向為教育信息化績效技術;焦寶聰（1954—），男，首都師范大學教育學院教授，博士生導師，研究方向為教育信息化績效技術。

基金項目：教育部教師工作司委托課題“中小學數學教師信息化教學能力顯著提升的研究與實踐”（課題編號：JSSKT2020012）。