基于移動增強現實的多層次教學策略模式探究

劉世平 安文博 韓可 馬梓焱 張俐 阮春紅

摘 要：“增強現實技術”因為具有獨特的實時交互性和可以在三維視頻空間中添加虛擬物體的特點，在很多領域都成為了備受關注的熱點。文章以工程制圖專業基礎課為例，提出將增強現實技術應用到輔助教學中。學生無需下載安裝專用APP，使用微信掃描二維碼或直接打開教學輔助系統網頁即可使用，操作便利，降低了課程的理解難度，有助于快速提升學生的圖感。基于此系統，在相關技術支持的前提下，提出了移動增強現實多層次教學策略場域模型，這個模型由一個核心（學生掌握知識）、一個智慧學習場域、三個支持點（增強現實技術支持、教師需求和技術人員）和兩個反饋關系組成。圍繞這個模型進行了教學實踐應用，從對象層、教育層以及技術層三個層面展開分析，對于使用增強現實的教學研究者具有一定的參考價值。

關鍵詞：工程圖學;增強現實;教學模型

一、移動增強現實技術的優勢

近年來，增強現實技術（Augmented Reality，AR）越發得到人們的重視。與傳統虛擬現實技術（Virtual Reality，VR）所要達到的完全沉浸的效果不同，增強現實是一種實時地計算攝影機影像的位置及角度并加上相應圖像、視頻、3D模型的技術，致力于將計算機生成的物體疊加到真實場景上，以便使它們一起出現在使用者的視場中。[1]這種基于現實世界、由虛擬數據增強的交互手段，給教育者提供了一種新的教學方式，對于抽象內容的教學具有很強的指導意義。[2]在數學立體幾何教學中，根據三視圖唯一的原理，利用增強現實技術將二維平面圖形與三維立體模型相結合，免去傳統教學中手工制作模型的麻煩，這一類的應用展示了增強現實技術在幾何學科應用中的巨大優勢。在化學學科中涉及大量無法直接觀察到的內容（例如分子結構等），有的研究者設計了若干個化學物質結構的虛實融合操作實驗，極大地提高了學生學習興趣與對物質微觀結構的理解。大量的實證研究表明，增強現實技術在學習支持和教學上具有很大的潛力與應用前景。

移動增強現實是增強現實的一個分支本。傳統的增強現實系統多以可穿戴外接設備為載體，這種設備攜帶困難且不易維護。隨著科技的發展，以手機、平板電腦為主的移動設備極大地推動了移動增強現實的應用[3]，讓增強現實技術的應用領域更加廣闊，交互手段也更加人性化。本文在相關教育、學習理論的指導下，以移動增強現實為技術支持，完善設計策略，構建深度學習場域策略模型，從而為增強現實技術在教育中的應用給予指導，對于使用增強現實的教學研究者有著一定的借鑒意義。與傳統教學相比，增強現實主要具有如下優勢。

（一）豐富的交互手段，創造移動學習

增強現實強調的是虛實結合，將虛擬的物體疊加到真實的世界上，是對真實世界的補充。它允許使用者看得到真實世界。對于一些“抽象認知”的知識，增強現實可以將其轉化為具體的情景，不同的知識都可以塑造不同的情景，讓學生可以更加直接地獲得學習知識。

傳統的教學方法一般分為課堂教學和課后練習兩個環節。學生遇到難點，很多時候都要自己去理解、消化。碰到不能理解的難點，也很難及時解決。而且增強現實可以實現移動學習，打破了教學條件的限制，教師只是一個輔導者。即使不在課堂，學生也能夠在課后通過移動增強現實技術再一次沉浸在學習情景中。解決了因為部分教師表述不明確所造成的理解盲區。學習者在學習的時候，不再受限于場地。通過電子設備和書本，就能隨時隨地進行學習，學習是無縫連續的，實現了移動學習。

（二）激發學習興趣，降低認知難度

在很多大學基礎課程上，都存在一些難以用語言去描述的知識。例如機械專業的工程制圖以及其他專業一些需要學生去進行空間想象的課程。對于一些“圖感”不夠強的學生而言，這無疑阻礙了他們的學習。對于一些“圖感”較強的學生而言，即使他們能夠想象出大部分，但是一些細節還是難以想象，在得不到及時解答的情況下，也會讓學生產生挫敗感。增強現實技術能夠直接、生動地將抽象化的東西以三維的形式表達出來，通過虛實結合，更加利于學生的理解和記憶，提高了學生的自主性，降低了對學習認知者的遷移能力的要求。這種交互方式，極大地提高了學生的學習參與度，滿足了學生的好奇心，讓學習變得簡單和自然。

（三）更深的沉浸式學習，強化知識認知

心理學家維果斯研究發現，人是社會的產物，學習與人也是分不開的。基于維果斯理論和其他學科理論，產生了情景認知理論。這個理論主要是強調學習是情景化的。在課堂上，教師要盡可能逼真地反映知識的應用場景，要與人類的社會實踐情景有聯系。開展情景學習常用的方法主要有三個：1.在真實的戶外開展;2.在課堂上進行實踐體驗，給學生創造情景認知機會;3.借助現代科技真實模擬地將這一場景進行再現。方法1的效果應該是最貼合人類的認知行為的，但是受限于各種客觀因素，大多數情況下只能選擇方法2和3。

移動增強現實技術有機地將虛與實結合了起來，使得認知情景能夠進一步接近方法1的效果。和傳統教學資源相比，最大的優勢體現在所構建的沉浸學習環境上。[4]增強現實的元素多為三維元素，學生在這種環境中學習，他們的感官體驗得到了極大的提升，感覺到的不再是二維抽象的知識難點，而是三維立體的知識再現，將一些抽象、復雜的過程形象化、可視化，使得學生能夠同時同步感受到真實世界中虛擬事物的變化，轉換手機視角，不同的視角下呈現的內容也不一樣。增強現實營造的三維沉浸式教學，增強了學習者的體驗感，使學生能夠更加快速地學習，進一步加深對知識的認知，達到深度學習。

二、系統總體設計與工作流程

雖然很多教學研究工作在課程中使用了增強現實技術，但大都是在Android/iOS平臺實現的，或者通過Unity3D發布，用戶在使用前至少需要下載一個應用程序并安裝在手機中。繁瑣的安裝過程既占空間，也易激發學生的抵抗情緒。基于網頁的增強現實則很好地解決了這個問題。本文在WebAR技術的基礎上，開發了網頁移動端工程圖學教學輔助系統，學生可通過微信掃描二維碼實現增強現實交互式教學。

（一）系統總體設計

本文AR系統由云服務器端和網頁端組成。云服務器端主要功能為提供Web服務器，同時托管系統代碼，提供增強現實標識庫和三維模型庫資源的存取。網頁端通過移動瀏覽器進行域名解析、調用攝像頭和服務器資源，完成視頻采集、標識檢測、三維注冊和虛實融合、頁面顯示等。[5]

根據教學需求，網頁端AR系統應具備的主要功能包括：面向微信瀏覽器開發以及無需安裝、快速識別AR標識并疊加等功能。設計系統總體架構圖如圖1所示。

（二）系統使用流程

本教學輔助系統基于網頁設計，可在移動端和PC端支持WEBRTC技術的任意瀏覽器中直接運行。學生變換手機觀察位置，能夠觀察到不同角度的三維模型，達到直觀理解的目的。系統的工作流程主要有以下幾點。

建立模型：三維模型是增強現實系統的基礎，模型的準確程度直接影響教學的效果。根據教學經驗選擇習題集中的典型圖樣，利用PRO/E軟件進行三維建模。采用基礎、復合和多邊形相結合的建模方法，嚴格控制每個模型的面數以保證系統的流暢運行和良好的顯示效果。[6]

網頁獲取視頻流后，將其按幀轉換為二進制圖像，隨后在其中搜索所有的正方形（方形標識）;如果找到并且匹配和識別方形標識（方形和嵌入的圖像）后，則認為搜尋成功，并建立標識ID和模型庫的對應聯系。

虛實融合：在用戶視場中，疊加在標識上的虛擬模型應與標識的位姿一致，三維注冊過程已將當前姿態對應的變換矩陣給出，可直接用于模型疊加。

實際應用效果如圖2所示。顯示效果符合預期，測量表明，本系統運行時幀數穩定在57～60幀/秒，符合增強現實的要求。

三、建立多層次教學策略場域模型

（一） 建立模型基礎

1.學習場域

“場域”一詞起源于19世紀中葉的物理學，現在作為社會學的重要領域之一，揭示了“場景會影響人的每一個行動”這一現實。我們的學習也算是一種場域。“學習場域”一般指的是學生和學習資源間的一種交互。多位學者已經論證了場域對于學習的重要性。不同的環境下學生的學習效果也不相同。閻乃勝將深度學習總結為一種基于場景的學習技巧，從深度學習的兩個情景屬性進行了論證，證明了場景深度對于學習的重要性。創建真實批判的課堂場景，學生的思維會更加活躍，更加能夠激發自己的動力去學習。[7]相比于傳統的學習場域，深度學習場域主要具有以下幾個特征：（1）學習目標更高，學生在該場域中能夠更深入地理解知識，具有深層次的學習思維和較強的問題思考能力。（2）學生學習的主動性和積極性更高。（3）淡化形式教育，著眼于學生的學習效果。同時，深度學習場域分為內在場域和外在場域。內在場域由交互、體驗以及反思等構成。外在場域則由技術平臺、學習設備以及其他工具等用來輔助學習的物理載體構成。

2.智慧學習環境

社會認知理論認為學習環境與學生學習效果之間具有很強的相關性。最初的學習環境只包括物理環境和心理環境。20世紀80年代，計算機逐漸普及，到了21世紀，便攜電腦、傳感器技術、無線通信等極大地推動了學習環境的發展，智慧學習環境由此產生。李海峰、王煒把學習環境從對象層面分為了物理學習環境、技術學習環境、資源學習環境和情感學習環境。[8]物理學習環境主要由自然環境和人為元素構成。技術學習環境是利用各種技術組成的學習設備，決定了學習者的學習體驗。資源學習環境則涉及移動增強現實用到的學習資源以及在線學習時生成的學習資源。情感環境的關注焦點主要在于學習者的思維狀態和情感波動。Kinshuk教授認為智慧學習環境更應該是技術和實體的有機結合。

3.教學策略

《辭海》對于“策略”一詞的解釋是計謀策略。對于這個詞較為普遍的一種認知是為了達到特定的目的所采取的所有方式的總和。教學策略指的是為了達到教學效果，所采取的方法、技術的總和。C.M.Reigeluth將教學策略分為了組織、傳遞和管理三個策略。David Merrill將教學策略解讀為能夠讓實用技術和內容相互匹配的教學策略。教學策略是一個宏觀的模型，是對于教學的一種論述。教學策略對于教學系統以及教學模型的運作有著舉足輕重的意義。在課堂上具體表現為教學的內容設計是否符合學生的接受能力，教學安排能否順利完成，以及是否能夠達到預期教學目標，等等。“利用新技術來做什么”“現實存在什么問題”等都應該考慮在內。

（二） 建立模型

國外學者Chris Dede通過自己設計的EcoMUVE系統并且結合采訪對施教者的態度和意見進行了調研，結果表明更加積極高效的監督能夠改善教學質量。所以本文把教師督察也放入到模型中。

學習是一個漸進的過程，深度學習亦是如此。趙晶嫻將認知、構建、遷移、應用作為深度學習的內涵。[9]在這個模型中，我們以學生的掌握程度作為終極目標，通過技術和理論支持，拋開了傳統的依靠自身的重復性練習式教學，以學習特征分析為基礎，結合建構主義學習理論、深度學習場域相關理論知識，提出了一種基于增強現實的深度學習場域策略模型。該模型由一個核心（學生掌握知識）、一個深度學習場域（深度學習內在場域和深度學習外在場域）、兩個反饋關系（學生與教師之間的反饋和教師與技術人員之間的反饋）以及三個支持點（增強現實技術支持、教師需求和需求轉化工具）組成。（見圖3）

四、教學策略模型應用

為了驗證基于移動增強現實技術的教學策略模型的效果，本研究選取了華中科技大學147名本科生作為研究對象。具體的應用過程如下：按照大班教學，將147名學生分為A、B組，一組采用傳統的工程制圖教學，另外一組采用基于增強現實技術的深度學習策略教學模型教學，具體步驟是“知識預習——教師講解——深度學習——疑問解答——意見反饋”。首先，學生圍繞教師提前布置的知識點進行預習，遇到難以想象的模型時可以借助增強現實輔助工具加深理解，教師采用將技術與內容相匹配的教學策略進行教學，之后，進入深度學習環節，通過認知、構建、遷移、應用四個環節讓學生自主理解知識，然后進行疑難解答，對學生還沒有消化的問題進行講解。最后就是意見反饋，學生提出該教學環節中的不足，以促進下次更好的教學改進。

為了更好地了解將該教學模型應用到工程制圖當中的效果，我們采用了兩種方法對模型的效果進行分析。

問卷調查法：本研究編制了課程滿意度問卷，采用李克特五點量表方法設計了LAAM問卷，通過有效性、易用度等四個維度來進行檢測。在課程結束后的最后一節課，通過團體測試的方法發放了測試問卷147份，回收有效問卷144份，有效率達98%，通過問卷調查，研究的用戶接受度如表1所示。

由表1可知，在對于學習認知方面的探索式學習方法上，平均得分在4分以上，而且高分占比超過了85%，說明學生更加認同該教育模式的探索式學習模型，但是對于反省思維的打分偏低，說明該教育模式對于反省思維的培養方式還有待改進。

關于該增強現實產品的體驗，我們這里主要列舉了滿意度、樂用度和豐富度三個度，其中，滿意度和樂用度的評分都在4分以上，表明該產品對學生思維的培養得到了學生的認可，但是豐富度的評分過低，還需要后續對課件以及課后習題的內容作出進一步的完善。

成績分析法：等到該學期結束時，對兩組學生的試卷進行評分，并對試卷結果進行統計分析，分析結果如表2所示。

從表2可以看出，實驗組的平均成績明顯高于傳統教學組，最高分與標準差的差別不是很大。實驗組的最低分相比于傳統教學組的最低分要高，同時，在高分人群占比方面，實驗組的高分占比達到了一半以上，比傳統教學組提升了17.2%。我們可以得到如下結論：增強現實的沉浸式教學能明顯提高學生的成績。

五、多層次教學策略模型分析

（一）對象層分析

1.激發學習動機，創造移動學習機會

陳大鵬的《大學生學習觀現狀、原因及對策》一文已經說明了當代大學生厭倦學習的主要原因不是學習壓力過大，而是學習的動力和信心不足。[10]學不懂、問題得不到及時解決都成為了學生學習信心不足的原因。新時代大學生這個群體，有著很多的新型特征，不同于上一輩的學習者，作為在數字環境中成長起來的一代，他們能夠熟練地使用電子產品，對于新事物都有著強烈的好奇心。增強現實技術作為近幾年比較熱門的領域，將其引入到教學中，也會引發學生的興趣。通過對系統的不斷摸索，將會讓學生更加輕松地理解知識，做到快樂學習。

對于知識的傳授，建構主義理論是這樣認為的：知識是學習者在特定的情景下利用相關的資料，通過意義建構的方式獲得，教師是有意重構的幫助和促進者，這是學習者學習認知過程的普遍認知規律。這個觀點也表明了知識主要來自于學生自己的體驗和感悟而不是教師的傳授。將移動增強系統引入到教學中去，會給學生創造移動式學習和更多自主學習的機會。

再好的系統也有自己的缺點。所以在本模型中還設有反饋環節，學生與教師的反饋主要有兩個方面。一個是對于課堂環節的反饋，是對于知識疑點的反饋，希望能夠得到教師的解答。另外一個是對于教學系統的總結性評價反饋，學生根據自己真實的使用體驗提出合理的意見。

2.打造高效課堂，解決傳統教學弊端

具體來講，該系統對教師的影響主要體現在兩個方面：（1）2018年8月，教育部、財政部、國家發展改革委印發的《關于高等學校加快“雙一流”建設的指導意見》明確指出要更加注重人才培養模式的創新，推動信息技術、智能技術與教育教學深度融合，構建“互聯網+”條件下的人才培養新模式。在“雙一流”建設背景下，教師的科研任務也很多，如果將移動增強現實技術融入到部分學習難度較高的課程中去，會讓學生的學習變得相對容易，讓課堂更加高效，從另外一個角度來說，也會減輕教師的教學壓力和負但，讓教師輕松教學。（2）教師是學生學習的引導者和教學的主導者，在傳統教育課堂中，教師需要幫助學生建立知識點之間的聯系，搭建完整的知識框架，其對知識和技能的講解，受限于技術和硬件條件，大多數情況下只能用言語展開，為了讓所有人都能理解透徹，還需要對一些知識難點進行反復講解，這無形中增加了教師的負擔，而且對于掌握這個知識點的學生來說，會降低他們的學習效率。教師的知識難點講解不透徹，會導致學生產生知識困惑。使用該系統，可以減輕學生對于教師的依賴，即使有學生沒有理解透徹，他（她）也可以在課后使用該系統進行二次學習，讓教學脫離教室場地的限制。

教師不但是技術設計需求的提出者，也是技術開發的監督者和建議者。為了提高教學的質量，教師必須親自參與技術的資源設計，這也要求教師要有更敏銳的眼光，先對增強現實技術進行充分的理解，而不是急于將其與現有的知識融合，當增強現實技術運用到教學中時，不斷提高自身知識水平，領悟這項技術本身的優劣勢，能夠將知識的核心在技術上表現出來，真正做到移動增強現實技術和教育的深度融合。教師和技術人員的關系，更多的是合作共贏關系，技術人員是滿足學生需求和教師要求的工具締造者。學生使用該系統能將自己的意見通過系統或者直接傳達給教師，讓其知曉。然后教師會對這些意見進行整理。最后將問題的核心再反饋給技術人員，由技術人員進行問題的處理和改進。在該場域中形成了一個積極的正反饋循環。

（二）教育層分析

學生對于知識的掌握和理解程度的高低是衡量一個模型好壞的重要評判標準，也是模型教育層面分析的重要指標。國內外學者現在統一將深度學習的內涵分為元認知能力、主動交流合作能力、深加工能力、創造性思維和共情體驗能力等維度。

元認知能力主要表現為學生自我管理的能力，包括是否有明確的學習目標，是否有學習動力及自身的學習計劃，等等。工程制圖作為機械工程專業的入門學科，重要性不言而喻。但是學習工程制圖所需要的空間想象能力和前期一些較難理解的知識點會在很大程度上阻礙一些學生的元認知發展。如果學習中一開始就不理解而且課后得不到解決，問題會越積越大。既影響了學生學習的動力，也影響了教師的教學質量。移動增強現實系統很好地解決了這個問題，作為課堂的第二個教師，這個系統可以從根本上增強學生的自信心和學習動力，讓學生學習起來有路可循，有問必解。

主動交流能力是學生在課堂上與教師、同學進行互動并在課下能夠自主實踐的能力，它也能夠從側面反映出學生的聽課活躍度。移動增強現實中每一個模型、每一個場景的設定都是教師經過深思熟慮的，具有一定的示范性、典型性和參考性。使用移動增強現實輔助教學，避免了部分學生因為害羞而不敢與教師、同學進行主動交流的現象發生。

深加工能力和創造性思維更多的是學習層次上的一種衍生，具體涵蓋了記憶、推理、思考歸納等多種能力，體現了知識的深度和廣度。在移動增強現實系統中學習，學生可以隨時隨地學習，真正做到“哪里不會掃哪里”，減少了因為外界條件和思維卡頓造成的學習不能專心的弊端。與傳統學習方法相比較，相同的時間投入成本下，學生使用這個系統能夠更快地沉浸在深度學習中。

（三）技術層分析

移動增強現實的核心分為三個方面：虛實空間跟蹤注冊、虛實景物融合、人機交互。跟蹤注冊是移動增強現實技術的關鍵。借助于手機相機的快速發展，跟蹤注冊通過手機相機中的“掃一掃”就能實現，模型和場景的顯示也能夠在瀏覽器中完成。

本技術采用人工標記的方法，手機攝像頭通過采集真實環境中的標記即可實現對虛擬模型的定位和跟蹤。這種方法操作簡單、穩定且具有較高的平臺支持性。

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（責任編輯 黃銘釗）