基于增強現(xiàn)實技術(shù)的立體化教材研究與開發(fā)

郭 瑾，高英杰，霍達(dá)明，劉蘊緯

(遼寧師范大學(xué) 計算機與信息技術(shù)學(xué)院，遼寧 大連 116029)

隨著時代發(fā)展和科技進步，越來越多操作便捷且內(nèi)容豐富的電子書、在線視頻教學(xué)資源涌現(xiàn)并對教育教學(xué)產(chǎn)生極大影響.它們相較于傳統(tǒng)紙質(zhì)書籍而言，雖有諸多便利，但在內(nèi)容呈現(xiàn)上依然沒有脫離扁平化媒介[1]，仍未解決教學(xué)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(shù)據(jù)和增強現(xiàn)實技術(shù)的研究，探究相互融合的途徑，并以解決傳統(tǒng)教學(xué)問題和創(chuàng)建實時交互課堂環(huán)境為目標(biāo)，研究并設(shè)計立體化新型教材.此教材以傳統(tǒng)紙質(zhì)教材為基礎(chǔ)，以增強現(xiàn)實技術(shù)為支撐，基于虛實結(jié)合的技術(shù)特點實現(xiàn)教材內(nèi)容立體化呈現(xiàn).對立體化教材的定義，大多數(shù)學(xué)者認(rèn)為是融合網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)資源和紙質(zhì)教材，以現(xiàn)代教學(xué)理論為指導(dǎo)，通過一體化設(shè)計，服務(wù)師生課堂教學(xué)活動需要的整體解決方案[2].

國內(nèi)外學(xué)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(dǎo)航對滿足交互需要和幫助學(xué)生學(xué)習(xí)有巨大意義[3].Joseph Defazio針對教材開發(fā)，提出在立體化教材建設(shè)中應(yīng)充分結(jié)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(yè)立體化教材建設(shè)情況的綜述，認(rèn)為當(dāng)前教材編寫針對性差、教材設(shè)計多元化不足且教材對網(wǎng)絡(luò)資源利用率低[5].顧菲主張新一代大學(xué)英語立體化教材應(yīng)結(jié)合計算機虛擬信息技術(shù)，引入中國傳統(tǒng)文化，促成英語學(xué)習(xí)的良性循環(huán)[6].

增強現(xiàn)實(Augmented Reality，簡稱AR)是虛擬現(xiàn)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(dāng)下增強現(xiàn)實技術(shù)逐步融入教育領(lǐng)域，基于增強現(xiàn)實技術(shù)的教育產(chǎn)品不斷出現(xiàn).在立體化教材的基礎(chǔ)上，AR立體化教材便應(yīng)運而生，其在內(nèi)容上追求增強現(xiàn)實的立體化形式，應(yīng)用方面旨在實現(xiàn)學(xué)生、教師、教材“三位一體”的實時交互和沉浸式學(xué)習(xí).因此，課堂教學(xué)中使用AR立體化教材能激發(fā)學(xué)生獨立思考，有利于培養(yǎng)和鍛煉學(xué)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(xué)模式的實現(xiàn)，推動技能型人才的培養(yǎng).

1 AR立體化教材開發(fā)的可行性

作為重要教學(xué)工具的教材與增強現(xiàn)實技術(shù)相結(jié)合，能真正的使教材內(nèi)容“活起來”，實現(xiàn)立體化教學(xué).筆者基于增強現(xiàn)實技術(shù)交互性、沉浸性、個性化等特點，結(jié)合微課等現(xiàn)代教育技術(shù)，以紙質(zhì)教材為基礎(chǔ)與多種技術(shù)相結(jié)合探討立體化教材新形式.AR立體化教材不僅使教材內(nèi)容多樣化呈現(xiàn)，也有助于突破傳統(tǒng)教材的空間局限性，提高學(xué)生學(xué)習(xí)動機和學(xué)習(xí)興趣，進而為革新課堂教學(xué)活動奠定媒介基礎(chǔ).

1.1 有助于優(yōu)化教材內(nèi)容呈現(xiàn)

AR立體化教材基于增強現(xiàn)實和微視頻等技術(shù)，對教材內(nèi)容重新規(guī)劃，使教材內(nèi)容呈現(xiàn)形式得到了質(zhì)的改變.加速教學(xué)內(nèi)容數(shù)字化、教學(xué)過程清晰化，營造了全面新穎的教學(xué)環(huán)境.基于增強現(xiàn)實技術(shù)虛實結(jié)合的特點，將以往抽象刻板的內(nèi)容以更加靈活的形式展現(xiàn)，結(jié)合微課的理念和技術(shù)整合有關(guān)教學(xué)資源，使教材內(nèi)容更加生動形象.

1.2 有助于實現(xiàn)沉浸式學(xué)習(xí)

學(xué)生對枯燥抽象的知識往往缺乏學(xué)習(xí)興趣且難以集中注意力，增強現(xiàn)實技術(shù)依靠其沉浸性特點優(yōu)化課堂教學(xué)，對促進學(xué)生沉浸式學(xué)習(xí)具有積極作用.

北京師范大學(xué)蔡蘇團隊以數(shù)學(xué)相遇問題為例，研究了增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于課堂模擬仿真對學(xué)生學(xué)習(xí)的影響，該實驗利用基于增強現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用程序進行，給予學(xué)生“實地觀察”相遇過程的參與感，從而使學(xué)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(jié)果表明增強現(xiàn)實技術(shù)不僅有助于學(xué)生實現(xiàn)沉浸式學(xué)習(xí)，對提升學(xué)習(xí)興趣，降低認(rèn)知負(fù)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(xiàn)實技術(shù)對沉浸式學(xué)習(xí)的促進作用.多技術(shù)融合應(yīng)用于教育有助于教學(xué)立體清晰，結(jié)合微課視頻，實現(xiàn)眼、耳、手的同步參與，對提高學(xué)習(xí)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(nèi)容，來觸發(fā)相關(guān)知識點解析和立體模型，同時還配合相應(yīng)的語音解說，多感官出發(fā)使學(xué)習(xí)者身心投入[8].

1.3 有助于促進師生實時交互

教學(xué)中師生交互是學(xué)生獲取知識的重要途徑，AR立體化教材基于增強現(xiàn)實技術(shù)實時交互的特點在教學(xué)中充當(dāng)知識載體和交互工具的角色，對學(xué)生創(chuàng)造性的培養(yǎng)有重要作用.為探究增強現(xiàn)實技術(shù)與教育結(jié)合的有效方式和積極意義，國內(nèi)外學(xué)者對增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)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(fā)，開發(fā)基于增強現(xiàn)實技術(shù)“大富翁”教育游戲[9].在游戲中學(xué)生投擲骰子使游戲人物移動，通過骰子點數(shù)探索數(shù)字的規(guī)律，學(xué)生們更多的是將這種教學(xué)當(dāng)做一場游戲，通過教師的引導(dǎo)和對游戲的探索，不知不覺間便學(xué)到了數(shù)字的規(guī)律.此實驗證明實時交互的游戲過程對學(xué)習(xí)者具有強大的吸引力，對實現(xiàn)沉浸式學(xué)習(xí)有極大的幫助.

國內(nèi)蔡蘇團隊為探討增強現(xiàn)實技術(shù)對學(xué)生學(xué)習(xí)體驗和學(xué)習(xí)效果的影響，自主開發(fā)了基于Android手機的拋硬幣程序來學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)概率章節(jié)內(nèi)容.實驗過程中學(xué)生使用手持設(shè)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(shù)據(jù)有利于師生在交互中互相學(xué)習(xí).在實驗結(jié)束后，研究人員通過對課程效果的分析發(fā)現(xiàn)增強現(xiàn)實技術(shù)對學(xué)生學(xué)習(xí)積極性有顯著的提高[10].諸多實驗證實教學(xué)活動是教與學(xué)的雙向交互活動，單方面的教會導(dǎo)致填鴨式教學(xué)，不利于學(xué)生個性發(fā)展，使用增強現(xiàn)實技術(shù)不僅使教學(xué)活動豐富多彩，更有助于實現(xiàn)教學(xué)要素間的實時交互，從而提高教學(xué)質(zhì)量.

1.4 有助于實現(xiàn)個性化教學(xué)

與傳統(tǒng)教材相比，數(shù)字化教材資源在深入解讀新時期課程標(biāo)準(zhǔn)的前提下，以手機、平板電腦等移動電子設(shè)備為依托，借助科學(xué)技術(shù)的革新來凸顯數(shù)字化教材的交互性和靈活性，以數(shù)字化教材為信息化學(xué)習(xí)的接入口，推進個性化教學(xué)的發(fā)展[11].AR立體化教材的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在技術(shù)資源的整合和合理利用，致力于打造新奇的教材內(nèi)容吸引使用者.一方面實現(xiàn)教材內(nèi)容、結(jié)構(gòu)和呈現(xiàn)形式的多樣化，另一方面基于教學(xué)雙邊活動的性質(zhì)，為教師提供個性化教的機會，為學(xué)生創(chuàng)造個性化學(xué)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(xué)學(xué)生，不僅有利于使他們專注課堂學(xué)習(xí)，而且對傳統(tǒng)課堂學(xué)習(xí)環(huán)境有較大的優(yōu)化作用，對學(xué)生言語表達(dá)能力、動手實踐能力都有極大提升.

2 AR立體化教材框架設(shè)計

傳統(tǒng)紙質(zhì)教材以文字和圖片的形式承載知識信息.在此基礎(chǔ)上，AR立體化教材合理使用增強現(xiàn)實技術(shù)革新教材內(nèi)容呈現(xiàn)形式和優(yōu)化教學(xué)活動組織環(huán)節(jié).基于概念定理與實驗活動的不同知識性質(zhì)，AR立體化教材分別采用AR微課和依托AR目標(biāo)圖片的實驗活動進行教材設(shè)計.

2.1 設(shè)計AR微課和智能題庫輔助課外自學(xué)

AR微課是融合人工智能、大數(shù)據(jù)、微課、增強現(xiàn)實技術(shù)于一體的微視頻教學(xué)形式，其設(shè)計理念是基于人工智能和增強現(xiàn)實技術(shù)實現(xiàn)視頻中的授課教師在增強現(xiàn)實環(huán)境下立體呈現(xiàn)，這有助于使學(xué)生產(chǎn)生教師陪同下學(xué)習(xí)的臨場感.其次，教材中設(shè)置微課，不僅在形式上可以打破教學(xué)的時空限制，實現(xiàn)隨時隨地的學(xué)習(xí)，而且學(xué)生無論是課前還是課后都可以反復(fù)觀看微課視頻，這為學(xué)生理解和掌握知識內(nèi)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(xué)生通過掃描二維碼觀看教學(xué)視頻，在一定程度上更有利于提高課前預(yù)習(xí)和課后復(fù)習(xí)效果，如圖1所示.

圖1 AR微課設(shè)計流程

另一方面將傳統(tǒng)教材內(nèi)容中的例題詳解和概念解析轉(zhuǎn)移到AR微課中，紙質(zhì)教材保留抽象概念和例題題目，減少解釋說明的內(nèi)容，將剩余空間設(shè)置為筆記區(qū)域，學(xué)生根據(jù)自己學(xué)習(xí)情況填充筆記，進一步提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性.

課堂教學(xué)需要一些必要的及時練習(xí)和課后作業(yè)來鞏固學(xué)習(xí)成果，因此AR立體化教材基于大數(shù)據(jù)技術(shù)整合網(wǎng)絡(luò)習(xí)題資源，通過對數(shù)據(jù)集的分析，按照題型和解題難易編寫算法設(shè)置分類習(xí)題資源庫.學(xué)生登錄習(xí)題庫可進行自測，教師可使用題庫篩選題目給學(xué)生布置作業(yè)或安排考試.此外，將試題中的圖形和實驗設(shè)計成AR識別圖片，在做題中強化交互學(xué)習(xí)效果，培養(yǎng)學(xué)生的動手能力和立體思維.

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

2.2 制作AR目標(biāo)圖片實現(xiàn)“人材交互”

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

目標(biāo)識別圖片是AR立體化教材的重要組成部分.例如:在高中數(shù)學(xué)立體幾何三視圖的新授課教學(xué)中，教師使用AR立體化教材向?qū)W生講演相關(guān)知識的同時，學(xué)生也可獨立對圖形進行旋轉(zhuǎn)、平移等操作，如圖2所示.這不僅使學(xué)生實踐操作能力得到培養(yǎng)，而且有利于激發(fā)學(xué)生自主探究教材內(nèi)容的動力，加深對知識的理解.增強現(xiàn)實技術(shù)的運用有助于立體課堂的建成，為學(xué)生和教師帶來全新的學(xué)習(xí)和教學(xué)環(huán)境.使用AR立體化教材學(xué)生能夠反復(fù)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(shù)學(xué)AR立體化圖形設(shè)計與應(yīng)用流程圖

AR立體化教材的創(chuàng)新在于它不僅提高了師生交互效果，而且實現(xiàn)了學(xué)生與教材內(nèi)容的實時交互.強調(diào)學(xué)生與教科書的交互，重視學(xué)生的自主學(xué)習(xí)、主動探究和個性化學(xué)習(xí)能力的培養(yǎng)，是新型數(shù)字教科書開發(fā)的應(yīng)有之義[14]，也是增強現(xiàn)實技術(shù)在課堂教學(xué)中的重要價值體現(xiàn).

3 AR立體化教材在高中教學(xué)中的實踐

為了驗證AR立體化教材在課堂教學(xué)中的應(yīng)用效果，選定高中數(shù)學(xué)三視圖部分內(nèi)容進行教材設(shè)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(shè)實踐.題目要求學(xué)生依據(jù)正視圖和俯視圖中對應(yīng)的點，通過觀察分析進一步推斷該幾何體上的給定點在側(cè)視圖中的位置.解決此問題一般需要先結(jié)合三視圖發(fā)揮想象繪制出原立體圖形，找出該點對應(yīng)的位置，進而確定在側(cè)視圖中對應(yīng)的字母.與傳統(tǒng)方法不同，在日常練習(xí)或講解時使用數(shù)學(xué)AR立體化教材，學(xué)生只需借助設(shè)備掃描目標(biāo)識別圖片，在AR環(huán)境中就會顯示題目所對應(yīng)的原幾何體立體圖形，通過按鈕和設(shè)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(xiàn)AR模型旋轉(zhuǎn)和平移的代碼分別如下：

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

{//旋轉(zhuǎn)

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(xiàn)AR模型平移的代碼如下：

void ButtonClicked(int i)

{//正負(fù)1與正負(fù)2 向不同軸移動

if(abs(i)==1) //向Y軸正/負(fù)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(fù)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(biāo)點與連線的相關(guān)代碼如下：

while(pointList.Count>pointCounter)

{//Draw Lines 畫線

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

{//設(shè)置物體的位置Vector3三個參數(shù)分別代表x,y,z的坐標(biāo)數(shù)

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(shè)計使學(xué)生與教學(xué)內(nèi)容完成交互，如圖黑色標(biāo)記即題目中所研究的點.學(xué)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(xué)生學(xué)習(xí)三視圖知識和建立空間思維能力有極大助力作用.充分發(fā)揮AR立體化教材實時交互性的特點，使學(xué)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(xué)中的應(yīng)用效果，在2020—2021年進行了教學(xué)實踐.2 a的對比效果表明，高中數(shù)學(xué)AR立體化教材在學(xué)生學(xué)習(xí)立體幾何知識的過程中既加速了知識內(nèi)化，也促使學(xué)生在操作中逐步提高思維創(chuàng)造力.教材的建設(shè)模式得到了遼寧省大連市某中學(xué)教師和學(xué)生的認(rèn)可.AR立體化教材深入貫徹“教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體”的教育理念，對實現(xiàn)課堂教學(xué)形式多樣化和個性化、實現(xiàn)課堂實時交互和沉浸式學(xué)習(xí)具有重要價值.

4 結(jié) 語

AR立體化教材是互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物，是以增強現(xiàn)實技術(shù)為主導(dǎo)融合多種技術(shù)產(chǎn)生的教材新形式.它不是技術(shù)的堆砌，而是在技術(shù)優(yōu)勢推動下的教材進化，是與信息化社會更契合的教學(xué)媒介.但是，AR立體化教材的建設(shè)和全面普及需要技術(shù)人員、教師和學(xué)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(xué)媒介.

教材資源的開發(fā)是一個動態(tài)過程，邊開發(fā)邊使用，在使用中改進，是一個持續(xù)更新的過程[15].在后續(xù)的研究中作者將繼續(xù)深入對AR立體化教材的研究和改進，致力于開發(fā)更具普適性、更優(yōu)質(zhì)的教材來為教育教學(xué)服務(wù).