李秋實(shí)

摘 ?要 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是信息技術(shù)與教育整合的一種創(chuàng)新形式，學(xué)習(xí)者可在現(xiàn)實(shí)和虛擬結(jié)合的環(huán)境中探索知識(shí)?；贏R技術(shù)的數(shù)字化教材以傳統(tǒng)紙質(zhì)教材作為載體，通過識(shí)別圖像特征點(diǎn)使動(dòng)畫模型躍然紙上。結(jié)合基于情境學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)模式、基于設(shè)計(jì)的研究模式，提出基于AR技術(shù)的數(shù)字化教材可參考的設(shè)計(jì)模式及一般流程。

關(guān)鍵詞 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù);數(shù)字化教材;情境學(xué)習(xí)

中圖分類號(hào)：G642.0 ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：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(lǐng)域的教材主要是傳統(tǒng)紙質(zhì)教材和電子書。對(duì)于傳統(tǒng)紙質(zhì)教材，對(duì)學(xué)習(xí)者視力影響較小，也符合大多數(shù)學(xué)習(xí)者的閱讀習(xí)慣，但其缺乏交互性、生動(dòng)性、沉浸性。市面上流行的電子書呈現(xiàn)知識(shí)內(nèi)容較為生動(dòng)，同時(shí)便于攜帶，可同時(shí)集文字、圖形、圖像、聲音等多媒體綜合刺激讀者感官，提高學(xué)習(xí)者認(rèn)知事物的能力;但大多數(shù)電子教材僅將傳統(tǒng)紙質(zhì)教材讀物內(nèi)容直接搬移到設(shè)備上，產(chǎn)生的交互性單調(diào)生硬，對(duì)于像物理、化學(xué)等實(shí)驗(yàn)情境較多的教材，學(xué)生很難通過想象在真實(shí)情境中還原實(shí)驗(yàn)的過程。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，即AR技術(shù)，是廣義上虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的擴(kuò)展，當(dāng)學(xué)習(xí)者產(chǎn)生互動(dòng)時(shí)，將情境和教具與學(xué)習(xí)三者之間建立有意義關(guān)聯(lián)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能將熟悉的場(chǎng)景生成豐富的變化，將已有的情境進(jìn)行意義重構(gòu)，持續(xù)輸出的變化也能持續(xù)地激發(fā)學(xué)習(xí)者的好奇心?；贏R技術(shù)的數(shù)字化教材能將真實(shí)環(huán)境下難以把控的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行仿真模擬，無限拓展學(xué)習(xí)情境，重現(xiàn)實(shí)驗(yàn)的真實(shí)操作，符合學(xué)習(xí)者對(duì)于逼真度和具身認(rèn)知的需求，以最熟知和簡(jiǎn)易的方式進(jìn)行探索，更適合過于抽象和難以理解的內(nèi)容。因此，基于AR技術(shù)的數(shù)字化教材的設(shè)計(jì)與開發(fā)具有實(shí)用性和價(jià)值性。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教材國內(nèi)外現(xiàn)狀

AR教材國外研究現(xiàn)狀 ?AR教材是基于顯示器來對(duì)教材所疊加的識(shí)別圖片進(jìn)行實(shí)時(shí)查看所呈現(xiàn)的虛擬對(duì)象。AR不僅能夠進(jìn)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(yàn)和連續(xù)而自然的交互。根據(jù)新媒體聯(lián)盟（NMC）的“地平線報(bào)告”，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)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(zhì)印刷教材的閱讀習(xí)慣等優(yōu)勢(shì)與數(shù)字化互動(dòng)內(nèi)容相結(jié)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(nèi)容通過三維動(dòng)畫和模型進(jìn)行創(chuàng)新型表現(xiàn)，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(shù)字化場(chǎng)景，便于讀者更好地理解內(nèi)容所表現(xiàn)的情境[1]。Tsai

討論了在父母參與的AR圖書閱讀中，學(xué)生的認(rèn)知策略和行為模式。隨著技術(shù)和教育融合趨勢(shì)的發(fā)展，一些教育研究努力探索AR技術(shù)的虛擬信息與物理環(huán)境混合以實(shí)時(shí)呈現(xiàn)的特點(diǎn)，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(xiàn)主要表明了AR技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，并且進(jìn)一步解決了AR對(duì)科學(xué)和工程學(xué)習(xí)等領(lǐng)域?qū)W習(xí)效果的積極影響[2]。相對(duì)較少的研究探討AR技術(shù)如何與紙質(zhì)書籍（AR書籍）結(jié)合起來幫助學(xué)生閱讀。最近的一項(xiàng)研究表明，在AR學(xué)習(xí)背景下，兒童對(duì)AR教材內(nèi)容的想象可以擴(kuò)展[3]。由于AR在閱讀中的作用已被以前的研究所強(qiáng)調(diào)，因此建議在研究相關(guān)問題時(shí)加倍努力。

AR圖書國內(nèi)研究現(xiàn)狀 ?國內(nèi)對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的關(guān)注也在逐漸增多，但是主要還集中在算法實(shí)現(xiàn)和優(yōu)化階段，在教育領(lǐng)域應(yīng)用很少。國內(nèi)更多關(guān)注軟件算法，與教育結(jié)合的作品還在成長中。

蘇俊欽分析了兒童在此類書籍中學(xué)習(xí)的有效性，設(shè)計(jì)開發(fā)一套AR拼音教材，以期加深兒童對(duì)拼音的理解[4]。百度公司推出面向智能手機(jī)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)平臺(tái)，如圖1所示。針對(duì)高考熱門知識(shí)點(diǎn)，百度教育推出AR考點(diǎn)解析，通過手機(jī)百度掃描教科書上的知識(shí)點(diǎn)，即可觸發(fā)相關(guān)知識(shí)點(diǎn)的AR解析，操作簡(jiǎn)單。目前支持的高中知識(shí)包括安培定律、動(dòng)物激素調(diào)節(jié)、地球公轉(zhuǎn)、有機(jī)分子等高考熱點(diǎn)，在對(duì)模型進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)操作的同時(shí)會(huì)配合相應(yīng)解說，讓學(xué)習(xí)者在樂趣中學(xué)習(xí)。基于AR技術(shù)的數(shù)字化教材知識(shí)內(nèi)容的表達(dá)富有生機(jī)，學(xué)習(xí)更加有趣。

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

3 基于AR技術(shù)的數(shù)字化教材設(shè)計(jì)模式

基于情境學(xué)習(xí)的設(shè)計(jì)模式 ?情境學(xué)習(xí)理論（Situated Learning）是一種情境化的學(xué)習(xí)理論，情境學(xué)習(xí)發(fā)生在社會(huì)環(huán)境，觸發(fā)于個(gè)體實(shí)踐，同時(shí)是綜合要素互動(dòng)的過程[5]。埃蒂斯·考溫大學(xué)的研究人員在交互式多媒體教學(xué)模式設(shè)計(jì)中運(yùn)用情境學(xué)習(xí)的原理，如圖3所示。情境學(xué)習(xí)理論為AR數(shù)字化教材的設(shè)計(jì)模式提供了新思路，在情境學(xué)習(xí)的理念和方法指導(dǎo)下，遵循AR和具體學(xué)科教材的特點(diǎn)來進(jìn)行設(shè)計(jì)與開發(fā)。

基于設(shè)計(jì)的研究模式 ?基于設(shè)計(jì)的研究模式能夠解決現(xiàn)實(shí)中出現(xiàn)的教育問題，在真實(shí)的情境下，管理者、研究者、實(shí)踐者和設(shè)計(jì)者共同協(xié)作，通過形成性研究過程和綜合運(yùn)用多種研究方法，根據(jù)來自實(shí)踐的反饋不斷改進(jìn)，直至排除所有缺陷，形成可靠而有效的設(shè)計(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)理論和實(shí)踐雙重發(fā)展的新興研究范式，其研究的核心是設(shè)計(jì)開發(fā)、實(shí)施、分析評(píng)價(jià)和完善優(yōu)化[6]?；贏R技術(shù)的數(shù)字化教材設(shè)計(jì)與開發(fā)，可采用基于設(shè)計(jì)的研究范式來執(zhí)行教材的設(shè)計(jì)開發(fā)與評(píng)估過程。研究過程主要經(jīng)歷四個(gè)階段，每個(gè)階段都需要教育干預(yù)，基于設(shè)計(jì)的研究一般過程如圖4所示。

4 基于AR技術(shù)的數(shù)字化教材設(shè)計(jì)流程

基于AR技術(shù)的數(shù)字化教材制作分為四步：獲取真實(shí)社會(huì)環(huán)境中的信息，紙質(zhì)媒體上相關(guān)圖形內(nèi)容;以相機(jī)鏡頭和現(xiàn)實(shí)情境的相對(duì)位置來計(jì)算虛擬模型到場(chǎng)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(shè)計(jì)與生成圖形內(nèi)容的虛擬物象;最后直接通過S-HMD顯示或與真實(shí)場(chǎng)景的視頻合并后，一起顯示在普通顯示器上。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的實(shí)現(xiàn)方式需要大量精細(xì)的坐標(biāo)和定位數(shù)據(jù)來呈現(xiàn)無縫銜接。

根據(jù)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)特點(diǎn)，結(jié)合以上參考流程，對(duì)基于AR技術(shù)的數(shù)字化教材的設(shè)計(jì)流程進(jìn)行改進(jìn)。以AR虛實(shí)融合的交互式教材環(huán)境設(shè)計(jì)中的問題為研究起點(diǎn)，平臺(tái)開發(fā)者、教學(xué)案例設(shè)計(jì)者以及最終學(xué)習(xí)者共同參與分析實(shí)踐問題;設(shè)計(jì)為主線，依據(jù)相關(guān)理論框架和技術(shù)，過程中不斷進(jìn)行教育干預(yù)，進(jìn)而形成開發(fā)方案。根據(jù)應(yīng)用效果反復(fù)檢測(cè)、評(píng)估與反饋，往復(fù)調(diào)整設(shè)計(jì)方案，以期更有效地解決AR虛實(shí)融合的交互式教材環(huán)境設(shè)計(jì)中存在的問題;最后反思、總結(jié)并完善開發(fā)原則及應(yīng)用策略等，由此為下一輪迭代循環(huán)研究做充分的準(zhǔn)備，如圖5所示。

5 建議

通過整理大量國內(nèi)外文獻(xiàn)資料，對(duì)比基于AR技術(shù)的現(xiàn)實(shí)數(shù)字化教材和傳統(tǒng)紙質(zhì)教材、電子書之間的優(yōu)劣，希望能為AR技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)教材行業(yè)提供一定的參考。

技術(shù)方面 ?傳統(tǒng)紙質(zhì)媒介的數(shù)字化版本大多是基于手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備，閱讀時(shí)對(duì)眼部損傷偏大，而且聯(lián)網(wǎng)使用時(shí)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(nèi)容的簡(jiǎn)單平移。而基于AR技術(shù)的教材讀物以紙媒為載體，對(duì)眼部傷害相對(duì)較小，并且增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)把平面教材難以展現(xiàn)的信息通過模擬仿真疊加到圖書中，移植性強(qiáng)，可以使學(xué)生注意力更集中，防止在使用平板電腦時(shí)受到其他網(wǎng)絡(luò)資源的干擾。但為了確保體驗(yàn)更好，要注意用戶體驗(yàn)（UX）和有意義內(nèi)容的持續(xù)性輸出。

認(rèn)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(xí)慣，真實(shí)感強(qiáng)烈。典型的表現(xiàn)方式為文字與配圖的結(jié)合，對(duì)于較為簡(jiǎn)單具象的內(nèi)容有較好的易讀性，而且文字也利于抽象概念的描述。如對(duì)于制作雙氧水這一生活中不常見的化學(xué)實(shí)驗(yàn)，讓學(xué)生深刻了解其交互規(guī)律，可能需要增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)提升使用體驗(yàn)和讀者的閱讀興趣。通過文字、圖像和多感官的交互進(jìn)行多種媒體的跨界融合，寓教于樂，更符合認(rèn)知規(guī)律。

教科書的虛擬演示應(yīng)注意創(chuàng)造趣味性、有意義性。學(xué)生交互的過程也是學(xué)習(xí)的過程，富于趣味性、挑戰(zhàn)性和交互性的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)才能夠讓學(xué)生保持長久的學(xué)習(xí)興趣。因此，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)絕不能僅僅展示模型、畫面等信息，更多的應(yīng)該讓學(xué)生親身體驗(yàn)實(shí)驗(yàn)操作，而不是簡(jiǎn)單地呈現(xiàn)一個(gè)模擬仿真的實(shí)驗(yàn)視頻。

6 結(jié)語

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的一些實(shí)景交互功能可以極大地提高用戶的使用體驗(yàn)。使用AR技術(shù)，學(xué)生可以將虛擬環(huán)境與真實(shí)環(huán)境相結(jié)合，達(dá)到超感官的體驗(yàn)，并且可以降低學(xué)校教學(xué)的實(shí)驗(yàn)成本，提高教師和學(xué)生實(shí)驗(yàn)的安全性。另外，AR技術(shù)使學(xué)生能夠更好地進(jìn)行學(xué)習(xí)，加深學(xué)習(xí)內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)世界之間的聯(lián)系。

此外，AR技術(shù)應(yīng)用于傳統(tǒng)教材行業(yè)，要考慮將用戶體驗(yàn)納入構(gòu)建增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)體驗(yàn)的結(jié)構(gòu)模型。交互的有意義性也是應(yīng)當(dāng)注意的，要避免增加學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷、無意義的交互，比如簡(jiǎn)單的模型呈現(xiàn)（非微觀）、炫技術(shù)的移動(dòng)，這些都是需要注意是否會(huì)增加認(rèn)知負(fù)荷的地方。在教材內(nèi)容方面，對(duì)于難點(diǎn)內(nèi)容，學(xué)生學(xué)起來還是比較吃力，對(duì)于之前學(xué)過的內(nèi)容可以通過前概念去理解認(rèn)知，而對(duì)于沒有學(xué)過的內(nèi)容，理解就會(huì)有一定的模糊性。因此，基于AR技術(shù)的數(shù)字化教材在設(shè)計(jì)與開發(fā)中應(yīng)盡量加一定的注釋和旁白，才能不至于讓學(xué)生的理解方向產(chǎn)生偏離。

參考文獻(xiàn)

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