基于AR技术的数字化教材设计模式探究

李秋实

摘  要 增强现实是信息技术与教育整合的一种创新形式，学习者可在现实和虚拟结合的环境中探索知识。基于AR技术的数字化教材以传统纸质教材作为载体，通过识别图像特征点使动画模型跃然纸上。结合基于情境学习的设计模式、基于设计的研究模式，提出基于AR技术的数字化教材可参考的设计模式及一般流程。

关键词 增强现实技术;数字化教材;情境学习

中图分类号：G642.0    文献标识码：B

文章编号：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领域的教材主要是传统纸质教材和电子书。对于传统纸质教材，对学习者视力影响较小，也符合大多数学习者的阅读习惯，但其缺乏交互性、生动性、沉浸性。市面上流行的电子书呈现知识内容较为生动，同时便于携带，可同时集文字、图形、图像、声音等多媒体综合刺激读者感官，提高学习者认知事物的能力;但大多数电子教材仅将传统纸质教材读物内容直接搬移到设备上，产生的交互性单调生硬，对于像物理、化学等实验情境较多的教材，学生很难通过想象在真实情境中还原实验的过程。

增强现实技术，即AR技术，是广义上虚拟现实技术的扩展，当学习者产生互动时，将情境和教具与学习三者之间建立有意义关联。增强现实技术能将熟悉的场景生成丰富的变化，将已有的情境进行意义重构，持续输出的变化也能持续地激发学习者的好奇心。基于AR技术的数字化教材能将真实环境下难以把控的实验进行仿真模拟，无限拓展学习情境，重现实验的真实操作，符合学习者对于逼真度和具身认知的需求，以最熟知和简易的方式进行探索，更适合过于抽象和难以理解的内容。因此，基于AR技术的数字化教材的设计与开发具有实用性和价值性。

2 增强现实教材国内外现状

AR教材国外研究现状  AR教材是基于显示器来对教材所叠加的识别图片进行实时查看所呈现的虚拟对象。AR不仅能够进行物理世界和虚拟世界之间的无缝衔接，还为用户提供了具象性的体验和连续而自然的交互。根据新媒体联盟（NMC）的“地平线报告”，增强现实技术代表了科技行业投入的大量资本，并被视为未来几年发生的重要发展之一。鉴于此，AR教材将纸质印刷教材的阅读习惯等优势与数字化互动内容相结合，可能值得深入探讨。

Billinghurst的Magic Book是AR教材的开端。它将教材内容通过三维动画和模型进行创新型表现，读者既可以阅读文字，又可以通过配套的眼镜来观看跃然纸上的数字化场景，便于读者更好地理解内容所表现的情境[1]。Tsai

讨论了在父母参与的AR图书阅读中，学生的认知策略和行为模式。随着技术和教育融合趋势的发展，一些教育研究努力探索AR技术的虚拟信息与物理环境混合以实时呈现的特点，在辅助教育中扮演什么样的角色并且起到哪种程度的效果。这些研究的发现主要表明了AR技术的优势，并且进一步解决了AR对科学和工程学习等领域学习效果的积极影响[2]。相对较少的研究探讨AR技术如何与纸质书籍（AR书籍）结合起来帮助学生阅读。最近的一项研究表明，在AR学习背景下，儿童对AR教材内容的想象可以扩展[3]。由于AR在阅读中的作用已被以前的研究所强调，因此建议在研究相关问题时加倍努力。

AR图书国内研究现状  国内对增强现实的关注也在逐渐增多，但是主要还集中在算法实现和优化阶段，在教育领域应用很少。国内更多关注软件算法，与教育结合的作品还在成长中。

苏俊钦分析了儿童在此类书籍中学习的有效性，设计开发一套AR拼音教材，以期加深儿童对拼音的理解[4]。百度公司推出面向智能手机的增强现实平台，如图1所示。针对高考热门知识点，百度教育推出AR考点解析，通过手机百度扫描教科书上的知识点，即可触发相关知识点的AR解析，操作简单。目前支持的高中知識包括安培定律、动物激素调节、地球公转、有机分子等高考热点，在对模型进行360°旋转操作的同时会配合相应解说，让学习者在乐趣中学习。基于AR技术的数字化教材知识内容的表达富有生机，学习更加有趣。

梦想人软件科技公司构建了AR+数字图书出版系统，如图2所示，并与国内外近100家出版集团开展合作。如“4D书城”可通过手机商店免费下载，是国内首创集成AR和VR技术的少儿教育娱乐内容平台，使原本平面、抽象的文字变成立体、形象的多媒体内容，增加了阅读兴趣，生动的展现形式拓展了思维方式。

3 基于AR技术的数字化教材设计模式

基于情境学习的设计模式  情境学习理论（Situated Learning）是一种情境化的学习理论，情境学习发生在社会环境，触发于个体实践，同时是综合要素互动的过程[5]。埃蒂斯·考温大学的研究人员在交互式多媒体教学模式设计中运用情境学习的原理，如图3所示。情境学习理论为AR数字化教材的设计模式提供了新思路，在情境学习的理念和方法指导下，遵循AR和具体学科教材的特点来进行设计与开发。

基于设计的研究模式  基于设计的研究模式能够解决现实中出现的教育问题，在真实的情境下，管理者、研究者、实践者和设计者共同协作，通过形成性研究过程和综合运用多种研究方法，根据来自实践的反馈不断改进，直至排除所有缺陷，形成可靠而有效的设计，进而实现理论和实践双重发展的新兴研究范式，其研究的核心是设计开发、实施、分析评价和完善优化[6]。基于AR技术的数字化教材设计与开发，可采用基于设计的研究范式来执行教材的设计开发与评估过程。研究过程主要经历四个阶段，每个阶段都需要教育干预，基于设计的研究一般过程如图4所示。

4 基于AR技术的数字化教材设计流程

基于AR技术的数字化教材制作分为四步：获取真实社会环境中的信息，纸质媒体上相关图形内容;以相机镜头和现实情境的相对位置来计算虚拟模型到场景视平面的映射;按照仿射变换矩阵在视平面上绘制虚拟物体，设计与生成图形内容的虚拟物象;最后直接通过S-HMD显示或与真实场景的视频合并后，一起显示在普通显示器上。增强现实的实现方式需要大量精细的坐标和定位数据来呈现无缝衔接。

根据增强现实特点，结合以上参考流程，对基于AR技术的数字化教材的设计流程进行改进。以AR虚实融合的交互式教材环境设计中的问题为研究起点，平台开发者、教学案例设计者以及最终学习者共同参与分析实践问题;设计为主线，依据相关理论框架和技术，过程中不断进行教育干预，进而形成开发方案。根据应用效果反复检测、评估与反馈，往复调整设计方案，以期更有效地解决AR虚实融合的交互式教材环境设计中存在的问题;最后反思、总结并完善开发原则及应用策略等，由此为下一轮迭代循环研究做充分的准备，如图5所示。

5 建议

通过整理大量国内外文献资料，对比基于AR技术的现实数字化教材和传统纸质教材、电子书之间的优劣，希望能为AR技术应用于传统教材行业提供一定的参考。

技术方面  传统纸质媒介的数字化版本大多是基于手机、平板电脑等移动设备，阅读时对眼部损伤偏大，而且联网使用时干扰较多，阅读者很容易分散注意力;资源良莠不齐，更多的是图片和文字内容的简单平移。而基于AR技术的教材读物以纸媒为载体，对眼部伤害相对较小，并且增强现实技术把平面教材难以展现的信息通过模拟仿真叠加到图书中，移植性强，可以使学生注意力更集中，防止在使用平板电脑时受到其他网络资源的干扰。但为了确保体验更好，要注意用户体验（UX）和有意义内容的持续性输出。

认知交互方面  传统的纸媒教材在千百年的传承下更符合用户的阅读习惯，真实感强烈。典型的表现方式为文字与配图的结合，对于较为简单具象的内容有较好的易读性，而且文字也利于抽象概念的描述。如对于制作双氧水这一生活中不常见的化学实验，让学生深刻了解其交互规律，可能需要增强现实技术提升使用体验和读者的阅读兴趣。通过文字、图像和多感官的交互进行多种媒体的跨界融合，寓教于乐，更符合认知规律。

教科书的虚拟演示应注意创造趣味性、有意义性。学生交互的过程也是学习的过程，富于趣味性、挑战性和交互性的增强现实才能够让学生保持长久的学习兴趣。因此，增强现实绝不能仅仅展示模型、画面等信息，更多的应该让学生亲身体验实验操作，而不是简单地呈现一个模拟仿真的实验视频。

6 结语

增强现实的一些实景交互功能可以极大地提高用户的使用体验。使用AR技术，学生可以将虚拟环境与真实环境相结合，达到超感官的体验，并且可以降低学校教学的实验成本，提高教师和学生实验的安全性。另外，AR技术使学生能够更好地进行学习，加深学习内容与现实世界之间的联系。

此外，AR技术应用于传统教材行业，要考虑将用户体验纳入构建增强现实学习体验的结构模型。交互的有意义性也是应当注意的，要避免增加学习者的认知负荷、无意义的交互，比如简单的模型呈现（非微观）、炫技术的移动，这些都是需要注意是否会增加认知负荷的地方。在教材内容方面，对于难点内容，学生学起来还是比较吃力，对于之前学过的内容可以通过前概念去理解认知，而对于没有学过的内容，理解就会有一定的模糊性。因此，基于AR技术的数字化教材在设计与开发中应尽量加一定的注释和旁白，才能不至于让学生的理解方向产生偏离。

参考文献

[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]蘇俊钦.扩增实境应用于中文注音符号学习之研究[D].台湾：国立成功大学工业设计研究所，2004.

[5]殷玉新.情景学习理论及新进展研究：基于莱夫和温格的思想探索[J].成人教育，2014，34（10）：4-8.

[6]张文兰，刘俊生.基于设计的研究：教育技术学研究的一种新范式[J].电化教育研究，2007（10）：13-17.