AR技术应用于产品设计史论教学实践研究

吴彦 李柯晔

摘  要：随着移动技术、人工智能等新兴技术的快速发展，技术赋能教育前景广阔。围绕增强现实技术（Augmented Reality，AR）的技术特点，探索基于AR技术教学应用的特点，并试图将其运用于产品设计史论教学实践中。通过构建体验式教学场景，设计探索式教学策略，建立基于互动的教学评价体系，以提高产品设计专业教学质量。研究证明，有效地使用AR技术在加强学生理论学习与知识提升方面具有较大的教学优势。

关键词：增强现实技术;产品设计史论;教学实践

在“互联网+教育”教学改革的号召下，通过探索各种教学辅助工具来丰富教学内容，强化和提高课程效果与课程质量，已成为教学改革的重要研究方向。研究者认为，AR技术使教学信息搜索更加便捷，人机交互更加自然，与移动学习相辅相成，集文本、图文、视频等多种界面交互优势，能够提高学习的有效性[1]，在提升教学效率方面可以发挥积极作用[2]。在产品设计专业教学领域中，AR技术在研究和实践中多集中于产品造型与产品可视化。本文意图将AR技术应用到产品设计专业理论教学实践中，通过构建虚实融合的教学环境，将教学对象直观呈现在学习者面前，增强真实感与体验感，以提升学习者的认知深度，激发学生的学习热情，提升学生的创新能力，从而达到预期的教学效果。

一、设计史论课程教学的内容与特点

产品设计史是产品设计初学者必学的专业课程和理论基础[3]，其教学目标是让学生了解现代设计变化与发展的背景，掌握产品设计的内在动机以及社会环境，从而为客观的产品评价奠定理论基础。但是在实际的教学中，模式比较单一的理论课程与多样的实践课程的课堂反馈中，明显感觉到学生的积极性有差异。对设计史论课程的不重视或者以传统的历史理论学习方式都不利于学生对设计的理解。很多学生在实践后期，甚至步入工作时才开始逐渐认识到了设计史论的重要性。周春花认为设计史课程最核心的意义在于，协助学生进行设计理论的历史框架构建，培养学生的分析综合能力，为其设计实践提供丰富的养分，促进学生自我设计思想的形成[4]。庞莉从设计与社会的关系对设计理论课程改革进行分析，设计理论的学习还有助于培养学生的全局视野。对于每一位设计从业者来说，他们的设计活动不仅仅只是为了创造出商业价值，同时也参与了当代社会文明的构建，作为将来步入设计行业的设计学习者要担负着关乎生活、艺术、环境、文化等多个层面的责任[5]。

设计史论课程针对的是本科一二年级的学生，刚刚开始接触设计学科，还没有对设计学科建立整体认识，同时，由于缺乏充分的设计实践也无法对理论知识产生深刻的理解，这些均导致了教学质量不容乐观。传统的设计史教学方式基本以时间为线索来讲解各种流派的发展，导致课程学习仅仅停留在对设计现象和设计作品的表面分析。处于被动接受理论教学的学生们，很难对这些文字表述的内容产生兴趣。在设计史论教学实践中，多数研究者从课程体系和课程内容角度入手，提出交互式教学、反思式教学、探究式教学等教学理念。

但是人工智能时代的到来使得技术与教育的结合成为必然趋势。如何通过技术赋能，将先進的教学理念与技术进行融合，改善传统的产品设计史论教学是本文探索的重点。基于增强现实的教学实践已经在很多非正式学习环境中被广泛运用，如博物馆、美术馆、科技馆等非正式学习环境中利用AR技术讲解史论知识，反馈其效果显著。

二、基于AR技术教学应用的特点

AR技术是利用现实世界与计算机生成数据的交叠，计算机生成的数字对象与物理世界的实时视图混合。与VR（虚拟现实）所不同的地方在于，VR技术借助设备使观察者完全沉浸在人工模拟非真实世界之中，而AR技术允许使用者依然可以看到真实的世界，并可通过额外的信息与虚拟对象对其进行丰富，更加适合教学实践。Azuma认为AR同时满足虚拟现实融合、实时交互以及在3D空间中精准注册的特性系统[6]。基于此三个特点总结出AR技术教学实践具有以下特点：

（一）基于虚实结合视图的可视化呈现

美国心理学家Spiro提出了认知灵活理论，其认为教学活动应与具体的情境相结合，将教学目标中需要讲解的概念具体到实例之中，避免过于抽象的概念讲解。AR技术强调虚实结合，强化真实而非完全以虚拟空间模拟环境。AR技术的虚拟成像技术可以呈现教学内容，学生可以在教室或者实验室，甚至任何地方观察教学的对象，通过真实地呈现，方便学生观察物质规律，优化教学效果。AR技术构建具有“真实感”的教学环境，可让学习者在设计好的教学环境中感知与真实物理世界相似或者相同的认知体验。AR技术可辅助构建的情境式教学环境对激发学生的探索发现意识有独特优势。

（二）基于有形表面的实时交互

AR技术的互动性为教学方式提供了一个全新的视角。通过VR眼镜或者移动手机等平台，AR提供了可供使用者自然地与现实交互的用户界面，使用者通过行为或者动作触发增强现实视图，可在有形表面或者空间中操作指令。情境认知理论中对于知识的阐述，认为知识是具有情境性的，包含在活动、背景以及文化产品之中，且在活动、背景以及文化之中被不断地运用与发展。通过介入AR技术的教学过程中，学生可利用实时操作交互以及多感官的输入信息等多种认知交互方式，以一种更为主动与全身心投入的方式来处理教学内容，从而促进教学效果的提升。

（三）基于用户内容创作的协作能力培养

教学媒介的多元化发展有助于教学形式的多样化与形象化，对AR技术来说，其通过物理在场教育的补充，打破了传统的课堂教育模式。学习者可以在学习过程中提出或搭建自己感兴趣的模型和物质，以及与他人互动场景，在各种感官实时交互的前提下，学生自主获得真实的认知体验。AR技术为教育者和学习者都提供了一个允许用户之间进行协作和探索的平台。研究证明，其在促进教育范式的多样化中，学习者从被动的知识积累过渡到包含感知理解、探索、体验、自我学习和培训等的认知范畴之中[7]。

三、AR技术在产品设计理论教学中的实践应用

（一）搭建体验式教学场景

在建筑学专业教学实践中，通过三维建模等方式将一些经典建筑实例导入AR平台中，利用AR空间投影的方式将这些经典的建筑展示出来，让学生在课堂上以更加直观的方式观察建筑内部的三维结构。这种“真实感”的体验让学生更易融入学习的氛围，亦加深对学习对象的记忆，更好地获取知识[8]。设计不是无本之源。产品设计史论教学需要让学生了解到一些优秀的产品设计以及它们产生的原因。一个好产品的诞生，必定有其丰富的历史文化传承以及时代背景。产品设计风格与产品的使用空间或者社会风潮是密切相关的。利用AR技术构建具有“真实感”的场景回顾是整个教学过程中最重要的一步，通过这种场景再现弥补传统产品史论教学环境的不足，直观呈现教学内容，让学生获得感性认知。这种体验式教学实践方式可培养学生的知识迁移能力，学生对产品的思考不再局限于某种风格的讨论之中，而是将其置于某一社会历史情境之中去理解设计背后的动机，只有让学生在体验中真实地感受到理论的魅力和与现实的关联，才能激发他们继续探究的兴趣，并可能将这种思考的过程迁移到将来的设计实践和研究之中。

（二）设计探索式教学策略

教学策略是指为了达到某一教学目的而采用的不同教学手段。如学生可通过一款名为JigSpace的学习工具（如图1），在空间中探索物体的虚拟3D模型，并将交互式3D模型投射在AR中，通过对教学内容的拆解与分析以了解物体的内部构造，使学生获得最直观的感受。同时，在一些工程操作中，AR技术的导入可解决一些书面信息和说明对工程操作带来的困难，亦可提高相关领域培训或学习效率[9]。在产品设计史论教学中，教师可提供一些实际的案例和思考题，运用探索式的教学方式指导学生理解一些概念与原理，也包含引导学生们通过阅读、实验、思考和讨论等方式去自主探究议题。例如，在对一些优秀产品设计的形态设计进行分析讲解之时，学习者不仅要了解产品的设计动机与外形之间的关系，对于内部结构、材料和制作工艺等方面也要深入了解，这就需要学生有很强的空间想象能力，在增强现实空间中，教师引导学生进入情境，学生可以在互动和刺激的环境中理解和应用概念，感知已有模型和人工制品或创建自己的模型。同时利用AR技术多用户协作空间可以添加社交、竞争或合作组件。此外，AR显示的视图在现实和已创建的世界之间几乎没有察觉的界线这一特点，提供了一种不同于完全沉浸的真实感。这种基于AR技术的探索式教学方法可调动学生主观能动性，从而完成对设计产品内部结构的知识构建。

（三）建立基于互动的教学质量评价

不同于传统的平面化教学，AR技术不仅可以搭建体验式教学场景和平台，充分调动学生的积极性，将被动式学习转化为自主探索式学习，如凯斯西储大学医学院的学生通过HoloLens在数字尸体上解剖虚拟组织辅助教学实践（如图2）。究其实质，AR技术介入教学活动之中改变了传统教学活动中教与学之间的互动关系。学生由外部刺激的知识被动接受者转变成知识的主动构建者，这种角色的转换达到了创新性实验教学所倡导的培养学生自主学习与创新能力，促进教学效果的最优化[2]。同时教师的角色在此过程中也从直接参与者转变为组织者、引导者，主要表现为协助学习者进行体验活动、引导学习者思考与交流、帮助学习者进行反思与总结。在此教学实践中，不能再以传统的教学质量、评价方式来评估教学质量。建立基于互动的教学质量评价，需要结合教学场景搭建体验感，教学策略的设计，教与学在实践中的互动程度以及学生的自我学习与探索的积极性都密切相关。

四、结语

研究表明，AR技术所表现出的特性在设计史论教学活动中具有很大的教学优势。通过搭建体验式教学场景，运用设计探索式教学策略以及建立可产生良好互动的教学质量评价来激发学生的学习动机，有助于培养学生的探索意识和自主学习能力。现有的技术为教学实践提供了多种多样的选择，每种选择都有不同的学习潜力和特定的教学设计标准，但这些依然只是教学辅助工具，一种教学形式与手段，它可以更加直白与形象地展示教学内容，但更深层次的探讨与思考并不是技术能给予的。以此为基本原则再去思考教学改革，才能让未来的理论教学改革发展得更有意义。

参考文献：

[1]Yu C C， Chen L H， Hsu S C. An Edutainment System on the Converged Mobile Phone to Promote Traditional Culture-Using Chinese Chess as an Example[J]. IEEE Multidisciplinary Engineering Education Magazine， 2010（3）：1-9.

[2]段延，倪晨，吴天刚，等.虚实融合的物理实验自主学习环境设计与实现[J].中国教育信息化，2018 （3）： 37-41.

[3]张白露.“工业设计史”课程意义、现状与教学方法[J].艺术研究，2019（3）：124-126.

[4]周春花.艺术设计史论课程的“本土化与文化转译”教学策略探究[J]. 装饰，2010（4）：75-77.

[5]庞莉.设计理论课程的体系分析及改革研究[J].美术大观，2018（11）：124-125.

[6]Azuma R T.A survey of augmented reality[J].Presence： Teleoperators & Virtual Environments， 1997 （4）： 355-385.

[7]Stefan L.Immersive collaborative environments for teaching and learning traditional design[J].Procedia-Social and Behavioral Sciences，2012（51）：1056-1060.

[8]Neumann U， Majoros A. Cognitive， performance， and systems issues for augmented reality applications in manufacturing and maintenance[C]//Proceedings. IEEE 1998 Virtual Reality Annual International Symposium （Cat. No. 98CB36180）. IEEE，1998： 4-11.

[9]Scaravetti D，Doroszewski D.Augmented Reality experiment in higher education， for complex system appropriation in mechanical design[J]. Procedia CIRP，2019（84）：197-202.

作者簡介：吴彦，华侨大学美术学院讲师。研究方向：产品设计、服务设计、设计教育（课程设计、学习成效）。

李柯晔，华侨大学美术学院硕士研究生。研究方向：产品设计。