人工智能时代的资源新形态：AR电子教材及其学习体验设计框架

钱静 胡永斌

摘 要：智能时代的到来，增强现实与人工智能相互融合、渗透的程度越来越高，AR电子教材设计正在成为人工智能时代教育资源的新形态。首先，本研究界定了AR电子教材的概念，分析了国内外AR电子教材相关研究;其次，本研究分析了AR电子教材与传统电子教材的区别与联系，阐述了AR电子教材的典型特征;最后，本研究提出了AR电子教材的学习体验设计框架。为了验证AR电子教材学习体验设计的有效性，本研究开发实践案例并进行了学习体验评价。结果显示，AR电子教材的学习体验设计框架能够有效指导AR电子教材的设计与开发。

关键词：增强现实;AR;电子教材;学习体验设计

中图分类号：G434 文献标志码：A 文章编号：2096-0069（2022）02-0077-08

收稿日期：2021-09-15

基金项目：2021年江苏省研究生实践创新计划项目“具身认知视域下中学信息技术课程教学设计研究”（SJCX21_1102）

作者简介：钱静（1997— ），女，江苏如皋人，江苏师范大学智慧教育学院硕士研究生，研究方向为VR/AR技术教育应用;胡永斌（1978— ），男，江苏徐州人，博士、副教授，本文通讯作者，主要研究方向为VR/AR教学应用。

引言

教材是国家意志的体现和民族文化传承的载体，也是学校教育教学的基本依据。2019年2月，中共中央、国务院印发的《中国教育现代化2035》提出了未来一个时期我国教育发展的指导思想、总体目标和战略任务[1]。其中，义务教育优质均衡发展、高中阶段教育普及和信息化时代的教育变革等方面，都与基础教育阶段教材建设密切相关。这意味着教材在基础教育现代化过程中具有重要价值，教材研究与实践将迎来新的机遇和挑战[2]。随着教育进入人工智能时代，国家高度重视中小学教材，特别是数字教材建设，教育部印发的《教育信息化2.0行动计划》明确提出，要将数字教育资源列入中小学教材配备要求范围[3]。数字教材多以PC端运行为主，具有一定的交互功能，而且能集成电子文本、图像、视频等媒体内容，多是作为传统教材的电子化形态呈现。然而，数字教材对于抽象或具有情境性的学习内容无法生动表现，学习体验也不尽如人意[4]。为了解决这一问题，苹果公司发布了iBooks Author套件用以改善用户在iPad上的数字教材阅读体验[5]。虽然這种方式从工具层面上对数字教材予以支持，但究其根本，基于ADDIE教学设计框架开发的数字教材并不能显著提升学习体验。

新媒体联盟（New Media Consortium）发布的《地平线报告》多次指出，增强现实（Augmented Reality，简称AR）将成为基础教育和高等教育发展中长期所采用的关键技术[6][7]。AR是近年来较为流行的新型内容呈现技术，是指以计算机图形、可视化等技术为核心，将虚拟的信息与真实环境相融合，从而达到超越现实的感官体验的数字化技术[8]。通过该技术，用户不仅可以看到真实世界以及融合于真实世界之中的虚拟物体，还能与之交互，形成个人探索空间，引导用户深入探究。因此，AR电子教材可以定义为一类在符合课程目标要求、遵循学生阅读规律、结合学生学习方式的前提下，利用AR技术将传统纸质教材与三维模型或动画虚实结合，以有效组织学习活动、提升学习体验的电子书。AR电子教材的使用一般需要与传统纸质教材相配合，当学习者使用移动终端扫描纸质教材上的相关插图时，与插图对应的三维模型将展现在学生眼前，任其观察，并可通过拖动、滑动、点击等手势进行操作。AR电子教材能够加深学习者的沉浸学习体验，进而对学习者的认知、情绪、知觉、行为等带来一定的积极影响。

近年来，在用户体验、设计思维和教学系统设计等相互影响下，学习体验设计（Learning Experience Design，简称LXD）正在成为一个跨学科的新兴研究领域[9]。电子教材设计、学习空间设计、教育游戏设计、开放课程设计等实践领域特别重视评价和提升学习体验，正在经历从重视教学设计到重视学习体验设计的转变。由于学习体验设计还是一个正在发展中的新兴领域，其理论、方法和流程等尚不成熟，应如何开展AR电子教材的学习体验设计是众多学者关注的问题[10][11]。本研究拟探究AR电子教材的典型特征、学习体验的设计框架等问题，以期进一步提升AR电子教材的学习体验和教育潜力。

一、相关研究

在幼儿阅读领域，国外研究者开发了AR电子绘本引导幼儿进行趣味阅读。儿童只需戴上一个特殊眼镜，便能看到AR电子绘本Magic Book中虚实结合的三维场景和动画[12]，提高孩子对实物的认知。

在科学教育领域，不少学者还将AR电子教材应用到中小学课程中。比如，美国肯塔基大学研究员开发了一款辅助学生学习月相知识的AR电子教材[13]。该软件可在离线状态下，让学生借助3D动画观看月相变化的四个阶段。研究结果显示，该软件能够激发学生的科学探索精神。此外，日本学生在学习立体几何时，应用“东京书籍”应用程序扫描教科书[14]，可直观了解空间形态。

在相关政策的扶持下，国内出版社出版了多部较有价值的AR电子教材。2018年3月，电子工业出版社出版的科普图书《未来机械世界》[15]将书中文字变成可见的场景，提升青少年对机械的认知。2019年10月，浙江科学技术出版社出版了名为《新能源汽车维修》的AR新形态立体教材[16]，通过扫描教材中的图片可展现汽车内部三维模型，读者可缩放、旋转模型，全方位、多角度观察学习各个机械部件。

不少中小学教师也在基础教育学段开展了大量AR电子教材的适用性实证探究[17]。例如，在数学函数图象的学习上，借助AR技术，学生无须画出复杂的图象，降低耗时又可以多角度观察实时生成的函数，有利于学生思维形象化和加深对函数图象的理解;在物理凸透镜成像实验中，通过AR软件来操作虚拟器材，科学准确地展现物理规律，为学生提供丰富的科学学习机会;在地理大气系统学习中，学习者扫描教材，获得虚拟模型，从而了解大气分层及影响天气变化因素等知识，提升学生对地理自然学习的兴趣和效果。

通过以上分析可以看出：①国内外已经有不少开发AR电子教材的研究案例，较大范围应用的案例还比较少见;②已有研究表明，AR电子教材应用于教学实践可以提升学生的学习兴趣，加深他们对知识的理解;③介绍AR电子教材的学习体验设计理论、方法和流程尚不多见。因此，本研究探讨AR电子教材的典型特征、学习体验设计框架等问题，可为学习体验设计者提供基本理论，并基于此，开发实践案例进行学习体验评价，探究其价值。以此开发的AR电子教材，不仅能帮助学生构建虚实结合的新型学习方式，还能帮助出版机构构建电子教材供给新业态。

二、AR电子教材的典型特征

一般来说，传统电子教材按照课程标准和教学大纲实施开发，包含课文、注释、插图、实验、习题等教学资源包，集成了多种辅助学习工具和多媒体学习材料，用以支持组织教学活动[18]，其以PC端或移动端为载体，实现传统教材内容的数字化呈现，可以替代传统教材。AR电子教材则是利用AR技术对纸质教材进行增强，它离不开传统教材。AR电子教材的价值在于能将传统电子教材中抽象难懂的学习内容和难以操作体验的实验情境进行呈现。AR电子教材与传统电子教材的区别与联系，具体如表1所示。

AR电子教材强调与传统教材的融合应用，呈现出如下特征。

（一）图书隐喻

图书隐喻是个人或集体从图书中获得关于某个领域的知识在大脑的表征的集合，强调阅读者和图书本身所起到的作用。AR电子教材设计应依赖于纸质教材而不能与之脱轨，在内容、呈现、体验等方面却又高于纸质教材。因此，AR电子教材设计应与图书的基本属性相关联，遵循学生基本的图书阅读习惯。

（二）虚实结合

虚实结合是指既保留纸质图书的图文设计易于阅读的特点，又能充分利用AR所提供的三维模型和交互特性。在AR电子教材的设计中，应充分发挥二者的优势。一方面，要选择内容适切、图文美观的纸质教材作为AR电子教材设计的基础;另一方面，要优选逼真的三维模型、场景，减少虚拟场景信息与真实情境脱离造成的“离身感”，同时加强交互设计以提升操控性。

（三）沉浸体验

沉浸体验是指人们在从事某项活动时，注意力高度集中，调动所有相关的感知觉，全身心地投入当前情境中。沉浸体验会给参与活动的个体带来极大的乐趣，使个体能够重复地进行同样的活动而不感到厌倦。在AR电子教材的设计中，要努力营造轻松的视听感受、逼真的场景模型、易读的界面设计和舒适的操控感，提高学习者的沉浸体验。

三、AR电子教材的学习体验设计框架

学习体验设计的诞生和发展源于信息时代教学设计的实践诉求[19]。有学者认为，传统教学产品的设计以教学设计为基础，忽视了学习者的学习体验;在学习体验设计层面，应跳出课程设计的局限，考虑学习者的整个学习经历[20]。因此，本研究以经典用户体验模型的学习体验设计框架为参考[21]，并结合AR电子教材的开发特点，提出了AR电子教材的学习体验设计框架，如图1所示。其中，学习体验包括策略层、需求层、结构层、交互层和感觉层;设计流程包括学习者分析、教材内容分析、目标设定、内容设计、模块设计、媒体设计、交互设计和学习体验评价。

（一）学习体验设计的层次

AR电子教材的学习体验设计从抽象到具体共有五个层次，分析层次间的逻辑关系可以理清不同抽象层次的意义。

（1）策略层。设计者需要明确教材重难点知识及内容组成结构、学习者的认知结构和学习风格等，形成知识建模图，该层的主要目标是制定相关策略，为后续设计提供基础。

（2）需求层。设计者需要制定准确的学习目标及确定AR电子教材中具体的学习内容，把握知识点间的内在逻辑，精心设计AR电子教材的学习目标及学习内容。

（3）结构层。设计者需要进行模块设计以确定模块的逻辑结构，还需要进行媒体设计，确定媒体的呈现形式。

（4）交互层。设计者需要确定AR电子教材中的互动对象，定义互动方式和互动逻辑，然后完成代码编写，实现信息交互功能。

（5）感觉层。感觉层构成了学习者体验AR电子教材的表象及感觉。在AR电子教材原型产品开发完成后，需要进行学习体验评价和反馈，根据反馈结果进一步修订和优化。

（二）学习体验设计的流程

在学习体验设计框架的五大层次的基础上，笔者对AR电子教材的学习体验设计流程的八个具体步骤做进一步阐述，以求增加AR电子教材设计与开发的可操作性。

（1）學习者分析。不同年龄段的学习者在认知结构、学习动机、学习风格、知识基础等方面存在差异，这就需要通过问卷或访谈等方式对学习者进行深入了解，也需要对教学名师进行采访或咨询，根据反馈信息，完善学习者分析。

（2）教材内容分析。教材内容分析需要熟悉课程标准和纸质教材的逻辑体系，把握教材内容及其他相关材料，对知识点进行提取和归类，并根据知识建模规范绘制知识建模图。知识建模图强调了知识点之间的联系，以网络化结构展示了知识的从属关系，其被认作教育系统设计的客观依据之一[22]，也为AR电子教材中模块内容的设计提供了参照。

（3）目标设定。学习目标为学习者明确了学习方向。对教材内容及学习者分析后，应从各课程的核心素养出发，结合AR技术特性，制订AR电子教材科学、高效的学习目标。

（4）内容设计。根据前期生成的知识建模图，并在已设定的学习目标下，选择重难点知识内容，确定内容呈现的先后顺序和呈现形式等，为模块、媒体设计提供依据。

（5）模块设计。对知识点内容划分章节模块，设计模块具备的功能（如笔记记录、问题讨论等）。

（6）媒体设计。在需求分析和内容设计的基础上，结合模块设计，奠定AR电子教材整体基调，并对教材中的元素（图形界面、三维模型、媒体信息等）进行设计，合理安排信息布局，符合用户视觉表达。在对媒体元素设计开发过程中，立体化的虚拟模型十分重要。

（7）交互设计。根据内容、媒体、模块的关系，确定交互对象、交互关系和交互逻辑，选择合适的电子教材开发平台和计算机语言实现交互功能，通过不断迭代形成具备良好学习体验的AR电子教材。

（8）学习体验评价。该部分包括两方面的评价：一是功能测试，即测试AR电子教材的所有功能是否全部实现;二是感觉体验反馈，按照学习体验设计框架层次设计调查问卷和访谈提纲，并邀请专家、教师和学生提供反馈评价意见。之后，依据反馈结果，迭代循环、迭代修订，直至完成AR电子教材开发。

四、实践开发及学习体验评价

为验证AR电子教材的学习体验设计框架的有效性，本研究开发了一款针对中学生物课程的AR电子教材——“AR生物课堂”。本研究分别从策略层、需求层、结构层、交互层、感觉层五个层次对该软件进行了学习体验设计，并从学习者分析、教材内容分析、目标设定、内容设计、模块设计、媒体设计、交互设计、学习体验评价等八个步骤进行了设计与开发。该电子教材的开发工具为Unity 3D和Vuforia AR插件，开发周期为四周。开发完成后，本研究进行了定量和定性相结合的学习体验评价。

（一）实践开发

学习者分析和教学内容分析是进行AR生物电子教材设计的前提条件。根据前期调查可以发现：八年级学生具备一定的抽象思维能力，但仍需借助一些具体形象事物的支持。

1.绘制知识建模图

通过问卷和访谈的形式对学生及授课教师提问，了解学生生物课程的基本学习情况。与经验丰富的教师对纸质教材中的学习内容以知识建模图的方式详细罗列各知识点及其逻辑关系，形成的最终知识图如图2所示。

2.设定模块及功能

为了配合生物课程的教学以及考虑学生的接受能力，“AR生物课堂”在模块设计上，知识点的呈现顺序顺应纸质教材，按章节呈现。同时此教材还具备了测试功能，通过自主测试可及时了解自身的学习情况。“AR生物课堂”的模块及功能设计图如图3所示。

3.媒体开发

在学习者特征、内容选择及模块功能的引导下，进行AR生物教材的媒体开发。首先，“AR生物课堂”选择深蓝色作为主体基调，附着与学习内容相关的元素，在二维界面上体现立体层次感，且含有生动的背景音乐，以强烈的视听觉冲击力吸引着学习者的学习兴趣;其次，三维模型的呈现效果决定着教材质量，因此，将真实的生物图片作为参照，利用3D建模软件设计真实立体模型，并使用蓝色标签标明对象，通过构建的逼真场景给予学习者高沉浸体验感;最后，布局排列各类媒体，完成媒体设计。

“AR生物课堂”的交互设计包括按钮点击出现解说、扫描图片呈现模型和手动控制模型旋转与缩放等。学习者通过旋转、缩放三维模型，全方位了解知识点;通过点击交互测试题选项，习题下方能及时给予答案及解析反馈。该案例应用Unity 3D平台进行开发以及Visual Studio软件进行代码编写，实现交互功能。

（二）学习体验评价

本研究采用自编“AR电子教材学习体验”调查问卷和访谈提纲。调查问卷分别从策略层体验、需求层体验、结构层体验、交互层体验和感觉层体验五个维度进行设计，采用李克特四点量表计分：设置选项A、B、C、D分别表示非常同意、同意、不同意和非常不同意，也分别对应4分、3分、2分、1分的分值。小范围试测结果显示，该问卷的效度和信度较好。

本研究的访谈提纲主要涉及如下六个开放性的问题：①对策略层设计（学习者分析、教材内容分析等的适切性）有何看法？②对需求层设计（目标设计、内容设计）有何看法？③对结构层设计（模块设计、媒体设计）有何看法？④对交互层设计（交互对象、交互关系、交互逻辑等）有何看法？⑤对感觉层设计（操作流畅性、舒适性等）有何看法？⑥该教材的整体使用体验如何？

在软件开发完成后，本研究邀请2名教育技术专家、2名中学生物教师参与评价，还邀请徐州市铜山区某中学八年级80名学生参与体验。在用户对此电子教材进行相关了解以及实际操作后，填写学习体验调查问卷。调查结束后，本研究又随机选取了10名学生，进行一对一的访谈。访谈对象的平均年龄为14.5岁，包含男生4人，女生6人。专家评价及学生评价结果如表2所示。以下将详述专家评价和学生评价的结果。

1.专家评价

从表2可以看出，专家对“AR生物课堂”的整体评价较高（M=3.47，SD=0.52）。①策略层体验（M=3.25，SD=0.50）和需求层体验（M=3.25，SD=0.30）得分较高，专家认为此应用与教材内容匹配程度高，内容比较丰富，科学性强。②结构层体验（M=3.67，SD=0.58）、交互层体验（M=3.50，SD=0.75）和感觉层体验（M=3.69，SD=0.48）得分很高，专家认为“AR生物课堂”对可操作性的三维模型设置精细，画面丰富，音效层次强，拥有高沉浸学习体验感。此外，专家十分肯定此教材的存在意义，认为采用三维立体化形式的教学材料能够培养青少年的抽象思维，这比仅仅依靠平面化的书本形式和纯讲授的教学方式更加吸引学生，有助于学生对知识的消化与吸收，利于提升学习效果，拓宽学生视野，丰富课程知识，让学生热爱生物课程。

2.学生评价

由表2可见，学生认为“AR生物课堂”应用程序具有極强的体验感（M=3.55，SD=0.52）。①策略层体验得分较高（M=3.45，SD=0.67），学生认为“AR生物课堂”的整体设计符合此年龄段的学习需求，学习的知识点间的内在逻辑也比较清晰。如顾同学说：AR生物电子教材分章节呈现知识点，且知识点间过渡清晰，在学习新知识前还可以回顾旧内容。②需求层体验得分很高（M=3.63，SD=0.46），学生认为学习内容与纸质教材知识点十分匹配，重难点把握到位，学习目标能够有效指导生物学习。如陈同学说：“AR生物课堂”学习内容生动有趣，某些知识点在课堂中授课教师都没有提过，能够拓宽其生物学科的知识面，增加对生物课程的学习兴趣。③结构层体验得分较高（M=3.47，SD=0.50），学生认为虚拟的三维立体模型弥补了教材中二维图像的不足，在无须依靠想象力的情况下便可直观学习，使学习内容更加容易理解。如袁同学说：对于能够立在设备上的立体模型表示十分惊讶，学习过程中沉浸性很强。④交互层体验得分高（M=3.55，SD=0.49），学生认为通过手动操作虚拟模型，便能全方位查看知识点的物理形态，在交互学习中轻松获得知识;然而，此程序一旦设备偏离纸质教材图片就无法显现模型，不能很轻易地向他人展示。如李同学说：软件中的模型从未见过，觉得十分有趣，想与同学交流时，因为设备旋转角度过大，便不能看到模型，因此比较失落。⑤感觉层体验得分很高（M=3.65，SD=0.47），学生对“AR生物课堂”的试用体验比较满意，自身的视、听等感觉器官被充分调动，且立体化的教材形式避免了学生凭空想象书本上的图片形态。如耿同学认为，丰富、真实的立体化模型增加了自己学习生物课程的动力，他想继续使用此软件，也希望学校也会使用此应用程序来帮助自己和同学掌握更多知识。

与此同时，专家和学生也针对“AR生物课堂”提出了一些改进建议：目前，应用程序中的模块还未涉及教材中全部内容，需要进一步扩展模块与完善应用功能;软件中的交互形式较为复杂，互动效果也有待提升。

五、结论

AR电子教材能高精细度地呈现教材中预设的学习内容，并通过人机手动交互，使学生全身心地投入所构建的虚拟场景中，达到全方位展示学习内容的目的，其将成为技术变革教育的新趋势。AR电子教材重视学习体验设计，不仅提升了学习者的学习沉浸感和满意度，也提高了学习者的学习效果。开发的案例实践证明，本研究提出的学习体验框架能够有效指导AR电子教材的设计与开发。然而，学习体验设计依旧处于新兴阶段，针对各学科设计的AR电子教材的应用效果也未有明确标准的评价指标。未来，关于AR电子教材学习体验设计及其应用评价标准，相关研究人员以及教育教学者仍需不断探讨与实踐。

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（责任编辑 王策）

New Form of Resources in Artificial Intelligence Era： AR Electronic Textbook and Its Learning Experience Design Framework

QIAN Jing，HU Yongbin

（Research Center of Wisdom Education，Jiangsu Normal University，Xuzhou，Jiangsu，China 221116）

Abstract： With the coming of smart era，the integration and permeation degree of augmented reality and artificial intelligence is becoming higher and higher.The design of AR electronic textbook is becoming a new form of education resource in the artificial intelligence era.Firstly，this research has defined the concept of AR electronic textbook，analyzed the researches related to AR electronic textbook at home and abroad;then，analyzed the differences and correlation of AR electronic textbook and traditional electronic textbook，and explained the traditional characteristics of AR electronic textbook;after that， put forward learning experience design framework of AR electronic textbook. In order to verify the effectiveness of learning experience design of AR electronic textbook， the research has developed practical cases and done an evaluation of learning experience.The results show that the learning experience design framework of AR electronic textbook can effectively guide the design and development of AR electronic textbook.

Key words： Augmented Reality;AR;electronic textbook;learning experience design