基于增强现实技术的立体化教材研究与开发

郭 瑾，高英杰，霍达明，刘蕴纬

(辽宁师范大学 计算机与信息技术学院，辽宁 大连 116029)

随着时代发展和科技进步，越来越多操作便捷且内容丰富的电子书、在线视频教学资源涌现并对教育教学产生极大影响.它们相较于传统纸质书籍而言，虽有诸多便利，但在内容呈现上依然没有脱离扁平化媒介[1]，仍未解决教学形式单一，师生交互困难等问题.本论文通过对人工智能、大数据和增强现实技术的研究，探究相互融合的途径，并以解决传统教学问题和创建实时交互课堂环境为目标，研究并设计立体化新型教材.此教材以传统纸质教材为基础，以增强现实技术为支撑，基于虚实结合的技术特点实现教材内容立体化呈现.对立体化教材的定义，大多数学者认为是融合网络学习资源和纸质教材，以现代教学理论为指导，通过一体化设计，服务师生课堂教学活动需要的整体解决方案[2].

国内外学者在立体化教材方面的研究取得了显著成果.Peter Brusilovsky提出在开放的情境下，立体化教材的个性化导航对满足交互需要和帮助学生学习有巨大意义[3].Joseph Defazio针对教材开发，提出在立体化教材建设中应充分结合集成交互性多媒体[4].刘蕴等通过对高职院校计算机专业立体化教材建设情况的综述，认为当前教材编写针对性差、教材设计多元化不足且教材对网络资源利用率低[5].顾菲主张新一代大学英语立体化教材应结合计算机虚拟信息技术，引入中国传统文化，促成英语学习的良性循环[6].

增强现实(Augmented Reality，简称AR)是虚拟现实(Virtual Reality，简称VR)的扩展，它允许用户在看到真实世界的同时看到置于真实世界中的虚拟对象[7].当下增强现实技术逐步融入教育领域，基于增强现实技术的教育产品不断出现.在立体化教材的基础上，AR立体化教材便应运而生，其在内容上追求增强现实的立体化形式，应用方面旨在实现学生、教师、教材“三位一体”的实时交互和沉浸式学习.因此，课堂教学中使用AR立体化教材能激发学生独立思考，有利于培养和锻炼学生动手实践能力及观察分析能力，进而推动理实一体化教学模式的实现，推动技能型人才的培养.

1 AR立体化教材开发的可行性

作为重要教学工具的教材与增强现实技术相结合，能真正的使教材内容“活起来”，实现立体化教学.笔者基于增强现实技术交互性、沉浸性、个性化等特点，结合微课等现代教育技术，以纸质教材为基础与多种技术相结合探讨立体化教材新形式.AR立体化教材不仅使教材内容多样化呈现，也有助于突破传统教材的空间局限性，提高学生学习动机和学习兴趣，进而为革新课堂教学活动奠定媒介基础.

1.1 有助于优化教材内容呈现

AR立体化教材基于增强现实和微视频等技术，对教材内容重新规划，使教材内容呈现形式得到了质的改变.加速教学内容数字化、教学过程清晰化，营造了全面新颖的教学环境.基于增强现实技术虚实结合的特点，将以往抽象刻板的内容以更加灵活的形式展现，结合微课的理念和技术整合有关教学资源，使教材内容更加生动形象.

1.2 有助于实现沉浸式学习

学生对枯燥抽象的知识往往缺乏学习兴趣且难以集中注意力，增强现实技术依靠其沉浸性特点优化课堂教学，对促进学生沉浸式学习具有积极作用.

北京师范大学蔡苏团队以数学相遇问题为例，研究了增强现实技术应用于课堂模拟仿真对学生学习的影响，该实验利用基于增强现实技术的应用程序进行，给予学生“实地观察”相遇过程的参与感，从而使学生获得身临其境的沉浸感，进一步加深对解决问题的理解.实验研究结果表明增强现实技术不仅有助于学生实现沉浸式学习，对提升学习兴趣，降低认知负荷也有显著效果[7].

蔡苏团队证实了“AR+教育”的可行性，以及增强现实技术对沉浸式学习的促进作用.多技术融合应用于教育有助于教学立体清晰，结合微课视频，实现眼、耳、手的同步参与，对提高学习效率有极大帮助.百度教育推出的AR考点解析，是通过手机扫描教材上的内容，来触发相关知识点解析和立体模型，同时还配合相应的语音解说，多感官出发使学习者身心投入[8].

1.3 有助于促进师生实时交互

教学中师生交互是学生获取知识的重要途径，AR立体化教材基于增强现实技术实时交互的特点在教学中充当知识载体和交互工具的角色，对学生创造性的培养有重要作用.为探究增强现实技术与教育结合的有效方式和积极意义，国内外学者对增强现实技术应用于教学活动展开多方面的研究，并取得显著成果.

其中，韩国Lee团队受“大富翁”游戏的启发，开发基于增强现实技术“大富翁”教育游戏[9].在游戏中学生投掷骰子使游戏人物移动，通过骰子点数探索数字的规律，学生们更多的是将这种教学当做一场游戏，通过教师的引导和对游戏的探索，不知不觉间便学到了数字的规律.此实验证明实时交互的游戏过程对学习者具有强大的吸引力，对实现沉浸式学习有极大的帮助.

国内蔡苏团队为探讨增强现实技术对学生学习体验和学习效果的影响，自主开发了基于Android手机的抛硬币程序来学习数学概率章节内容.实验过程中学生使用手持设备进行抛硬币的实验，一方面避免了课堂中使用真实硬币带来的不便，另一方面师生共同参与并记录实验过程的各种数据有利于师生在交互中互相学习.在实验结束后，研究人员通过对课程效果的分析发现增强现实技术对学生学习积极性有显著的提高[10].诸多实验证实教学活动是教与学的双向交互活动，单方面的教会导致填鸭式教学，不利于学生个性发展，使用增强现实技术不仅使教学活动丰富多彩，更有助于实现教学要素间的实时交互，从而提高教学质量.

1.4 有助于实现个性化教学

与传统教材相比，数字化教材资源在深入解读新时期课程标准的前提下，以手机、平板电脑等移动电子设备为依托，借助科学技术的革新来凸显数字化教材的交互性和灵活性，以数字化教材为信息化学习的接入口，推进个性化教学的发展[11].AR立体化教材的优势主要体现在技术资源的整合和合理利用，致力于打造新奇的教材内容吸引使用者.一方面实现教材内容、结构和呈现形式的多样化，另一方面基于教学双边活动的性质，为教师提供个性化教的机会，为学生创造个性化学的机会.这种立体化教材框架理论上面向所有书本，尤其对于充满好奇心和求知欲的中小学学生，不仅有利于使他们专注课堂学习，而且对传统课堂学习环境有较大的优化作用，对学生言语表达能力、动手实践能力都有极大提升.

2 AR立体化教材框架设计

传统纸质教材以文字和图片的形式承载知识信息.在此基础上，AR立体化教材合理使用增强现实技术革新教材内容呈现形式和优化教学活动组织环节.基于概念定理与实验活动的不同知识性质，AR立体化教材分别采用AR微课和依托AR目标图片的实验活动进行教材设计.

2.1 设计AR微课和智能题库辅助课外自学

AR微课是融合人工智能、大数据、微课、增强现实技术于一体的微视频教学形式，其设计理念是基于人工智能和增强现实技术实现视频中的授课教师在增强现实环境下立体呈现，这有助于使学生产生教师陪同下学习的临场感.其次，教材中设置微课，不仅在形式上可以打破教学的时空限制，实现随时随地的学习，而且学生无论是课前还是课后都可以反复观看微课视频，这为学生理解和掌握知识内容提供了可靠的保证[12].将理论讲解和例题分析存储于二维码形式下的AR微课，学生通过扫描二维码观看教学视频，在一定程度上更有利于提高课前预习和课后复习效果，如图1所示.

图1 AR微课设计流程

另一方面将传统教材内容中的例题详解和概念解析转移到AR微课中，纸质教材保留抽象概念和例题题目，减少解释说明的内容，将剩余空间设置为笔记区域，学生根据自己学习情况填充笔记，进一步提高学生学习的自主性.

课堂教学需要一些必要的及时练习和课后作业来巩固学习成果，因此AR立体化教材基于大数据技术整合网络习题资源，通过对数据集的分析，按照题型和解题难易编写算法设置分类习题资源库.学生登录习题库可进行自测，教师可使用题库筛选题目给学生布置作业或安排考试.此外，将试题中的图形和实验设计成AR识别图片，在做题中强化交互学习效果，培养学生的动手能力和立体思维.

AR微课以增强现实的形式呈现，整合多种信息技术和课程资源，随着信息化教学普及，在未来必将成为教育教学活动的重要资源.

2.2 制作AR目标图片实现“人材交互”

传统教材中立体图形和实验讨论均以平面图片的形式呈现，内容相对抽象.因此，基于增强现实技术开发AR立体化模型和AR教学实验，建成360度全景模式的学习场景，有助于进一步实现“人材交互”效果.首先通过3Dmax对所收集的目标图片进行建模，然后导入到Unity3D中使目标图片与3D模型匹配，最后编译生成Easy AR软件.传统教材中的二维图片也就成为了目标识别图片，师生使用Easy AR对其扫描即呈现出对应的立体模型.

目标识别图片是AR立体化教材的重要组成部分.例如:在高中数学立体几何三视图的新授课教学中，教师使用AR立体化教材向学生讲演相关知识的同时，学生也可独立对图形进行旋转、平移等操作，如图2所示.这不仅使学生实践操作能力得到培养，而且有利于激发学生自主探究教材内容的动力，加深对知识的理解.增强现实技术的运用有助于立体课堂的建成，为学生和教师带来全新的学习和教学环境.使用AR立体化教材学生能够反复观看AR微课、研究AR模型或是进行AR模拟的实验，而不用再考虑资源损耗和实验危险等问题[13].

图2 数学AR立体化图形设计与应用流程图

AR立体化教材的创新在于它不仅提高了师生交互效果，而且实现了学生与教材内容的实时交互.强调学生与教科书的交互，重视学生的自主学习、主动探究和个性化学习能力的培养，是新型数字教科书开发的应有之义[14]，也是增强现实技术在课堂教学中的重要价值体现.

3 AR立体化教材在高中教学中的实践

为了验证AR立体化教材在课堂教学中的应用效果，选定高中数学三视图部分内容进行教材设计，图3所示的是选自2020年全国二卷高考真题第7题，基于本题进行了教材建设实践.题目要求学生依据正视图和俯视图中对应的点，通过观察分析进一步推断该几何体上的给定点在侧视图中的位置.解决此问题一般需要先结合三视图发挥想象绘制出原立体图形，找出该点对应的位置，进而确定在侧视图中对应的字母.与传统方法不同，在日常练习或讲解时使用数学AR立体化教材，学生只需借助设备扫描目标识别图片，在AR环境中就会显示题目所对应的原几何体立体图形，通过按钮和设定好的指令可与该立体模型直接交互，如图3所示.

图3 高考真题及其AR交互模型

其中,实现AR模型旋转和平移的代码分别如下：

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

{//旋转

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;

}

实现AR模型平移的代码如下：

void ButtonClicked(int i)

{//正负1与正负2 向不同轴移动

if(abs(i)==1) //向Y轴正/负半轴移动10个单位

transform.Translate(new Vector3(0.0f,10.0f*i,0.0f),Space.World);

else if(abs(i)==2) //向X轴正/负半轴移动10个单位

transform.Translate(new Vector3(5.0f*i,0.0f,0.0f),Space.World);

}

对AR模型进行标点与连线的相关代码如下：

while(pointList.Count>pointCounter)

{//Draw Lines 画线

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

{//设置物体的位置Vector3三个参数分别代表x,y,z的坐标数

GameObject NewObj=CreateCube(pointList[pointCounter-1],pointList[pointCounter]);

NewObj.transform.parent=thisObj.transform;

LinesObj.Add(NewObj);

}

pointCounter++;

}

//Draw Points 画点

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++;

}

通过AR立体化教材设计使学生与教学内容完成交互，如图黑色标记即题目中所研究的点.学生在与AR模型交互过程中可以从多角度观察几何体，这对学生学习三视图知识和建立空间思维能力有极大助力作用.充分发挥AR立体化教材实时交互性的特点，使学生在交互探索的过程中积极主动的汲取知识.

为了验证AR立体化教材在课堂教学中的应用效果，在2020—2021年进行了教学实践.2 a的对比效果表明，高中数学AR立体化教材在学生学习立体几何知识的过程中既加速了知识内化，也促使学生在操作中逐步提高思维创造力.教材的建设模式得到了辽宁省大连市某中学教师和学生的认可.AR立体化教材深入贯彻“教师为主导，学生为主体”的教育理念，对实现课堂教学形式多样化和个性化、实现课堂实时交互和沉浸式学习具有重要价值.

4 结 语

AR立体化教材是互联网技术高速发展的产物，是以增强现实技术为主导融合多种技术产生的教材新形式.它不是技术的堆砌，而是在技术优势推动下的教材进化，是与信息化社会更契合的教学媒介.但是，AR立体化教材的建设和全面普及需要技术人员、教师和学生等多方面的共同努力，其在课堂活动中的巨大价值必能成为未来必不可少的教学媒介.

教材资源的开发是一个动态过程，边开发边使用，在使用中改进，是一个持续更新的过程[15].在后续的研究中作者将继续深入对AR立体化教材的研究和改进，致力于开发更具普适性、更优质的教材来为教育教学服务.