黄海龙， 李 元

(1.吉林大学 工程训练中心，长春 130025；2.长春工业大学 人文学院，长春 130012)

0 引 言

随着移动互联网的发展和信息化教学改革的全面推进，个性化、生动化的学习方式逐渐成为普遍性的学习需求。教材作为主要的教学资源，为适应信息技术时代的发展需求和教育教学需要，与信息技术再次深度融合，增强现实技术(Augmented Reality,AR)立体可视化教材由此而产生并成为教材建设的新发展趋势[1]。

AR立体可视化教材是以现代教育教学理论为指导，以现代信息技术为支撑手段，以能力培养为目标，以彩印纸质教材为基础，集成多媒体、多形态的数字化教学资源，提供多种教学服务，并最大限度满足教学需要的数字化教学资源集合，其本质是教材内容及逻辑结构的编排和呈现形式的立体化与可视化[2]。AR立体可视化教材建设关键是充分利用现代信息技术将传统纸质教材内容转化为彩图、声音、视频、三维模型交互等数字化教学资源，并利用智能移动设备实现数字化教学资源与纸质教材两种不同媒介的联合与对应呈现，而不是传统意义上网络下载的教材配套资源和DVD光盘等，立体可视化教材建设重点是在纸质教材的基础上建设生动丰富的数字化教学资源[3]。

在立体可视化教材长期的建设与应用过程中，由于受到资源自身大容量和移动互联网络带宽、高昂流量费用限制，目前立体化教材更多表现为纸质教材和数字化教学资源两种媒介表面上、概念上的结合，并未实现广泛意义上的应用而发挥出作为移动互联网资源的优势，使学习者的数字化学习和移动学习受到很大限制，只能在WiFi覆盖与网络带宽充足的环境下使用立体可视化教材[4]。本文在多次尝试与验证的基础上开创性地提出了“移动APP浏览+云存储”的AR可视化教材呈现形式，并找到了用户体验度与资源使用效率及流量上的最佳平衡点，制定出了各种数字化教学资源在立体可视化教材上应用的制作标准，使AR可视化教材的应用能够达到更佳的用户体验。

1 AR可视化教材的建设

AR可视化教材的建设包括教材的编写、数字化教学资源的制作、移动APP开发等3个环节。为响应国家关于技能型人才培养的号召，AR可视化教材编写的原则是在传统教材编写的基础上更加突出能力培养、突出数字化教学资源在对教材内容支撑上的重要作用，包括学科知识体系规划、教学项目定制和教材内容编写等；数字化教学资源的制作包括结合知识点类型对教学资源进行的表现形式规划、教学内容设计和资源的开发制作；教材移动APP的开发是实现基于移动互联网的教材可视化与立体化最重要的环节[5]。

1.1 学科知识体系规划

在国家规划教材或校编教材编制过程中，首先应对本专业及学科进行系统分析，包括企业市场调研、职业领域、就业岗位、工作任务、专业技能分析等，确定行业典型工作任务，从而确定教材的整体内容，对典型工作任务进行整合，归纳出技能点。在综合分析的基础上整合学科知识点、形成集成学科知识结构与技能体系结构于一体的学科知识体系，为AR教材的编写搭建好知识体系框架，完成教材整体结构设计。最后以树形结构思维导图的方式将知识体系框架逐层列出，清晰地用于指导教材内容的编写[6]。

1.2 教学项目定制

对于中、高职职业教育教材和高等工程教育教材的编写，强调理实一体化教学、项目教学法教学，并且偏重实践，以实践为主、理论为辅的教学方式，在教材编写过程中，需要结合现有的教学硬件建设情况，定制、设计教学项目，将现有实践教学项目与学科知识点进行整合，一起融入项目教学法教材中，形成项目教学法学科知识体系框架。

1.3 教材内容编写

以知识体系框架为基础，遵循轻理论、重实践的原则，编制集成相关理论讲解和实践操作指导为一体的理实一体化文本教材。

1.4 教学资源规划与制作

(1) 资源表现形式规划。数字化教学资源的种类形式众多，但是适合于基于智能移动设备的AR可视化教材的资源类型主要有视频和三维虚拟仿真2种文件格式，其中视频资源包括二维平面动画、三维立体动画和拍摄视频3种，三维虚拟仿真包括三维模型交互和三维虚拟仿真操作2种类型。教材中对于原理讲解、动作顺序讲解、流程展示等知识点，资源表现形式适合二维平面动画，通过平面图形的变换、位移讲解知识原理；对于结构展示类对结构的真实性和三维立体感要求较高，强调空间立体结构的知识点，适合于三维立体动画资源，通过三维数学模型的变形、位移等运动进行知识讲解；对于对场景和知识载体的真实性要求极强的知识点，适合于拍摄视频资源，通过对知识点进行合理设计，利用摄像机直接录制专业人员规范的讲解及操作过程，经过后期的视频剪辑合成、配音、配字幕等处理后而形成的视频教学资源；对于结构组成分析等强调结构及形状认识、结构逻辑顺序展示等知识点适合于三维模型交互数字化教学资源，通过在智能移动设备上进行人机交互控制，实时旋转、放缩、显隐、透视等控制，辅助学习者进行结构组成分析；对于结构组成基础上的虚拟仿真、探究性操作类知识点适合三维虚拟仿真操作资源，在三维探究性仿真操作中完成知识学习[7]。

(2) 资源教学内容设计。资源教学内容设计即对知识点的教学设计并转换为数字化教学资源，是采用最佳的资源表现形式对知识点的讲解过程，在资源教学内容设计时主要考虑知识与资源画面、动作、视角、配音、控制方式的有效融合与同步，最终的教学资源(视频或三维虚拟仿真)即是融合了教学设计的资源教学内容设计结果。

(3) 资源的开发与制作。不同的资源类型采用的制作方法不同，二维平面动画资源一般采用Flash制作，并最终输出视频文件(*.mp4;*.flv)；三维立体动画资源一般采用3Dmax软件或者3Dvia建模、制作动画、配音、配字幕、渲染输出mp4视频文件；拍摄视频资源是利用摄像机对教学场景和教学载体进行视频拍摄，经过后期视频剪辑、配音、配字幕后输出mp4视频文件；三维模型交互资源是通过三维建模软件建立数学模型，经过实体模型面体化、减面处理后，经Unity3D软件转换处理后发布的可人机交互查看的立体模型教学资源；三维虚拟仿真操作资源是利用Unity3D软件对三维数学模型的逻辑控制，最终发布的应用于智能移动设备平台上的能够使学习者在人机交互的环境下对知识进行虚拟仿真操作探索的数字化教学资源，其中三维模型交互和三维虚拟仿真操作资源可以通过虚拟现实技术(Virtual Reality,VR)设备实现对教学资源的虚拟现实体验[8]。

(4) AR可视化教材资源标准。AR可视化教材数字化资源的有效文件格式主要有视频和三维虚拟仿真2种，为了提高AR教材的使用性和用户体验感受，经过反复地尝试与测试，最终制定出在保证资源质量前提下的最优用户体验的资源制作标准。视频资源标准：文件格式(*.mp4;*.flv)，输出尺寸1280×720，移动端码率360～512 kb/s，文件容量小于100 Mb，时长小于10 min，材质贴图类型符合规范，纹理比例合理，贴图坐标正确，光影关系统一，色彩关系协调，模型动画表达完整。在符合以上标准的前提下，视频资源清晰度足够满足知识的学习需求，视频容量小、加载速度快、所需网络带宽小、所需流量少。由于三维虚拟仿真资源采用面体模型进行交互，为保证资源表现效果、加载速度和交互的流畅性，对面体模型的制作标准要求如下：模型大小在4 Mb以内(经测试超过5 Mb加载速度变慢)，模型面数在7万面以内(大于7万面缓存时间会影响体验效果)，模型不得丢面反面，交互动画的关键节点位置对场景中所有模型部件加关键帧，以防止模型丢失。

(5) 考核试题编写。AR可视化教材的应用可以实现对学习者学习过程的跟踪、考核与统计，在设计资源考核试题时，应紧密围绕数字化教学资源所将讲解的知识点，合理巧妙地设计考试试题,可以检测出学习者对该教学资源的学习程度，考核题目必须出现在教学资源的合理位置。AR可视化教材APP后台实时记录学习者的学习路径和成绩考核结果，以对学习者的学习行为进行统计分析。

1.5 教材的排版与编辑

(1) 教材彩色插图制作。AR可视化教材(见图1)在强调立体化的同时要求突出可视化，教材的可视化应包含色彩鲜明、形象直观、简洁生动等属性，对于传统教材中的插图采用能够直观展现该知识点内容、且有代表性的彩色插图替代。彩色插图可以通过Photoshop软件绘制，也可直接在视频或三维虚拟仿真资源中截取特定的画面，其文件标准：文件格式(*.jpg;*.png)，彩色图像颜色数不低于8位色，灰度图像的灰度等级不低于128级，扫描图像的扫描分辨率不低于150 dpi，创建网络用图像分辨率不低于72 dpi，容量不大于1 Mb。

图1 AR可视化教材

(2) 资源识别码配置。为了实现教材的知识逻辑结构与AR可视化教学资源的一一对应，立体可视化教材在传统文本教材的基础上必须增加图形资源识别码，使教材APP通过智能移动设备扫描识别纸质教材中的图形识别码，根据图形识别码在APP中检索与展示对应的数字化教学资源，从而实现与教材对应的AR立体可视化学习过程，常用的识别码形式有：二维码、条形码、彩色插图、实物照片、实景等[9]。

(3) 版面设计。AR可视化教材采用可视化教材模式设计，使原本静态的图片和文字变成了动态的影像，不仅可以提高学生的学习兴趣，增强学生对知识点的理解，更使教材知识变得直观、生动。这其中最重要的一点就是教材的版面设计，生动、形象、直观、逻辑结构鲜明合理的版面设计更能提升学习者的学习兴趣和学习效果。AR可视化教材的版面设计在传统教材版面(封面、目录、扉页、编委、前言、页眉、正文、后记、尾页)设计的基础上融入更多的AR可视化元素，包括AR标识、AR资源图形识别码、可视化教材插图、多彩版面设计、APP安装识别码等元素[10]。

1.6 移动APP开发

AR可视化教材移动APP是“互联网+教材”的产物，是AR可视化教材最直接有效的应用形式，移动APP平台是支撑移动互联网在线学习的支撑平台，是支撑移动学习的平台，是互联网支撑平台的另一种形式，支撑另一种学习方式。考虑到智能移动设备的普及，在校学生几乎人手一部智能手机，即使在不具备PC机接入互联网的条件下，智能手机仍能随时在校园无线WiFi的覆盖下，通过教材APP学习支撑平台，扫描课程的资源识别码，进行移动在线学习。考虑到智能移动设备的存储容量和网络带宽的条件限制，教材APP采用 “移动APP浏览+云存储”的呈现形式，将资源存储到指定的教学资源云平台，资源采用特殊的压缩和加密方式，以最小的流量展示最大化的学习内容，学习者通过使用最少的流量快速获取尽可能多的教学资源，同时保证了APP在智能移动设备上占据较小的存储空间[11]。

2 AR可视化教材的应用

2.1 支撑课堂教学

AR可视化教材及其配套的数字化教学资源是课堂教学的有效支撑，AR可视化教材在课堂教学中的应用，通过一本教材配备一个教法，一个资源库，一个题库，一套评价方法，将立体教材所有资源应用于课堂，所有教学活动得到统计。在课前，教师组织预习活动，利用立体教材的统计功能，查看学生预习情况，每一位学习者使用立体教材学习了哪些内容、资源是否预习、预习了几遍一目了然，对于翻转课堂式教学尤为重要。课堂上，教师使用配套的教材组织课堂活动，进行随堂测试、考查学生对知识的掌握情况，实现师生之间全新的互动方式。课堂完成后，系统会纪录学生的每一次学习情况，每一次表现的测验成绩，每一次的虚拟仿真实践评价，形成科学并且清晰可见的过程性评价数据，为教学情况分析提供了重要的依据[12]。

2.2 辅助实践操作

在职业教育和高等工程教育理实一体化教学中，AR可视化教材对于实现信息技术支撑下的理实一体化教学、实现数字化教学资源与实践操作有机结合和有效利用起到至关重要的作用。在AR可视化教材的支撑下重建实践教学场地挂图，在现有的教学挂图、实践操作指导上附加数字化教学资源图形识别码，以方便学习者在学习过程中随时使用教材APP扫描识别码，或者扫描工具、设备等的外观学习对应的教学资源。在实践教学场地上将资源图形识别码与教材的学科知识体系相结合，建立起树形结构立体化教学挂图展板，将教材的逻辑结构以立体可视化的方式呈现在实践教学场地。AR可视化教材支撑下的实践教学场地中，遇到困惑的学习者不必再羞于启齿向老师或同学请教，随时打开手中的智能移动设备扫描困惑知识点图形识别码，进行复习或补充学习，实现自我答疑解惑，从而建立起信息化支撑下的实践教学环境并开展全新形式的实践教学活动[13]。

2.3 支撑自主学习

AR可视化教材支撑下的自主学习，学习形式变得丰富多彩，学习内容变得声形并茂。学习者的学习行为转变成以教材为主导，在研读教材的每一个知识点时，随时拿出装有教材APP的智能移动设备扫描教材中知识点图形识别码(见图2)，该知识点便以声音、视频、交互等数字化教学资源的形式得以全面细致地讲解，资源附带的考核试题还可以对该知识点的学习过程进行检验，使学习者随时了解自主学习的掌握程度，以便于进一步强化学习[14]。

图2 AR可视化教材应用

2.4 支撑微课与MOOC建设

支撑微课与MOOC建设是AR可视化教材应用的延伸，每一本立体可视化教材都包含丰富的数字化教学资源，其中部分教学资源自身就是一节好的微课。在立体教材的基础上，对整本书的所有知识点进行微教学设计，以数字化教学资源为基础开发微课视频，作为MOOC平台的教学资源；对整门课程进行MOOC课程结构设计，立体教材的考核试题直接转换为MOOC的单元或章节测试题，并组织期中和期末测试。以AR可视化教材为基础快速搭建起MOOC学习平台，快速构建起另一种学习方式“MOOC支撑下的翻转课堂式教学或在线自主学习”[15]。

3 结 语

本文从教材的规划与编写、数字化教学资源的设计与制作、教材移动APP开发等3个层面对AR可视化教材建设进行了详细的阐述，并提出了基于“移动APP浏览+云存储”的AR可视化教材的立体化呈现形式，优化了用户体验度与资源使用效率及流量上的最佳平衡点，制定出了各种数字化教学资源在立体可视化教材上应用的制作标准，从而使AR可视化教材能够得到更好的用户体验，提高了AR可视化教材的应用性。之后从支撑课堂理论教学、实践教学、自主学习和在线学习等4个应用层面对AR可视化教材支撑信息化教学改革进行了应用探索，实践证明AR可视化教材的应用对于更新教学观念和教学模式、提高学习者的学习兴趣和学习效率具有明显的作用，极大地提高了教材作为教学辅助资源的应用效果。