刘世平 安文博 韩可 马梓焱 张俐 阮春红

摘 要：“增强现实技术”因为具有独特的实时交互性和可以在三维视频空间中添加虚拟物体的特点，在很多领域都成为了备受关注的热点。文章以工程制图专业基础课为例，提出将增强现实技术应用到辅助教学中。学生无需下载安装专用APP，使用微信扫描二维码或直接打开教学辅助系统网页即可使用，操作便利，降低了课程的理解难度，有助于快速提升学生的图感。基于此系统，在相关技术支持的前提下，提出了移动增强现实多层次教学策略场域模型，这个模型由一个核心（学生掌握知识）、一个智慧学习场域、三个支持点（增强现实技术支持、教师需求和技术人员）和两个反馈关系组成。围绕这个模型进行了教学实践应用，从对象层、教育层以及技术层三个层面展开分析，对于使用增强现实的教学研究者具有一定的参考价值。

关键词：工程图学;增强现实;教学模型

一、移动增强现实技术的优势

近年来，增强现实技术（Augmented Reality，AR）越发得到人们的重视。与传统虚拟现实技术（Virtual Reality，VR）所要达到的完全沉浸的效果不同，增强现实是一种实时地计算摄影机影像的位置及角度并加上相应图像、视频、3D模型的技术，致力于将计算机生成的物体叠加到真实场景上，以便使它们一起出现在使用者的视场中。[1]这种基于现实世界、由虚拟数据增强的交互手段，给教育者提供了一种新的教学方式，对于抽象内容的教学具有很强的指导意义。[2]在数学立体几何教学中，根据三视图唯一的原理，利用增强现实技术将二维平面图形与三维立体模型相结合，免去传统教学中手工制作模型的麻烦，这一类的应用展示了增强现实技术在几何学科应用中的巨大优势。在化学学科中涉及大量无法直接观察到的内容（例如分子结构等），有的研究者设计了若干个化学物质结构的虚实融合操作实验，极大地提高了学生学习兴趣与对物质微观结构的理解。大量的实证研究表明，增强现实技术在学习支持和教学上具有很大的潜力与应用前景。

移动增强现实是增强现实的一个分支本。传统的增强现实系统多以可穿戴外接设备为载体，这种设备携带困难且不易维护。随着科技的发展，以手机、平板电脑为主的移动设备极大地推动了移动增强现实的应用[3]，讓增强现实技术的应用领域更加广阔，交互手段也更加人性化。本文在相关教育、学习理论的指导下，以移动增强现实为技术支持，完善设计策略，构建深度学习场域策略模型，从而为增强现实技术在教育中的应用给予指导，对于使用增强现实的教学研究者有着一定的借鉴意义。与传统教学相比，增强现实主要具有如下优势。

（一）丰富的交互手段，创造移动学习

增强现实强调的是虚实结合，将虚拟的物体叠加到真实的世界上，是对真实世界的补充。它允许使用者看得到真实世界。对于一些“抽象认知”的知识，增强现实可以将其转化为具体的情景，不同的知识都可以塑造不同的情景，让学生可以更加直接地获得学习知识。

传统的教学方法一般分为课堂教学和课后练习两个环节。学生遇到难点，很多时候都要自己去理解、消化。碰到不能理解的难点，也很难及时解决。而且增强现实可以实现移动学习，打破了教学条件的限制，教师只是一个辅导者。即使不在课堂，学生也能够在课后通过移动增强现实技术再一次沉浸在学习情景中。解决了因为部分教师表述不明确所造成的理解盲区。学习者在学习的时候，不再受限于场地。通过电子设备和书本，就能随时随地进行学习，学习是无缝连续的，实现了移动学习。

（二）激发学习兴趣，降低认知难度

在很多大学基础课程上，都存在一些难以用语言去描述的知识。例如机械专业的工程制图以及其他专业一些需要学生去进行空间想象的课程。对于一些“图感”不够强的学生而言，这无疑阻碍了他们的学习。对于一些“图感”较强的学生而言，即使他们能够想象出大部分，但是一些细节还是难以想象，在得不到及时解答的情况下，也会让学生产生挫败感。增强现实技术能够直接、生动地将抽象化的东西以三维的形式表达出来，通过虚实结合，更加利于学生的理解和记忆，提高了学生的自主性，降低了对学习认知者的迁移能力的要求。这种交互方式，极大地提高了学生的学习参与度，满足了学生的好奇心，让学习变得简单和自然。

（三）更深的沉浸式学习，强化知识认知

心理学家维果斯研究发现，人是社会的产物，学习与人也是分不开的。基于维果斯理论和其他学科理论，产生了情景认知理论。这个理论主要是强调学习是情景化的。在课堂上，教师要尽可能逼真地反映知识的应用场景，要与人类的社会实践情景有联系。开展情景学习常用的方法主要有三个：1.在真实的户外开展;2.在课堂上进行实践体验，给学生创造情景认知机会;3.借助现代科技真实模拟地将这一场景进行再现。方法1的效果应该是最贴合人类的认知行为的，但是受限于各种客观因素，大多数情况下只能选择方法2和3。

移动增强现实技术有机地将虚与实结合了起来，使得认知情景能够进一步接近方法1的效果。和传统教学资源相比，最大的优势体现在所构建的沉浸学习环境上。[4]增强现实的元素多为三维元素，学生在这种环境中学习，他们的感官体验得到了极大的提升，感觉到的不再是二维抽象的知识难点，而是三维立体的知识再现，将一些抽象、复杂的过程形象化、可视化，使得学生能够同时同步感受到真实世界中虚拟事物的变化，转换手机视角，不同的视角下呈现的内容也不一样。增强现实营造的三维沉浸式教学，增强了学习者的体验感，使学生能够更加快速地学习，进一步加深对知识的认知，达到深度学习。

二、系统总体设计与工作流程

虽然很多教学研究工作在课程中使用了增强现实技术，但大都是在Android/iOS平台实现的，或者通过Unity3D发布，用户在使用前至少需要下载一个应用程序并安装在手机中。繁琐的安装过程既占空间，也易激发学生的抵抗情绪。基于网页的增强现实则很好地解决了这个问题。本文在WebAR技术的基础上，开发了网页移动端工程图学教学辅助系统，学生可通过微信扫描二维码实现增强现实交互式教学。

（一）系统总体设计

本文AR系统由云服务器端和网页端组成。云服务器端主要功能为提供Web服务器，同时托管系统代码，提供增强现实标识库和三维模型库资源的存取。网页端通过移动浏览器进行域名解析、调用摄像头和服务器资源，完成视频采集、标识检测、三维注册和虚实融合、页面显示等。[5]

根据教学需求，网页端AR系统应具备的主要功能包括：面向微信浏览器开发以及无需安装、快速识别AR标识并叠加等功能。设计系统总体架构图如图1所示。

（二）系统使用流程

本教学辅助系统基于网页设计，可在移动端和PC端支持WEBRTC技术的任意浏览器中直接运行。学生变换手机观察位置，能够观察到不同角度的三维模型，达到直观理解的目的。系统的工作流程主要有以下几点。

建立模型：三维模型是增强现实系统的基础，模型的准确程度直接影响教学的效果。根据教学经验选择习题集中的典型图样，利用PRO/E软件进行三维建模。采用基础、复合和多边形相结合的建模方法，严格控制每个模型的面数以保证系统的流畅运行和良好的显示效果。[6]

网页获取视频流后，将其按帧转换为二进制图像，随后在其中搜索所有的正方形（方形标识）;如果找到并且匹配和识别方形标识（方形和嵌入的图像）后，则认为搜寻成功，并建立标识ID和模型库的对应联系。

虚实融合：在用户视场中，叠加在标识上的虚拟模型应与标识的位姿一致，三维注册过程已将当前姿态对应的变换矩阵给出，可直接用于模型叠加。

实际应用效果如图2所示。显示效果符合预期，测量表明，本系统运行时帧数稳定在57～60帧/秒，符合增强现实的要求。

三、建立多层次教学策略场域模型

（一） 建立模型基础

1.学习场域

“场域”一词起源于19世纪中叶的物理学，现在作为社会学的重要领域之一，揭示了“场景会影响人的每一个行动”这一现实。我们的学习也算是一種场域。“学习场域”一般指的是学生和学习资源间的一种交互。多位学者已经论证了场域对于学习的重要性。不同的环境下学生的学习效果也不相同。阎乃胜将深度学习总结为一种基于场景的学习技巧，从深度学习的两个情景属性进行了论证，证明了场景深度对于学习的重要性。创建真实批判的课堂场景，学生的思维会更加活跃，更加能够激发自己的动力去学习。[7]相比于传统的学习场域，深度学习场域主要具有以下几个特征：（1）学习目标更高，学生在该场域中能够更深入地理解知识，具有深层次的学习思维和较强的问题思考能力。（2）学生学习的主动性和积极性更高。（3）淡化形式教育，着眼于学生的学习效果。同时，深度学习场域分为内在场域和外在场域。内在场域由交互、体验以及反思等构成。外在场域则由技术平台、学习设备以及其他工具等用来辅助学习的物理载体构成。

2.智慧学习环境

社会认知理论认为学习环境与学生学习效果之间具有很强的相关性。最初的学习环境只包括物理环境和心理环境。20世纪80年代，计算机逐渐普及，到了21世纪，便携电脑、传感器技术、无线通信等极大地推动了学习环境的发展，智慧学习环境由此产生。李海峰、王炜把学习环境从对象层面分为了物理学习环境、技术学习环境、资源学习环境和情感学习环境。[8]物理学习环境主要由自然环境和人为元素构成。技术学习环境是利用各种技术组成的学习设备，决定了学习者的学习体验。资源学习环境则涉及移动增强现实用到的学习资源以及在线学习时生成的学习资源。情感环境的关注焦点主要在于学习者的思维状态和情感波动。Kinshuk教授认为智慧学习环境更应该是技术和实体的有机结合。

3.教学策略

《辞海》对于“策略”一词的解释是计谋策略。对于这个词较为普遍的一种认知是为了达到特定的目的所采取的所有方式的总和。教学策略指的是为了达到教学效果，所采取的方法、技术的总和。C.M.Reigeluth将教学策略分为了组织、传递和管理三个策略。David Merrill将教学策略解读为能够让实用技术和内容相互匹配的教学策略。教学策略是一个宏观的模型，是对于教学的一种论述。教学策略对于教学系统以及教学模型的运作有着举足轻重的意义。在课堂上具体表现为教学的内容设计是否符合学生的接受能力，教学安排能否顺利完成，以及是否能够达到预期教学目标，等等。“利用新技术来做什么”“现实存在什么问题”等都应该考虑在内。

（二） 建立模型

国外学者Chris Dede通过自己设计的EcoMUVE系统并且结合采访对施教者的态度和意见进行了调研，结果表明更加积极高效的监督能够改善教学质量。所以本文把教师督察也放入到模型中。

学习是一个渐进的过程，深度学习亦是如此。赵晶娴将认知、构建、迁移、应用作为深度学习的内涵。[9]在这个模型中，我们以学生的掌握程度作为终极目标，通过技术和理论支持，抛开了传统的依靠自身的重复性练习式教学，以学习特征分析为基础，结合建构主义学习理论、深度学习场域相关理论知识，提出了一种基于增强现实的深度学习场域策略模型。该模型由一个核心（学生掌握知识）、一个深度学习场域（深度学习内在场域和深度学习外在场域）、两个反馈关系（学生与教师之间的反馈和教师与技术人员之间的反馈）以及三个支持点（增强现实技术支持、教师需求和需求转化工具）组成。（见图3）

四、教学策略模型应用

为了验证基于移动增强现实技术的教学策略模型的效果，本研究选取了华中科技大学147名本科生作为研究对象。具体的应用过程如下：按照大班教学，将147名学生分为A、B组，一组采用传统的工程制图教学，另外一组采用基于增强现实技术的深度学习策略教学模型教学，具体步骤是“知识预习——教师讲解——深度学习——疑问解答——意见反馈”。首先，学生围绕教师提前布置的知识点进行预习，遇到难以想象的模型时可以借助增强现实辅助工具加深理解，教师采用将技术与内容相匹配的教学策略进行教学，之后，进入深度学习环节，通过认知、构建、迁移、应用四个环节让学生自主理解知识，然后进行疑难解答，对学生还没有消化的问题进行讲解。最后就是意见反馈，学生提出该教学环节中的不足，以促进下次更好的教学改进。

为了更好地了解将该教学模型应用到工程制圖当中的效果，我们采用了两种方法对模型的效果进行分析。

问卷调查法：本研究编制了课程满意度问卷，采用李克特五点量表方法设计了LAAM问卷，通过有效性、易用度等四个维度来进行检测。在课程结束后的最后一节课，通过团体测试的方法发放了测试问卷147份，回收有效问卷144份，有效率达98%，通过问卷调查，研究的用户接受度如表1所示。

由表1可知，在对于学习认知方面的探索式学习方法上，平均得分在4分以上，而且高分占比超过了85%，说明学生更加认同该教育模式的探索式学习模型，但是对于反省思维的打分偏低，说明该教育模式对于反省思维的培养方式还有待改进。

关于该增强现实产品的体验，我们这里主要列举了满意度、乐用度和丰富度三个度，其中，满意度和乐用度的评分都在4分以上，表明该产品对学生思维的培养得到了学生的认可，但是丰富度的评分过低，还需要后续对课件以及课后习题的内容作出进一步的完善。

成绩分析法：等到该学期结束时，对两组学生的试卷进行评分，并对试卷结果进行统计分析，分析结果如表2所示。

从表2可以看出，实验组的平均成绩明显高于传统教学组，最高分与标准差的差别不是很大。实验组的最低分相比于传统教学组的最低分要高，同时，在高分人群占比方面，实验组的高分占比达到了一半以上，比传统教学组提升了17.2%。我们可以得到如下结论：增强现实的沉浸式教学能明显提高学生的成绩。

五、多层次教学策略模型分析

（一）对象层分析

1.激发学习动机，创造移动学习机会

陈大鹏的《大学生学习观现状、原因及对策》一文已经说明了当代大学生厌倦学习的主要原因不是学习压力过大，而是学习的动力和信心不足。[10]学不懂、问题得不到及时解决都成为了学生学习信心不足的原因。新时代大学生这个群体，有着很多的新型特征，不同于上一辈的学习者，作为在数字环境中成长起来的一代，他们能够熟练地使用电子产品，对于新事物都有着强烈的好奇心。增强现实技术作为近几年比较热门的领域，将其引入到教学中，也会引发学生的兴趣。通过对系统的不断摸索，将会让学生更加轻松地理解知识，做到快乐学习。

对于知识的传授，建构主义理论是这样认为的：知识是学习者在特定的情景下利用相关的资料，通过意义建构的方式获得，教师是有意重构的帮助和促进者，这是学习者学习认知过程的普遍认知规律。这个观点也表明了知识主要来自于学生自己的体验和感悟而不是教师的传授。将移动增强系统引入到教学中去，会给学生创造移动式学习和更多自主学习的机会。

再好的系统也有自己的缺点。所以在本模型中还设有反馈环节，学生与教师的反馈主要有两个方面。一个是对于课堂环节的反馈，是对于知识疑点的反馈，希望能够得到教师的解答。另外一个是对于教学系统的总结性评价反馈，学生根据自己真实的使用体验提出合理的意见。

2.打造高效课堂，解决传统教学弊端

具体来讲，该系统对教师的影响主要体现在两个方面：（1）2018年8月，教育部、财政部、国家发展改革委印发的《关于高等学校加快“双一流”建设的指导意见》明确指出要更加注重人才培养模式的创新，推动信息技术、智能技术与教育教学深度融合，构建“互联网+”条件下的人才培养新模式。在“双一流”建设背景下，教师的科研任务也很多，如果将移动增强现实技术融入到部分学习难度较高的课程中去，会让学生的学习变得相对容易，让课堂更加高效，从另外一个角度来说，也会减轻教师的教学压力和负但，让教师轻松教学。（2）教师是学生学习的引导者和教学的主导者，在传统教育课堂中，教师需要帮助学生建立知识点之间的联系，搭建完整的知识框架，其对知识和技能的讲解，受限于技术和硬件条件，大多数情况下只能用言语展开，为了让所有人都能理解透彻，还需要对一些知识难点进行反复讲解，这无形中增加了教师的负担，而且对于掌握这个知识点的学生来说，会降低他们的学习效率。教师的知识难点讲解不透彻，会导致学生产生知识困惑。使用该系统，可以减轻学生对于教师的依赖，即使有学生没有理解透彻，他（她）也可以在课后使用该系统进行二次学习，让教学脱离教室场地的限制。

教师不但是技术设计需求的提出者，也是技术开发的监督者和建议者。为了提高教学的质量，教师必须亲自参与技术的资源设计，这也要求教师要有更敏锐的眼光，先对增强现实技术进行充分的理解，而不是急于将其与现有的知识融合，当增强现实技术运用到教学中时，不断提高自身知识水平，领悟这项技术本身的优劣势，能够将知识的核心在技术上表现出来，真正做到移动增强现实技术和教育的深度融合。教师和技术人员的关系，更多的是合作共赢关系，技术人员是满足学生需求和教师要求的工具缔造者。学生使用该系统能将自己的意见通过系统或者直接传达给教师，让其知晓。然后教师会对这些意见进行整理。最后将问题的核心再反馈给技术人员，由技术人员进行问题的处理和改进。在该场域中形成了一个积极的正反馈循环。

（二）教育层分析

学生对于知识的掌握和理解程度的高低是衡量一个模型好坏的重要评判标准，也是模型教育层面分析的重要指标。国内外学者现在统一将深度学习的内涵分为元认知能力、主动交流合作能力、深加工能力、创造性思维和共情体验能力等维度。

元认知能力主要表现为学生自我管理的能力，包括是否有明确的学习目标，是否有学习动力及自身的学习计划，等等。工程制图作为机械工程专业的入门学科，重要性不言而喻。但是学习工程制图所需要的空间想象能力和前期一些较难理解的知识点会在很大程度上阻碍一些学生的元认知发展。如果学习中一开始就不理解而且课后得不到解决，问题会越积越大。既影响了学生学习的动力，也影响了教师的教学质量。移动增强现实系统很好地解决了这个问题，作为课堂的第二个教师，这个系统可以从根本上增强学生的自信心和学习动力，让学生学习起来有路可循，有问必解。

主动交流能力是学生在课堂上与教师、同学进行互动并在课下能够自主实践的能力，它也能够从侧面反映出学生的听课活跃度。移动增强现实中每一个模型、每一个场景的设定都是教师经过深思熟虑的，具有一定的示范性、典型性和参考性。使用移动增强现实辅助教学，避免了部分学生因为害羞而不敢与教师、同学进行主动交流的现象发生。

深加工能力和创造性思维更多的是学习层次上的一种衍生，具体涵盖了记忆、推理、思考归纳等多种能力，体现了知识的深度和广度。在移动增强现实系统中学习，学生可以随时随地学习，真正做到“哪里不会扫哪里”，减少了因为外界条件和思维卡顿造成的学习不能专心的弊端。与传统学习方法相比较，相同的时间投入成本下，学生使用这个系统能够更快地沉浸在深度学习中。

（三）技术层分析

移动增强现实的核心分为三个方面：虚实空间跟踪注册、虚实景物融合、人机交互。跟踪注册是移动增强现实技术的关键。借助于手机相机的快速发展，跟踪注册通过手机相机中的“扫一扫”就能实现，模型和场景的显示也能够在浏览器中完成。

本技术采用人工标记的方法，手机摄像头通过采集真实环境中的标记即可实现对虚拟模型的定位和跟踪。这种方法操作简单、稳定且具有较高的平台支持性。

参考文献：

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（责任编辑 黄铭钊）