增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)具的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用*
——以“AR電路學(xué)具”為例

陳向東，喬 辰

(華東師范大學(xué) 教育信息技術(shù)學(xué)系，上海 200062)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)具的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用*
——以“AR電路學(xué)具”為例

陳向東，喬 辰

(華東師范大學(xué) 教育信息技術(shù)學(xué)系，上海 200062)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)具將虛擬信息融入真實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境，使信息的呈現(xiàn)既能與真實(shí)物理空間對(duì)應(yīng)，又不受學(xué)具真實(shí)屬性的約束，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)學(xué)具的諸多不足。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入學(xué)具的開(kāi)發(fā)，能夠向?qū)W習(xí)者提供降低認(rèn)知負(fù)載的知識(shí)訪問(wèn)接口，從物理感知、認(rèn)知、情境三個(gè)維度拓展了學(xué)具的應(yīng)用。該文通過(guò)“AR電路學(xué)具”的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用，介紹了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)具需求分析、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、調(diào)試與分布的完整流程，給出了相應(yīng)的技術(shù)選型方案和開(kāi)發(fā)實(shí)施路線，提供了實(shí)際應(yīng)用方案。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)具的研究可以強(qiáng)化學(xué)具的助學(xué)功能，拓展學(xué)具的應(yīng)用范圍，豐富教學(xué)工具的表現(xiàn)形式與互動(dòng)手段。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；學(xué)具；電路學(xué)具

一、引言

學(xué)具是一種輔助教學(xué)活動(dòng)的重要工具，它能夠?qū)⒊橄蟮男畔⑥D(zhuǎn)化為具體的形態(tài)，向?qū)W習(xí)者提供直接的觀察或觸控體驗(yàn)，從而刺激學(xué)習(xí)者的多維感官。然而，傳統(tǒng)學(xué)具的表現(xiàn)力受其物理載體的限制，在很多應(yīng)用中效果不太理想。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、體感控制、可穿戴設(shè)備等各類新技術(shù)的涌現(xiàn)，大大豐富了教學(xué)工具的表現(xiàn)形式與互動(dòng)手段。將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于學(xué)具的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)，可以使學(xué)具以一種新的形式發(fā)揮輔助學(xué)習(xí)的功能，拓展了它的應(yīng)用前景。

二、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)具的作用

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是一種融合真實(shí)世界和虛擬世界的成像技術(shù)，它將計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)渲染得到的虛擬信息呈現(xiàn)在真實(shí)世界相應(yīng)的注冊(cè)區(qū)域之上。所謂的注冊(cè)區(qū)域可以理解為存儲(chǔ)在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)程序中的真實(shí)世界影像，例如一張圖片或者一個(gè)標(biāo)記，程序能夠從攝像頭捕獲的視屏輸入流中比較并識(shí)別這些“注冊(cè)”了的影像，同時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的虛實(shí)疊加操作。

將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入學(xué)具，既能夠保留學(xué)習(xí)者直接操控實(shí)物材料的真實(shí)體驗(yàn)和空間臨場(chǎng)感，又能夠利用計(jì)算機(jī)處理和呈現(xiàn)豐富的教學(xué)信息。除此之外，借助AR技術(shù)融合真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境，在支持實(shí)物操控體驗(yàn)的同時(shí)，通過(guò)感知真實(shí)環(huán)境中的變化(學(xué)習(xí)者改變作為標(biāo)記的學(xué)習(xí)素材的位置、方向或外形；學(xué)具系統(tǒng)通過(guò)各種傳感器或GPS定位系統(tǒng)檢測(cè)到環(huán)境的變化)對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)行為做出反饋，這一方式使得增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)具(以下簡(jiǎn)稱AR學(xué)具)虛擬信息的呈現(xiàn)更為自然。

和所有學(xué)具一樣，AR學(xué)具需要嵌入學(xué)習(xí)目標(biāo)，并且其學(xué)習(xí)內(nèi)容的呈現(xiàn)應(yīng)當(dāng)充分發(fā)揮增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。AR學(xué)具在一定的學(xué)習(xí)目標(biāo)下安排合適的內(nèi)容、設(shè)計(jì)潛在的學(xué)習(xí)互動(dòng)，并將這些要素通過(guò)適當(dāng)?shù)氖褂靡?guī)則整合到學(xué)具中去，提供教學(xué)信息訪問(wèn)的接口。有別于一般學(xué)具的是，AR學(xué)具的使用，要求學(xué)具系統(tǒng)必須斟酌目標(biāo)主體的技術(shù)接受能力、學(xué)習(xí)習(xí)慣及其認(rèn)知規(guī)律，從而使AR形式的學(xué)具在有效助學(xué)的同時(shí)，不產(chǎn)生額外的認(rèn)知負(fù)擔(dān)。

AR學(xué)具在教學(xué)過(guò)程中所起的作用如下頁(yè)圖1所示。在一個(gè)以AR學(xué)具為載體的學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)習(xí)者與虛實(shí)資源的交互是教學(xué)活動(dòng)的重要組成部分，通過(guò)各種視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)信息以及與對(duì)應(yīng)于真實(shí)物體方位的虛擬資源的交互，AR學(xué)具使得學(xué)習(xí)者受到多維度的感官刺激，擴(kuò)充了其知識(shí)內(nèi)化的信道數(shù)量。

圖1 AR學(xué)具的作用形式

圖1的模型也反映了AR學(xué)具的應(yīng)用功能，它承擔(dān)著呈現(xiàn)和傳播教學(xué)內(nèi)容的職能。學(xué)習(xí)者直接與AR學(xué)具交互，通過(guò)學(xué)具提供給他們的訪問(wèn)通道去接觸所學(xué)內(nèi)容，這也是AR學(xué)具的價(jià)值所在—向?qū)W習(xí)者提供降低了認(rèn)知負(fù)擔(dān)的知識(shí)訪問(wèn)接口。

當(dāng)然，在教學(xué)內(nèi)容、學(xué)具和學(xué)習(xí)者要素之外，該模型還包含教師或其他協(xié)調(diào)人員。通常情況下，學(xué)習(xí)活動(dòng)都直接或間接的需要協(xié)調(diào)者的組織，不論是老師的課堂引導(dǎo)、布置家庭作業(yè)，還是家長(zhǎng)的家庭輔導(dǎo)。另外，AR學(xué)具應(yīng)當(dāng)能夠記錄學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)狀態(tài)，實(shí)時(shí)或異步地將學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)情況反饋給教學(xué)組織者以及學(xué)生自身，從而促成AR學(xué)具環(huán)境中各要素之間的信息溝通。

TinkerLamp就是這樣一種典型的AR學(xué)具[1]。它是一個(gè)用于倉(cāng)儲(chǔ)管理職業(yè)培訓(xùn)的AR學(xué)具，學(xué)習(xí)者可以在學(xué)具提供的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)倉(cāng)庫(kù)模型中對(duì)理論知識(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從而將理論與實(shí)踐聯(lián)系起來(lái)。學(xué)習(xí)者借助學(xué)具實(shí)體部分(貨架、辦公室、貨運(yùn)碼頭等塑料模具)與學(xué)具交互，學(xué)具將增強(qiáng)效果反饋給學(xué)習(xí)者。同時(shí)，教師也可以通過(guò)TinkerKeys(標(biāo)記)與學(xué)具進(jìn)行交互，切換學(xué)具的不同狀態(tài)、控制學(xué)習(xí)進(jìn)程，并由此與學(xué)習(xí)者進(jìn)行直接或間接的交互。

對(duì)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)對(duì)于學(xué)習(xí)的作用，有學(xué)者曾經(jīng)從物理感知、認(rèn)知和情境三個(gè)緯度進(jìn)行了分析[2]?；谶@三個(gè)維度，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)拓展了傳統(tǒng)學(xué)具的應(yīng)用。

(1)物理感知

物理接觸的體驗(yàn)是一個(gè)人認(rèn)知世界的最原始方式。與鼠標(biāo)、鍵盤控制圖形界面發(fā)生抽象交互的形式不同，支持物理世界真實(shí)交互的AR學(xué)具能夠以真實(shí)的觸感、自然的實(shí)時(shí)交互降低學(xué)習(xí)者操控體驗(yàn)的時(shí)空隔閡。同時(shí)，相比于虛擬學(xué)具需要掌握計(jì)算機(jī)操作技能，使用AR學(xué)具完全可以利用學(xué)習(xí)者已經(jīng)慣用的真實(shí)物體作為操作接口，在一定程度上抑制了額外認(rèn)知負(fù)擔(dān)的產(chǎn)生。

認(rèn)知心理學(xué)中具身認(rèn)知(Embodied Cognition)的觀點(diǎn)認(rèn)為[3]，在學(xué)習(xí)的過(guò)程中認(rèn)知主體的身體屬性也是認(rèn)知活動(dòng)的重要因素，并且人們會(huì)在物理動(dòng)作和抽象概念之間形成一種隱式的關(guān)聯(lián)。相比單純以視聽(tīng)方式表示的知識(shí)，具身化的知識(shí)應(yīng)該能夠取得更加牢固的建構(gòu)效果。AR學(xué)具正是綁定身體動(dòng)作與抽象知識(shí)的良好媒介，這種綁定通過(guò)學(xué)習(xí)者對(duì)物理對(duì)象的操控體驗(yàn)而得以發(fā)生。同時(shí)，AR系統(tǒng)支持虛擬物體在空間和時(shí)間上以最接近自然環(huán)境的方式反饋，這也強(qiáng)化了學(xué)習(xí)體驗(yàn)的效果。在配備了數(shù)據(jù)手套、體感識(shí)別、可穿戴顯示器等交互設(shè)備的AR學(xué)具環(huán)境中，學(xué)習(xí)者可以獲得體感操控、觸感、重力反饋等細(xì)節(jié)體驗(yàn)的支持。這種更精細(xì)的體驗(yàn)給知識(shí)提供了更多的呈現(xiàn)方式，同時(shí)也能有效地吸引學(xué)習(xí)者的注意力，增添學(xué)習(xí)樂(lè)趣。

(2)認(rèn)知

以抽象符號(hào)為載體的知識(shí)往往需要借助較為直觀的道具來(lái)教授，特別是針對(duì)沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的初學(xué)者。但實(shí)物道具具有先天的缺陷，其中一個(gè)方面就是缺乏將演算過(guò)程中的符號(hào)表示同物理實(shí)體的狀態(tài)變化對(duì)應(yīng)的機(jī)制，尤其是當(dāng)推演變得復(fù)雜的時(shí)候。例如，當(dāng)學(xué)生在用實(shí)體學(xué)具進(jìn)行數(shù)學(xué)演算時(shí)，由于與抽象數(shù)學(xué)符號(hào)分離，可能在腦海中并沒(méi)有出現(xiàn)相應(yīng)數(shù)學(xué)符號(hào)的推演變化，而這恰恰正是應(yīng)該被學(xué)生構(gòu)建的知識(shí)內(nèi)容。

如果承載知識(shí)的相關(guān)信息在時(shí)間和空間上能夠保持呈現(xiàn)和響應(yīng)的一致性，那么這種機(jī)制對(duì)于降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)擔(dān)、簡(jiǎn)化認(rèn)知難度產(chǎn)生積極的影響。AR學(xué)具的信息展示特點(diǎn)正好給時(shí)空連續(xù)的教學(xué)信息呈現(xiàn)提供了機(jī)會(huì)，它能夠?qū)⑦@些信息同物理實(shí)體和空間方位整合在一起，同時(shí)在學(xué)習(xí)情境中對(duì)學(xué)生的操控提供與實(shí)物在空間方位上對(duì)應(yīng)的響應(yīng)信息。

此外，AR學(xué)具能夠提供學(xué)習(xí)者在物理實(shí)體中或常態(tài)下難以獲得的狀態(tài)、環(huán)境和場(chǎng)景。例如模擬諸如深海、真空以及高溫等極端環(huán)境中的現(xiàn)象，并將這些現(xiàn)象呈現(xiàn)在學(xué)習(xí)活動(dòng)的真實(shí)空間內(nèi)，學(xué)習(xí)者在普通的環(huán)境中就能輕松的獲得這些平時(shí)無(wú)法輕易得到的感性材料。

(3)情境

AR學(xué)具能夠創(chuàng)造特定的學(xué)習(xí)情境。例如，實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐形式的AR學(xué)具可以作為真實(shí)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐操作的預(yù)演，這種預(yù)演在保證學(xué)習(xí)者絕對(duì)安全的同時(shí)，提供逼真的操作體驗(yàn)，也能夠訓(xùn)練學(xué)習(xí)者的操作熟練度，提高他們進(jìn)行真實(shí)實(shí)驗(yàn)、實(shí)踐的效率。

AR學(xué)具也能夠支持多種類型的情境學(xué)習(xí)，在智能手機(jī)、平板電腦等移動(dòng)設(shè)備的支持下，AR學(xué)具可以脫離教室，在更廣闊的空間范圍內(nèi)發(fā)揮作用。例如，借助移動(dòng)設(shè)備的GPS、電子羅盤等傳感器，AR學(xué)具能夠在歷史遺跡中再現(xiàn)特定場(chǎng)所的歷史畫(huà)面，從而為實(shí)地參訪的歷史主題學(xué)習(xí)活動(dòng)提供更生動(dòng)的認(rèn)知體驗(yàn)。

通過(guò)改變學(xué)習(xí)者感知真實(shí)的體驗(yàn)，AR學(xué)具還能夠在學(xué)習(xí)者熟識(shí)的情境中創(chuàng)造變化，這既重用了已有的環(huán)境資源，也能夠在一定程度上維持學(xué)習(xí)者的好奇心和興趣。

三、AR電路學(xué)具的開(kāi)發(fā)

本節(jié)以筆者開(kāi)發(fā)的AR學(xué)具—“AR電路學(xué)具”為案例，展示AR學(xué)具開(kāi)發(fā)的主要流程。雖然在AR學(xué)具開(kāi)發(fā)過(guò)程中，開(kāi)發(fā)者往往根據(jù)現(xiàn)實(shí)條件選擇不同的開(kāi)發(fā)路線，但是與一般的軟件系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)類似，AR學(xué)具的開(kāi)發(fā)一般都需要經(jīng)歷需求分析、設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和調(diào)試發(fā)布這幾個(gè)階段，如圖2所示。

圖2 AR學(xué)具開(kāi)發(fā)流程

(一)需求分析

開(kāi)發(fā)人員分析AR學(xué)具的使用情境、使用主體，明確AR學(xué)具所要提供的學(xué)習(xí)內(nèi)容，確定學(xué)具的具體功能。AR電路學(xué)具針對(duì)的內(nèi)容是初中物理電路結(jié)構(gòu)相關(guān)的知識(shí)。根據(jù)《義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)》(2011年版)條目3.4.3中給出的有關(guān)電路知識(shí)的學(xué)習(xí)要求[4]：

會(huì)看、會(huì)畫(huà)簡(jiǎn)單的電路圖；會(huì)連接簡(jiǎn)單的串聯(lián)電路和并聯(lián)電路；說(shuō)出生產(chǎn)、生活中采用簡(jiǎn)單串聯(lián)或并聯(lián)電路的實(shí)例；了解串、并聯(lián)電路電流和電壓的特點(diǎn)。

從以上內(nèi)容來(lái)看，帶有串聯(lián)、并聯(lián)結(jié)構(gòu)的簡(jiǎn)單電路是基礎(chǔ)教育階段學(xué)生需要掌握的知識(shí)點(diǎn)。在各種練習(xí)、測(cè)試當(dāng)中，帶電路圖的電路分析題也常常出現(xiàn)，可見(jiàn)電路結(jié)構(gòu)是初中物理考察的重要內(nèi)容。

考察學(xué)習(xí)內(nèi)容包含的知識(shí)單元，電路結(jié)構(gòu)知識(shí)是一種概念性的知識(shí)，其中包含了至少三個(gè)概念：電壓、電流和電阻，以及至少一個(gè)原理：歐姆定理，它反映了前面三個(gè)概念的關(guān)系(電流 = 電壓/電阻)。這給了我們?cè)谔摂M呈現(xiàn)方面的一些啟發(fā)：以某種方式顯示三種概念和它們之間的關(guān)系。

學(xué)具的使用者大概是十三到十四歲左右的中學(xué)生，對(duì)于抽象概念有一定的理解能力，并且在進(jìn)行電路結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)之前應(yīng)該已經(jīng)掌握電壓、電流、電阻的基本概念。因此學(xué)具的設(shè)計(jì)重心應(yīng)當(dāng)放在三者關(guān)系的表現(xiàn)上。

實(shí)驗(yàn)是輔助電路知識(shí)學(xué)習(xí)非常有效的形式。目前學(xué)生可以體驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)主要有實(shí)驗(yàn)課上的真實(shí)實(shí)驗(yàn)和計(jì)算機(jī)中的虛擬實(shí)驗(yàn)。真實(shí)實(shí)驗(yàn)的進(jìn)行需要眾多條件的限制，而使用鼠標(biāo)、鍵盤操控的虛擬實(shí)驗(yàn)則缺乏真實(shí)實(shí)驗(yàn)帶給人的臨場(chǎng)感和自然交互的體驗(yàn)。AR學(xué)具能夠集兩者的優(yōu)勢(shì)，更好地支持電路知識(shí)的學(xué)習(xí)。

項(xiàng)目的最終成果應(yīng)該能夠以虛實(shí)結(jié)合的方式呈現(xiàn)基本或較復(fù)雜的電路結(jié)構(gòu)，并且可以模擬真實(shí)電路的通電狀態(tài)，當(dāng)用戶改變電路元件時(shí)，電路狀態(tài)應(yīng)當(dāng)發(fā)生正確的變化并反饋結(jié)果；此外，學(xué)具還應(yīng)當(dāng)具有某種策略或機(jī)制，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過(guò)程，并提供啟發(fā)性的思考和探索的機(jī)會(huì)；最后，學(xué)具應(yīng)當(dāng)使用方便、靈活，具備一定的擴(kuò)展性。

(二)設(shè)計(jì)

AR電路學(xué)具的總體架構(gòu)如圖3所示，系統(tǒng)的實(shí)體部分包括引導(dǎo)學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行的學(xué)習(xí)手冊(cè)、若干代表特定電路結(jié)構(gòu)的留空電路圖以及表示電路元件的標(biāo)志物。系統(tǒng)通過(guò)攝像頭將真實(shí)環(huán)境的影像捕獲并輸入到計(jì)算機(jī)主機(jī)，學(xué)具軟件的AR引擎從每一幀的視頻輸入流中掃描標(biāo)記并在掃描命中的情況下注冊(cè)和追蹤標(biāo)志物，最后，系統(tǒng)將虛擬信息疊加到每一幀輸出流中以標(biāo)記物標(biāo)定的空間的相對(duì)位置，在顯示器上呈現(xiàn)虛實(shí)疊加后的影像。

圖3 AR電路學(xué)具的系統(tǒng)架構(gòu)

學(xué)習(xí)的主要引導(dǎo)工具是學(xué)習(xí)手冊(cè)，這是一個(gè)實(shí)體素材，和實(shí)驗(yàn)手冊(cè)類似。手冊(cè)扮演了教師的角色，學(xué)生根據(jù)手冊(cè)的提示學(xué)會(huì)學(xué)具的操作使用，并在手冊(cè)的引導(dǎo)下使用標(biāo)記在特定的電路底板上生成可聯(lián)通的電路，然后使用攝像頭掃描電路，在顯示器上觀察程序處理得到的結(jié)果，并記錄觀察到的現(xiàn)象、反饋手冊(cè)中的提問(wèn)和其他要求，如圖4所示。

圖4 學(xué)習(xí)者用例圖

設(shè)計(jì)階段需要進(jìn)行數(shù)字和實(shí)體資源的設(shè)計(jì)、操控交互設(shè)計(jì)與互動(dòng)程序等方面的設(shè)計(jì)。學(xué)具素材外觀的設(shè)計(jì)力求簡(jiǎn)潔清晰，對(duì)有效電路中各電性關(guān)系及量化數(shù)據(jù)的呈現(xiàn)力求做到實(shí)時(shí)有效。這些模型包括電燈、電壓表、電池、可變電阻、電阻和開(kāi)關(guān)等。此外，還需設(shè)計(jì)相應(yīng)的實(shí)體資源，包括留空電路圖、標(biāo)志電路元件的黑白方框標(biāo)記和學(xué)習(xí)手冊(cè)。留空電路圖是電路的底板，每一張圖都表示某個(gè)特定的電路結(jié)構(gòu)，空位是放置電路元件的位置，未放元件的空位表示電路在此斷路；黑白方框標(biāo)記代表具有一定阻值的電路元件或可變電阻，也可以是固定或可變電源，把這些標(biāo)記放在留空電路圖的空位上，將斷路“連通”，AR程序就可以將虛擬信息疊加在連通電路中的每個(gè)元件上，增強(qiáng)實(shí)體資源的呈現(xiàn)效果。

本案例使用基于視覺(jué)的傳統(tǒng)黑白方塊標(biāo)記作為注冊(cè)標(biāo)識(shí)物，同時(shí)在標(biāo)識(shí)物上注明其所代表電路元件的屬性及屬性值。標(biāo)識(shí)物能夠表示多種電阻元件，包括燈泡、電源、可變電阻等，此外還有控制類型的標(biāo)識(shí)物，它們作為操控可變電阻、可變電源電阻值、電壓值的交互接口。

交互程序則是學(xué)具實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能的關(guān)鍵。程序啟動(dòng)后就要從相關(guān)的配置文件中將標(biāo)識(shí)物、電路結(jié)構(gòu)描述矩陣等信息讀入，進(jìn)行預(yù)操作、啟動(dòng)攝像頭；接著程序需要從攝像頭的視頻輸入流中掃描并注冊(cè)標(biāo)記，并根據(jù)追蹤的標(biāo)記信息判斷電路的連通狀態(tài)；如果電路連通，程序就需要計(jì)算電路，包括每個(gè)元件的電壓、電流值，并渲染相應(yīng)的虛擬素材，將它們疊加到視頻輸出流中反饋給用戶；用戶如果做出了改變電路元件或加減可變電源、電阻屬性的操作，程序應(yīng)該能夠正確響應(yīng)并將新得到的結(jié)果呈現(xiàn)在顯示器中。

(三)開(kāi)發(fā)

本系統(tǒng)以開(kāi)源項(xiàng)目為開(kāi)發(fā)工具，對(duì)程序語(yǔ)言、集成開(kāi)發(fā)環(huán)境(IDE)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)包、以及系統(tǒng)平臺(tái)和硬件設(shè)備的選型都以此為依據(jù)。此外，高自由度、易用和低成本也是開(kāi)發(fā)選型的考慮標(biāo)準(zhǔn)。綜合各方面的因素，本案例程序設(shè)計(jì)語(yǔ)言采用Java，集成開(kāi)發(fā)環(huán)境采用Eclipse和Processing，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)包則采用NyARToolKit for Processing。Processing最初來(lái)自麻省理工大學(xué)多媒體實(shí)驗(yàn)室[5]，是一個(gè)開(kāi)發(fā)人員為簡(jiǎn)化數(shù)字藝術(shù)作品的創(chuàng)作難度而設(shè)計(jì)的開(kāi)發(fā)工具。它實(shí)質(zhì)上封裝了Java語(yǔ)言，并提供了自己的開(kāi)發(fā)環(huán)境，集成了一些與圖形圖像處理相關(guān)的API。個(gè)案開(kāi)發(fā)選擇開(kāi)源的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)引擎NyARToolKit，這是一個(gè)完全用Java編譯的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)包[6]，是在ARToolKit 2.72.1版本的基礎(chǔ)上衍生而來(lái)，可以認(rèn)為NyARToolKit是ARToolKit的Java版本。其他方面，采用普通的網(wǎng)絡(luò)攝像頭和顯示器作為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的外圍設(shè)備。

程序的開(kāi)發(fā)主要分為兩個(gè)階段，其中第一個(gè)階段在Eclipse平臺(tái)進(jìn)行，完成ARCLT SDK(Augmented Reality Circuit Learning Tool Software Development Kit，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電路學(xué)習(xí)工具軟件開(kāi)發(fā)包)的開(kāi)發(fā)；第二個(gè)階段在Processing平臺(tái)中進(jìn)行，完成系統(tǒng)主控程序的開(kāi)發(fā)。

ARCLT SDK，即增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電路學(xué)具開(kāi)發(fā)包，封裝了存儲(chǔ)電路元件的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，并設(shè)計(jì)了與電路生成和計(jì)算有關(guān)的算法。ARCLT SDK設(shè)計(jì)初衷是能將它應(yīng)用于更多需要進(jìn)行簡(jiǎn)單電路計(jì)算的場(chǎng)合，因此它與第二階段的主控程序耦合度低。開(kāi)發(fā)的第二階段轉(zhuǎn)入Processing平臺(tái)，在項(xiàng)目中導(dǎo)入前一階段開(kāi)發(fā)的ARCLT SDK開(kāi)發(fā)包以及增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)引擎包Nyar4psg。主控程序需要使用兩個(gè)包構(gòu)建交互程序，它識(shí)別真實(shí)環(huán)境中的標(biāo)識(shí)物電路，確定電路結(jié)構(gòu)的每個(gè)位置上的元件，再將完整的電路信息交給CEGA(Circuit Expression Generating Algorithm，電路表達(dá)式生成算法)和CECA(Circuit Expression Calculating Algorithm，電路表達(dá)式計(jì)算算法)兩個(gè)算法實(shí)現(xiàn)電路計(jì)算，CEGA算法根據(jù)注冊(cè)追蹤反應(yīng)的電路信息生成能夠以簡(jiǎn)單運(yùn)算數(shù)和運(yùn)算符號(hào)反映電路結(jié)構(gòu)的“電路表達(dá)式”，CECA算法則根據(jù)前者生成的電路表達(dá)式計(jì)算電路中每個(gè)電路元件的電壓、電流值。最后，將疊加了虛擬信息的影像輸出到屏幕上。主控程序的活動(dòng)圖如圖5所示，它組織實(shí)現(xiàn)了程序的主要執(zhí)行邏輯。

圖5 主控程序運(yùn)行活動(dòng)

開(kāi)發(fā)完成后，需要對(duì)AR電路學(xué)具需要進(jìn)行學(xué)習(xí)者和教師兩種用例的測(cè)試。

四、AR電路學(xué)具的使用

一般AR學(xué)具的應(yīng)用可以分為三個(gè)方面：(1)用于知識(shí)表現(xiàn)和教學(xué)演示。AR學(xué)具可以在課前引入情境、課中輔助概念講解、學(xué)生自行演示體驗(yàn)等方面得到應(yīng)用。(2)用于動(dòng)作引導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)操作。AR學(xué)具可以發(fā)揮其實(shí)時(shí)交互和智能計(jì)算的能力，對(duì)學(xué)習(xí)者的動(dòng)作做出響應(yīng)，表現(xiàn)出與真實(shí)物體互動(dòng)的特性。(3)用于參觀、學(xué)習(xí)游覽等非正式學(xué)習(xí)活動(dòng)。AR學(xué)具在移動(dòng)設(shè)備的支持下仍然能夠成為輔助學(xué)習(xí)的有效工具。

本案例中的AR電路學(xué)具既可用于課堂知識(shí)表現(xiàn)與教學(xué)演示，也可用于實(shí)驗(yàn)操作。由于本學(xué)具的應(yīng)用主要定位于學(xué)生的自主學(xué)習(xí)，所以針對(duì)第二類應(yīng)用作使用說(shuō)明。

電路相關(guān)知識(shí)的學(xué)習(xí)需由教師確定學(xué)習(xí)內(nèi)容和目標(biāo)，使用學(xué)具系統(tǒng)自帶或教師自行制作的留空電路圖、標(biāo)記作為學(xué)具的實(shí)體材料。教師還需制作包含自學(xué)引導(dǎo)和學(xué)習(xí)情況記錄等功能的學(xué)習(xí)手冊(cè)，手冊(cè)需在安排學(xué)習(xí)任務(wù)時(shí)分發(fā)給學(xué)生。學(xué)習(xí)手冊(cè)同時(shí)也是學(xué)習(xí)活動(dòng)的反饋報(bào)告，學(xué)習(xí)者需在自學(xué)結(jié)束后將手冊(cè)遞交給教師，教師需對(duì)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)成果進(jìn)行評(píng)價(jià)。

與一般導(dǎo)學(xué)方案類似，學(xué)生在學(xué)習(xí)手冊(cè)引導(dǎo)下，根據(jù)教師的要求知識(shí)回顧、接觸新知、動(dòng)手實(shí)踐、現(xiàn)象分析、規(guī)律總結(jié)、鞏固發(fā)散等環(huán)節(jié)的學(xué)習(xí)，其中在動(dòng)手實(shí)踐與鞏固發(fā)散階段，利用AR電路學(xué)具進(jìn)行探究。學(xué)生在學(xué)習(xí)手冊(cè)的指導(dǎo)下，在AR電路學(xué)具的留空電路圖中放置代表電路元件的標(biāo)記、打開(kāi)AR交互程序以實(shí)現(xiàn)電路的增強(qiáng)顯示，學(xué)生在AR環(huán)境中觀察電路現(xiàn)象(根據(jù)燈泡的明暗判斷各原件電能的強(qiáng)弱)，并操控AR學(xué)具改變電路元件的屬性，將觀察得到的數(shù)據(jù)以表格方式記錄在學(xué)習(xí)手冊(cè)中(如圖6、7所示)。

圖6 在留空電路圖中擺放電路元件

圖7 學(xué)具呈現(xiàn)各個(gè)電壓、電流和電阻屬性

AR學(xué)具的學(xué)習(xí)手冊(cè)可以幫助學(xué)習(xí)者分析數(shù)據(jù)，總結(jié)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并歸納出相關(guān)的電路變化規(guī)律。在此基礎(chǔ)上，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者自主探究、鼓勵(lì)學(xué)習(xí)者借助AR電路學(xué)具的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果進(jìn)行不同類型電路的試驗(yàn)。

在學(xué)習(xí)過(guò)程中，教師指導(dǎo)學(xué)生互相評(píng)估、交流各自的學(xué)習(xí)體驗(yàn)和發(fā)現(xiàn)，并且根據(jù)學(xué)生遞交的學(xué)習(xí)手冊(cè)情況，對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程進(jìn)行講評(píng)，給每一個(gè)學(xué)生做出書(shū)面評(píng)價(jià)。

五、結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)AR電路學(xué)具的初步應(yīng)用，我們可以發(fā)現(xiàn)該學(xué)具的一些特點(diǎn)：(1)一致性。真實(shí)電路圖的外觀使得學(xué)習(xí)者很容易判斷學(xué)具的使用意圖。(2)有效反饋?；?dòng)程序能夠?qū)κ褂谜吒淖冸娮?、設(shè)置電路結(jié)構(gòu)等操控產(chǎn)生實(shí)時(shí)和正確的響應(yīng)。(3)控制權(quán)。可以由學(xué)生完成整個(gè)學(xué)具的操作，教師并不一定需要出現(xiàn)在學(xué)習(xí)活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng)。(4)靈活性。能夠支持使用者開(kāi)發(fā)自己的留空電路圖、電路元件標(biāo)記和學(xué)習(xí)手冊(cè)，滿足個(gè)性化的使用需求。(5)最小化。AR電路學(xué)具聚焦具體電路結(jié)構(gòu)的知識(shí)，功能簡(jiǎn)單，只給出最關(guān)鍵的電路狀態(tài)數(shù)據(jù)。此外，受益于前期低耦合的設(shè)計(jì)，本項(xiàng)目中的AR電路學(xué)具從某種意義上說(shuō)是一個(gè)學(xué)具框架，它支持并鼓勵(lì)后期的自主定制開(kāi)發(fā)，從而滿足更多的教學(xué)需求。

本文的案例只展示了基于基本電路元件的學(xué)具開(kāi)發(fā)過(guò)程。未來(lái)該學(xué)具的開(kāi)發(fā)可以作更多的擴(kuò)展：首先，用戶的界面、學(xué)習(xí)狀態(tài)記錄和過(guò)程控制可以作更多的改進(jìn)；其次，需要支持諸如二極管、電容等更多的電路元件；最后，改進(jìn)學(xué)具的使用方式，進(jìn)一步開(kāi)發(fā)適合多人協(xié)作、基于移動(dòng)終端的AR電路學(xué)具。

[1]Cuendet S, Bonnard Q, Do-Lenh S, et al. Designing augmented reality for the classroom[J]. Computers & Education,2013,(68):557-569.

[2]Bujak K, Radu I, Catrambone R, MacIntyre B, et al. A psychological perspective on augmented reality in the mathematics classroom[J].Computers & Education, 2013,(68):536-544.

[3]葉浩生.具身認(rèn)知:認(rèn)知心理學(xué)的新取向[J].心理科學(xué)進(jìn)展,2010,(5):705-710.

[4]義務(wù)教育物理課程標(biāo)準(zhǔn)(2011年版)[M].北京:北京師范大學(xué)出版社,2012.

[5]Processing. Overview[EB/OL]. http://www.processing.org/overview/,2014-04-30.

[6]NyARToolkit Project. Welcome to NyARToolkit project[EB/OL]. http://nyatla.jp/nyartoolkit/wp/,2014-04-30.

陳向東：博士，副教授，研究方向?yàn)樾旅襟w閱讀、在線知識(shí)交流模式、數(shù)字圖書(shū)館（chen_xiangdong@163.com）。

喬辰：在讀碩士，研究方向?yàn)榻逃龜?shù)據(jù)挖掘、移動(dòng)教學(xué)技術(shù)（qiaochen@outlook.com）。

2014年6月9日

責(zé)任編輯：李馨 趙云建

The Development and Application of Augmented Reality Learning Aids——The Case Study of AR Circuit Learning Aids

Chen Xiangdong, Qiao Chen
(Department of Education Information Technology, East China Normal University, Shanghai 200062)

With virtually unlimited expressiveness and ability to keep the virtual world aligned with the real, augmented reality(AR) learning aids overstep the limitations of their traditional counterparts. The introduction of AR into learning aids expands their application fi eld in the sense of physical, cognitive, and contextual dimensions, and thus supplements knowledge access with an interface that features in reduced cognitive load. Through the case study of “AR Circuit Learning Aids”, this paper explained the whole process of AR learning aids implementation, provided its technical selection and implementation routes, and gave correspondent usage scenarios. The study showed that AR learning aids are more expressive and interactive, and thus have a wider application fi eld. This study yielded a scalable circuit learning aid, and gave light to the application of AR in the classroom as learning aids.

Augmented Reality; Learning Aids; e-Circuit Learning Aids

G434

A

1006—9860(2014)09—0105—06

* 本文系教育部人文社會(huì)科學(xué)重點(diǎn)研究基地重大項(xiàng)目“教育信息化與基礎(chǔ)教育教學(xué)方式轉(zhuǎn)變研究”(項(xiàng)目編號(hào)：11JJ0880004)、教育部人文社會(huì)科學(xué)研究一般項(xiàng)目“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子書(shū)的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用” (項(xiàng)目編號(hào)：12YJA880012)、上海市教育科學(xué)研究重點(diǎn)項(xiàng)目“基于新媒體的社會(huì)性閱讀研究”(項(xiàng)目編號(hào)：A1308)階段性研究成果。