基于移動(dòng)端增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)環(huán)境的交互體驗(yàn)研究

黃麗達(dá)+甘廣欣+魏源良+陳燕

[摘 要] 隨著移動(dòng)設(shè)備的普及，如何從移動(dòng)端開(kāi)展課堂教學(xué)成為高校教學(xué)研究不可忽視的內(nèi)容。在虛擬教學(xué)環(huán)境融入課堂的過(guò)程中，對(duì)學(xué)生交互體驗(yàn)的研究是評(píng)價(jià)教學(xué)效果的重要指標(biāo)。本文以實(shí)踐課程為例，討論了在基于移動(dòng)端和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的虛擬教學(xué)環(huán)境中的交互體驗(yàn)和可用性。以提高學(xué)生與虛擬現(xiàn)實(shí)課堂互動(dòng)的效果。

[關(guān)鍵詞] 移動(dòng)端；增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；交互體驗(yàn)；課堂教學(xué)

doi ： 10 . 3969 / j . issn . 1673 - 0194 . 2017. 17. 116

[中圖分類(lèi)號(hào)] G434；TP391.9 [文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼] A [文章編號(hào)] 1673 - 0194（2017）17- 0240- 03

0 引 言

對(duì)于高校人才培養(yǎng)來(lái)說(shuō)，學(xué)生的實(shí)踐能力是重要的培養(yǎng)目標(biāo)之一。如何通過(guò)課堂教學(xué)達(dá)到理論與操作相結(jié)合的效果，是目前高校教學(xué)正在研究突破的內(nèi)容，也是現(xiàn)今互聯(lián)網(wǎng)+教學(xué)關(guān)注的熱點(diǎn)。隨著移動(dòng)通信的普及，各種手持式移動(dòng)設(shè)備使高校師生能夠通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)開(kāi)展教育活動(dòng)，為教育資源的充分共享和知識(shí)深刻理解提供了可能。移動(dòng)設(shè)備如手機(jī)、平板電腦相比傳統(tǒng)教學(xué)多媒體設(shè)備，具有自帶觸摸屏幕和無(wú)線互聯(lián)網(wǎng)連接等優(yōu)勢(shì)。此外，移動(dòng)設(shè)備在師生中具有適普性，在此基礎(chǔ)上能夠簡(jiǎn)易有效地拓展互聯(lián)網(wǎng)+課堂教學(xué)技術(shù)。本項(xiàng)目提出應(yīng)用移動(dòng)端增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建實(shí)踐教學(xué)課堂的仿真環(huán)境，通過(guò)使用這種混合現(xiàn)實(shí)的方法，讓學(xué)習(xí)者直觀地觀察授課教師的行為，讓教師教學(xué)操作變得透明。通過(guò)完成該實(shí)踐課程，進(jìn)行問(wèn)卷調(diào)查，研究課程參與學(xué)生在教學(xué)環(huán)境中的交互體驗(yàn)，測(cè)試該環(huán)境下的學(xué)習(xí)效益，提高課堂的知識(shí)轉(zhuǎn)化率，為更好地應(yīng)用移動(dòng)技術(shù)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)促進(jìn)學(xué)生認(rèn)知提供科學(xué)依據(jù)。

1 研究背景

目前，移動(dòng)學(xué)習(xí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是國(guó)內(nèi)外教育界研究和探討的熱點(diǎn)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在移動(dòng)手持設(shè)備上的應(yīng)用又稱(chēng)為移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（ Mobile Augmented Reality，MAR）。Billinghurs于2002年應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)開(kāi)發(fā)了一套兒童動(dòng)態(tài)圖書(shū)，以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的形式在書(shū)本不同章節(jié)內(nèi)容上疊加動(dòng)畫(huà)。El Sayed等人于2011年開(kāi)發(fā)了一款手機(jī)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)卡片（ARSC），能夠?qū)⒖ㄆ土Ⅲw模型相結(jié)合進(jìn)行學(xué)習(xí)體驗(yàn)和學(xué)習(xí)效果檢驗(yàn)。2012年Shelton和Hedley將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用在天文課堂教學(xué)中，進(jìn)行八大行星教學(xué)實(shí)驗(yàn)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)技術(shù)在國(guó)內(nèi)也逐步受到研究關(guān)注。華東師范大學(xué)通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)電子書(shū)開(kāi)發(fā)案例，探討了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在教學(xué)演示中的多種形式。北京郵電大學(xué)基于通信專(zhuān)業(yè)“微波技術(shù)與天線”課程，在移動(dòng)教學(xué)情境下進(jìn)行了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)證研究，設(shè)計(jì)實(shí)施了移動(dòng)探究學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)，考察了該技術(shù)的應(yīng)用效果和學(xué)生對(duì)于移動(dòng)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)和態(tài)度。蘇澤蔭針對(duì)移動(dòng)設(shè)備硬件特征和使用環(huán)境開(kāi)發(fā)了一種新型的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，提高了移動(dòng)設(shè)備增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)實(shí)時(shí)渲染和目標(biāo)圖形匹配的效率和精準(zhǔn)度。廣西藝術(shù)學(xué)院基于移動(dòng)交互技術(shù)，研究了可穿戴移動(dòng)設(shè)備的界面設(shè)計(jì)和微交互模式，為進(jìn)一步開(kāi)發(fā)移動(dòng)教學(xué)情境提供了理論指導(dǎo)。

2 研究方法

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本文提出一個(gè)基于移動(dòng)設(shè)備增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)進(jìn)行課堂教學(xué)的新型教學(xué)系統(tǒng)。授課系統(tǒng)由兩個(gè)顯示器和一個(gè)攝像頭構(gòu)成（圖1）。其中一個(gè)顯示器為移動(dòng)設(shè)備多點(diǎn)觸摸桌面，顯示課堂交互的基本框架，另一個(gè)顯示器用于接收和顯示增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景。攝像頭記錄教師授課實(shí)踐操作動(dòng)作，經(jīng)過(guò)教師機(jī)處理，合成實(shí)時(shí)視頻與教師機(jī)操作界面，將記錄的視頻同步疊加顯示在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示屏上（例如教師執(zhí)行電腦手繪時(shí)，能夠同步顯示教師繪制的手動(dòng)操作和屏幕的畫(huà)面內(nèi)容）。通過(guò)整合AR和觸摸屏交互技術(shù)，學(xué)生使用移動(dòng)設(shè)備同步至教師授課活動(dòng)和教學(xué)內(nèi)容，并直接操控移動(dòng)端顯示屏進(jìn)行選擇性觀看，例如通過(guò)點(diǎn)擊和拖動(dòng)手機(jī)觸摸屏放大縮小、暫停、回放、保存或切換直播窗口。由此實(shí)現(xiàn)教學(xué)平臺(tái)“一源多屏”的需求。在實(shí)踐課程中，應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行移動(dòng)端教學(xué)，從而優(yōu)化師生的課堂交互體驗(yàn)，并加深學(xué)生對(duì)實(shí)踐課程的理解和提高教學(xué)的互動(dòng)參與程度。在這項(xiàng)研究中課堂使用的移動(dòng)設(shè)備是蘋(píng)果的iPad 2，具有9.7英寸2048×1536分辨率的多點(diǎn)觸摸顯示屏，1GHz雙核處理器，和一個(gè)0.7-megapixel后置攝像頭。iOS的軟件開(kāi)發(fā)支持開(kāi)放源碼和第三方庫(kù)的使用，如開(kāi)源計(jì)算機(jī)視覺(jué)庫(kù)，開(kāi)源的圖形庫(kù)，CocoaAsyncSocket即時(shí)通信等。

2.2 交互體驗(yàn)評(píng)估設(shè)計(jì)

為了評(píng)估該教學(xué)環(huán)境的交互體驗(yàn)和教育效益，本文針對(duì)系統(tǒng)在教學(xué)實(shí)踐課的應(yīng)用開(kāi)展了測(cè)試調(diào)研研究。研究對(duì)象為120位高等職業(yè)教育設(shè)計(jì)專(zhuān)業(yè)相關(guān)的學(xué)生。這120名學(xué)生中，有80人已完成畢業(yè)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)課程，其他40人已完成數(shù)字媒體項(xiàng)目課程。本項(xiàng)目交互體驗(yàn)研究將學(xué)生分為實(shí)驗(yàn)組和對(duì)照組，每組60人，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生參與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)環(huán)境的課堂教學(xué)，對(duì)照組參加傳統(tǒng)教學(xué)形式下的課堂教學(xué)。首先對(duì)所有學(xué)生進(jìn)行教學(xué)知識(shí)預(yù)測(cè)試，對(duì)每一學(xué)生的課程實(shí)踐技能進(jìn)行課前考核，接著在參與完成該新型課程環(huán)境之后，進(jìn)行教學(xué)知識(shí)期終測(cè)試，與預(yù)測(cè)試的成績(jī)進(jìn)行比較，對(duì)照評(píng)估移動(dòng)端虛擬現(xiàn)實(shí)的可用性、可學(xué)性和交互功能，從而與傳統(tǒng)教學(xué)技術(shù)效果進(jìn)行對(duì)比分析。針對(duì)參與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)環(huán)境的學(xué)生，采用問(wèn)卷形式檢驗(yàn)學(xué)生在該課程環(huán)境中的使用反饋、交互體驗(yàn)和系統(tǒng)可用性。評(píng)估問(wèn)題主要包括以下方面：①導(dǎo)航應(yīng)用程序可用性；②APP交互難易程度；③使用觸摸屏控制增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)視口的難易程度；④與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)交互的趣味性；⑤熟悉該教學(xué)系統(tǒng)的難易程度；⑥是否通過(guò)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)內(nèi)容提高了知識(shí)理解和實(shí)踐操作；⑦對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)課程環(huán)境的推廣評(píng)價(jià)。

2.3 結(jié)果分析

數(shù)據(jù)表明，參與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)環(huán)境的實(shí)驗(yàn)組中，有18.3%（11人）的學(xué)生沒(méi)有在問(wèn)卷留下評(píng)論，其余81.7%（49人）的學(xué)生中，有63.3%（31人）的學(xué)生對(duì)該教學(xué)環(huán)境持有支持和肯定評(píng)價(jià)，32.7%（16人）的學(xué)生給出了評(píng)論和建議，4%（2人）的學(xué)生對(duì)該教學(xué)環(huán)境表示不支持。這一結(jié)果說(shuō)明大多數(shù)的參與者在課堂采用移動(dòng)端進(jìn)行增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)能夠獲得較好的交互體驗(yàn)。并有絕大多數(shù)學(xué)生表示支持在今后課堂教學(xué)中引進(jìn)推廣增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的教學(xué)環(huán)境，以輔助實(shí)踐類(lèi)教學(xué)的學(xué)習(xí)。通過(guò)對(duì)比實(shí)驗(yàn)組及對(duì)照組學(xué)生在參與教學(xué)前后的成績(jī)變化，期終測(cè)試結(jié)果顯示實(shí)驗(yàn)組比對(duì)照組的成績(jī)提升幅度更高（圖2），證實(shí)了移動(dòng)端學(xué)習(xí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境對(duì)實(shí)踐課程教學(xué)具有優(yōu)化作用。參與者在移動(dòng)端增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的輔助下，能夠觀察教師的示范操作，深入理解授課內(nèi)容。同時(shí)，參與者的批評(píng)建議主要集中在可用性問(wèn)題，例如，此類(lèi)實(shí)踐課程仍然處于起步階段，依然有待改進(jìn)以提高可用性、師生間的互動(dòng)方式以及移動(dòng)端增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)的應(yīng)用潛力。

3 結(jié) 語(yǔ)

本研究提出了一個(gè)教育平臺(tái)，集成了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)功能和移動(dòng)交互功能，使學(xué)習(xí)者的移動(dòng)設(shè)備通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)直接與教師操作界面連結(jié)，提供了互動(dòng)的可視化學(xué)習(xí)環(huán)境。結(jié)果表明，本次實(shí)踐授課無(wú)論在技術(shù)層面還是在理論層面都取得了一定的收獲。相比傳統(tǒng)的教學(xué)環(huán)境，學(xué)生在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)環(huán)境中能夠更有效地提高知識(shí)理解能力和互動(dòng)水平。同時(shí)，該系統(tǒng)的交互效果理想，交互體驗(yàn)較好，能夠完成大多數(shù)學(xué)生的課堂學(xué)習(xí)需求。

本項(xiàng)目是基于移動(dòng)端增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)的一次交互體驗(yàn)測(cè)試研究。相對(duì)于目前的大型增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)設(shè)備來(lái)說(shuō)，本文提出的移動(dòng)端增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)環(huán)境對(duì)高校更具有普適性。通過(guò)移動(dòng)端完成師生教學(xué)同步，能夠避免傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)室級(jí)別對(duì)虛擬教學(xué)的硬件和軟件的過(guò)高需求；同時(shí)，移動(dòng)端的用戶入口能夠更易于為學(xué)生提供隨時(shí)隨地的學(xué)習(xí)機(jī)會(huì)，能夠分享、收藏和對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行評(píng)價(jià)反饋，擴(kuò)大教學(xué)內(nèi)容的共享范圍。此外，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)環(huán)境可以集成教師的多方位操作演示，進(jìn)一步給學(xué)習(xí)者提供身臨其境的混合現(xiàn)實(shí)的經(jīng)驗(yàn)，提高他們的交互體驗(yàn)感受。移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的實(shí)用性和交互性是其在教學(xué)應(yīng)用方面獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，將會(huì)成為互聯(lián)網(wǎng)+教學(xué)的重要組成部分。

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