移動背景下測量學(xué)AR實訓(xùn)教材設(shè)計

夏慧瓊 樊麗芳 林麗群 余輝亮

(1. 湖北大學(xué) 資源環(huán)境學(xué)院, 湖北 武漢 430062; 2. 區(qū)域開發(fā)與環(huán)境響應(yīng)湖北省重點實驗室, 湖北 武漢 430062; 3. 神農(nóng)架國家公園管理局神農(nóng)架金絲猴保育生物學(xué)湖北省重點實驗室, 湖北 神農(nóng)架林區(qū) 442421)

0 引言

增強現(xiàn)實(Augmented Reality, AR)技術(shù)可以把復(fù)雜的空間構(gòu)型以及抽象概念具象化,具備的沉浸感和交互性特點能夠為教育教學(xué)提供更廣闊的探索空間。到目前為止,AR技術(shù)被廣泛應(yīng)用于教育,如基礎(chǔ)學(xué)科[1-3]、建筑與城市規(guī)劃領(lǐng)域的教育[4-5]、臨床醫(yī)學(xué)[6]、天文學(xué)[7]、生物學(xué)[8]、工程學(xué)[9-10]等。在教育領(lǐng)域中,通過在書籍印刷書頁中使用AR技術(shù),使得書籍可以成為動態(tài)的信息來源[11],AR技術(shù)與紙質(zhì)書籍內(nèi)容相結(jié)合,將傳統(tǒng)文字和圖片采用音頻、視頻、動畫及三維模型等多種形式通過匹配的軟件及移動電子設(shè)備進行展示,成為了一種新的知識傳播途徑。

目前測量學(xué)實踐課程的主要學(xué)習(xí)介質(zhì)有紙質(zhì)教材、電腦、手機應(yīng)用程序(Application，APP)等,學(xué)習(xí)資料除了以實體書、實物模型等方式展示,還有一部分則是以數(shù)字信息的方式呈現(xiàn),如電子書、視頻、音頻、圖片等。雖然學(xué)習(xí)資料日益豐富多樣,但并沒有一套系統(tǒng)將這些學(xué)習(xí)資料有效整合起來,構(gòu)建一個高效、完整的實踐教學(xué)體系。本文基于AR技術(shù)的優(yōu)勢以及測量學(xué)實踐課程的特色,將移動背景下的數(shù)字資源與傳統(tǒng)紙質(zhì)教材結(jié)合在一起,對采用了AR技術(shù)的測量實訓(xùn)教材的設(shè)計思路進行探討,解決傳統(tǒng)測量學(xué)實踐教材與信息化背景下的新型學(xué)習(xí)資源之間的割裂問題,并為其他領(lǐng)域AR交互式教材設(shè)計提供可借鑒的思路。

1 AR測量實訓(xùn)教材設(shè)計思路

將測量實踐教學(xué)過程中的數(shù)字化學(xué)習(xí)資源與傳統(tǒng)教材(包括紙質(zhì)和電子教材)進行整合,基于AR技術(shù)建立虛實結(jié)合的實踐教學(xué)資源體系,以AR紙質(zhì)教材和移動設(shè)備APP的相結(jié)合的形式進行學(xué)習(xí)資源的展示和知識的傳遞,為學(xué)生提供一個趣味性較強的互動式學(xué)習(xí)空間。教材設(shè)計的目的是:一方面通過對各種學(xué)習(xí)資源的有效整合實現(xiàn)傳統(tǒng)教材的知識拓展,另一方面通過AR交互技術(shù)激發(fā)學(xué)生主動學(xué)習(xí)的興趣。本文從學(xué)習(xí)內(nèi)容組織、內(nèi)容呈現(xiàn)方式、虛實信息交互和教材呈現(xiàn)風(fēng)格四個方面進行探討。

1.1 學(xué)習(xí)內(nèi)容組織

AR測量實訓(xùn)教材內(nèi)容的展示需要考慮學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷,確保學(xué)生的注意力沒有被浪費在與實習(xí)任務(wù)無關(guān)的元素上。一方面,為了減少認(rèn)知負(fù)荷,需對學(xué)習(xí)內(nèi)容進行重新布局,清除冗余信息,采用學(xué)生熟知的表達模式實現(xiàn)信息傳遞;另一方面,在內(nèi)容組織上需要將教材中直觀的文本敘事內(nèi)容與擴展的AR敘事內(nèi)容進行有機結(jié)合,使得學(xué)生在接受知識的速度和深度方面能夠得以改善。

結(jié)合AR教材呈現(xiàn)出的多維、動態(tài)與互動的特點,在組織內(nèi)容的過程中,可以將整個實習(xí)體系的每個測量實習(xí)任務(wù)設(shè)置一條內(nèi)容主線,把主要關(guān)鍵知識點串聯(lián)起來,并設(shè)置多條支線豐富主線內(nèi)容,實現(xiàn)學(xué)習(xí)任務(wù)的有序推進。

AR應(yīng)用的關(guān)鍵主題是采用適當(dāng)?shù)闹笇?dǎo)性框架來幫助學(xué)生組織要學(xué)習(xí)的內(nèi)容,并且要保證分支與主線內(nèi)容上的自然銜接和邏輯性。學(xué)生通過與AR場景的互動能夠參與內(nèi)容的隨機生成,為不同學(xué)習(xí)特點的學(xué)生提供偏好實訓(xùn)場景,如針對感官型學(xué)習(xí)風(fēng)格的學(xué)生,在進行內(nèi)容組織時考慮把具有真實感較強的虛擬實習(xí)場景資源與當(dāng)前實習(xí)任務(wù)進行匹配。

1.2 內(nèi)容呈現(xiàn)形式

一般來說,大部分學(xué)生采用圖像、圖表、視頻等資料進行學(xué)習(xí)時記憶力更佳,而傳統(tǒng)的紙質(zhì)教材由于篇幅限制難以容納大量的圖表,因此,本文將實習(xí)內(nèi)容進行形式上的分離:前景(虛擬信息)和背景(紙質(zhì)教材)。把一些復(fù)雜抽象的內(nèi)容以圖像、音頻、三維動畫、視頻等方式作為前景呈現(xiàn),紙質(zhì)教材中展示的內(nèi)容則為背景的一部分,從而減少紙質(zhì)教材的信息負(fù)荷。此時,紙質(zhì)教材中只需以精煉過的簡短文字、圖形、插圖等方式對實習(xí)內(nèi)容進行提示,與之相關(guān)的具體信息則可以在移動端的虛擬場景中展示。如對于一些復(fù)雜的測量儀器操作的描述,可以在移動設(shè)備的APP中通過AR技術(shù)掃描紙質(zhì)教材中的識別圖,將聲音、視頻、3D模型等疊加在紙質(zhì)教材上,實現(xiàn)虛實信息的交互展示。

1.3 虛實信息交互

AR測量實訓(xùn)教材應(yīng)注重人機交互,在學(xué)習(xí)過程中能夠讓學(xué)生在多媒介之間自由切換。紙質(zhì)教材內(nèi)容和AR場景中的虛擬信息作為測量實習(xí)內(nèi)容的兩個相互補充部分,在信息交互設(shè)計時采用知識點穿插的方式。如將實習(xí)任務(wù)片段化,分解成一個個小場景、小故事或互動小游戲等,有虛有實,學(xué)生學(xué)習(xí)時在虛實場景中穿插進行,完成測量實習(xí)任務(wù)。

在進行教材設(shè)計時,需要根據(jù)交互需求對片段化后的實習(xí)內(nèi)容進行梳理,明確要呈現(xiàn)的信息是在紙質(zhì)教材中表達還是在AR場景中展示,設(shè)計自然的交互方式實現(xiàn)紙質(zhì)教材和AR場景的轉(zhuǎn)換,并確保轉(zhuǎn)換過程中主線的清晰和連貫。如實現(xiàn)人機交互時,可根據(jù)紙質(zhì)教材中的識別圖信息、文本信息等進入AR場景,在AR場景中也可根據(jù)文本提示返回到現(xiàn)實中的紙質(zhì)教材中來。在交互過程中,友好的交互方式能夠保證學(xué)生閱讀的順暢性,如需要讓學(xué)生知道在哪里進行交互、怎樣交互,這時需要在紙質(zhì)教材中提供視覺指導(dǎo),在虛擬場景中提供虛擬視覺反饋(熱點)等。

1.4 教材呈現(xiàn)風(fēng)格

為了減少學(xué)生閱讀紙質(zhì)教材時產(chǎn)生的認(rèn)知負(fù)荷,教材版面應(yīng)設(shè)計得較為簡潔,以插圖為主,文字為輔;插圖應(yīng)清晰美觀,文本信息保持最低限度;版式不要太緊湊,為虛擬信息在書籍上的展示留下相應(yīng)的空間;針對高校學(xué)生群體,設(shè)計適合他們的紙質(zhì)教材風(fēng)格;進行虛擬信息可視化時,建立的三維模型、虛擬場景應(yīng)具有一定程度的真實感,移動端APP中整合的音頻、視頻、文字、圖像等在呈現(xiàn)過程中需要保持流暢性,虛實場景的融合應(yīng)自然、逼真,能夠給學(xué)生帶來一定程度的真實感和沉浸感體驗。

2 AR測量實訓(xùn)教材章節(jié)設(shè)計實例

以水準(zhǔn)測量實習(xí)這一章節(jié)內(nèi)容為例,針對測量學(xué)相關(guān)專業(yè)的學(xué)生群體和教學(xué)大綱中關(guān)于實踐課程的教學(xué)目標(biāo),對相關(guān)學(xué)習(xí)資料進行收集和整合,在此基礎(chǔ)上對紙質(zhì)教材和AR虛擬場景兩個方面的設(shè)計過程進行描述。

2.1 紙質(zhì)教材設(shè)計

紙質(zhì)教材主要對水準(zhǔn)測量實習(xí)這一章節(jié)主線上的關(guān)鍵點進行介紹,內(nèi)容含實習(xí)任務(wù)的總概介紹,以及測量實習(xí)整個系統(tǒng)的知識模塊概覽,如儀器構(gòu)造、儀器操作、實習(xí)任務(wù)及測量成果處理等。

首先,對水準(zhǔn)測量實習(xí)任務(wù)進行情節(jié)設(shè)定,確定每個情節(jié)部分要展示的內(nèi)容。為了保證測量實習(xí)任務(wù)的脈絡(luò)清晰,且能夠讓學(xué)生按照自己的節(jié)奏控制自己的學(xué)習(xí)路徑,在總體設(shè)計教材內(nèi)容時,需考慮這些因素:測量任務(wù)的分解、虛實信息的界定、知識點在不同場景間的穿插及友好的交互方式等。本文設(shè)計了一個卡通人物“測量小工程師”帶領(lǐng)學(xué)生將各個知識點串聯(lián)起來,通過相關(guān)提示進入各種學(xué)習(xí)場景,將實習(xí)任務(wù)從點及面地推進下去。

其次,對紙質(zhì)教材中水準(zhǔn)測量實習(xí)這一章節(jié)內(nèi)容的文字信息、圖像、圖表及符號等進行合理布局,兼顧考慮內(nèi)容的充實性和學(xué)生認(rèn)知的承載量,將文字信息和非文字信息(圖表、圖像、表格)進行合理搭配。其中,文字包含兩個方面:實習(xí)內(nèi)容的相關(guān)信息和提示信息,前者是對實習(xí)任務(wù)的描述,后者功能類似于識別圖。圖表、圖像、概念圖、草圖和圖形符號等能瞬時表達信息,可以用來對紙質(zhì)教材中的知識進行補充闡述,同時也可以直接作為AR識別圖,建立實體書籍與AR場景的交互入口。

本文將紙質(zhì)教材中的圖表圖像分為兩種:表達學(xué)習(xí)內(nèi)容的普通圖表圖像和充當(dāng)AR識別圖的圖片。為了不使AR識別圖與學(xué)習(xí)內(nèi)容相背離而顯得突兀,將紙質(zhì)教材中的一部分普通圖表圖像或文字兼做為AR識別圖像,可以將之當(dāng)作普通圖表圖像進行解讀,亦可作為識別圖獲取AR場景中的虛擬信息,區(qū)別是作為識別圖的圖表圖像用特殊符號作了標(biāo)記。此外,在識別圖像的內(nèi)容表達設(shè)計方面考慮了兩種情況:虛擬信息如果與三維模型或三維場景有關(guān),建議圖片設(shè)計為背景畫面,這樣能夠保證AR場景中的三維(Three Dimension，3D)模型與圖片背景自然地融合在一起,如圖1(a)所示;虛擬信息如果與文字、音頻、動畫、視頻等相關(guān),則可采用與虛擬信息內(nèi)容相關(guān)的圖像,可以起到內(nèi)容的提示作用,如圖1(b)所示。

圖1 背景識別圖效果

在進行紙質(zhì)教材版面設(shè)計時,結(jié)合測量實習(xí)的使用場景來考慮,基于視覺表達內(nèi)容的需要和一定的審美規(guī)律,采用版面設(shè)計中的實用格調(diào),將文字信息和非文字信息的比例設(shè)置為4∶6左右,兼顧書籍的實用性和審美性。

2.2 AR場景設(shè)計

在AR場景中,學(xué)生能夠主動選擇實習(xí)任務(wù)的任何部分進行閱讀、觀察、操作,并且在與虛擬模型、虛擬場景進行互動時實現(xiàn)實習(xí)內(nèi)容的隨機生成。在進行水準(zhǔn)測量實習(xí)的AR場景設(shè)計時,以音頻、視頻、3D模型及小型的3D場景為主,輔以少量的文本解釋或提示信息,如制作水準(zhǔn)測量原理動畫、建立水準(zhǔn)儀的3D模型、錄制水準(zhǔn)儀安置、高程測量過程視頻、建立閉合水準(zhǔn)測量(附合水準(zhǔn)路線、支水準(zhǔn)路線)3D交互場景等。將水準(zhǔn)儀的操作及水準(zhǔn)路線測量教學(xué)為主線,設(shè)計相關(guān)支線,如水準(zhǔn)儀操作可以通過觀看教師操作示范視頻進行學(xué)習(xí),可以在3D場景中拆解(重組)模型,了解每個構(gòu)件的作用,觀看水準(zhǔn)測量原理相關(guān)的動畫,在虛擬場景(圖2)中對儀器進行安置、讀數(shù)和記錄等。

圖2 虛擬水準(zhǔn)測量實習(xí)場景

交互是AR系統(tǒng)中必不可少的因素,實習(xí)過程中與3D模型或虛擬信息進行互動時,有必要在屏幕上添加一些解釋、提示信息、交互后的反饋信息或異常處理信息。

根據(jù)水準(zhǔn)測量實訓(xùn)場景的要求,交互設(shè)計主要包括幾種:手勢設(shè)計、界面菜單(按鈕)和虛擬搖桿設(shè)計。圖3(a)中應(yīng)用了手勢設(shè)計對水準(zhǔn)儀三維模型進行縮放、旋轉(zhuǎn),也可以采用手機屏幕左下方的虛擬搖桿按照設(shè)定的角度或距離進行平移、旋轉(zhuǎn);菜單或按鈕可選擇轉(zhuǎn)換場景或者其他操作;圖3(b)中應(yīng)用虛擬按鈕對視頻播放進行控制。此外在學(xué)習(xí)過程中,AR程序還設(shè)計了任務(wù)提示信息,能夠幫助學(xué)生順利地完成學(xué)習(xí)目標(biāo)。

圖3 手勢交互方式

3 結(jié)束語

本文針對測量實踐課程的教學(xué)目標(biāo),在AR實訓(xùn)教材設(shè)計過程中主要圍繞紙質(zhì)教材和移動端APP的內(nèi)容展示及交互進行了探討。教材的設(shè)計還關(guān)注了學(xué)習(xí)者的某些特點,在內(nèi)容覆蓋面、深度及針對性方面較傳統(tǒng)教材有了一定的改善。本文的重點是對AR教材的設(shè)計思路進行介紹,未對開發(fā)過程進行詳細描述;其次,關(guān)于學(xué)生基于AR實訓(xùn)教材的學(xué)習(xí)效果和滿意度未做探討,將在后續(xù)的工作中進一步闡述和完善。