基于AR技術(shù)的 人工智能教材開發(fā)路徑研究

曹烔烔 焦寶聰

摘要：為了解決當(dāng)前人工智能教材引導(dǎo)性不足、情意類活動缺乏等問題，作者從AR融合出版角度思考人工智能教材開發(fā)，發(fā)揮AR融合出版的情境性、交互性、引導(dǎo)性特征，設(shè)計(jì)了基于AR技術(shù)的人工智能教材開發(fā)路徑，即分別從紙質(zhì)內(nèi)容和數(shù)字化內(nèi)容兩個模塊進(jìn)行開發(fā)，使用AR編輯軟件進(jìn)行邏輯串聯(lián)，最后選擇“圖像識別”一章作為案例進(jìn)行了開發(fā)過程的說明。

關(guān)鍵詞：人工智能;增強(qiáng)現(xiàn)實(shí);AR出版;教材開發(fā)

中圖分類號：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 論文編號：1674-2117（2021）15-0092-05

● 引言

隨著人工智能的發(fā)展及其對生產(chǎn)生活產(chǎn)生的廣泛影響，世界各國都越來越重視學(xué)校中的人工智能教育，以培養(yǎng)更多的人工智能人才，投入到人工智能的研發(fā)中。2018年教育部進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)在中小學(xué)階段引入人工智能普及教育。目前人工智能教材已初具規(guī)模，但存在活動難度差異性大、情意類活動缺乏等問題。[1]主要原因在于不少教材只顧將編程、硬件搭建、創(chuàng)客教育融入到教材中，但缺乏深入的活動引導(dǎo)和必要的情境設(shè)計(jì)，重知識和技能傳授，輕情感引導(dǎo)，從而使學(xué)生不能深入思考人工智能與人類的關(guān)系。而AR出版基于其情境性、引導(dǎo)性、交互性等特征，能夠彌補(bǔ)紙質(zhì)人工智能教材在情境創(chuàng)設(shè)和學(xué)習(xí)引導(dǎo)方面的不足，因此筆者以AR融合出版技術(shù)為切入點(diǎn)思考可交互的人工智能電子教材，設(shè)計(jì)了基于AR技術(shù)的人工智能教材開發(fā)路徑。

● 關(guān)鍵概念

1.人工智能

人工智能是研究使計(jì)算機(jī)來模擬人的某些思維過程和智能行為，涉及計(jì)算機(jī)科學(xué)、控制論、信息論、神經(jīng)生理學(xué)、語言學(xué)、心理學(xué)等多個領(lǐng)域。人工智能不僅是一次技術(shù)層面的革命，它還將與重大的社會經(jīng)濟(jì)變革、教育變革、思想變革、文化變革等同步。[2]因此，在中小學(xué)階段開展人工智能課程，培養(yǎng)學(xué)生的計(jì)算思維、創(chuàng)造力和人文素養(yǎng)，能使學(xué)生更好地適應(yīng)并改造人工智能社會。人工智能教材是人工智能課程實(shí)施的參考和學(xué)生學(xué)習(xí)的主要資源，中小學(xué)人工智能教材一般分為人工智能基礎(chǔ)知識、機(jī)器人及其應(yīng)用、人工智能硬件及其應(yīng)用、人工智能的關(guān)鍵技術(shù)、知識表達(dá)與人工智能語言、人工智能的未來和展望六大核心內(nèi)容，從基礎(chǔ)知識入手，以算法和實(shí)踐編程為抓手，呈現(xiàn)人工智能的關(guān)鍵技術(shù)和前沿應(yīng)用領(lǐng)域。[1]

2.AR出版

AR出版（AR圖書）是實(shí)體圖書與虛擬形象、虛擬場景的有機(jī)融合，學(xué)習(xí)者通過使用配套設(shè)備，如智能手機(jī)、智能眼鏡、智能顯示屏等看到與實(shí)體圖書中對應(yīng)知識在現(xiàn)實(shí)場景中的形象化呈現(xiàn)。在這種情境中，學(xué)習(xí)者可以更容易地產(chǎn)生興趣、理解抽象知識、建構(gòu)知識意義。AR 圖書因其形象性、交互性、情境化、正式學(xué)習(xí)與非正式學(xué)習(xí)相結(jié)合等特性，能夠很好地與翻轉(zhuǎn)課堂、微課等教學(xué)模式對接，并適用于家庭教育、親子教育。

● 基于AR技術(shù)的人工智能教材特征

1.多種媒體形式創(chuàng)設(shè)故事情境

出色的情境設(shè)計(jì)能夠促進(jìn)學(xué)生對知識意義的建構(gòu)，學(xué)生在具有故事性的、可視化的、可交互的情境中，會形成潛在的學(xué)習(xí)傾向，更容易達(dá)到理想的學(xué)習(xí)效果。基于AR出版的人工智能教材可以通過多種媒體形式，如模型、二維動畫等，營造未來感、科技化、真實(shí)感、故事化的故事情境，促進(jìn)學(xué)生的興趣，并使其在更深入的學(xué)習(xí)體驗(yàn)中形成對人工智能時(shí)代的思考。

2.形象化實(shí)踐操作過程

重視實(shí)踐操作是人工智能課程的特點(diǎn)之一，多數(shù)教材也通過硬件搭建和軟件編程培養(yǎng)學(xué)生的操作技能。學(xué)生完成硬件搭建，并建立硬件與程序之間的聯(lián)系，是人工智能課程的難點(diǎn)之一。基于AR出版的人工智能教材將操作過程視頻、圖片、音頻解釋等內(nèi)容疊加在教材內(nèi)，學(xué)生通過視頻等內(nèi)容更直觀地看到操作過程，完成硬件搭建等實(shí)踐內(nèi)容。這種形式打破了互聯(lián)網(wǎng)資源與傳統(tǒng)紙質(zhì)教材的壁壘，增強(qiáng)了互動感，支持線下學(xué)習(xí)。

3.“紙質(zhì)+電子”雙重閱讀形式

隨著閱讀方式的轉(zhuǎn)變，電子閱讀逐漸成為年輕人主要的閱讀方式，但傳統(tǒng)紙質(zhì)閱讀在我們生活和學(xué)習(xí)中不可或缺，因此使用“屏讀”還是使用紙質(zhì)書成為了一對矛盾?；贏R出版的人工智能教材給予閱讀者雙重的閱讀方式，既注重發(fā)揮電子教材的優(yōu)勢，又促使學(xué)習(xí)回歸傳統(tǒng)紙媒。學(xué)習(xí)者先通過紙質(zhì)書進(jìn)行學(xué)習(xí)，對基礎(chǔ)知識技能進(jìn)行掌握，而對于其中較為抽象、紙質(zhì)書難以演示的內(nèi)容，則通過電子書觀看模型、視頻等形式獲得更直觀的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

4.適應(yīng)個性化學(xué)習(xí)需求

基于AR出版的人工智能教材通過虛擬助教的形式，在學(xué)習(xí)的各個環(huán)節(jié)之間提供引導(dǎo)和支持，在抽象的部分提供精準(zhǔn)匹配的資源講解，在學(xué)生做出應(yīng)答后給予初步的評價(jià)反饋。學(xué)生可以通過點(diǎn)擊或拖動的形式，與教材中的內(nèi)容進(jìn)行互動，提高學(xué)習(xí)興趣。電子閱讀的方式可以支持學(xué)生的泛在學(xué)習(xí)，使學(xué)生既可以在學(xué)校學(xué)，也可以在家庭內(nèi)自學(xué)。

● 基于AR技術(shù)的人工智能校本課程開發(fā)路徑

基于AR技術(shù)的人工智能校本課程開發(fā)分為兩大板塊，分別是紙質(zhì)頁面內(nèi)容設(shè)計(jì)開發(fā)和數(shù)字化內(nèi)容設(shè)計(jì)開發(fā)（如圖1），最后通過AR編輯軟件將二者進(jìn)行邏輯串聯(lián)形成AR教材。

1.紙質(zhì)教材內(nèi)容設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)教學(xué)目標(biāo)

基于AR技術(shù)的人工智能課程教學(xué)目標(biāo)除了傳統(tǒng)的三維教學(xué)目標(biāo)以外，還應(yīng)增設(shè)數(shù)字化學(xué)習(xí)與創(chuàng)新目標(biāo)。學(xué)生通過紙質(zhì)書結(jié)合AR電子書的形式，通過書中虛擬助教的引導(dǎo)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)，通過改造書中提供的項(xiàng)目或制作新項(xiàng)目進(jìn)行創(chuàng)新。課程目標(biāo)還應(yīng)引導(dǎo)學(xué)生客觀理性地認(rèn)識對待人工智能，遵守人工智能時(shí)代的倫理道德。

（2）創(chuàng)設(shè)課程情境

人工智能課程創(chuàng)設(shè)的情境應(yīng)接近學(xué)生生活，學(xué)生通過對身邊的實(shí)際案例的感受，更容易投入到課程中，獲得深度的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。課程情境應(yīng)具有故事感，在課程的各個環(huán)節(jié)用一個完整的故事進(jìn)行串聯(lián)，環(huán)環(huán)相扣。學(xué)生在學(xué)習(xí)當(dāng)前環(huán)節(jié)時(shí)對下一學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)具有學(xué)習(xí)期待，每一環(huán)節(jié)得到不同的學(xué)習(xí)成果，當(dāng)整個故事完結(jié)的時(shí)候，各個學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)也已完成，學(xué)生的學(xué)習(xí)成果在最后得到匯總和升華。同時(shí)，開發(fā)者在創(chuàng)設(shè)課程情境時(shí)應(yīng)規(guī)劃好在AR教材中用何種形式呈現(xiàn)。

（3）設(shè)計(jì)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)

基于AR技術(shù)的人工智能課程可以采用項(xiàng)目化學(xué)習(xí)方式開展。開發(fā)者設(shè)計(jì)與教學(xué)情境緊密相關(guān)且能承載教學(xué)目標(biāo)的項(xiàng)目，為學(xué)生提供基礎(chǔ)的學(xué)習(xí)資源，如人工智能基礎(chǔ)知識、項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的邏輯結(jié)構(gòu)、程序編寫參考、硬件搭建等，采用恰當(dāng)?shù)捻樞蚺帕校瑢W(xué)生通過學(xué)習(xí)這些基礎(chǔ)知識要能夠自主或合作完成項(xiàng)目，并對項(xiàng)目成果進(jìn)行檢測。

（4）設(shè)計(jì)課程作業(yè)

課程作業(yè)的設(shè)計(jì)可以依據(jù)項(xiàng)目化學(xué)習(xí)的內(nèi)容，促使學(xué)生在完成項(xiàng)目任務(wù)的基本要求后，還能對項(xiàng)目成果進(jìn)行創(chuàng)新性改造，如改變參數(shù)使燈光的顏色和閃爍頻率改變、改造智能車使它完成當(dāng)前行駛路線后原路返回等，這類作業(yè)難度一般較低，因此可以在靠前的章節(jié)采用這種形式。當(dāng)學(xué)生對人工智能有更深的認(rèn)識后，應(yīng)設(shè)計(jì)難度系數(shù)更高的作業(yè)，如在學(xué)習(xí)“如影隨形”小車使它能跟隨人前進(jìn)或后退項(xiàng)目后，完成“自動避障智能車”設(shè)計(jì)的作業(yè)，在學(xué)習(xí)“自動室內(nèi)加濕器”的項(xiàng)目后，完成“智能澆花器”設(shè)計(jì)的作業(yè)。

2.數(shù)字化課程內(nèi)容設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)虛擬助教

AR圖書中的虛擬助教為學(xué)生提供學(xué)習(xí)引導(dǎo)、輔助和反饋，滿足學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)需求，學(xué)生在沒有教師輔導(dǎo)的情況下，也可以通過虛擬助教的引導(dǎo)進(jìn)行自主學(xué)習(xí)并獲得學(xué)習(xí)反饋。AR圖書中的虛擬助教可以是虛擬人物、真實(shí)人物、三維形象，可以采用一個虛擬助教貫穿各個學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)，也可以采用多個虛擬助教分布在學(xué)習(xí)的各個環(huán)節(jié)。

在情境引入環(huán)節(jié)，虛擬助教可以通過語音講解、虛擬空間展示、視頻演示等方式將學(xué)生帶入人工智能相關(guān)的場景中;在項(xiàng)目化學(xué)習(xí)中，虛擬助教可通過語音講解文本難以描述的復(fù)雜知識;對于學(xué)生的項(xiàng)目任務(wù)完成情況，虛擬助教應(yīng)給予一定的反饋。

（2）設(shè)計(jì)交互內(nèi)容與方式

數(shù)字化交互內(nèi)容可以包含模型、音頻、視頻、圖片、動畫、鏈接等，交互方式是指通過點(diǎn)擊或掃描形狀、文字、圖片等方式播放相應(yīng)的數(shù)字化教學(xué)內(nèi)容。開發(fā)者應(yīng)在課程的不同環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)適宜的交互內(nèi)容和交互方式，注意數(shù)字化交互內(nèi)容是為紙質(zhì)文本內(nèi)容難以呈現(xiàn)或呈現(xiàn)效果不佳的內(nèi)容做補(bǔ)充，學(xué)習(xí)材料以紙質(zhì)教程為主，AR教程為輔助，如果只是將紙質(zhì)內(nèi)容簡單重復(fù)則是贅余。

（3）制作數(shù)字化教學(xué)內(nèi)容

數(shù)字化教學(xué)內(nèi)容是理解紙質(zhì)文本的輔助材料，在制作時(shí)應(yīng)抓住重點(diǎn)難點(diǎn)，避免冗余內(nèi)容，提升學(xué)習(xí)效率。

視頻制作可以采用EV錄屏、Camtasia Studio等軟件，在視頻中對于重點(diǎn)內(nèi)容用符號標(biāo)記。音頻錄制可以采用手機(jī)錄音或軟件配音，使用Audition進(jìn)行制作。圖片可以使用美圖軟件、Photoshop等工具制作。二維動畫通過Powerpoint、Focusky、萬彩動畫大師等軟件制作。三維模型等可以采用3D-MAX軟件制作。

3.邏輯串聯(lián)

選用合適的AR制作軟件將紙質(zhì)書頁面與數(shù)字化教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行邏輯串聯(lián)，建立二者的邏輯關(guān)系。學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)時(shí)可以通過點(diǎn)擊AR書或掃描紙質(zhì)圖書頁面，播放相應(yīng)的數(shù)字化學(xué)習(xí)內(nèi)容。目前，市場上AR制作平臺也非常多，開發(fā)者如為教師，可選擇對專業(yè)技能要求較低、使用更加友好的軟件。

● 基于AR技術(shù)的人工智能校本課程案例

為增添課程的故事性，引起學(xué)生興趣，構(gòu)造了名為“I悅之城”的智能城市，“I”為字母Intelegence的縮寫，“悅”意為喜悅，整體含義是指人工智能讓人類生活更加美好。在I悅之城里有無人超市、無人駕駛汽車、智能家居、智能城市交通系統(tǒng)等，人類通過城市的各種智能設(shè)備，學(xué)習(xí)人工智能知識。

下面，筆者通過圖像識別章節(jié)《I悅之城——超市站》一課闡述教材開發(fā)過程。掃描二維碼（如圖2）下載圖書觀看圖書效果。

1.教學(xué)目標(biāo)（如下表）

2.教學(xué)情境

I悅之城超市里不需要設(shè)置收銀員，消費(fèi)者在購物之后通過掃描商品條形碼就能看到商品價(jià)格，選好商品后并刷臉完成支付。

3.項(xiàng)目化學(xué)習(xí)

項(xiàng)目：設(shè)計(jì)超市商品二維碼系統(tǒng)。使攝像頭掃描到不同二維碼時(shí)，掌控板的LED燈亮不同顏色，掌控板液晶屏顯示商品的價(jià)格。

基礎(chǔ)知識：While循環(huán)、分支結(jié)構(gòu)。

邏輯流程圖：二維碼識別邏輯流程圖、串口通信邏輯流程圖。

程序編寫：為學(xué)生提供程序編寫的參考，并對關(guān)鍵程序塊進(jìn)行解釋。

硬件搭建：詳細(xì)解釋硬件搭建過程的每一步，并用圖片展示搭建后的硬件形態(tài)。

功能檢測：正常運(yùn)行的效果。

4.作業(yè)設(shè)計(jì)

通過“改造I悅之城”，改進(jìn)亮燈效果，能夠?qū)崿F(xiàn)在攝像頭掃描到二維碼時(shí)，掌控板上的0、1、2號燈以2秒為時(shí)間間隔，分別被點(diǎn)亮。

5.虛擬助教設(shè)計(jì)

智能導(dǎo)游小I：貫穿各個章節(jié)的虛擬人物，帶領(lǐng)學(xué)生分別走進(jìn)超市站、無人駕駛、智能家庭等。

智慧博士：在關(guān)鍵概念處如“圖像識別”，對關(guān)鍵概念進(jìn)行講解。

I悅架構(gòu)師小玲：引導(dǎo)學(xué)生建立起項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)的邏輯結(jié)構(gòu)，形成項(xiàng)目的思路。

I悅工程師小悅：在形成邏輯結(jié)構(gòu)后，引導(dǎo)學(xué)生為掌控板編寫程序。

I悅建筑師小壯：引導(dǎo)學(xué)生建立其硬件與軟件的聯(lián)系，進(jìn)行硬件搭建。

I悅檢測師小言：在硬件和軟件準(zhǔn)備完畢后，使設(shè)備正常運(yùn)行，檢測是否達(dá)到項(xiàng)目預(yù)期的效果。

6.數(shù)字化教學(xué)內(nèi)容

在情境創(chuàng)設(shè)部分制作了動畫視頻，由智能導(dǎo)游小I引導(dǎo)參觀I悅之城并來到超市站，視頻演示超市的智能支付系統(tǒng)。為每個虛擬助教設(shè)計(jì)了動畫形象并在對應(yīng)環(huán)節(jié)進(jìn)行引導(dǎo)。

7.制作AR教程

選用夢想編輯器對圖書頁面內(nèi)容和數(shù)字化教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行邏輯串聯(lián)。因該書文字內(nèi)容較多，所以選用“4D教材”模板，并在圖書頁面和數(shù)字化內(nèi)容間建立交互關(guān)系（如下頁圖3）。

● 基于AR技術(shù)的人工智能教材開發(fā)原則

1.從教學(xué)的角度，注重情境的創(chuàng)設(shè)

知識無法獨(dú)立地從情境中抽離出來，知識間的關(guān)聯(lián)也必須通過情境來連接，人只能在情境中獲取知識。[3]因此，在進(jìn)行教材開發(fā)時(shí)，要設(shè)計(jì)符合學(xué)生思維特征的故事情境。情境要能承載教學(xué)目標(biāo)，使學(xué)生學(xué)習(xí)的其他環(huán)節(jié)能夠圍繞這一情境展開，各個教學(xué)環(huán)節(jié)作用不同，卻又環(huán)環(huán)相扣。引導(dǎo)學(xué)生在情境中對人工智能產(chǎn)生深度的認(rèn)識，具體就是要清楚人與人工智能的關(guān)系，不僅要知道人工智能能夠?yàn)槿祟愖鍪裁?，更要知道人工智能不能做什么。使學(xué)生在與人工智能打交道時(shí)能做出符合倫理道德的抉擇。

2.從學(xué)科的角度，注重跨學(xué)科的內(nèi)容設(shè)計(jì)

《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》強(qiáng)調(diào)形成“人工智能+X”的復(fù)合專業(yè)培養(yǎng)新模式，重視人工智能與數(shù)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、物理學(xué)、生物學(xué)等多學(xué)科的交叉融合。[4]硬件與軟件結(jié)合，重視實(shí)踐操作是人工智能課程的特點(diǎn)。在教材中，硬件的搭建組合部分應(yīng)融合數(shù)學(xué)和物理等知識，軟件部分則融合編程、數(shù)學(xué)等部分，學(xué)生通過編寫程序、調(diào)整參數(shù)，使硬件呈現(xiàn)不同的形態(tài)和效果。

3.從學(xué)習(xí)形式的角度，注重學(xué)習(xí)的引導(dǎo)性

基于AR出版的人工智能教材能夠支持學(xué)生個性化學(xué)習(xí)。AR教材中要精心設(shè)計(jì)虛擬助教，虛擬助教的角色要符合教材中的情境和學(xué)習(xí)者特征。各個環(huán)節(jié)之間要設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)囊龑?dǎo)性內(nèi)容，如虛擬助教的語音講解或視頻解釋等，項(xiàng)目任務(wù)中較為抽象的部分可以通過三維模型、視頻演示等內(nèi)容進(jìn)行解釋。

4.從知識呈現(xiàn)的角度，注重交互內(nèi)容的設(shè)計(jì)

在學(xué)生進(jìn)行項(xiàng)目測試后，要設(shè)計(jì)合適的互動內(nèi)容，給予學(xué)生正確的反饋。電子教材中嵌入的視頻、音頻等多媒體內(nèi)容，要用清晰、明顯的圖標(biāo)呈現(xiàn)。對于可交互模塊要有一定的提示，如“點(diǎn)擊此處看提示”“掃一掃看視頻等?！?/p>

● 結(jié)語

本文設(shè)計(jì)分析了基于AR技術(shù)的人工智能教材開發(fā)路徑，并通過已開發(fā)的章節(jié)案例進(jìn)行詳細(xì)說明，希望能為人工智能數(shù)字化教材開發(fā)者提供思路和參考。文中所提出的AR人工智能教材需要適應(yīng)特定的教學(xué)情境，不能滿足所有的線下課堂教學(xué)情境，因此還需要思考線下教學(xué)時(shí)紙質(zhì)教材用何種形態(tài)呈現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

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[4]李歡冬，樊磊.“可能”與“不可能”：當(dāng)前人工智能技術(shù)教育價(jià)值的再探討——《高等學(xué)校人工智能創(chuàng)新行動計(jì)劃》解讀之一[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2018（05）：38-44.

作者簡介：曹烔烔（1997—），女，首都師范大學(xué)教育學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)榻逃畔⒒冃Ъ夹g(shù);焦寶聰（1954—），男，首都師范大學(xué)教育學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榻逃畔⒒冃Ъ夹g(shù)。

基金項(xiàng)目：教育部教師工作司委托課題“中小學(xué)數(shù)學(xué)教師信息化教學(xué)能力顯著提升的研究與實(shí)踐”（課題編號：JSSKT2020012）。