基于AR技術(shù)和設(shè)備的《電子技術(shù)》課堂教學(xué)模式改革探究

張園田

（重慶電力高等?？茖W(xué)校，重慶 400053）

1 AR教育現(xiàn)狀和特點(diǎn)

(Augmented Reality)是增強(qiáng)現(xiàn)實技術(shù)的簡稱，它是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術(shù)，將計算機(jī)生成的文字、圖像、三維模型、音樂、視頻等虛擬信息模擬仿真后，應(yīng)用到真實世界中，兩種信息互為補(bǔ)充，從而實現(xiàn)對真實世界的“增強(qiáng)”。利用AR技術(shù)可以將一些特定的實體信息模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應(yīng)用到真實世界，被人類感官所感知，從而達(dá)到超越現(xiàn)實的感官體驗。教育信息化的背景下，學(xué)生學(xué)習(xí)方式與教育形態(tài)都發(fā)生著革命性變化，教師的角色日益呈現(xiàn)出多樣性與專業(yè)性的結(jié)合。隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展和國家政策改革的推進(jìn)，AR教學(xué)成為當(dāng)代教育教學(xué)技術(shù)發(fā)展的新動向。

2 基于AR的《電子技術(shù)》教學(xué)研究

《電子技術(shù)》課程是電類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。以往的課程中，因為學(xué)時數(shù)和實驗條件的限制，《電子技術(shù)》的實驗課開設(shè)場次受限，教學(xué)停留在理論教學(xué)層面。在傳統(tǒng)的課堂教學(xué)中，老師以教課為主，學(xué)生在課上的參與很少，甚至沒有，電子技術(shù)中有些理論晦澀而且抽象，學(xué)生普遍反映難懂，教學(xué)效果不是，從而影響了后續(xù)專業(yè)課程的學(xué)習(xí)。AR教學(xué)把傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式的優(yōu)勢和高科技展示方式結(jié)合起來，讓學(xué)生成為學(xué)習(xí)的主角，變被動學(xué)習(xí)為主動學(xué)習(xí)；教師的授課模式也從“灌輸式”改為“互動式”，以求通過這種有機(jī)的AR教學(xué)方式來實現(xiàn)更好的教學(xué)效果。

2.1 基于AR的《電子技術(shù)》教學(xué)的特點(diǎn)

《電子技術(shù)》課程是電類各專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課。因為學(xué)時數(shù)和實驗條件的限制，《電子技術(shù)》的實驗課開設(shè)場次受限，教學(xué)停留在理論教學(xué)層面。相比于傳統(tǒng)的以書本為基礎(chǔ)的教學(xué)方式，將AR實驗穿插到《電子技術(shù)》課堂教學(xué)的方式具有以下幾個性質(zhì)：易得性、可視性、交互性、安全性。

（1）易得性。AR軟件的使用成本很低，甚至幾乎為零。軟件的使用成本只需要一臺能夠正常運(yùn)行的移動設(shè)備（例如手機(jī)，平板電腦）AR教學(xué)軟件除了購買軟件的成本之外，幾乎不需要任何的費(fèi)用，也不用考慮設(shè)備的維護(hù)。在設(shè)備的流通方面，AR教學(xué)也有得天獨(dú)厚后的優(yōu)勢。偏遠(yuǎn)山區(qū)的學(xué)生們很難擁有設(shè)備齊全的實驗室和豐厚的材料，但是隨著智能設(shè)備的廣泛普及，學(xué)生可以打破時間和地域限制來完成相關(guān)的教學(xué)實驗。同時，AR軟件可以在線上同步使用，學(xué)生因故無法到學(xué)校實驗室操作，即可直接利用AR實驗平臺在線完成實驗。

（2）可視性。AR的優(yōu)勢之一就是可視性。課堂授課中難免遇到一些比較抽象難以解釋的知識點(diǎn)，以及很難可視化的概念，例如電流及磁場，他們在軟件中會被制作成一個個生動的3D模型，學(xué)生只需要在線搭接電路就能從各個維度甚至是用透視的方式對模型進(jìn)行觀察。這樣一來，書本上晦澀難懂的概念瞬間擁有了立體感，可以使學(xué)習(xí)過程更加趣味，高效。

（3）交互性。與傳統(tǒng)只能做單向知識傳遞的教學(xué)模式不同，基于AR技術(shù)的實驗臺可以提供開放式的實驗環(huán)境，在仿真環(huán)境中進(jìn)行實際操作，可以實現(xiàn)理論和操作的雙向良性互動。同時，由于AR技術(shù)便于異地在線監(jiān)測和遠(yuǎn)程測控，可以運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)搭建實驗系統(tǒng)，從而節(jié)省大量的購置設(shè)備費(fèi)用，降低實驗室建設(shè)和管理成本。同時由于其使用僅僅需要移動設(shè)備，在實驗過程中不受時間地點(diǎn)限制，隨時隨地想學(xué)就學(xué)。

（4）安全性。以往學(xué)生進(jìn)入基礎(chǔ)實驗室學(xué)習(xí)，在真實的實驗環(huán)境中往往會潛伏若干的實驗危險源。而利用AR技術(shù)進(jìn)行虛擬實驗，能有效避免因操作不規(guī)范帶來的潛在危險，學(xué)生們在移動設(shè)備上進(jìn)行時也完全不用考慮安全隱患。能夠獲得同樣的結(jié)果的同時避免了不必要的危險。另外，實驗設(shè)備的檢修和維護(hù)成本相對較高，設(shè)備損壞將影響實驗教學(xué)的進(jìn)度，而虛擬實驗器材能反復(fù)使用，無需維護(hù)，零損耗。

2.2 基于AR的《電子技術(shù)》教學(xué)主要針對的問題

（1）《電子技術(shù)》課程理論知識高度概括抽象，所涉及的領(lǐng)域?qū)儆谖⒂^，現(xiàn)實世界難以找到具體的案例進(jìn)行演示。在《電子技術(shù)》的課程授課中穿插AR實驗，結(jié)合使用AR設(shè)備上的在線開放課程和AR實驗工具平臺，在教室里完成相應(yīng)電路的分析和設(shè)計。利用智能手機(jī)的AR實驗平臺，搭接電路模塊，模擬實現(xiàn)電路功能，將理論轉(zhuǎn)換為實物，有信服力，讓學(xué)生眼見為實。學(xué)生可以一邊學(xué)習(xí)理論知識、一邊動手做實驗、一邊完成相應(yīng)的題目來鞏固新知識，這種教學(xué)方式加強(qiáng)學(xué)生對新知識的掌握能力，培養(yǎng)了學(xué)生將實際問題抽象為邏輯問題的能力。同樣，通過AR技術(shù)可以讓這些看不見摸不到的知識點(diǎn)直接顯示在屏幕上，讓學(xué)生能更加直觀的感受。例如電路圖無法展示電路中各元器件之間的動態(tài)邏輯關(guān)系，但利用AR實驗等專業(yè)的輔助軟件，就能形象直觀高效的展示出電路中的各種動態(tài)關(guān)系，將抽象知識變得生動直觀。

（2）《電子技術(shù)》課程的實驗室教學(xué)資源有限，不能滿足學(xué)生隨時進(jìn)行自主學(xué)習(xí)和動手實踐的要求。《電子技術(shù)》是一門理論與實踐性都很強(qiáng)的專業(yè)基礎(chǔ)課，授課對象均為大一新生。他們對交流電有了初步認(rèn)知，對電路里常用的元器件僅限于理論上的學(xué)習(xí)，對實際電路的搭接和測試也才剛開始接觸，需要理實一體化的教學(xué)手段和設(shè)施。由于專業(yè)基礎(chǔ)課的授課對象多，學(xué)生在實驗室能體驗到的電子實驗過程不足。因此，學(xué)生只能分時段且受限地使用實驗設(shè)備，實驗操作的效果并不理想，學(xué)生難以徹底掌握實驗的內(nèi)容。我們將部分容易實現(xiàn)的實驗放在多媒體教室課堂上，讓學(xué)生使用手機(jī)等設(shè)備上的AR實驗平臺。在課堂上分小組對邏輯電路的AR搭接，讓學(xué)生從搭建電路的整個環(huán)節(jié)中，體會到成功的樂趣，培養(yǎng)學(xué)生的自信心。同時，再將部分設(shè)計類的發(fā)散性實驗放在課下讓同學(xué)課后分小組完成，極大的提高學(xué)生的學(xué)生興趣，使學(xué)生養(yǎng)成嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ髯黠L(fēng)，能進(jìn)行良好的團(tuán)隊合作。同時，利用AR技術(shù)，將很多數(shù)字化的教學(xué)內(nèi)容可以直接融合到實體教學(xué)物品上，為課堂教學(xué)帶來巨大的方便，不需要在理論課堂于實驗室之間進(jìn)行反復(fù)切換，從而節(jié)省了大量時間，提高了教學(xué)的效率。

（3）《電子技術(shù)》課程學(xué)時短，授課內(nèi)容多，課堂效率低下。根據(jù)各專業(yè)的課程標(biāo)準(zhǔn)及人才培養(yǎng)計劃，《電子技術(shù)》的授課學(xué)時在48學(xué)時到64學(xué)時期間，其中安排的實驗環(huán)節(jié)僅為2到4學(xué)時。學(xué)生成分復(fù)雜，普遍基礎(chǔ)知識薄弱，學(xué)習(xí)比較吃力，普遍反映純理論的《電子技術(shù)》課程較難學(xué)。他們更傾向于在實驗室里對器件的特性及其應(yīng)用進(jìn)行學(xué)習(xí)，他們希望能夠看到實際的器件，能夠近距離觀察器件的外觀，能夠親自驗證器件的特性，能夠親自搭接并觀察到器件的各種應(yīng)用電路等。他們思維比較活躍，自主意識較強(qiáng)，接受新生事物能力較強(qiáng)，互聯(lián)網(wǎng)工具應(yīng)用水平嫻熟，對AR平臺動手搭接電路測試電路特別感興趣。利用AR實驗平臺就能將理論轉(zhuǎn)換為實物，有信服力，讓學(xué)生眼見為實，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。通過課堂上下的實操，讓學(xué)生隨時都可參與到實驗過程，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性、主動性、創(chuàng)新性。營造充滿激情的教學(xué)氛圍，使課堂教學(xué)充滿活力。

2.3 基于AR的《電子技術(shù)》教學(xué)過程

（1）在《電子技術(shù)》教學(xué)中，引入AR實驗的可行性?！峨娮蛹夹g(shù)》課程具有理論性強(qiáng)、部分知識點(diǎn)抽象等特點(diǎn)，同時，《電子技術(shù)》本身就是為了生產(chǎn)實踐服務(wù)的，具有很強(qiáng)的實踐性。然而傳統(tǒng)教學(xué)重理論、輕實踐，“學(xué)”、“用”脫節(jié)，學(xué)生缺乏學(xué)習(xí)的動力與興趣。因此，在課堂教學(xué)中引入AR實驗的教學(xué)模式，可以有效解決學(xué)生完全被動接受的現(xiàn)狀，提升其學(xué)習(xí)的自主性加深學(xué)生對電子電路理論知識的理解，同時積極有效的提高了學(xué)生的動手能力，獨(dú)立思考和解決問題的能力，創(chuàng)新思維能力、協(xié)調(diào)能力、以及團(tuán)結(jié)合作、互幫互助的優(yōu)良傳統(tǒng)。

（2）基于AR的《電子技術(shù)》教學(xué)模式。在課前課中課后各個環(huán)節(jié)引入AR實驗，充分發(fā)揮信息技術(shù)手段對教學(xué)的輔助作用，鍛煉學(xué)生們的動手能力，采用靈活多樣的教學(xué)策略、方法，創(chuàng)建學(xué)生自主探究、協(xié)作交流的學(xué)習(xí)情境，注重考核評價方式多元化，堅持過程與結(jié)果并重原則，努力實現(xiàn)課堂教學(xué)目標(biāo)。

①課前教學(xué)準(zhǔn)備。課前教學(xué)準(zhǔn)備階段最重要的工作就是明確教學(xué)目標(biāo)，概括教學(xué)重點(diǎn)，案例化教學(xué)任務(wù)。此階段，教師在課堂教學(xué)前需搜集或自制課程相關(guān)學(xué)習(xí)資源(微課視頻、PPT、仿真動畫、多媒體教學(xué)音視頻、課前測驗等)，并將其發(fā)布到在線學(xué)習(xí)平臺。教師在知識點(diǎn)講解之前設(shè)計問題，讓學(xué)生帶著問題通過手機(jī)AR實驗去驗證理論知識。

②課中案例的應(yīng)用分析。首先，教師針對學(xué)生在課前提出的問題答疑解惑，或者根據(jù)學(xué)生課前理論知識測試的反饋情況，有針對性地講解相關(guān)知識點(diǎn)。在課堂環(huán)節(jié)中，教師講授任務(wù)為主，按目標(biāo)計劃向?qū)W生傳授知識技能。并利用AR平臺投屏展示課堂教學(xué)案例。同時，每堂課會留出部分時間給學(xué)生進(jìn)行分組操練，并可由教師隨機(jī)抽組上臺展示。對于學(xué)生存在的共性問題，教師可以統(tǒng)一示范，集體解決。

圖1 學(xué)生在課堂進(jìn)行AR實驗展示

③課后知識鞏固與外延。課后，除了常規(guī)作業(yè)布置，再給學(xué)生留一些和實際結(jié)合的發(fā)散性問題，例如“紅綠燈故障系統(tǒng)”等。發(fā)散性的設(shè)計題目由學(xué)生獨(dú)立完成，提高了獨(dú)立思考和解決問題的能力。同時教師也在課堂上的總結(jié)與評價進(jìn)行回顧與反思。

3 基于“物理實驗室”應(yīng)用軟件的AR設(shè)備

（1）利用“物理實驗室”應(yīng)用軟件設(shè)備上的電學(xué)實驗功能進(jìn)行在線AR實驗搭建簡單電路，以滿足課堂演示及學(xué)生搭建需要。“物理實驗室”應(yīng)用軟件可以由基本電路圖直接衍生變化為增強(qiáng)現(xiàn)實的物理元器件，并可以在平臺中進(jìn)行虛擬物理實驗。它擁有多個電子電路元器件，復(fù)現(xiàn)了電學(xué)元件的每個細(xì)節(jié)，模型，外觀到電學(xué)性質(zhì)，不僅如此，還能對元器件的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整和修改，以便精準(zhǔn)高效的完成實驗內(nèi)容。

圖2 基于“物理實驗室”的二極管正接電路圖

（2）“物理實驗室”是一款包含電學(xué)實驗，天體物理實驗，以及電與磁實驗三個虛擬現(xiàn)實實驗平臺的應(yīng)用軟件。針對《電子技術(shù)》這門課，在基于“物理實驗室”應(yīng)用軟件的AR實驗平臺上，開發(fā)出半導(dǎo)體二極管、單向半波整流電路、單向橋式整流電路、基本邏輯門電路、組合邏輯電路分析及設(shè)計、集成計數(shù)器及其應(yīng)用等一共18學(xué)時的包含AR演示實驗的教學(xué)內(nèi)容，完成教案編寫。結(jié)合課堂教學(xué)實施，將傳統(tǒng)課堂教學(xué)與AR教學(xué)進(jìn)行有效結(jié)合。在課題在研的兩年里，因為疫情的影響，部分課程不得以在線上實施。而電子技術(shù)課程的網(wǎng)絡(luò)課堂中，通過以AR實驗臺作為媒介，讓學(xué)生在虛擬實驗平臺上動手搭建電路，提高學(xué)生動手實驗的參與率，也進(jìn)一步保證教學(xué)目標(biāo)的順利實施。

（3）學(xué)生在使用“物理實驗室”應(yīng)用軟件，學(xué)生可在任何地方、任何時間隨時操作實驗，不再受到時間及地點(diǎn)的限制。這不僅克服了傳統(tǒng)實驗教學(xué)的局限性，還提升了學(xué)生的創(chuàng)新思維和動手實踐能力。將“物理實驗室”的AR實驗平臺應(yīng)用于實驗教學(xué)后，得到了學(xué)生的普遍認(rèn)可，學(xué)生更主動地參與實驗教學(xué)，并積極與老師溝通，提高了學(xué)習(xí)的效率。

應(yīng)用于《電子技術(shù)》教學(xué)中的AR技術(shù)重在強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)過程中的參與性，讓學(xué)生親身體驗，主動思考，積極學(xué)習(xí)，避免填鴨式被動教學(xué)，進(jìn)行全真模擬展示和交互，增加教學(xué)的實踐性和真實感。同時，它也能幫助老師提高課堂趣味性，將平時枯燥難理解的問題變得簡單易懂，幫助老師輕松教學(xué)，學(xué)生快樂學(xué)習(xí)，讓課堂教學(xué)更加智能高效、煥然一新。