鐘春霞，王冬青，蔡 午，楊 莉
（華南師范大學(xué)教育信息技術(shù)學(xué)院，廣東廣州 510631）
【摘 要】增強現(xiàn)實技術(shù)能夠在屏幕上把虛擬世界加載到現(xiàn)實世界并進行互動，目前國內(nèi)外的出版機構(gòu)已經(jīng)將其應(yīng)用在數(shù)字教材設(shè)計與開發(fā)上，實現(xiàn)讓靜態(tài)的圖文能夠以動態(tài)的形式展示出來。本文總結(jié)了基于增強現(xiàn)實技術(shù)的數(shù)字教材應(yīng)用需求，在分析增強現(xiàn)實技術(shù)特征的基礎(chǔ)上，提出了基于增強現(xiàn)實技術(shù)的數(shù)字教材設(shè)計流程，并給出了基于 Aurasma 平臺的數(shù)字教材開發(fā)方法與實例。
【關(guān)鍵詞】增強現(xiàn)實；數(shù)字教材；設(shè)計與開發(fā)
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隨著數(shù)字出版技術(shù)的發(fā)展，一些出版機構(gòu)嘗試在數(shù)字教材設(shè)計與開發(fā)中引入增強現(xiàn)實技術(shù)，實現(xiàn)紙質(zhì)教材和數(shù)字教材的融合，讓兩者優(yōu)勢互補、共同發(fā)展，使學(xué)習(xí)者可以在現(xiàn)實中更便捷地獲得學(xué)習(xí)資源，使學(xué)習(xí)變得更加有趣。
一、基于增強現(xiàn)實技術(shù)的數(shù)字教材應(yīng)用需求
（一）新時代教與學(xué)的需求
隨著平板電腦、智能手機等移動終端設(shè)備的普及和發(fā)展，移動學(xué)習(xí)、移動閱讀正逐漸融入人們的生活。伴隨著移動技術(shù)成長的學(xué)習(xí)者作為數(shù)字土著，技術(shù)支持的教與學(xué)成為他們習(xí)慣的方式。紙質(zhì)教材增加了光碟和學(xué)習(xí)網(wǎng)站等資源，數(shù)字教材擁有集多種媒體資源于一身的優(yōu)勢，那么如何結(jié)合傳統(tǒng)紙質(zhì)教材的用戶習(xí)慣體驗和數(shù)字教材的豐富資源優(yōu)勢呢？利用增強現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合紙質(zhì)教材、數(shù)字教材的開發(fā)，推動紙質(zhì)教材和數(shù)字教材改革，有利于技能的學(xué)習(xí)，讓學(xué)生真正成為學(xué)習(xí)的主人，在學(xué)習(xí)過程中學(xué)生的學(xué)習(xí)內(nèi)容可以很好地拓展，增強了學(xué)生學(xué)習(xí)的自主性，擴展了學(xué)生的學(xué)習(xí)視野和發(fā)展空間，同時提高了學(xué)生的信息素養(yǎng)，訓(xùn)練了學(xué)生的批判思維。
（二）紙質(zhì)教材變革的需求
紙質(zhì)教材的發(fā)展早于數(shù)字教材，有固定的讀者群和普及率高的優(yōu)勢。紙質(zhì)教材風(fēng)格鮮明，讀者在紙質(zhì)教材上獲得知識與精神的雙重體驗，在閱讀的過程中，擁有自然舒服的翻頁、思緒暢想的閱讀體驗，在閱讀的過程中可以自由標(biāo)注。紙質(zhì)教材的編寫經(jīng)過嚴(yán)格多重檢驗，集成多個專家的智慧，公信度較高。
但是紙質(zhì)教材的資源較少，不利于學(xué)生拓展學(xué)習(xí)，加上其本身受到版面、字數(shù)的限制，限制了信息的發(fā)布量，資源局限于文字和圖片，而圖文并茂的方式不如聲音、視頻等多種媒體集合的吸引力大 [1]。
利用增強現(xiàn)實技術(shù)可以彌補紙質(zhì)教材缺乏資源的劣勢，發(fā)揮紙質(zhì)教材原有的擁有強大讀者群和公信度高的優(yōu)勢，還可以讓讀者與紙質(zhì)教材進行互動，增添閱讀教材的樂趣。
（三）數(shù)字教材變革的需求
數(shù)字教材有效整合教育教學(xué)的內(nèi)容、豐富了教與學(xué)資源、提供完善配套的教學(xué)與學(xué)習(xí)服務(wù)，具有富媒體性、時效性、開放性、共享性、關(guān)聯(lián)性、動態(tài)性、交互性等特性 [2]。數(shù)字教材的核心優(yōu)勢是在以紙質(zhì)教材為藍本的基礎(chǔ)上，增加與時俱進的教學(xué)資源和學(xué)習(xí)資源，滿足不同教師的個性化教學(xué)需求，同時也滿足學(xué)生的個性化學(xué)習(xí)需求。對于教師，數(shù)字教材集合諸多優(yōu)質(zhì)教學(xué)資源，有利于教師的個性化教學(xué)，減輕教師搜索素材的難度，減少搜尋資源的時間，這樣教師可以更專心鉆研教學(xué)。對于學(xué)生來說，數(shù)字教材以豐富資源優(yōu)勢創(chuàng)設(shè)學(xué)科和課程情境，有利于抓住學(xué)生的注意力，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，開拓學(xué)生的學(xué)習(xí)視野，充分調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性，有助于聯(lián)通書本知識與生活，幫助他們深入理解所學(xué)內(nèi)容 [3]。
但是目前數(shù)字教材的資源還有待完善，資源有待與時俱進，特別需要優(yōu)化有助于突破教學(xué)重難點的教學(xué)資源，豐富優(yōu)質(zhì)的拓展學(xué)習(xí)資源 [4]；配套的教學(xué)測試題庫資源有待分類規(guī)整；學(xué)生配套的個性化測試有待加強；數(shù)字教材終端設(shè)備的配置有待提高；數(shù)字教材的操作步驟有待精簡；數(shù)字教材的交互有待提升；理科的數(shù)字教材資源和學(xué)科工具有待進一步完善。
利用增強現(xiàn)實技術(shù)結(jié)合數(shù)字教材開發(fā)可以激發(fā)學(xué)生對新鮮事物的好奇心和增加教材的新穎性，增強現(xiàn)實強調(diào)虛實結(jié)合、虛實同步、交互自然，它允許用戶看到真實的世界，同時它是將虛擬信息疊加到真實世界，將虛擬對象合成到真實世界。增強現(xiàn)實是用虛擬世界“親臨現(xiàn)場”的逼真感和建立的豐富資源來補充真實世界，而不是用虛擬世界完全取代真實世界 [5]。
基于增強現(xiàn)實技術(shù)的數(shù)字教材開發(fā)，并不是為了取代紙質(zhì)教材，而是將數(shù)字教材豐富的資源優(yōu)勢與紙質(zhì)教材的用戶體驗相結(jié)合，充分發(fā)揮兩者的優(yōu)勢，利用增強現(xiàn)實技術(shù)的平臺和便捷的移動用戶設(shè)備終端，讓教學(xué)和學(xué)習(xí)資源可以共享共建，打破知識的邊界，形成聯(lián)通的知識網(wǎng)絡(luò)。
二、增強現(xiàn)實技術(shù)的特征與研究現(xiàn)狀
（一）增強現(xiàn)實技術(shù)的概念
增強現(xiàn)實是虛擬和現(xiàn)實交互的橋梁，將 3D 顯示技術(shù)、多種傳感技術(shù)、人機交互技術(shù)、多媒體技術(shù)融合計算機視覺技術(shù)，模擬真實的場景現(xiàn)場，產(chǎn)生平面或者立體畫面、結(jié)合多種富媒體資源和多種感官通道，讓使用者通過增強現(xiàn)實的系統(tǒng)有真實世界“身臨實境”的體會，突破時間和空間的限制，體驗親臨現(xiàn)場的逼真感 [6]。
（二）增強現(xiàn)實應(yīng)用于教育
1．增強現(xiàn)實應(yīng)用于教育領(lǐng)域的特征
第一，虛實融合。增強現(xiàn)實技術(shù)利用人機交互技術(shù)將文字、圖片、音頻、視頻、Flash 動畫、3D 動畫、虛擬實驗、網(wǎng)站鏈接、交互式習(xí)題、全景模型等和現(xiàn)實世界融合，讓現(xiàn)實世界和虛擬環(huán)境無縫融合。
第二，虛實同步。增強現(xiàn)實技術(shù)將虛擬環(huán)境和現(xiàn)實世界實時同步，使用戶在現(xiàn)實世界可以感受到虛擬環(huán)境中模擬的事件，增強用戶的實境逼真體驗效果。
第三，交互自然。增強現(xiàn)實技術(shù)的人機交互操作簡單，不需要佩戴封閉的虛擬現(xiàn)實眼鏡，不會產(chǎn)生久戴眼鏡后的暈眩感，只需手部動作移動旋轉(zhuǎn)和多角度觀察三維模型，還可以通過語音、體感、眼動等更多方式與虛擬對象進行自然交互。
2．增強現(xiàn)實應(yīng)用于教育領(lǐng)域的優(yōu)勢和意義
增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域，可以豐富學(xué)習(xí)者的認知視角，實現(xiàn)神奇的時空穿梭、特別的實時交互，為情境化學(xué)習(xí)、協(xié)作式學(xué)習(xí)、自主型學(xué)習(xí)等多種學(xué)習(xí)方式提供了新的技術(shù)支持。增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教育，讓學(xué)生使用簡單的人機交互，實現(xiàn)虛擬與真實世界的融合，體驗親臨實境的感覺，在特定的情境中學(xué)習(xí)知識，多角度觀察事物的變化，達到全方位理解知識的效果。
（三）增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀
增強現(xiàn)實技術(shù)在教育中的應(yīng)用受到越來越多人的關(guān)注，不斷涌現(xiàn)出各種各樣的新產(chǎn)品。在學(xué)前教育中應(yīng)用較多，如：國外 Billinghurs 用增強現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計了一套兒童圖書 Magic Book[7]，Dünser 與 Horneker 開發(fā)了寓言故事題材的幼兒學(xué)習(xí)資料 [8]，國內(nèi)夢想人科技獨立研發(fā)幼兒閱讀的 4D 圖書、4D 繪本以及 4D 認知卡，改變了兒童的閱讀方式。在職業(yè)教育中增強現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用也相當(dāng)廣泛，特別是在醫(yī)學(xué)、航空等高危職業(yè)的技能訓(xùn)練上。增強現(xiàn)實技術(shù)的介入使得訓(xùn)練更具有場景性和沉浸性，對于提高職業(yè)人員的專業(yè)技能和職業(yè)素養(yǎng)起到了很大的作用。增強現(xiàn)實在基礎(chǔ)教育中的研究也越來越多，北京師范大學(xué)現(xiàn)代教育技術(shù)研究所的科研團隊開發(fā)了具有豐富圖書表現(xiàn)形式的“未來之書”，董子龍、章國鋒等人開發(fā)了可識別漢字的增強現(xiàn)實系統(tǒng) [9]，王清、張必蘭開發(fā)了英語單詞識記軟件 [10]，這些研究都對基礎(chǔ)教育的增強現(xiàn)實技術(shù)研究發(fā)展做出了指引性的作用，可是還缺乏在一線教學(xué)實踐中的廣泛應(yīng)用。
三、基于增強現(xiàn)實技術(shù)的數(shù)字教材設(shè)計
（一）設(shè)計理念
1．基于增強現(xiàn)實的數(shù)字教材需要系統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計
數(shù)字教材不是普通的媒體信息組成的信息產(chǎn)品，首先應(yīng)該是一個具有確定教學(xué)對象、明確學(xué)習(xí)目標(biāo)、符合課程標(biāo)準(zhǔn)要求的教學(xué)內(nèi)容與活動組成的教學(xué)系統(tǒng)。增強現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用不能為了應(yīng)用而應(yīng)用，而是為了更好的教學(xué)、學(xué)習(xí)效果的實現(xiàn)而應(yīng)用，要考慮開發(fā)成本等投入產(chǎn)出關(guān)系，基于增強現(xiàn)實的數(shù)字教材應(yīng)該堅持在教學(xué)設(shè)計理論和方法指導(dǎo)下的設(shè)計和開發(fā)。教學(xué)設(shè)計是一個系統(tǒng)規(guī)劃教學(xué)系統(tǒng)的過程，包括確定需求和目標(biāo)，進行教學(xué)分析；按照教學(xué)目的，設(shè)計教學(xué)活動；開發(fā)學(xué)習(xí)材料和學(xué)習(xí)資源；讓師生在教與學(xué)的過程中實施；師生進行教與學(xué)的效果評價。數(shù)字教材本身也是一種產(chǎn)品，涵蓋了多種教學(xué)因素、多個教學(xué)環(huán)節(jié)，結(jié)合整體性和個性化的設(shè)計 [11]。
2．基于增強現(xiàn)實的數(shù)字教材的設(shè)計要面向適切的學(xué)習(xí)方式
基于增強現(xiàn)實的數(shù)字教材的內(nèi)容呈現(xiàn)方式、較高的開發(fā)成本決定了不是所有的教學(xué)、學(xué)習(xí)內(nèi)容都可以使用增強現(xiàn)實技術(shù)進行開發(fā)，基于增強現(xiàn)實技術(shù)的數(shù)字教材也不是使用于全部的教學(xué)、學(xué)習(xí)方式，在設(shè)計開發(fā)中，必須考慮到增強現(xiàn)實數(shù)字教材的優(yōu)勢和獨特性，開發(fā)的教材要面向?qū)嵕皩W(xué)習(xí)、體驗式學(xué)習(xí)、游戲化學(xué)習(xí)等適切的使用方式。
實境學(xué)習(xí)：基于增強現(xiàn)實的數(shù)字教材，拉近用戶與學(xué)習(xí)場景的時間、空間的距離，讓學(xué)生可以有身臨實境地學(xué)習(xí)感覺，讓學(xué)習(xí)在學(xué)習(xí)者的手中和腦中同時發(fā)生，在實際的教學(xué)環(huán)境中，需要將其分解為設(shè)計學(xué)習(xí)任務(wù)、教會學(xué)生運用學(xué)習(xí)技術(shù)、讓學(xué)生創(chuàng)建學(xué)習(xí)作品、學(xué)生在同伴間協(xié)作分享交流，使知識得到內(nèi)化和升華。
體驗式學(xué)習(xí)：學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中，親身體驗學(xué)習(xí)的知識，與現(xiàn)實生活相結(jié)合，利用增強現(xiàn)實技術(shù)融合數(shù)字教材，創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)的特定情境，學(xué)生親自體驗感受學(xué)習(xí)的場景氛圍，體驗學(xué)習(xí)的過程和環(huán)節(jié)，讓學(xué)習(xí)深化。
游戲化學(xué)習(xí)：利用增強現(xiàn)實融合數(shù)字教材，創(chuàng)設(shè)游戲化的情景和游戲闖關(guān)，讓學(xué)生可以在游戲的過程中，通過手勢控制或者體感控制去快樂地學(xué)習(xí)知識，并將學(xué)到的知識靈活運用在現(xiàn)實生活中。
（二）整體流程設(shè)計
基于增強現(xiàn)實的數(shù)字教材開發(fā)的整體流程如圖1所示。
第一階段：需求分析階段。根據(jù)教師和學(xué)生對數(shù)字教材的需求進行分析研究，主要包括：確定教材的哪些內(nèi)容可以立體展現(xiàn)，并且集合多種不同類型的資源，還可以與用戶進行實時互動。
第二階段：整體設(shè)計階段。根據(jù)用戶的需求分析，篩選開發(fā)環(huán)境以及對比研究開發(fā)環(huán)境，選定可視化操作相對簡單的 Aurasma 軟件，并且根據(jù)用戶想要呈現(xiàn)的增強現(xiàn)實資源進行分類分析，分別對紙質(zhì) / 數(shù)字教材識別圖、三維模型、圖片、視頻等多媒體資源進行設(shè)計，以及對交互方式進行設(shè)計。
第三階段：實現(xiàn)階段。選定識別圖，以及對想要呈現(xiàn)的 AR 資源分類制作，分別對紙質(zhì) / 數(shù)字教材 AR 資源、三維模型、圖片、視頻等多媒體資源進行制作，使用 Aurasma 軟件識別圖，然后將識別圖和呈現(xiàn)的增強現(xiàn)實（AR）資源合理分配在 Aurasma 軟件上運行。
第四階段：測試階段。用戶可以在自己的終端設(shè)備，安裝 IOS 或者 Android 版的 Aurasma 軟件，體驗增強現(xiàn)實結(jié)合數(shù)字教材制作好的資源，并反饋自己體驗的感受和修改意見、評價等。
第五階段：調(diào)試階段。根據(jù)用戶體驗的反饋意見，對制作的 AR 資源進行調(diào)整、修改，不斷完善增強現(xiàn)實結(jié)合數(shù)字教材的用戶體驗。
第六階段：發(fā)布階段。對發(fā)布的 AR 資源進行日常的運營維護，并及時修復(fù)在用戶體驗過程中的 bug。
（三）基于增強現(xiàn)實的數(shù)字教材的功能實現(xiàn)流程
基于增強現(xiàn)實的數(shù)字教材的功能設(shè)計如圖 2 所示。
1. 識別現(xiàn)實：在紙質(zhì) / 數(shù)字教材選定識別圖，通過拍照 / 截圖的形式保存為平面圖。
2. 增強現(xiàn)實：按照不同的學(xué)科、不同的資源類型對學(xué)科進行資源整合、設(shè)計、制作。
在設(shè)計 AR 資源的過程中，需要遵循以下原則：
第一，內(nèi)容符合閱讀規(guī)律，有利于開展學(xué)習(xí)活動，符合不同的學(xué)科的課程學(xué)習(xí)目標(biāo)要求 [12]。
第二，發(fā)揮富媒體的優(yōu)勢，支持教與學(xué)活動開展，呈現(xiàn)刺激，引起學(xué)生的注意，提供外部激勵，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，提供評價反饋，在設(shè)計資源的時候，結(jié)合教學(xué)內(nèi)容和學(xué)科特性，科學(xué)地選擇和使用。
第三，媒體組合的時候，考慮媒體自身的優(yōu)缺點和學(xué)科的特色，資源和目標(biāo)相互補充、相互配合，共同完成教學(xué)目標(biāo)。
第四，簡約的操作設(shè)計，實用的操作功能，讓用戶可以簡單省時地完成操作，并且能簡單明了地明確學(xué)習(xí)的內(nèi)容和目標(biāo) [13]。
增強現(xiàn)實融合數(shù)字教材的應(yīng)用，在教學(xué)設(shè)計的過程中，教學(xué)的內(nèi)容規(guī)劃很重要，但是選用合適的資源也很重要，所以要按照不同的學(xué)科特點，設(shè)定不同類型的資源，呈現(xiàn)不同的功能，可以靈活應(yīng)用在不同的場景。利用增強現(xiàn)實技術(shù)，可以在紙質(zhì)教材和數(shù)字教材之間自由切換。具體如下表所示。
3．虛實互動：設(shè)置不同資源的不同互動形式，如手勢互動、觸發(fā)互動等。
4. 開發(fā)工具
（1）識別圖的制作：手機、相機拍照、截圖等形式制作。
（2）增強現(xiàn)實資源：使用 Aurasma 軟件模板內(nèi)的AR 資源、自己制作的三維模型、三維課件、三維視頻等AR 資源。
（3）虛實互動：設(shè)定實時互動的方式。
（4）整合工具：將識別圖和想要呈現(xiàn)的 AR 資源上傳在 Aurasma 官網(wǎng)。
（5）測試調(diào)試：在手機對應(yīng)下載 IOS/Android 版的 Aurasma 軟件，進行測試調(diào)試。
四、基于增強現(xiàn)實技術(shù)的數(shù)字教材開發(fā)與實現(xiàn)
（一）制作平臺：增強現(xiàn)實平臺使用“Aurasma”的官網(wǎng)：http://www.aurasma.com/。
（二）測試軟件：“Aurasma”APP。
（三）操作步驟：如下圖 3 所示：
第一，創(chuàng)建賬號。在“Aurasma”官網(wǎng)，申請屬于自己的賬號，并進行郵箱認證。
第二，創(chuàng)設(shè) Aura。創(chuàng)設(shè)屬于自己的“Aura”，創(chuàng)設(shè)個性化的 AR 素材，根據(jù)自己的需要，設(shè)定查看的權(quán)限。
第三，制作 AR。選擇“Aurasma”官網(wǎng)自帶的模板進行制作，或者自己選擇識別圖和顯示的音頻、視頻、網(wǎng)上鏈接、三維動畫等資源。
第四，測試 AR。用手機下載 IOS 或者 Android 版的“Aurasma”APP，打開“Aurasma”APP，然后打開相機，掃一掃識別圖，并顯示對應(yīng)自己制作的資源。
第五，分享 AR。可以拍照、錄像、收藏、下載等方式進行分享。
五、總結(jié)與展望
基于增強現(xiàn)實技術(shù)的數(shù)字教材是未來數(shù)字教材發(fā)展的新方向，它能很好地彌補紙質(zhì)教材資源的不足，結(jié)合三維動畫、音頻、視頻、超鏈接等多種媒體資源的全新閱讀方式，增加數(shù)字教材的特色，建立社交群，拉近讀者和作者的距離，縮短讀者獲取知識的時間，促進紙質(zhì)教材和數(shù)字教材的快速融合發(fā)展，成為未來新的教材形式之一。
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