基于增强现实技术的数字教材设计与实现

钟春霞，王冬青，蔡 午，杨 莉
（华南师范大学教育信息技术学院，广东广州 510631） 

【摘 要】增强现实技术能够在屏幕上把虚拟世界加载到现实世界并进行互动，目前国内外的出版机构已经将其应用在数字教材设计与开发上，实现让静态的图文能够以动态的形式展示出来。本文总结了基于增强现实技术的数字教材应用需求，在分析增强现实技术特征的基础上，提出了基于增强现实技术的数字教材设计流程，并给出了基于 Aurasma 平台的数字教材开发方法与实例。

【关键词】增强现实；数字教材；设计与开发

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        随着数字出版技术的发展，一些出版机构尝试在数字教材设计与开发中引入增强现实技术，实现纸质教材和数字教材的融合，让两者优势互补、共同发展，使学习者可以在现实中更便捷地获得学习资源，使学习变得更加有趣。

一、基于增强现实技术的数字教材应用需求

（一）新时代教与学的需求

        随着平板电脑、智能手机等移动终端设备的普及和发展，移动学习、移动阅读正逐渐融入人们的生活。伴随着移动技术成长的学习者作为数字土著，技术支持的教与学成为他们习惯的方式。纸质教材增加了光碟和学习网站等资源，数字教材拥有集多种媒体资源于一身的优势，那么如何结合传统纸质教材的用户习惯体验和数字教材的丰富资源优势呢？利用增强现实技术结合纸质教材、数字教材的开发，推动纸质教材和数字教材改革，有利于技能的学习，让学生真正成为学习的主人，在学习过程中学生的学习内容可以很好地拓展，增强了学生学习的自主性，扩展了学生的学习视野和发展空间，同时提高了学生的信息素养，训练了学生的批判思维。

（二）纸质教材变革的需求

        纸质教材的发展早于数字教材，有固定的读者群和普及率高的优势。纸质教材风格鲜明，读者在纸质教材上获得知识与精神的双重体验，在阅读的过程中，拥有自然舒服的翻页、思绪畅想的阅读体验，在阅读的过程中可以自由标注。纸质教材的编写经过严格多重检验，集成多个专家的智慧，公信度较高。

        但是纸质教材的资源较少，不利于学生拓展学习，加上其本身受到版面、字数的限制，限制了信息的发布量，资源局限于文字和图片，而图文并茂的方式不如声音、视频等多种媒体集合的吸引力大 [1]。

        利用增强现实技术可以弥补纸质教材缺乏资源的劣势，发挥纸质教材原有的拥有强大读者群和公信度高的优势，还可以让读者与纸质教材进行互动，增添阅读教材的乐趣。

（三）数字教材变革的需求

        数字教材有效整合教育教学的内容、丰富了教与学资源、提供完善配套的教学与学习服务，具有富媒体性、时效性、开放性、共享性、关联性、动态性、交互性等特性 [2]。数字教材的核心优势是在以纸质教材为蓝本的基础上，增加与时俱进的教学资源和学习资源，满足不同教师的个性化教学需求，同时也满足学生的个性化学习需求。对于教师，数字教材集合诸多优质教学资源，有利于教师的个性化教学，减轻教师搜索素材的难度，减少搜寻资源的时间，这样教师可以更专心钻研教学。对于学生来说，数字教材以丰富资源优势创设学科和课程情境，有利于抓住学生的注意力，激发学生的学习兴趣，开拓学生的学习视野，充分调动学生学习的积极性，有助于联通书本知识与生活，帮助他们深入理解所学内容 [3]。

        但是目前数字教材的资源还有待完善，资源有待与时俱进，特别需要优化有助于突破教学重难点的教学资源，丰富优质的拓展学习资源 [4]；配套的教学测试题库资源有待分类规整；学生配套的个性化测试有待加强；数字教材终端设备的配置有待提高；数字教材的操作步骤有待精简；数字教材的交互有待提升；理科的数字教材资源和学科工具有待进一步完善。

        利用增强现实技术结合数字教材开发可以激发学生对新鲜事物的好奇心和增加教材的新颖性，增强现实强调虚实结合、虚实同步、交互自然，它允许用户看到真实的世界，同时它是将虚拟信息叠加到真实世界，将虚拟对象合成到真实世界。增强现实是用虚拟世界“亲临现场”的逼真感和建立的丰富资源来补充真实世界，而不是用虚拟世界完全取代真实世界 [5]。

        基于增强现实技术的数字教材开发，并不是为了取代纸质教材，而是将数字教材丰富的资源优势与纸质教材的用户体验相结合，充分发挥两者的优势，利用增强现实技术的平台和便捷的移动用户设备终端，让教学和学习资源可以共享共建，打破知识的边界，形成联通的知识网络。

二、增强现实技术的特征与研究现状

（一）增强现实技术的概念

        增强现实是虚拟和现实交互的桥梁，将 3D 显示技术、多种传感技术、人机交互技术、多媒体技术融合计算机视觉技术，模拟真实的场景现场，产生平面或者立体画面、结合多种富媒体资源和多种感官通道，让使用者通过增强现实的系统有真实世界“身临实境”的体会，突破时间和空间的限制，体验亲临现场的逼真感 [6]。

（二）增强现实应用于教育

1．增强现实应用于教育领域的特征

        第一，虚实融合。增强现实技术利用人机交互技术将文字、图片、音频、视频、Flash 动画、3D 动画、虚拟实验、网站链接、交互式习题、全景模型等和现实世界融合，让现实世界和虚拟环境无缝融合。

        第二，虚实同步。增强现实技术将虚拟环境和现实世界实时同步，使用户在现实世界可以感受到虚拟环境中模拟的事件，增强用户的实境逼真体验效果。

        第三，交互自然。增强现实技术的人机交互操作简单，不需要佩戴封闭的虚拟现实眼镜，不会产生久戴眼镜后的晕眩感，只需手部动作移动旋转和多角度观察三维模型，还可以通过语音、体感、眼动等更多方式与虚拟对象进行自然交互。

2．增强现实应用于教育领域的优势和意义

        增强现实技术应用于教育领域，可以丰富学习者的认知视角，实现神奇的时空穿梭、特别的实时交互，为情境化学习、协作式学习、自主型学习等多种学习方式提供了新的技术支持。增强现实技术应用于教育，让学生使用简单的人机交互，实现虚拟与真实世界的融合，体验亲临实境的感觉，在特定的情境中学习知识，多角度观察事物的变化，达到全方位理解知识的效果。

（三）增强现实技术应用于教育领域的研究现状

        增强现实技术在教育中的应用受到越来越多人的关注，不断涌现出各种各样的新产品。在学前教育中应用较多，如：国外 Billinghurs 用增强现实技术设计了一套儿童图书 Magic Book[7]，Dünser 与 Horneker 开发了寓言故事题材的幼儿学习资料 [8]，国内梦想人科技独立研发幼儿阅读的 4D 图书、4D 绘本以及 4D 认知卡，改变了儿童的阅读方式。在职业教育中增强现实技术的应用也相当广泛，特别是在医学、航空等高危职业的技能训练上。增强现实技术的介入使得训练更具有场景性和沉浸性，对于提高职业人员的专业技能和职业素养起到了很大的作用。增强现实在基础教育中的研究也越来越多，北京师范大学现代教育技术研究所的科研团队开发了具有丰富图书表现形式的“未来之书”，董子龙、章国锋等人开发了可识别汉字的增强现实系统 [9]，王清、张必兰开发了英语单词识记软件 [10]，这些研究都对基础教育的增强现实技术研究发展做出了指引性的作用，可是还缺乏在一线教学实践中的广泛应用。

三、基于增强现实技术的数字教材设计

（一）设计理念

        1．基于增强现实的数字教材需要系统的教学设计

        数字教材不是普通的媒体信息组成的信息产品，首先应该是一个具有确定教学对象、明确学习目标、符合课程标准要求的教学内容与活动组成的教学系统。增强现实技术的应用不能为了应用而应用，而是为了更好的教学、学习效果的实现而应用，要考虑开发成本等投入产出关系，基于增强现实的数字教材应该坚持在教学设计理论和方法指导下的设计和开发。教学设计是一个系统规划教学系统的过程，包括确定需求和目标，进行教学分析；按照教学目的，设计教学活动；开发学习材料和学习资源；让师生在教与学的过程中实施；师生进行教与学的效果评价。数字教材本身也是一种产品，涵盖了多种教学因素、多个教学环节，结合整体性和个性化的设计 [11]。

        2．基于增强现实的数字教材的设计要面向适切的学习方式

        基于增强现实的数字教材的内容呈现方式、较高的开发成本决定了不是所有的教学、学习内容都可以使用增强现实技术进行开发，基于增强现实技术的数字教材也不是使用于全部的教学、学习方式，在设计开发中，必须考虑到增强现实数字教材的优势和独特性，开发的教材要面向实景学习、体验式学习、游戏化学习等适切的使用方式。

        实境学习：基于增强现实的数字教材，拉近用户与学习场景的时间、空间的距离，让学生可以有身临实境地学习感觉，让学习在学习者的手中和脑中同时发生，在实际的教学环境中，需要将其分解为设计学习任务、教会学生运用学习技术、让学生创建学习作品、学生在同伴间协作分享交流，使知识得到内化和升华。

        体验式学习：学生在学习过程中，亲身体验学习的知识，与现实生活相结合，利用增强现实技术融合数字教材，创设学习的特定情境，学生亲自体验感受学习的场景氛围，体验学习的过程和环节，让学习深化。

        游戏化学习：利用增强现实融合数字教材，创设游戏化的情景和游戏闯关，让学生可以在游戏的过程中，通过手势控制或者体感控制去快乐地学习知识，并将学到的知识灵活运用在现实生活中。

（二）整体流程设计

        基于增强现实的数字教材开发的整体流程如图1所示。

        第一阶段：需求分析阶段。根据教师和学生对数字教材的需求进行分析研究，主要包括：确定教材的哪些内容可以立体展现，并且集合多种不同类型的资源，还可以与用户进行实时互动。

        第二阶段：整体设计阶段。根据用户的需求分析，筛选开发环境以及对比研究开发环境，选定可视化操作相对简单的 Aurasma 软件，并且根据用户想要呈现的增强现实资源进行分类分析，分别对纸质 / 数字教材识别图、三维模型、图片、视频等多媒体资源进行设计，以及对交互方式进行设计。

        第三阶段：实现阶段。选定识别图，以及对想要呈现的 AR 资源分类制作，分别对纸质 / 数字教材 AR 资源、三维模型、图片、视频等多媒体资源进行制作，使用 Aurasma 软件识别图，然后将识别图和呈现的增强现实（AR）资源合理分配在 Aurasma 软件上运行。

        第四阶段：测试阶段。用户可以在自己的终端设备，安装 IOS 或者 Android 版的 Aurasma 软件，体验增强现实结合数字教材制作好的资源，并反馈自己体验的感受和修改意见、评价等。

        第五阶段：调试阶段。根据用户体验的反馈意见，对制作的 AR 资源进行调整、修改，不断完善增强现实结合数字教材的用户体验。

        第六阶段：发布阶段。对发布的 AR 资源进行日常的运营维护，并及时修复在用户体验过程中的 bug。

（三）基于增强现实的数字教材的功能实现流程

基于增强现实的数字教材的功能设计如图 2 所示。

1. 识别现实：在纸质 / 数字教材选定识别图，通过拍照 / 截图的形式保存为平面图。

2. 增强现实：按照不同的学科、不同的资源类型对学科进行资源整合、设计、制作。

在设计 AR 资源的过程中，需要遵循以下原则：

第一，内容符合阅读规律，有利于开展学习活动，符合不同的学科的课程学习目标要求 [12]。

第二，发挥富媒体的优势，支持教与学活动开展，呈现刺激，引起学生的注意，提供外部激励，激发学生的学习兴趣，提供评价反馈，在设计资源的时候，结合教学内容和学科特性，科学地选择和使用。

第三，媒体组合的时候，考虑媒体自身的优缺点和学科的特色，资源和目标相互补充、相互配合，共同完成教学目标。

第四，简约的操作设计，实用的操作功能，让用户可以简单省时地完成操作，并且能简单明了地明确学习的内容和目标 [13]。

        增强现实融合数字教材的应用，在教学设计的过程中，教学的内容规划很重要，但是选用合适的资源也很重要，所以要按照不同的学科特点，设定不同类型的资源，呈现不同的功能，可以灵活应用在不同的场景。利用增强现实技术，可以在纸质教材和数字教材之间自由切换。具体如下表所示。

3．虚实互动：设置不同资源的不同互动形式，如手势互动、触发互动等。

4. 开发工具

（1）识别图的制作：手机、相机拍照、截图等形式制作。

（2）增强现实资源：使用 Aurasma 软件模板内的AR 资源、自己制作的三维模型、三维课件、三维视频等AR 资源。

（3）虚实互动：设定实时互动的方式。

（4）整合工具：将识别图和想要呈现的 AR 资源上传在 Aurasma 官网。

（5）测试调试：在手机对应下载 IOS/Android 版的 Aurasma 软件，进行测试调试。

四、基于增强现实技术的数字教材开发与实现

（一）制作平台：增强现实平台使用“Aurasma”的官网：http://www.aurasma.com/。

（二）测试软件：“Aurasma”APP。

（三）操作步骤：如下图 3 所示：

第一，创建账号。在“Aurasma”官网，申请属于自己的账号，并进行邮箱认证。

第二，创设 Aura。创设属于自己的“Aura”，创设个性化的 AR 素材，根据自己的需要，设定查看的权限。

第三，制作 AR。选择“Aurasma”官网自带的模板进行制作，或者自己选择识别图和显示的音频、视频、网上链接、三维动画等资源。

第四，测试 AR。用手机下载 IOS 或者 Android 版的“Aurasma”APP，打开“Aurasma”APP，然后打开相机，扫一扫识别图，并显示对应自己制作的资源。

第五，分享 AR。可以拍照、录像、收藏、下载等方式进行分享。

五、总结与展望

        基于增强现实技术的数字教材是未来数字教材发展的新方向，它能很好地弥补纸质教材资源的不足，结合三维动画、音频、视频、超链接等多种媒体资源的全新阅读方式，增加数字教材的特色，建立社交群，拉近读者和作者的距离，缩短读者获取知识的时间，促进纸质教材和数字教材的快速融合发展，成为未来新的教材形式之一。

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参考文献：
[1] 付建荣 . 纸质媒体在新媒体冲击下的现状与出路[J]. 科技传播 ,2015,（23）:172-3.
[2] 胡畔 , 王冬青 , 许骏 , 韩后 . 数字教材的形态特征与功能模型 [J]. 现代远程教育研究 ,2014,（02）:015.
[3] 康合太 , 沙沙 . 数字教材的理论探索与实践——以第二代“人教数字教材” 为例 [J]. 课程 教材 教法 ,2014,34(11):33-9.
[4] 张媛媛 . 数字教材的教学实验 , 需求分析及发展趋势——以第二代 “人教数字教材” 为例 [J]. 数字教育 ,2015,（05）:010.
[5]Azuma RT. A survey of augmented reality[J]. Presence:Teleoperators and virtual environments. 1997,6(4):355-85.
[6] 蔡苏 , 宋倩 , 唐瑶 . 增强现实学习环境的架构与实践 [J]. 中国电化教育 , 2011,（08）:114-9.
[7]Billinghurst M, Kato H. Collaborative augmented reality[J].Communications of the ACM. 2002,45(7):64-70.
[8]Dünser A, Hornecker E, editors. An observational study of children interacting with an augmented story book. International
Conference on Technologies for E-Learning and Digital Entertainment; 2007: Springer.
[9] 董子龙 , 章国锋 , 邵元龙 , 华炜 . 基于汉字标志的增强现实系统 [J]. 中国图象图形学报 ,2009,14(7):1463-8.
[10] 王清 , 张必兰 . 基于增强现实的安卓英语单词识记软件的设计与实现 [J]. 电脑知识与技术 : 学术交流 , 2014,(9X):6431-3.
[11][13] 黄应会 . 教学设计思想与数字教材开发——以中小学信息技术学科为例 [J]. 中小学教材教学 , 2015,(06):007.
[12] 黄荣怀 , 张晓英 , 陈桄 , 王晓晨 , 赵姝 , 龚朝花面向信息化学习方式的电子教材设计与开发[J].开放教育研究 ,2012,(03):27-33.