学习AR技术的基本原理，亲身感受AR应用的特点，也可以在不懂编程技术的情况下实现自己的AR创新设计。在人大附中进行试点教学，并利用学习动机调查问卷和创意产品语义量表评估了教学效果，结果显示“悦趣多”作为创新教育平台能很好地促进学生对于AR技术基本原理的学习，提高学生作品的创新力。
[关键词] 增强现实； 教育技术； 计算机辅助教学； 辅助设计
[中图分类号] G434 [文献标志码] A
[作者简介] 魏小东（1984—），男，甘肃兰州人。博士，主要从事人机交互技术在教育应用中的研究。E-mail： wxd1633@163.com。
一、引 言
《普通高中通用技术课程标准》提出的课程目标是：“以基础的、宽泛的、与学生日常生活联系紧密的技术内容为载体，以进一步提高学生的技术素养、促进学生全面而富有个性的发展为目标。”其核心思想就是提高学生的技术素养和创新力，包括通用技术的基本知识和基本技能，技术及其设计的一般思想和方法，运用技术原理解决实际问题的能力和终身进行技术学习的能力，还包括正确的技术观，技术创新意识，负责、安全地使用技术的行为习惯以及对技术文化的理解、评价及选择能力[1][2]。
根据通用技术课程目标，越来越多的高中希望引进目前流行的新技术和新教学思路来改善高中通用技术教学效果，提高学生设计作品的创新力。
增强现实（Augmented Reality，简称AR）技术，是在虚拟现实的基础上发展起来的新技术，也被称之为混合现实，是指通过将计算机生成的虚拟场景、文字注释等信息实时、精确地叠加到使用者所观察到的真实世界景象中，对人的视觉系统进行延伸和扩充的一种技术[3][4]。目前也已经出现了流行的科技产品，如Google Glass，是由谷歌公司于2012年4月发布的一款增强现实眼镜[5]。AR技术应用于教育教学也慢慢成为了一个研究趋势，如立体书籍、操作技能培训、AR教育游戏，残障人群学习等[6][7]。科技创新教育走在前列的人大附中已经将AR技术教学纳入到了通用技术教学的必修课中，主要培养学生AR应用创新实现能力，借此使学生明确一个通用的、完整的设计过程，学会与技术有关的各种实现途径和方法。但由于AR技术教师资源和AR教学设备的限制，在课程实施过程中出现了两方面的问题。
1. 人大附中为了让学生更好地设计实现AR应用，需要给学生讲解基本的AR原理。但在这一教学阶段，采用普通的教学方式，极大地降低了学生的参与性。在通用技术课堂中，学生更喜欢动手参与，仅仅通过教师讲解比较难理解的AR技术，无疑大大降低了学生的学习兴趣。再加上AR技术教师短缺，这种情况无疑加重了教师的教学负担。
2. AR应用是真实场景和虚拟物体的叠加，人大附中开设的AR技术课程要求学生在摄像头采集的真实场景上叠加3D模型，因此开设了3D建模软件使用课程。学生设计完自己的AR应用后，先制作需要叠加的3D模型，然后在教师的帮助下完成模型和场景的叠加。由于大部分的学生并没有编程经验，3D模型和真实场景的叠加工作全部落在教师的身上，这使得教师的工作负担过于繁重，并且极大地降低了学生创作的灵活性。
为了解决以上问题，笔者设计实现了“悦趣多”教学辅助系统。
二、基于ARCS模型的系统设计
为了提高学生学习AR技术的积极性，增强学生设计作品的创新力，减少代课教师的教学负担，让“悦趣多”科学并有效地应用于高中通用技术课程，我们引入了美国心理学家John Keller 提出了ARCS 动机激发模型。Keller 认为影响学生学习动机的因素有四类：注意（Attention）、关联（Relevance）、自信（Confidence）、满足（Satisfaction），简称ARCS 动机激发模型（ARCS 模型）[8][9][10]。该模型说明，为了激发学生的学习动机，首先要引起学生对一项学习任务或学习目的的注意和兴趣；其次，使学生理解完成这项学习任务与自己密切相关；再次，对学生进行鼓励，逐渐培养和建立他对完成学习任务的信心；最后，让学生产生完成学习任务后的满足感。因此在设计“悦趣多”教学辅助系统的功能时结合ARCS 动机激励模型，始终以激发学生学习动机，提高学生学习的自信心和自主性以及提高该课程的教学效果为目标。
（一）使用AR技术作为交互方式引起学生的注意
根据ARCS动机激发模型，“注意”是影响学生学习动机的首要因索，也是学习的先决条件。激发学生的学习动机，首先需要唤起学生的注意[11]。如果“悦趣多”教学辅助系统使用鼠标键盘这种普通交互方式则无法引起学生太大的交互兴趣，再加上通用技术设计课程教学是一个相对宽松的教学氛围，在AR基本原理教学阶段，长时间使用鼠标键盘作为输入方式，学生很容易去做一些与课堂无关的事情，如玩游戏、浏览网页等。因此，我们给“悦趣多”设计了一套新的交互方式来增加学生课堂的参与性，增加学习的趣味性。目前的AR系统，通常都采用基于视觉的注册方法。系统中采用一个摄像机拍摄环境场景，通过对于场景图像的分析处理来进行摄像机定位和姿态计算。因此“悦趣多”可以通过识别不同的图片，然后生成相关操作指令，从而达到交互的目的。如图1（a），学生正在使用标志点做选择题。
这种方式可以很好地激发学生的学习兴趣，引起学生的注意，从而达到用AR技术来学习AR原理的目的。学生不但了解了原理，也亲身体验了AR应用。AR技术中图像识别技术主要分为标志点识别和无标志点识别[12]。由于通用技术课程面向的是高中学生，需要给他们讲解基本的AR原理，因此需要选择成本较低、原理清晰的识别方式，这样更有利于高中学生学习。因此我们采用标志点识别作为三维注册的方法。由日本广岛城市大学与美国华盛顿大学联合开发的标志点识别系统二次开发工具ARToolKit因其开放性和易用性，获得了广泛的应用。[13]ARToolkit是低成本的AR开发工具包，定位标记一般由具有一定宽度的黑色四方形边缘和中心区域中黑色的几何图形构成[14]。利用这个工具包不但可以给学生深入地讲解AR的基本原理，而且学生也可以下载大量的与ARToolKit相关的科技论文进行研究性学习，对于有编程能力的学生还可以自主开发自己的ARToolKit应用。
（二）使用游戏引擎展现与日常生活相关联的多媒体素材
根据ARCS动机激发模型，课程教学必须与学生学习和生活中的重要目标建立关系，让学生明确所参与的学习活动是与他们的生活实际有“关联”的。因此，教师在课堂教学中要做到教学目标、教材内容与学生的需要和生活相贴近 。因此需要将一些AR的有趣应用整合到“悦趣多”中，引入如声音、视频、图片、3D模型等大量的多媒体素材，而ARToolKit内部采用的OpenGL 实用工具库，通常仅用来编写跨平台示例程序和演示例程序， 使引入大量的多媒体素材变得十分复杂。因此我们利用游戏引擎和ARToolKit结合，将大量多媒体素材整合到“悦趣多”中，让学生感受到AR应用贴近生活，AR技术与自己的生活、工作息息相关。XNA是微软推出的所谓“通用软件开发平台”，目标是降低游戏开发成本、缩短开发周期。与OpenGL和Direct3D相比，XNA不仅继承了Direct3D在显示、声音以及系统组件等多媒体技术方面的优势，而且XNA在游戏开发效率、内容与代码维护管理、平台支持等方面的优势更为突出。因此我们把XNA作为“悦趣多”的软件框架，如图1（b）所示，学生正在使用“悦趣多”观看叠加在标志点上的有关AR应用的视频。
（三）利用动态导入技术让学生亲自实现AR应用，建立学习信心
根据ARCS动机激发模型，要激发学生的学习动机，必须让学生自信，让学生觉得通过努力可以成功地达到教学目标。这种适度的自信对维持学生的学习动机是很有必要的。缺乏自信，对学习有恐惧感必然会影响其学习效果。而人大附中之前实现学生AR应用设计的方法，完全是靠教师将学生制作的3D模型通过编程的方式叠加到真实的场景中，这种方式不但使得教师教学负担十分繁重，而且使得学生创新设计的灵活性大大降低。于此同时，这种方式使得学生感觉AR技术十分难掌握，自己要独立完成AR应用设计开发是件十分困难的事情，大大降低学生学习的积极性。因此我们利用动态导入技术，让学生在不使用软件开发环境的情况下，把自己制作的3D模型动态地导入到“悦趣多”中，并和真实场景叠加。微软的Microsoft Build Engine（MSBuild）是一个用于生成应用程序的平台，Visual Studio使用MSBuild，但它不依赖于Visual Studio。通过调用解决方案文件的msbuild.exe，可以在未安装 Visual Studio 环境中编写和生成应用[15]。因此“悦趣多”利用MSBuild将学生做好的3D模型生成系统可以调用的资源，供AR应用使用。通过这种方式，学生可以完全自主设计开发自己的AR应用作品，极大地提高了设计的灵活性和学习积极性。如图1（c）所示，学生正在把标志点和通过动态导入的3D模型绑定。
（四）制作AR应用展示平台增加学生的满足感
根据ARCS动机激发模型，学生经过自身的努力对所得到的结果感到满足时，就会保持这种动机，因此教师要使学生在学习过程中对学习结果产生“满足感”，并提供展示平台，让学生表达自己的创新理念。因此“悦趣多”提供了一个让学生利用多个标志点，展示多个模型叠加到真实场景的平台。让每个学生充分展示并表达自己的AR创意。通过这种方式，极大地增加了学生学习的满足感，使学生有更大的热情投身到科技创新中去。图1（d）中学生正在展示自己的创意理念，图1（e）和图1（f）展示了一些学生作品。
（五）系统功能设计
根据以上描述，我们设计了“悦趣多”教学辅助系统的功能结构，如图2（a）所示。系统主要分为三大部分：学习AR、制作AR和展示AR。学生在主界面实时视频图像下，出示不同的标志点，进入到相应模块。为了使学生容易理解ARToolKit的原理，我们把“基本原理”拆分成“图像处理”、“3D建模”和“虚实融合”三部分。在学习完基本原理后，学生通过一个互动小测试来检测自己的学生成果，也可以使用标志点来回答问题。由于高中通用技术课程中涉及了很多如简单机器人设计、城市规划、教育游戏设计和教学仪器制作，因此“悦趣多”主要介绍了四类AR应用，即AR在建筑设计的应用、AR在机械设计的应用、AR游戏应用和AR教学设备应用。“制作AR”模块允许学生将制作好的3D模型动态导入到“悦趣多”中，并和相应的标志点绑定。“展示AR”模块可以同时显示全部绑定好的3D模型。
（六）交互标志点设计
“悦趣多”采用标志点识别的交互方式，学生无论 是选择相关的学习课程，还是制作自己的AR应用，都需要标志点的参与。因此，需要设计一套有趣的标识点增强“悦趣多”本身的吸引力，使学生能沉浸在学习知识和设计制作的过程中。“悦趣多”通过九个标志点完成全部输入操作。具体操作流程如图2（b）所示。图中菱形图形表示标志点的编号，九个标志点是通过图2（b）所示的方式进行指令输入的。九个标志点首先按编号进行优先级排序，数字越小的优先级越高。当几个标志点同时出现在摄像头下时，序号最小的标志点起作用。在主界面下只有前三个标志点起作用，出示相应的标志点就会进入到一级功能界面。在进入“学习AR”界面时，标志点1～8起作用，分别表示“学习AR”下的八个功能。当进入到小测试界面时，标志点5～8起作用，分别表示选择题的A、B、C、D选项。当进入到“制作AR”界面时，标志点1～2可以浏览导入的3D模型，把标志点3～8其中一个放入到摄像头下5秒钟，屏幕中显示的3D模型就可以和使用的标志点绑定，如图1（c）所示。在“展示AR”界面，学生可以使用3～8标志点展示自己最终的创意设计，第3～8标志点的优先权在这个模块中失去作用，3～8标志点可以同时展示AR效果，如图1（d）所示。
（七）系统软件结构设计
“悦趣多”的整体结构如图3（a）所示。系统首先通过摄像头采集图像，标志点的信息通过ARToolKit工具生成，包括标志点的序号和变换矩阵，然后由交互命令生成器根据系统所处的功能阶段生成不同的操作指令，XNA游戏引擎根据不同的指令调用不同多媒体素材来呈现不同功能界面。学生将设计制作好的3D模型导出为FBX文件并存放在指定目录下。系统会自动检测到FBX文件，并利用MSBuild动态编译成系统调用的资源。根据操作指令，3D模型和相应的标志点绑定，绑定关系存储在XML文件中。ARToolKit在向命令生成器传递标志点编号的同时，也将标志点生成的变换矩阵传给命令生成器，命令生成器也会将标志点的变换矩阵传输给XNA，XNA根据变换矩阵实时绘制不同的3D模型输出到计算机显示器。
三、系统的教学评估
为了全面地评估“悦趣多”教学辅助系统，笔者在人大附中进行了试点教学。成立了两个实验班，每个班有12个高中二年级的学生。A班采用传统的教学方式，B班利用“悦趣多”教学辅助系统进行教学。两个班都采用相同的教学流程，如图3（b）所示。每个班的学生分成四个学习小组，每组三位同学，选出组长，要求每个小组完成一个AR应用作品。具体实验过程如下：
第一步：A班和B班通过教师讲解的方式，学习3D建模软件。第二步：A班学生通过教师讲解的方式学习AR基本原理，B班学生通过“悦趣多”学习AR基本原理。第三步：A班同学根据教师讲解的各种AR应用来讨论设计自己的AR应用；B班学生通过“悦趣多”了解AR的相关应用，并亲自动手感受AR应用的特点。第四步：两个班的学生都在各个小组长的带领下制作自己AR应用需要的3D模型和真实场景需要的实物。第五步：A班同学依靠教师编程完成作品；B班同学将自己制作的模型动态导入到“悦趣多”系统中，并根据需要绑定相应的标志点，实现AR应用。第六步：A班学生讲解自己的创新思路，B班同学利用“悦趣多”的展示平台展示自己的创意理念。
（一）悦趣多对学习动机的影响
试点教学完成后，对全部学生作了有关学习兴趣的调查问卷。调查问卷采用五点李克特量表设计。调查项目如下：1.我觉得AR技术基本原理理解起来不是太容易；2.我还想进一步学习AR技术；3.我觉得AR应用十分有趣；4. 我觉得AR应用实现起来不是太困难；5. 我觉得展示自己的AR设计十分有趣。利用配对样本T检验，对A、B班调查问卷的数据进行了统计，结果如表1所示。
第一个问题的对比结果（Pair1， t=0， p>0.05）显示，A、B两个班的学生对AR技术的初步认识都是一致的，大部分的学生觉得AR基本原理比较难理解。第二问题对比结果（Pair 2， t=-3.317， p<0.01）显示B班学生想进一步学习AR原理的意愿远远高于A班。第三个问题的对比结果（Pair 3， t=-2.345， p<0.05）显示，通过亲自体验AR应用的B班学生对AR应用的兴趣感要大于A班学生。第四个问题的对比结果（Pair 4， t=-2.803， p<0.05）显示，B班学生认为AR应用实现的难度要低一些。第五个问题的对比结果（Pair 5， t=-3.317， p<0.01）显示，B班学生认为通过自己完成AR应用带来乐趣感要比A班学生依靠教师实现AR应用带来的乐趣感强。综上所述，“悦趣多”对促进学生学习兴趣起到了积极的作用。
（二）“悦趣多”对学生作品创新力的影响
在学生展示自己AR应用设计阶段，我们聘请了四位具有两年以上从事高中通用技术创新设计研究的硕士研究生作为评委，利用创意产品语义量表给每个小组最后的作品作创新力评定。
创意产品语义量表（Creative Product Semantic Scale，简称CPSS）是非专家评估者对产品创新力的评估方法。量表主要有三个向度：“新奇性”（Novely）、“解决性”（Resolution）、“精致与整合”（Elaboration and Synthesis）[17]。原版的CPSS每个向度还有子向度，共计55个子向度，都是由不同的形容词构成的并采用李克特量表进行评估。考虑到采用这么多的子向度评估学生作品，会消耗评估者大量的时间和精力，我们最终采用White和Smith的方法选择了15个子向度作为评定学生AR应用设计作品的依据[18]。我们同样利用配对样本T检验对学生作品的评定结果进行了分析，如表2所示。
统计结果显示“新颖的”、“不同寻常的”、“唯一的”、“原创的”、“新潮的”、“合逻辑的”六个子向度基本没有明显变化。说明无论学生通过教师帮助还是使用“悦趣多”都没有明显提升创新作品的新奇性和解决性。主要原因是通过教师整合的AR应用可以加入更多的多媒体素材，如声音、视频、二维动画等，而“悦趣多”目前只能动态地将3D模型编译到系统中，这使得学生作品素材单一，从而使学生作品的新颖性没有得到改观。但“充足的”（t=-5.196， p<0.05）、“巧妙的”（t=-5， p<0.05）、 “做工精良的”（t=-5， p<0.05）、“精心制作的”（t=-5， p<0.05）、“一丝不苟的”（t=-5， p<0.05）、“认真的”（t=5.196， p<0.05）子向度有了明显提升。这说明学生利用“悦趣多”实现AR应用能够将自己的作品调整得更精致，功能更完整。在作品设计的整个过程中，学生充分实践了AR应用创新的设计、构思、权衡、优化、实验、结构、流程、系统等，从而使得学生作品的创新力有了提升。
四、总结与展望
研究创新性地利用美国心理学家John Keller 提出了ARCS 动机激发模型，结合低成本的三维注册工具ARToolKit，采用标志点识别的交互方式和动态导入技术，设计开发了“悦趣多”教学辅助系统。
同时，在实验过程中也发现“悦趣多”教学平台存在的诸多不足：（1）“悦趣多”使用基于人工标志点的识别系统，使学生感到很不自然，从而失去了设计兴趣。他们更希望使用基于普通图片识别的增强现实系统，把自己设计的自然图片，如风景照片、漫画图等和三维模型叠加在一起。（2）“悦趣多”系统只允许学生将3D模型导入作品中，使得学生觉得完成的作品缺乏表现力。他们希望将更多的多媒体素材导入到自己的创新作品中，如声音、图片、视频，从而增强作品的表现力。（3）“悦趣多”使用了单一的显示设备和交互方式（普通液晶显示器和台式电脑增强现实系统），使得学生不能充分体验增强现实技术的高级交互方式。学生希望接触到更多种类和更加先进的增强现实显示设备和交互设备，如头盔显示器、3D显示器、智能移动手机、深度识别相机、手势识别设备等。
根据“悦趣多”在试点教学中出现的各种不足，未来还有很多工作需要完成：（1）研究基于特征点匹配的图像识别算法，将基于无人工标志点的三维注册技术引入“悦趣多”教育平台中，使学生设计的虚拟素材和现实场景能更好地融合在一起。（2）制作多媒体资源导入组件，允许学生将声音、图像、视频等多媒体资源应用到自己的创新作品中，增强学生作品的表现力。（3）制作性能稳定、显示效果良好的头盔显示器，引进目前应用广泛的三维显示器，让学生充分接触增强现实领域的各种前沿技术，从而产生浓厚的研究兴趣。
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