魏小東等

[摘 要] 越來(lái)越多的高中嘗試把增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱AR）技術(shù)引入高中通用技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)課程，從而提高教學(xué)質(zhì)量和學(xué)生作品的創(chuàng)新力。然而由于教師資源、相關(guān)教學(xué)設(shè)備以及高中生缺乏編程能力的限制，大部分中國(guó)高中沒有能力建立引入AR的通用技術(shù)課程。為了解決這個(gè)問題，筆者基于John Keller的ARCS動(dòng)機(jī)激發(fā)模型，利用AR交互技術(shù)和動(dòng)態(tài)編譯技術(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了名為“悅?cè)ざ唷钡慕虒W(xué)輔助系統(tǒng)。在這個(gè)平臺(tái)上學(xué)生既可以學(xué)習(xí)AR技術(shù)的基本原理，親身感受AR應(yīng)用的特點(diǎn)，也可以在不懂編程技術(shù)的情況下實(shí)現(xiàn)自己的AR創(chuàng)新設(shè)計(jì)。在人大附中進(jìn)行試點(diǎn)教學(xué)，并利用學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)調(diào)查問卷和創(chuàng)意產(chǎn)品語(yǔ)義量表評(píng)估了教學(xué)效果，結(jié)果顯示“悅?cè)ざ唷弊鳛閯?chuàng)新教育平臺(tái)能很好地促進(jìn)學(xué)生對(duì)于AR技術(shù)基本原理的學(xué)習(xí)，提高學(xué)生作品的創(chuàng)新力。

[關(guān)鍵詞] 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)； 教育技術(shù)； 計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)； 輔助設(shè)計(jì)

[中圖分類號(hào)] G434 [文獻(xiàn)標(biāo)志碼] A

[作者簡(jiǎn)介] 魏小東（1984—），男，甘肅蘭州人。博士，主要從事人機(jī)交互技術(shù)在教育應(yīng)用中的研究。E-mail： wxd1633@163.com。

一、引 言

《普通高中通用技術(shù)課程標(biāo)準(zhǔn)》提出的課程目標(biāo)是：“以基礎(chǔ)的、寬泛的、與學(xué)生日常生活聯(lián)系緊密的技術(shù)內(nèi)容為載體，以進(jìn)一步提高學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)、促進(jìn)學(xué)生全面而富有個(gè)性的發(fā)展為目標(biāo)。”其核心思想就是提高學(xué)生的技術(shù)素養(yǎng)和創(chuàng)新力，包括通用技術(shù)的基本知識(shí)和基本技能，技術(shù)及其設(shè)計(jì)的一般思想和方法，運(yùn)用技術(shù)原理解決實(shí)際問題的能力和終身進(jìn)行技術(shù)學(xué)習(xí)的能力，還包括正確的技術(shù)觀，技術(shù)創(chuàng)新意識(shí)，負(fù)責(zé)、安全地使用技術(shù)的行為習(xí)慣以及對(duì)技術(shù)文化的理解、評(píng)價(jià)及選擇能力[1][2]。

根據(jù)通用技術(shù)課程目標(biāo)，越來(lái)越多的高中希望引進(jìn)目前流行的新技術(shù)和新教學(xué)思路來(lái)改善高中通用技術(shù)教學(xué)效果，提高學(xué)生設(shè)計(jì)作品的創(chuàng)新力。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱AR）技術(shù)，是在虛擬現(xiàn)實(shí)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，也被稱之為混合現(xiàn)實(shí)，是指通過將計(jì)算機(jī)生成的虛擬場(chǎng)景、文字注釋等信息實(shí)時(shí)、精確地疊加到使用者所觀察到的真實(shí)世界景象中，對(duì)人的視覺系統(tǒng)進(jìn)行延伸和擴(kuò)充的一種技術(shù)[3][4]。目前也已經(jīng)出現(xiàn)了流行的科技產(chǎn)品，如Google Glass，是由谷歌公司于2012年4月發(fā)布的一款增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡[5]。AR技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)也慢慢成為了一個(gè)研究趨勢(shì)，如立體書籍、操作技能培訓(xùn)、AR教育游戲，殘障人群學(xué)習(xí)等[6][7]?？萍紕?chuàng)新教育走在前列的人大附中已經(jīng)將AR技術(shù)教學(xué)納入到了通用技術(shù)教學(xué)的必修課中，主要培養(yǎng)學(xué)生AR應(yīng)用創(chuàng)新實(shí)現(xiàn)能力，借此使學(xué)生明確一個(gè)通用的、完整的設(shè)計(jì)過程，學(xué)會(huì)與技術(shù)有關(guān)的各種實(shí)現(xiàn)途徑和方法。但由于AR技術(shù)教師資源和AR教學(xué)設(shè)備的限制，在課程實(shí)施過程中出現(xiàn)了兩方面的問題。

1. 人大附中為了讓學(xué)生更好地設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)AR應(yīng)用，需要給學(xué)生講解基本的AR原理。但在這一教學(xué)階段，采用普通的教學(xué)方式，極大地降低了學(xué)生的參與性。在通用技術(shù)課堂中，學(xué)生更喜歡動(dòng)手參與，僅僅通過教師講解比較難理解的AR技術(shù)，無(wú)疑大大降低了學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。再加上AR技術(shù)教師短缺，這種情況無(wú)疑加重了教師的教學(xué)負(fù)擔(dān)。

2. AR應(yīng)用是真實(shí)場(chǎng)景和虛擬物體的疊加，人大附中開設(shè)的AR技術(shù)課程要求學(xué)生在攝像頭采集的真實(shí)場(chǎng)景上疊加3D模型，因此開設(shè)了3D建模軟件使用課程。學(xué)生設(shè)計(jì)完自己的AR應(yīng)用后，先制作需要疊加的3D模型，然后在教師的幫助下完成模型和場(chǎng)景的疊加。由于大部分的學(xué)生并沒有編程經(jīng)驗(yàn)，3D模型和真實(shí)場(chǎng)景的疊加工作全部落在教師的身上，這使得教師的工作負(fù)擔(dān)過于繁重，并且極大地降低了學(xué)生創(chuàng)作的靈活性。

為了解決以上問題，筆者設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了“悅?cè)ざ唷苯虒W(xué)輔助系統(tǒng)。

二、基于ARCS模型的系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為了提高學(xué)生學(xué)習(xí)AR技術(shù)的積極性，增強(qiáng)學(xué)生設(shè)計(jì)作品的創(chuàng)新力，減少代課教師的教學(xué)負(fù)擔(dān)，讓“悅?cè)ざ唷笨茖W(xué)并有效地應(yīng)用于高中通用技術(shù)課程，我們引入了美國(guó)心理學(xué)家John Keller 提出了ARCS 動(dòng)機(jī)激發(fā)模型。Keller 認(rèn)為影響學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的因素有四類：注意（Attention）、關(guān)聯(lián)（Relevance）、自信（Confidence）、滿足（Satisfaction），簡(jiǎn)稱ARCS 動(dòng)機(jī)激發(fā)模型（ARCS 模型）[8][9][10]。該模型說明，為了激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，首先要引起學(xué)生對(duì)一項(xiàng)學(xué)習(xí)任務(wù)或?qū)W習(xí)目的的注意和興趣；其次，使學(xué)生理解完成這項(xiàng)學(xué)習(xí)任務(wù)與自己密切相關(guān)；再次，對(duì)學(xué)生進(jìn)行鼓勵(lì)，逐漸培養(yǎng)和建立他對(duì)完成學(xué)習(xí)任務(wù)的信心；最后，讓學(xué)生產(chǎn)生完成學(xué)習(xí)任務(wù)后的滿足感。因此在設(shè)計(jì)“悅?cè)ざ唷苯虒W(xué)輔助系統(tǒng)的功能時(shí)結(jié)合ARCS 動(dòng)機(jī)激勵(lì)模型，始終以激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，提高學(xué)生學(xué)習(xí)的自信心和自主性以及提高該課程的教學(xué)效果為目標(biāo)。

（一）使用AR技術(shù)作為交互方式引起學(xué)生的注意

根據(jù)ARCS動(dòng)機(jī)激發(fā)模型，“注意”是影響學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的首要因索，也是學(xué)習(xí)的先決條件。激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，首先需要喚起學(xué)生的注意[11]。如果“悅?cè)ざ唷苯虒W(xué)輔助系統(tǒng)使用鼠標(biāo)鍵盤這種普通交互方式則無(wú)法引起學(xué)生太大的交互興趣，再加上通用技術(shù)設(shè)計(jì)課程教學(xué)是一個(gè)相對(duì)寬松的教學(xué)氛圍，在AR基本原理教學(xué)階段，長(zhǎng)時(shí)間使用鼠標(biāo)鍵盤作為輸入方式，學(xué)生很容易去做一些與課堂無(wú)關(guān)的事情，如玩游戲、瀏覽網(wǎng)頁(yè)等。因此，我們給“悅?cè)ざ唷痹O(shè)計(jì)了一套新的交互方式來(lái)增加學(xué)生課堂的參與性，增加學(xué)習(xí)的趣味性。目前的AR系統(tǒng)，通常都采用基于視覺的注冊(cè)方法。系統(tǒng)中采用一個(gè)攝像機(jī)拍攝環(huán)境場(chǎng)景，通過對(duì)于場(chǎng)景圖像的分析處理來(lái)進(jìn)行攝像機(jī)定位和姿態(tài)計(jì)算。因此“悅?cè)ざ唷笨梢酝ㄟ^識(shí)別不同的圖片，然后生成相關(guān)操作指令，從而達(dá)到交互的目的。如圖1（a），學(xué)生正在使用標(biāo)志點(diǎn)做選擇題。

這種方式可以很好地激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，引起學(xué)生的注意，從而達(dá)到用AR技術(shù)來(lái)學(xué)習(xí)AR原理的目的。學(xué)生不但了解了原理，也親身體驗(yàn)了AR應(yīng)用。AR技術(shù)中圖像識(shí)別技術(shù)主要分為標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別和無(wú)標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別[12]。由于通用技術(shù)課程面向的是高中學(xué)生，需要給他們講解基本的AR原理，因此需要選擇成本較低、原理清晰的識(shí)別方式，這樣更有利于高中學(xué)生學(xué)習(xí)。因此我們采用標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別作為三維注冊(cè)的方法。由日本廣島城市大學(xué)與美國(guó)華盛頓大學(xué)聯(lián)合開發(fā)的標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別系統(tǒng)二次開發(fā)工具ARToolKit因其開放性和易用性，獲得了廣泛的應(yīng)用。[13]ARToolkit是低成本的AR開發(fā)工具包，定位標(biāo)記一般由具有一定寬度的黑色四方形邊緣和中心區(qū)域中黑色的幾何圖形構(gòu)成[14]。利用這個(gè)工具包不但可以給學(xué)生深入地講解AR的基本原理，而且學(xué)生也可以下載大量的與ARToolKit相關(guān)的科技論文進(jìn)行研究性學(xué)習(xí)，對(duì)于有編程能力的學(xué)生還可以自主開發(fā)自己的ARToolKit應(yīng)用。

（二）使用游戲引擎展現(xiàn)與日常生活相關(guān)聯(lián)的多媒體素材

根據(jù)ARCS動(dòng)機(jī)激發(fā)模型，課程教學(xué)必須與學(xué)生學(xué)習(xí)和生活中的重要目標(biāo)建立關(guān)系，讓學(xué)生明確所參與的學(xué)習(xí)活動(dòng)是與他們的生活實(shí)際有“關(guān)聯(lián)”的。因此，教師在課堂教學(xué)中要做到教學(xué)目標(biāo)、教材內(nèi)容與學(xué)生的需要和生活相貼近 。因此需要將一些AR的有趣應(yīng)用整合到“悅?cè)ざ唷敝?，引入如聲音、視頻、圖片、3D模型等大量的多媒體素材，而ARToolKit內(nèi)部采用的OpenGL 實(shí)用工具庫(kù)，通常僅用來(lái)編寫跨平臺(tái)示例程序和演示例程序， 使引入大量的多媒體素材變得十分復(fù)雜。因此我們利用游戲引擎和ARToolKit結(jié)合，將大量多媒體素材整合到“悅?cè)ざ唷敝校寣W(xué)生感受到AR應(yīng)用貼近生活，AR技術(shù)與自己的生活、工作息息相關(guān)。XNA是微軟推出的所謂“通用軟件開發(fā)平臺(tái)”，目標(biāo)是降低游戲開發(fā)成本、縮短開發(fā)周期。與OpenGL和Direct3D相比，XNA不僅繼承了Direct3D在顯示、聲音以及系統(tǒng)組件等多媒體技術(shù)方面的優(yōu)勢(shì)，而且XNA在游戲開發(fā)效率、內(nèi)容與代碼維護(hù)管理、平臺(tái)支持等方面的優(yōu)勢(shì)更為突出。因此我們把XNA作為“悅?cè)ざ唷钡能浖蚣?，如圖1（b）所示，學(xué)生正在使用“悅?cè)ざ唷庇^看疊加在標(biāo)志點(diǎn)上的有關(guān)AR應(yīng)用的視頻。

（三）利用動(dòng)態(tài)導(dǎo)入技術(shù)讓學(xué)生親自實(shí)現(xiàn)AR應(yīng)用，建立學(xué)習(xí)信心

根據(jù)ARCS動(dòng)機(jī)激發(fā)模型，要激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，必須讓學(xué)生自信，讓學(xué)生覺得通過努力可以成功地達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。這種適度的自信對(duì)維持學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)是很有必要的。缺乏自信，對(duì)學(xué)習(xí)有恐懼感必然會(huì)影響其學(xué)習(xí)效果。而人大附中之前實(shí)現(xiàn)學(xué)生AR應(yīng)用設(shè)計(jì)的方法，完全是靠教師將學(xué)生制作的3D模型通過編程的方式疊加到真實(shí)的場(chǎng)景中，這種方式不但使得教師教學(xué)負(fù)擔(dān)十分繁重，而且使得學(xué)生創(chuàng)新設(shè)計(jì)的靈活性大大降低。于此同時(shí)，這種方式使得學(xué)生感覺AR技術(shù)十分難掌握，自己要獨(dú)立完成AR應(yīng)用設(shè)計(jì)開發(fā)是件十分困難的事情，大大降低學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。因此我們利用動(dòng)態(tài)導(dǎo)入技術(shù)，讓學(xué)生在不使用軟件開發(fā)環(huán)境的情況下，把自己制作的3D模型動(dòng)態(tài)地導(dǎo)入到“悅?cè)ざ唷敝?，并和真?shí)場(chǎng)景疊加。微軟的Microsoft Build Engine（MSBuild）是一個(gè)用于生成應(yīng)用程序的平臺(tái)，Visual Studio使用MSBuild，但它不依賴于Visual Studio。通過調(diào)用解決方案文件的msbuild.exe，可以在未安裝 Visual Studio 環(huán)境中編寫和生成應(yīng)用[15]。因此“悅?cè)ざ唷崩肕SBuild將學(xué)生做好的3D模型生成系統(tǒng)可以調(diào)用的資源，供AR應(yīng)用使用。通過這種方式，學(xué)生可以完全自主設(shè)計(jì)開發(fā)自己的AR應(yīng)用作品，極大地提高了設(shè)計(jì)的靈活性和學(xué)習(xí)積極性。如圖1（c）所示，學(xué)生正在把標(biāo)志點(diǎn)和通過動(dòng)態(tài)導(dǎo)入的3D模型綁定。

（四）制作AR應(yīng)用展示平臺(tái)增加學(xué)生的滿足感

根據(jù)ARCS動(dòng)機(jī)激發(fā)模型，學(xué)生經(jīng)過自身的努力對(duì)所得到的結(jié)果感到滿足時(shí)，就會(huì)保持這種動(dòng)機(jī)，因此教師要使學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中對(duì)學(xué)習(xí)結(jié)果產(chǎn)生“滿足感”，并提供展示平臺(tái)，讓學(xué)生表達(dá)自己的創(chuàng)新理念。因此“悅?cè)ざ唷碧峁┝艘粋€(gè)讓學(xué)生利用多個(gè)標(biāo)志點(diǎn)，展示多個(gè)模型疊加到真實(shí)場(chǎng)景的平臺(tái)。讓每個(gè)學(xué)生充分展示并表達(dá)自己的AR創(chuàng)意。通過這種方式，極大地增加了學(xué)生學(xué)習(xí)的滿足感，使學(xué)生有更大的熱情投身到科技創(chuàng)新中去。圖1（d）中學(xué)生正在展示自己的創(chuàng)意理念，圖1（e）和圖1（f）展示了一些學(xué)生作品。

（五）系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

根據(jù)以上描述，我們?cè)O(shè)計(jì)了“悅?cè)ざ唷苯虒W(xué)輔助系統(tǒng)的功能結(jié)構(gòu)，如圖2（a）所示。系統(tǒng)主要分為三大部分：學(xué)習(xí)AR、制作AR和展示AR。學(xué)生在主界面實(shí)時(shí)視頻圖像下，出示不同的標(biāo)志點(diǎn)，進(jìn)入到相應(yīng)模塊。為了使學(xué)生容易理解ARToolKit的原理，我們把“基本原理”拆分成“圖像處理”、“3D建?！焙汀疤搶?shí)融合”三部分。在學(xué)習(xí)完基本原理后，學(xué)生通過一個(gè)互動(dòng)小測(cè)試來(lái)檢測(cè)自己的學(xué)生成果，也可以使用標(biāo)志點(diǎn)來(lái)回答問題。由于高中通用技術(shù)課程中涉及了很多如簡(jiǎn)單機(jī)器人設(shè)計(jì)、城市規(guī)劃、教育游戲設(shè)計(jì)和教學(xué)儀器制作，因此“悅?cè)ざ唷敝饕榻B了四類AR應(yīng)用，即AR在建筑設(shè)計(jì)的應(yīng)用、AR在機(jī)械設(shè)計(jì)的應(yīng)用、AR游戲應(yīng)用和AR教學(xué)設(shè)備應(yīng)用。“制作AR”模塊允許學(xué)生將制作好的3D模型動(dòng)態(tài)導(dǎo)入到“悅?cè)ざ唷敝?，并和相?yīng)的標(biāo)志點(diǎn)綁定。“展示AR”模塊可以同時(shí)顯示全部綁定好的3D模型。

（六）交互標(biāo)志點(diǎn)設(shè)計(jì)

“悅?cè)ざ唷辈捎脴?biāo)志點(diǎn)識(shí)別的交互方式，學(xué)生無(wú)論 是選擇相關(guān)的學(xué)習(xí)課程，還是制作自己的AR應(yīng)用，都需要標(biāo)志點(diǎn)的參與。因此，需要設(shè)計(jì)一套有趣的標(biāo)識(shí)點(diǎn)增強(qiáng)“悅?cè)ざ唷北旧淼奈?，使學(xué)生能沉浸在學(xué)習(xí)知識(shí)和設(shè)計(jì)制作的過程中?！皭?cè)ざ唷蓖ㄟ^九個(gè)標(biāo)志點(diǎn)完成全部輸入操作。具體操作流程如圖2（b）所示。圖中菱形圖形表示標(biāo)志點(diǎn)的編號(hào)，九個(gè)標(biāo)志點(diǎn)是通過圖2（b）所示的方式進(jìn)行指令輸入的。九個(gè)標(biāo)志點(diǎn)首先按編號(hào)進(jìn)行優(yōu)先級(jí)排序，數(shù)字越小的優(yōu)先級(jí)越高。當(dāng)幾個(gè)標(biāo)志點(diǎn)同時(shí)出現(xiàn)在攝像頭下時(shí)，序號(hào)最小的標(biāo)志點(diǎn)起作用。在主界面下只有前三個(gè)標(biāo)志點(diǎn)起作用，出示相應(yīng)的標(biāo)志點(diǎn)就會(huì)進(jìn)入到一級(jí)功能界面。在進(jìn)入“學(xué)習(xí)AR”界面時(shí)，標(biāo)志點(diǎn)1～8起作用，分別表示“學(xué)習(xí)AR”下的八個(gè)功能。當(dāng)進(jìn)入到小測(cè)試界面時(shí)，標(biāo)志點(diǎn)5～8起作用，分別表示選擇題的A、B、C、D選項(xiàng)。當(dāng)進(jìn)入到“制作AR”界面時(shí)，標(biāo)志點(diǎn)1～2可以瀏覽導(dǎo)入的3D模型，把標(biāo)志點(diǎn)3～8其中一個(gè)放入到攝像頭下5秒鐘，屏幕中顯示的3D模型就可以和使用的標(biāo)志點(diǎn)綁定，如圖1（c）所示。在“展示AR”界面，學(xué)生可以使用3～8標(biāo)志點(diǎn)展示自己最終的創(chuàng)意設(shè)計(jì)，第3～8標(biāo)志點(diǎn)的優(yōu)先權(quán)在這個(gè)模塊中失去作用，3～8標(biāo)志點(diǎn)可以同時(shí)展示AR效果，如圖1（d）所示。

（七）系統(tǒng)軟件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

“悅?cè)ざ唷钡恼w結(jié)構(gòu)如圖3（a）所示。系統(tǒng)首先通過攝像頭采集圖像，標(biāo)志點(diǎn)的信息通過ARToolKit工具生成，包括標(biāo)志點(diǎn)的序號(hào)和變換矩陣，然后由交互命令生成器根據(jù)系統(tǒng)所處的功能階段生成不同的操作指令，XNA游戲引擎根據(jù)不同的指令調(diào)用不同多媒體素材來(lái)呈現(xiàn)不同功能界面。學(xué)生將設(shè)計(jì)制作好的3D模型導(dǎo)出為FBX文件并存放在指定目錄下。系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)檢測(cè)到FBX文件，并利用MSBuild動(dòng)態(tài)編譯成系統(tǒng)調(diào)用的資源。根據(jù)操作指令，3D模型和相應(yīng)的標(biāo)志點(diǎn)綁定，綁定關(guān)系存儲(chǔ)在XML文件中。ARToolKit在向命令生成器傳遞標(biāo)志點(diǎn)編號(hào)的同時(shí)，也將標(biāo)志點(diǎn)生成的變換矩陣傳給命令生成器，命令生成器也會(huì)將標(biāo)志點(diǎn)的變換矩陣傳輸給XNA，XNA根據(jù)變換矩陣實(shí)時(shí)繪制不同的3D模型輸出到計(jì)算機(jī)顯示器。

三、系統(tǒng)的教學(xué)評(píng)估

為了全面地評(píng)估“悅?cè)ざ唷苯虒W(xué)輔助系統(tǒng)，筆者在人大附中進(jìn)行了試點(diǎn)教學(xué)。成立了兩個(gè)實(shí)驗(yàn)班，每個(gè)班有12個(gè)高中二年級(jí)的學(xué)生。A班采用傳統(tǒng)的教學(xué)方式，B班利用“悅?cè)ざ唷苯虒W(xué)輔助系統(tǒng)進(jìn)行教學(xué)。兩個(gè)班都采用相同的教學(xué)流程，如圖3（b）所示。每個(gè)班的學(xué)生分成四個(gè)學(xué)習(xí)小組，每組三位同學(xué)，選出組長(zhǎng)，要求每個(gè)小組完成一個(gè)AR應(yīng)用作品。具體實(shí)驗(yàn)過程如下：

第一步：A班和B班通過教師講解的方式，學(xué)習(xí)3D建模軟件。第二步：A班學(xué)生通過教師講解的方式學(xué)習(xí)AR基本原理，B班學(xué)生通過“悅?cè)ざ唷睂W(xué)習(xí)AR基本原理。第三步：A班同學(xué)根據(jù)教師講解的各種AR應(yīng)用來(lái)討論設(shè)計(jì)自己的AR應(yīng)用；B班學(xué)生通過“悅?cè)ざ唷绷私釧R的相關(guān)應(yīng)用，并親自動(dòng)手感受AR應(yīng)用的特點(diǎn)。第四步：兩個(gè)班的學(xué)生都在各個(gè)小組長(zhǎng)的帶領(lǐng)下制作自己AR應(yīng)用需要的3D模型和真實(shí)場(chǎng)景需要的實(shí)物。第五步：A班同學(xué)依靠教師編程完成作品；B班同學(xué)將自己制作的模型動(dòng)態(tài)導(dǎo)入到“悅?cè)ざ唷毕到y(tǒng)中，并根據(jù)需要綁定相應(yīng)的標(biāo)志點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)AR應(yīng)用。第六步：A班學(xué)生講解自己的創(chuàng)新思路，B班同學(xué)利用“悅?cè)ざ唷钡恼故酒脚_(tái)展示自己的創(chuàng)意理念。

（一）悅?cè)ざ鄬?duì)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的影響

試點(diǎn)教學(xué)完成后，對(duì)全部學(xué)生作了有關(guān)學(xué)習(xí)興趣的調(diào)查問卷。調(diào)查問卷采用五點(diǎn)李克特量表設(shè)計(jì)。調(diào)查項(xiàng)目如下：1.我覺得AR技術(shù)基本原理理解起來(lái)不是太容易；2.我還想進(jìn)一步學(xué)習(xí)AR技術(shù)；3.我覺得AR應(yīng)用十分有趣；4. 我覺得AR應(yīng)用實(shí)現(xiàn)起來(lái)不是太困難；5. 我覺得展示自己的AR設(shè)計(jì)十分有趣。利用配對(duì)樣本T檢驗(yàn)，對(duì)A、B班調(diào)查問卷的數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，結(jié)果如表1所示。

第一個(gè)問題的對(duì)比結(jié)果（Pair1， t=0， p>0.05）顯示，A、B兩個(gè)班的學(xué)生對(duì)AR技術(shù)的初步認(rèn)識(shí)都是一致的，大部分的學(xué)生覺得AR基本原理比較難理解。第二問題對(duì)比結(jié)果（Pair 2， t=-3.317， p<0.01）顯示B班學(xué)生想進(jìn)一步學(xué)習(xí)AR原理的意愿遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于A班。第三個(gè)問題的對(duì)比結(jié)果（Pair 3， t=-2.345， p<0.05）顯示，通過親自體驗(yàn)AR應(yīng)用的B班學(xué)生對(duì)AR應(yīng)用的興趣感要大于A班學(xué)生。第四個(gè)問題的對(duì)比結(jié)果（Pair 4， t=-2.803， p<0.05）顯示，B班學(xué)生認(rèn)為AR應(yīng)用實(shí)現(xiàn)的難度要低一些。第五個(gè)問題的對(duì)比結(jié)果（Pair 5， t=-3.317， p<0.01）顯示，B班學(xué)生認(rèn)為通過自己完成AR應(yīng)用帶來(lái)樂趣感要比A班學(xué)生依靠教師實(shí)現(xiàn)AR應(yīng)用帶來(lái)的樂趣感強(qiáng)。綜上所述，“悅?cè)ざ唷睂?duì)促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣起到了積極的作用。

（二）“悅?cè)ざ唷睂?duì)學(xué)生作品創(chuàng)新力的影響

在學(xué)生展示自己AR應(yīng)用設(shè)計(jì)階段，我們聘請(qǐng)了四位具有兩年以上從事高中通用技術(shù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)研究的碩士研究生作為評(píng)委，利用創(chuàng)意產(chǎn)品語(yǔ)義量表給每個(gè)小組最后的作品作創(chuàng)新力評(píng)定。

創(chuàng)意產(chǎn)品語(yǔ)義量表（Creative Product Semantic Scale，簡(jiǎn)稱CPSS）是非專家評(píng)估者對(duì)產(chǎn)品創(chuàng)新力的評(píng)估方法。量表主要有三個(gè)向度：“新奇性”（Novely）、“解決性”（Resolution）、“精致與整合”（Elaboration and Synthesis）[17]。原版的CPSS每個(gè)向度還有子向度，共計(jì)55個(gè)子向度，都是由不同的形容詞構(gòu)成的并采用李克特量表進(jìn)行評(píng)估?？紤]到采用這么多的子向度評(píng)估學(xué)生作品，會(huì)消耗評(píng)估者大量的時(shí)間和精力，我們最終采用White和Smith的方法選擇了15個(gè)子向度作為評(píng)定學(xué)生AR應(yīng)用設(shè)計(jì)作品的依據(jù)[18]。我們同樣利用配對(duì)樣本T檢驗(yàn)對(duì)學(xué)生作品的評(píng)定結(jié)果進(jìn)行了分析，如表2所示。

統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示“新穎的”、“不同尋常的”、“唯一的”、“原創(chuàng)的”、“新潮的”、“合邏輯的”六個(gè)子向度基本沒有明顯變化。說明無(wú)論學(xué)生通過教師幫助還是使用“悅?cè)ざ唷倍紱]有明顯提升創(chuàng)新作品的新奇性和解決性。主要原因是通過教師整合的AR應(yīng)用可以加入更多的多媒體素材，如聲音、視頻、二維動(dòng)畫等，而“悅?cè)ざ唷蹦壳爸荒軇?dòng)態(tài)地將3D模型編譯到系統(tǒng)中，這使得學(xué)生作品素材單一，從而使學(xué)生作品的新穎性沒有得到改觀。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）、“一絲不茍的”（t=-5， p<0.05）、“認(rèn)真的”（t=5.196， p<0.05）子向度有了明顯提升。這說明學(xué)生利用“悅?cè)ざ唷睂?shí)現(xiàn)AR應(yīng)用能夠?qū)⒆约旱淖髌氛{(diào)整得更精致，功能更完整。在作品設(shè)計(jì)的整個(gè)過程中，學(xué)生充分實(shí)踐了AR應(yīng)用創(chuàng)新的設(shè)計(jì)、構(gòu)思、權(quán)衡、優(yōu)化、實(shí)驗(yàn)、結(jié)構(gòu)、流程、系統(tǒng)等，從而使得學(xué)生作品的創(chuàng)新力有了提升。

四、總結(jié)與展望

研究創(chuàng)新性地利用美國(guó)心理學(xué)家John Keller 提出了ARCS 動(dòng)機(jī)激發(fā)模型，結(jié)合低成本的三維注冊(cè)工具ARToolKit，采用標(biāo)志點(diǎn)識(shí)別的交互方式和動(dòng)態(tài)導(dǎo)入技術(shù)，設(shè)計(jì)開發(fā)了“悅?cè)ざ唷苯虒W(xué)輔助系統(tǒng)。

同時(shí)，在實(shí)驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)“悅?cè)ざ唷苯虒W(xué)平臺(tái)存在的諸多不足：（1）“悅?cè)ざ唷笔褂没谌斯?biāo)志點(diǎn)的識(shí)別系統(tǒng)，使學(xué)生感到很不自然，從而失去了設(shè)計(jì)興趣。他們更希望使用基于普通圖片識(shí)別的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，把自己設(shè)計(jì)的自然圖片，如風(fēng)景照片、漫畫圖等和三維模型疊加在一起。（2）“悅?cè)ざ唷毕到y(tǒng)只允許學(xué)生將3D模型導(dǎo)入作品中，使得學(xué)生覺得完成的作品缺乏表現(xiàn)力。他們希望將更多的多媒體素材導(dǎo)入到自己的創(chuàng)新作品中，如聲音、圖片、視頻，從而增強(qiáng)作品的表現(xiàn)力。（3）“悅?cè)ざ唷笔褂昧藛我坏娘@示設(shè)備和交互方式（普通液晶顯示器和臺(tái)式電腦增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)），使得學(xué)生不能充分體驗(yàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的高級(jí)交互方式。學(xué)生希望接觸到更多種類和更加先進(jìn)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示設(shè)備和交互設(shè)備，如頭盔顯示器、3D顯示器、智能移動(dòng)手機(jī)、深度識(shí)別相機(jī)、手勢(shì)識(shí)別設(shè)備等。

根據(jù)“悅?cè)ざ唷痹谠圏c(diǎn)教學(xué)中出現(xiàn)的各種不足，未來(lái)還有很多工作需要完成：（1）研究基于特征點(diǎn)匹配的圖像識(shí)別算法，將基于無(wú)人工標(biāo)志點(diǎn)的三維注冊(cè)技術(shù)引入“悅?cè)ざ唷苯逃脚_(tái)中，使學(xué)生設(shè)計(jì)的虛擬素材和現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景能更好地融合在一起。（2）制作多媒體資源導(dǎo)入組件，允許學(xué)生將聲音、圖像、視頻等多媒體資源應(yīng)用到自己的創(chuàng)新作品中，增強(qiáng)學(xué)生作品的表現(xiàn)力。（3）制作性能穩(wěn)定、顯示效果良好的頭盔顯示器，引進(jìn)目前應(yīng)用廣泛的三維顯示器，讓學(xué)生充分接觸增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域的各種前沿技術(shù)，從而產(chǎn)生濃厚的研究興趣。

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