曹烔烔 焦寶聰

摘要：為了解決當前人工智能教材引導性不足、情意類活動缺乏等問題，作者從AR融合出版角度思考人工智能教材開發(fā)，發(fā)揮AR融合出版的情境性、交互性、引導性特征，設計了基于AR技術(shù)的人工智能教材開發(fā)路徑，即分別從紙質(zhì)內(nèi)容和數(shù)字化內(nèi)容兩個模塊進行開發(fā)，使用AR編輯軟件進行邏輯串聯(lián)，最后選擇“圖像識別”一章作為案例進行了開發(fā)過程的說明。

關(guān)鍵詞：人工智能;增強現(xiàn)實;AR出版;教材開發(fā)

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2021）15-0092-05

● 引言

隨著人工智能的發(fā)展及其對生產(chǎn)生活產(chǎn)生的廣泛影響，世界各國都越來越重視學校中的人工智能教育，以培養(yǎng)更多的人工智能人才，投入到人工智能的研發(fā)中。2018年教育部進一步強調(diào)在中小學階段引入人工智能普及教育。目前人工智能教材已初具規(guī)模，但存在活動難度差異性大、情意類活動缺乏等問題。[1]主要原因在于不少教材只顧將編程、硬件搭建、創(chuàng)客教育融入到教材中，但缺乏深入的活動引導和必要的情境設計，重知識和技能傳授，輕情感引導，從而使學生不能深入思考人工智能與人類的關(guān)系。而AR出版基于其情境性、引導性、交互性等特征，能夠彌補紙質(zhì)人工智能教材在情境創(chuàng)設和學習引導方面的不足，因此筆者以AR融合出版技術(shù)為切入點思考可交互的人工智能電子教材，設計了基于AR技術(shù)的人工智能教材開發(fā)路徑。

● 關(guān)鍵概念

1.人工智能

人工智能是研究使計算機來模擬人的某些思維過程和智能行為，涉及計算機科學、控制論、信息論、神經(jīng)生理學、語言學、心理學等多個領域。人工智能不僅是一次技術(shù)層面的革命，它還將與重大的社會經(jīng)濟變革、教育變革、思想變革、文化變革等同步。[2]因此，在中小學階段開展人工智能課程，培養(yǎng)學生的計算思維、創(chuàng)造力和人文素養(yǎng)，能使學生更好地適應并改造人工智能社會。人工智能教材是人工智能課程實施的參考和學生學習的主要資源，中小學人工智能教材一般分為人工智能基礎知識、機器人及其應用、人工智能硬件及其應用、人工智能的關(guān)鍵技術(shù)、知識表達與人工智能語言、人工智能的未來和展望六大核心內(nèi)容，從基礎知識入手，以算法和實踐編程為抓手，呈現(xiàn)人工智能的關(guān)鍵技術(shù)和前沿應用領域。[1]

2.AR出版

AR出版（AR圖書）是實體圖書與虛擬形象、虛擬場景的有機融合，學習者通過使用配套設備，如智能手機、智能眼鏡、智能顯示屏等看到與實體圖書中對應知識在現(xiàn)實場景中的形象化呈現(xiàn)。在這種情境中，學習者可以更容易地產(chǎn)生興趣、理解抽象知識、建構(gòu)知識意義。AR 圖書因其形象性、交互性、情境化、正式學習與非正式學習相結(jié)合等特性，能夠很好地與翻轉(zhuǎn)課堂、微課等教學模式對接，并適用于家庭教育、親子教育。

● 基于AR技術(shù)的人工智能教材特征

1.多種媒體形式創(chuàng)設故事情境

出色的情境設計能夠促進學生對知識意義的建構(gòu)，學生在具有故事性的、可視化的、可交互的情境中，會形成潛在的學習傾向，更容易達到理想的學習效果?；贏R出版的人工智能教材可以通過多種媒體形式，如模型、二維動畫等，營造未來感、科技化、真實感、故事化的故事情境，促進學生的興趣，并使其在更深入的學習體驗中形成對人工智能時代的思考。

2.形象化實踐操作過程

重視實踐操作是人工智能課程的特點之一，多數(shù)教材也通過硬件搭建和軟件編程培養(yǎng)學生的操作技能。學生完成硬件搭建，并建立硬件與程序之間的聯(lián)系，是人工智能課程的難點之一?；贏R出版的人工智能教材將操作過程視頻、圖片、音頻解釋等內(nèi)容疊加在教材內(nèi)，學生通過視頻等內(nèi)容更直觀地看到操作過程，完成硬件搭建等實踐內(nèi)容。這種形式打破了互聯(lián)網(wǎng)資源與傳統(tǒng)紙質(zhì)教材的壁壘，增強了互動感，支持線下學習。

3.“紙質(zhì)+電子”雙重閱讀形式

隨著閱讀方式的轉(zhuǎn)變，電子閱讀逐漸成為年輕人主要的閱讀方式，但傳統(tǒng)紙質(zhì)閱讀在我們生活和學習中不可或缺，因此使用“屏讀”還是使用紙質(zhì)書成為了一對矛盾?；贏R出版的人工智能教材給予閱讀者雙重的閱讀方式，既注重發(fā)揮電子教材的優(yōu)勢，又促使學習回歸傳統(tǒng)紙媒。學習者先通過紙質(zhì)書進行學習，對基礎知識技能進行掌握，而對于其中較為抽象、紙質(zhì)書難以演示的內(nèi)容，則通過電子書觀看模型、視頻等形式獲得更直觀的學習體驗。

4.適應個性化學習需求

基于AR出版的人工智能教材通過虛擬助教的形式，在學習的各個環(huán)節(jié)之間提供引導和支持，在抽象的部分提供精準匹配的資源講解，在學生做出應答后給予初步的評價反饋。學生可以通過點擊或拖動的形式，與教材中的內(nèi)容進行互動，提高學習興趣。電子閱讀的方式可以支持學生的泛在學習，使學生既可以在學校學，也可以在家庭內(nèi)自學。

● 基于AR技術(shù)的人工智能校本課程開發(fā)路徑

基于AR技術(shù)的人工智能校本課程開發(fā)分為兩大板塊，分別是紙質(zhì)頁面內(nèi)容設計開發(fā)和數(shù)字化內(nèi)容設計開發(fā)（如圖1），最后通過AR編輯軟件將二者進行邏輯串聯(lián)形成AR教材。

1.紙質(zhì)教材內(nèi)容設計

（1）設計教學目標

基于AR技術(shù)的人工智能課程教學目標除了傳統(tǒng)的三維教學目標以外，還應增設數(shù)字化學習與創(chuàng)新目標。學生通過紙質(zhì)書結(jié)合AR電子書的形式，通過書中虛擬助教的引導進行自主學習，通過改造書中提供的項目或制作新項目進行創(chuàng)新。課程目標還應引導學生客觀理性地認識對待人工智能，遵守人工智能時代的倫理道德。

（2）創(chuàng)設課程情境

人工智能課程創(chuàng)設的情境應接近學生生活，學生通過對身邊的實際案例的感受，更容易投入到課程中，獲得深度的學習體驗。課程情境應具有故事感，在課程的各個環(huán)節(jié)用一個完整的故事進行串聯(lián)，環(huán)環(huán)相扣。學生在學習當前環(huán)節(jié)時對下一學習環(huán)節(jié)具有學習期待，每一環(huán)節(jié)得到不同的學習成果，當整個故事完結(jié)的時候，各個學習環(huán)節(jié)也已完成，學生的學習成果在最后得到匯總和升華。同時，開發(fā)者在創(chuàng)設課程情境時應規(guī)劃好在AR教材中用何種形式呈現(xiàn)。

（3）設計項目化學習

基于AR技術(shù)的人工智能課程可以采用項目化學習方式開展。開發(fā)者設計與教學情境緊密相關(guān)且能承載教學目標的項目，為學生提供基礎的學習資源，如人工智能基礎知識、項目實現(xiàn)的邏輯結(jié)構(gòu)、程序編寫參考、硬件搭建等，采用恰當?shù)捻樞蚺帕?，學生通過學習這些基礎知識要能夠自主或合作完成項目，并對項目成果進行檢測。

（4）設計課程作業(yè)

課程作業(yè)的設計可以依據(jù)項目化學習的內(nèi)容，促使學生在完成項目任務的基本要求后，還能對項目成果進行創(chuàng)新性改造，如改變參數(shù)使燈光的顏色和閃爍頻率改變、改造智能車使它完成當前行駛路線后原路返回等，這類作業(yè)難度一般較低，因此可以在靠前的章節(jié)采用這種形式。當學生對人工智能有更深的認識后，應設計難度系數(shù)更高的作業(yè)，如在學習“如影隨形”小車使它能跟隨人前進或后退項目后，完成“自動避障智能車”設計的作業(yè)，在學習“自動室內(nèi)加濕器”的項目后，完成“智能澆花器”設計的作業(yè)。

2.數(shù)字化課程內(nèi)容設計

（1）設計虛擬助教

AR圖書中的虛擬助教為學生提供學習引導、輔助和反饋，滿足學生的個性化學習需求，學生在沒有教師輔導的情況下，也可以通過虛擬助教的引導進行自主學習并獲得學習反饋。AR圖書中的虛擬助教可以是虛擬人物、真實人物、三維形象，可以采用一個虛擬助教貫穿各個學習環(huán)節(jié)，也可以采用多個虛擬助教分布在學習的各個環(huán)節(jié)。

在情境引入環(huán)節(jié)，虛擬助教可以通過語音講解、虛擬空間展示、視頻演示等方式將學生帶入人工智能相關(guān)的場景中;在項目化學習中，虛擬助教可通過語音講解文本難以描述的復雜知識;對于學生的項目任務完成情況，虛擬助教應給予一定的反饋。

（2）設計交互內(nèi)容與方式

數(shù)字化交互內(nèi)容可以包含模型、音頻、視頻、圖片、動畫、鏈接等，交互方式是指通過點擊或掃描形狀、文字、圖片等方式播放相應的數(shù)字化教學內(nèi)容。開發(fā)者應在課程的不同環(huán)節(jié)設計適宜的交互內(nèi)容和交互方式，注意數(shù)字化交互內(nèi)容是為紙質(zhì)文本內(nèi)容難以呈現(xiàn)或呈現(xiàn)效果不佳的內(nèi)容做補充，學習材料以紙質(zhì)教程為主，AR教程為輔助，如果只是將紙質(zhì)內(nèi)容簡單重復則是贅余。

（3）制作數(shù)字化教學內(nèi)容

數(shù)字化教學內(nèi)容是理解紙質(zhì)文本的輔助材料，在制作時應抓住重點難點，避免冗余內(nèi)容，提升學習效率。

視頻制作可以采用EV錄屏、Camtasia Studio等軟件，在視頻中對于重點內(nèi)容用符號標記。音頻錄制可以采用手機錄音或軟件配音，使用Audition進行制作。圖片可以使用美圖軟件、Photoshop等工具制作。二維動畫通過Powerpoint、Focusky、萬彩動畫大師等軟件制作。三維模型等可以采用3D-MAX軟件制作。

3.邏輯串聯(lián)

選用合適的AR制作軟件將紙質(zhì)書頁面與數(shù)字化教學內(nèi)容進行邏輯串聯(lián)，建立二者的邏輯關(guān)系。學習者在學習時可以通過點擊AR書或掃描紙質(zhì)圖書頁面，播放相應的數(shù)字化學習內(nèi)容。目前，市場上AR制作平臺也非常多，開發(fā)者如為教師，可選擇對專業(yè)技能要求較低、使用更加友好的軟件。

● 基于AR技術(shù)的人工智能校本課程案例

為增添課程的故事性，引起學生興趣，構(gòu)造了名為“I悅之城”的智能城市，“I”為字母Intelegence的縮寫，“悅”意為喜悅，整體含義是指人工智能讓人類生活更加美好。在I悅之城里有無人超市、無人駕駛汽車、智能家居、智能城市交通系統(tǒng)等，人類通過城市的各種智能設備，學習人工智能知識。

下面，筆者通過圖像識別章節(jié)《I悅之城——超市站》一課闡述教材開發(fā)過程。掃描二維碼（如圖2）下載圖書觀看圖書效果。

1.教學目標（如下表）

2.教學情境

I悅之城超市里不需要設置收銀員，消費者在購物之后通過掃描商品條形碼就能看到商品價格，選好商品后并刷臉完成支付。

3.項目化學習

項目：設計超市商品二維碼系統(tǒng)。使攝像頭掃描到不同二維碼時，掌控板的LED燈亮不同顏色，掌控板液晶屏顯示商品的價格。

基礎知識：While循環(huán)、分支結(jié)構(gòu)。

邏輯流程圖：二維碼識別邏輯流程圖、串口通信邏輯流程圖。

程序編寫：為學生提供程序編寫的參考，并對關(guān)鍵程序塊進行解釋。

硬件搭建：詳細解釋硬件搭建過程的每一步，并用圖片展示搭建后的硬件形態(tài)。

功能檢測：正常運行的效果。

4.作業(yè)設計

通過“改造I悅之城”，改進亮燈效果，能夠?qū)崿F(xiàn)在攝像頭掃描到二維碼時，掌控板上的0、1、2號燈以2秒為時間間隔，分別被點亮。

5.虛擬助教設計

智能導游小I：貫穿各個章節(jié)的虛擬人物，帶領學生分別走進超市站、無人駕駛、智能家庭等。

智慧博士：在關(guān)鍵概念處如“圖像識別”，對關(guān)鍵概念進行講解。

I悅架構(gòu)師小玲：引導學生建立起項目實現(xiàn)的邏輯結(jié)構(gòu)，形成項目的思路。

I悅工程師小悅：在形成邏輯結(jié)構(gòu)后，引導學生為掌控板編寫程序。

I悅建筑師小壯：引導學生建立其硬件與軟件的聯(lián)系，進行硬件搭建。

I悅檢測師小言：在硬件和軟件準備完畢后，使設備正常運行，檢測是否達到項目預期的效果。

6.數(shù)字化教學內(nèi)容

在情境創(chuàng)設部分制作了動畫視頻，由智能導游小I引導參觀I悅之城并來到超市站，視頻演示超市的智能支付系統(tǒng)。為每個虛擬助教設計了動畫形象并在對應環(huán)節(jié)進行引導。

7.制作AR教程

選用夢想編輯器對圖書頁面內(nèi)容和數(shù)字化教學內(nèi)容進行邏輯串聯(lián)。因該書文字內(nèi)容較多，所以選用“4D教材”模板，并在圖書頁面和數(shù)字化內(nèi)容間建立交互關(guān)系（如下頁圖3）。

● 基于AR技術(shù)的人工智能教材開發(fā)原則

1.從教學的角度，注重情境的創(chuàng)設

知識無法獨立地從情境中抽離出來，知識間的關(guān)聯(lián)也必須通過情境來連接，人只能在情境中獲取知識。[3]因此，在進行教材開發(fā)時，要設計符合學生思維特征的故事情境。情境要能承載教學目標，使學生學習的其他環(huán)節(jié)能夠圍繞這一情境展開，各個教學環(huán)節(jié)作用不同，卻又環(huán)環(huán)相扣。引導學生在情境中對人工智能產(chǎn)生深度的認識，具體就是要清楚人與人工智能的關(guān)系，不僅要知道人工智能能夠為人類做什么，更要知道人工智能不能做什么。使學生在與人工智能打交道時能做出符合倫理道德的抉擇。

2.從學科的角度，注重跨學科的內(nèi)容設計

《新一代人工智能發(fā)展規(guī)劃》強調(diào)形成“人工智能+X”的復合專業(yè)培養(yǎng)新模式，重視人工智能與數(shù)學、計算機科學、物理學、生物學等多學科的交叉融合。[4]硬件與軟件結(jié)合，重視實踐操作是人工智能課程的特點。在教材中，硬件的搭建組合部分應融合數(shù)學和物理等知識，軟件部分則融合編程、數(shù)學等部分，學生通過編寫程序、調(diào)整參數(shù)，使硬件呈現(xiàn)不同的形態(tài)和效果。

3.從學習形式的角度，注重學習的引導性

基于AR出版的人工智能教材能夠支持學生個性化學習。AR教材中要精心設計虛擬助教，虛擬助教的角色要符合教材中的情境和學習者特征。各個環(huán)節(jié)之間要設計適當?shù)囊龑詢?nèi)容，如虛擬助教的語音講解或視頻解釋等，項目任務中較為抽象的部分可以通過三維模型、視頻演示等內(nèi)容進行解釋。

4.從知識呈現(xiàn)的角度，注重交互內(nèi)容的設計

在學生進行項目測試后，要設計合適的互動內(nèi)容，給予學生正確的反饋。電子教材中嵌入的視頻、音頻等多媒體內(nèi)容，要用清晰、明顯的圖標呈現(xiàn)。對于可交互模塊要有一定的提示，如“點擊此處看提示”“掃一掃看視頻等。”

● 結(jié)語

本文設計分析了基于AR技術(shù)的人工智能教材開發(fā)路徑，并通過已開發(fā)的章節(jié)案例進行詳細說明，希望能為人工智能數(shù)字化教材開發(fā)者提供思路和參考。文中所提出的AR人工智能教材需要適應特定的教學情境，不能滿足所有的線下課堂教學情境，因此還需要思考線下教學時紙質(zhì)教材用何種形態(tài)呈現(xiàn)。

參考文獻：

[1]王東麗，周德青，王亞如，等.中小學人工智能教材綜述——基于45本已出版教材的分析[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2021（02）：19-25.

[2]王本陸，千京龍，盧億雷，等.簡論中小學人工智能課程的建構(gòu)[J].教育研究與實驗，2018（04）：37-43.

[3]周云華.教學設計應重視對學習情境的研究[J].中小學教師培訓，2021（04）：61-65.

[4]李歡冬，樊磊.“可能”與“不可能”：當前人工智能技術(shù)教育價值的再探討——《高等學校人工智能創(chuàng)新行動計劃》解讀之一[J].遠程教育雜志，2018（05）：38-44.

作者簡介：曹烔烔（1997—），女，首都師范大學教育學院碩士研究生，研究方向為教育信息化績效技術(shù);焦寶聰（1954—），男，首都師范大學教育學院教授，博士生導師，研究方向為教育信息化績效技術(shù)。

基金項目：教育部教師工作司委托課題“中小學數(shù)學教師信息化教學能力顯著提升的研究與實踐”（課題編號：JSSKT2020012）。