移动端增强现实教学环境的交互体验研究

１ 研究背景

目前，移动学习和增强现实是国内外教育界研究和探讨的热点。增强现实技术在移动手持设备上的应用又称为移动增强现实（ Ｍｏｂｉｌｅ Ａｕｇｍｅｎｔｅｄ Ｒｅａｌｉｔｙ，ＭＡＲ）。Ｂｉｌｌｉｎｇｈｕｒｓ于２００２年应用增强现实技术开发了一套儿童动态图书，以增强现实的形式在书本不同章节内容上叠加动画。Ｅｌ Ｓａｙｅｄ等人于２０１１年开发了一款手机增强现实学习卡片（ＡＲＳＣ），能够将卡片和立体模型相结合进行学习体验和学习效果检验。２０１２年Ｓｈｅｌｔｏｎ和Ｈｅｄｌｅｙ将增强现实技术应用在天文课堂教学中，进行八大行星教学实验。增强现实教学技术在国内也逐步受到研究关注。华东师范大学通过增强现实电子书开发案例，探讨了增强现实在教学演示中的多种形式。北京邮电大学基于通信专业“微波技术与天线”课程，在移动教学情境下进行了增强现实技术的实证研究，设计实施了移动探究学习实验，考察了该技术的应用效果和学生对于移动学习的基础和态度。苏泽荫针对移动设备硬件特征和使用环境开发了一种新型的增强现实技术，提高了移动设备增强现实实时渲染和目标图形匹配的效率和精准度。广西艺术学院基于移动交互技术，研究了可穿戴移动设备的界面设计和微交互模式，为进一步开发移动教学情境提供了理论指导。

２ 研究方法

２．１ 系统架构

本文提出一个基于移动设备增强现实进行课堂教学的新型教学系统。授课系统由两个显示器和一个摄像头构成（图１）。其中一个显示器为移动设备多点触摸桌面，显示课堂交互的基本框架，另一个显示器用于接收和显示增强现实场景。摄像头记录教师授课实践操作动作，经过教师机处理，合成实时视频与教师机操作界面，将记录的视频同步叠加显示在增强现实显示屏上（例如教师执行电脑手绘时，能够同步显示教师绘制的手动操作和屏幕的画面内容）。通过整合ＡＲ和触摸屏交互技术，学生使用移动设备同步至教师授课活动和教学内容，并直接操控移动端显示屏进行选择性观看，例如通过点击和拖动手机触摸屏放大缩小、暂停、回放、保存或切换直播窗口。由此实现教学平台“一源多屏”的需求。在实践课程中，应用增强现实技术进行移动端教学，从而优化师生的课堂交互体验，并加深学生对实践课程的理解和提高教学的互动参与程度。在这项研究中课堂使用的移动设备是苹果的ｉＰａｄ ２，具有９．７英寸２０４８×１５３６分辨率的多点触摸显示屏，１ＧＨｚ双核处理器，和一个０．７－ｍｅｇａｐｉｘｅｌ后置摄像头。ｉＯＳ的软件开发支持开放源码和第三方库的使用，如开源计算机视觉库，开源的图形库，ＣｏｃｏａＡｓｙｎｃＳｏｃｋｅｔ即时通信等。

２．２ 交互体验评估设计

为了评估该教学环境的交互体验和教育效益，本文针对系统在教学实践课的应用开展了测试调研研究。研究对象为１２０位高等职业教育设计专业相关的学生。这１２０名学生中，有８０人已完成毕业设计实验课程，其他４０人已完成数字媒体项目课程。本项目交互体验研究将学生分为实验组和对照组，每组６０人，实验组学生参与增强现实教学环境的课堂教学，对照组参加传统教学形式下的课堂教学。首先对所有学生进行教学知识预测试，对每一学生的课程实践技能进行课前考核，接着在参与完成该新型课程环境之后，进行教学知识期终测试，与预测试的成绩进行比较，对照评估移动端虚拟现实的可用性、可学性和交互功能，从而与传统教学技术效果进行对比分析。针对参与增强现实教学环境的学生，采用问卷形式检验学生在该课程环境中的使用反馈、交互体验和系统可用性。评估问题主要包括以下方面：①导航应用程序可用性；②ＡＰＰ交互难易程度；③使用触摸屏控制增强现实视口的难易程度；④与增强现实教学交互的趣味性；⑤熟悉该教学系统的难易程度；⑥是否通过增强现实教学内容提高了知识理解和实践操作；⑦对增强现实课程环境的推广评价。

２．３ 结果分析

数据表明，参与增强现实教学环境的实验组中，有１8．3％（11人）的学生没有在问卷留下评论，其余８1．7％（49人）的学生中，有６３．３％（３１人）的学生对该教学环境持有支持和肯定评价，３２．７％（１６人）的学生给出了评论和建议，４％（２人）的学生对该教学环境表示不支持。这一结果说明大多数的参与者在课堂采用移动端进行增强现实学习能够获得较好的交互体验。并有绝大多数学生表示支持在今后课堂教学中引进推广增强现实的教学环境，以辅助实践类教学的学习。通过对比实验组及对照组学生在参与教学前后的成绩变化，期终测试结果显示实验组比对照组的成绩提升幅度更高（图２），证实了移动端学习和增强现实环境对实践课程教学具有优化作用。参与者在移动端增强现实的辅助下，能够观察教师的示范操作，深入理解授课内容。同时，参与者的批评建议主要集中在可用性问题，例如，此类实践课程仍然处于起步阶段，依然有待改进以提高可用性、师生间的互动方式以及移动端增强现实教学系统的应用潜力。

３ 结 语

本研究提出了一个教育平台，集成了增强现实功能和移动交互功能，使学习者的移动设备通过互联网直接与教师操作界面连结，提供了互动的可视化学习环境。结果表明，本次实践授课无论在技术层面还是在理论层面都取得了一定的收获。相比传统的教学环境，学生在增强现实教学环境中能够更有效地提高知识理解能力和互动水平。同时，该系统的交互效果理想，交互体验较好，能够完成大多数学生的课堂学习需求。

本项目是基于移动端增强现实教学的一次交互体验测试研究。相对于目前的大型增强现实设备来说，本文提出的移动端增强现实教学环境对高校更具有普适性。通过移动端完成师生教学同步，能够避免传统实验室级别对虚拟教学的硬件和软件的过高需求；同时，移动端的用户入口能够更易于为学生提供随时随地的学习机会，能够分享、收藏和对教学内容进行评价反馈，扩大教学内容的共享范围。此外，增强现实教学环境可以集成教师的多方位操作演示，进一步给学习者提供身临其境的混合现实的经验，提高他们的交互体验感受。移动增强现实技术的实用性和交互性是其在教学应用方面独特的优势，将会成为互联网＋教学的重要组成部分。

主要参考文献

［1］陈向东，张茜．基于增强现实的教学演示［Ｊ］．中国电化教育，２０１２（９）：１０２－１０５．

［2］李青，张辽东．基于增强现实的移动学习实证研究［Ｊ］．中国电化教育，２０１３（１）：１１６－１２０．

［3］苏泽荫，林志贤，郭太良．基于Ａｎｄｒｏｉｄ 移动设备的增强现实技术研究［Ｊ］．微型机与应用，２０１７，３６（９）：１１－１４．

［4］黄丽达.可穿戴移动设备微交互和多维用户界面设计［Ｊ］.农村经济与科技２０１６，２７（２０）：３００．