基于AR技术的人工智能教材开发路径研究

2021-08-28曹烔烔焦宝聪

中国信息技术教育 2021年15期

曹烔烔焦宝聪

摘要：为了解决当前人工智能教材引导性不足、情意类活动缺乏等问题，作者从AR融合出版角度思考人工智能教材开发，发挥AR融合出版的情境性、交互性、引导性特征，设计了基于AR技术的人工智能教材开发路径，即分别从纸质内容和数字化内容两个模块进行开发，使用AR编辑软件进行逻辑串联，最后选择“图像识别”一章作为案例进行了开发过程的说明。

关键词：人工智能;增强现实;AR出版;教材开发

中图分类号：G434 文献标识码：A 论文编号：1674-2117（2021）15-0092-05

● 引言

随着人工智能的发展及其对生产生活产生的广泛影响，世界各国都越来越重视学校中的人工智能教育，以培养更多的人工智能人才，投入到人工智能的研发中。2018年教育部进一步强调在中小学阶段引入人工智能普及教育。目前人工智能教材已初具规模，但存在活动难度差异性大、情意类活动缺乏等问题。[1]主要原因在于不少教材只顾将编程、硬件搭建、创客教育融入到教材中，但缺乏深入的活动引导和必要的情境设计，重知识和技能传授，轻情感引导，从而使学生不能深入思考人工智能与人类的关系。而AR出版基于其情境性、引导性、交互性等特征，能够弥补纸质人工智能教材在情境创设和学习引导方面的不足，因此笔者以AR融合出版技术为切入点思考可交互的人工智能电子教材，设计了基于AR技术的人工智能教材开发路径。

● 关键概念

1.人工智能

人工智能是研究使计算机来模拟人的某些思维过程和智能行为，涉及计算机科学、控制论、信息论、神经生理学、语言学、心理学等多个领域。人工智能不仅是一次技术层面的革命，它还将与重大的社会经济变革、教育变革、思想变革、文化变革等同步。[2]因此，在中小学阶段开展人工智能课程，培养学生的计算思维、创造力和人文素养，能使学生更好地适应并改造人工智能社會。人工智能教材是人工智能课程实施的参考和学生学习的主要资源，中小学人工智能教材一般分为人工智能基础知识、机器人及其应用、人工智能硬件及其应用、人工智能的关键技术、知识表达与人工智能语言、人工智能的未来和展望六大核心内容，从基础知识入手，以算法和实践编程为抓手，呈现人工智能的关键技术和前沿应用领域。[1]

2.AR出版

AR出版（AR图书）是实体图书与虚拟形象、虚拟场景的有机融合，学习者通过使用配套设备，如智能手机、智能眼镜、智能显示屏等看到与实体图书中对应知识在现实场景中的形象化呈现。在这种情境中，学习者可以更容易地产生兴趣、理解抽象知识、建构知识意义。AR 图书因其形象性、交互性、情境化、正式学习与非正式学习相结合等特性，能够很好地与翻转课堂、微课等教学模式对接，并适用于家庭教育、亲子教育。

● 基于AR技术的人工智能教材特征

1.多种媒体形式创设故事情境

出色的情境设计能够促进学生对知识意义的建构，学生在具有故事性的、可视化的、可交互的情境中，会形成潜在的学习倾向，更容易达到理想的学习效果。基于AR出版的人工智能教材可以通过多种媒体形式，如模型、二维动画等，营造未来感、科技化、真实感、故事化的故事情境，促进学生的兴趣，并使其在更深入的学习体验中形成对人工智能时代的思考。

2.形象化实践操作过程

重视实践操作是人工智能课程的特点之一，多数教材也通过硬件搭建和软件编程培养学生的操作技能。学生完成硬件搭建，并建立硬件与程序之间的联系，是人工智能课程的难点之一。基于AR出版的人工智能教材将操作过程视频、图片、音频解释等内容叠加在教材内，学生通过视频等内容更直观地看到操作过程，完成硬件搭建等实践内容。这种形式打破了互联网资源与传统纸质教材的壁垒，增强了互动感，支持线下学习。

3.“纸质+电子”双重阅读形式

随着阅读方式的转变，电子阅读逐渐成为年轻人主要的阅读方式，但传统纸质阅读在我们生活和学习中不可或缺，因此使用“屏读”还是使用纸质书成为了一对矛盾。基于AR出版的人工智能教材给予阅读者双重的阅读方式，既注重发挥电子教材的优势，又促使学习回归传统纸媒。学习者先通过纸质书进行学习，对基础知识技能进行掌握，而对于其中较为抽象、纸质书难以演示的内容，则通过电子书观看模型、视频等形式获得更直观的学习体验。

4.适应个性化学习需求

基于AR出版的人工智能教材通过虚拟助教的形式，在学习的各个环节之间提供引导和支持，在抽象的部分提供精准匹配的资源讲解，在学生做出应答后给予初步的评价反馈。学生可以通过点击或拖动的形式，与教材中的内容进行互动，提高学习兴趣。电子阅读的方式可以支持学生的泛在学习，使学生既可以在学校学，也可以在家庭内自学。

● 基于AR技术的人工智能校本课程开发路径

基于AR技术的人工智能校本课程开发分为两大板块，分别是纸质页面内容设计开发和数字化内容设计开发（如图1），最后通过AR编辑软件将二者进行逻辑串联形成AR教材。

1.纸质教材内容设计

（1）设计教学目标

基于AR技术的人工智能课程教学目标除了传统的三维教学目标以外，还应增设数字化学习与创新目标。学生通过纸质书结合AR电子书的形式，通过书中虚拟助教的引导进行自主学习，通过改造书中提供的项目或制作新项目进行创新。课程目标还应引导学生客观理性地认识对待人工智能，遵守人工智能时代的伦理道德。

（2）创设课程情境

人工智能课程创设的情境应接近学生生活，学生通过对身边的实际案例的感受，更容易投入到课程中，获得深度的学习体验。课程情境应具有故事感，在课程的各个环节用一个完整的故事进行串联，环环相扣。学生在学习当前环节时对下一学习环节具有学习期待，每一环节得到不同的学习成果，当整个故事完结的时候，各个学习环节也已完成，学生的学习成果在最后得到汇总和升华。同时，开发者在创设课程情境时应规划好在AR教材中用何种形式呈现。

（3）设计项目化学习

基于AR技术的人工智能课程可以采用项目化学习方式开展。开发者设计与教学情境紧密相关且能承载教学目标的项目，为学生提供基础的学习资源，如人工智能基础知识、项目实现的逻辑结构、程序编写参考、硬件搭建等，采用恰当的顺序排列，学生通过学习这些基础知识要能够自主或合作完成项目，并对项目成果进行检测。

（4）设计课程作业

课程作业的设计可以依据项目化学习的内容，促使学生在完成项目任务的基本要求后，还能对项目成果进行创新性改造，如改变参数使灯光的颜色和闪烁频率改变、改造智能车使它完成当前行驶路线后原路返回等，这类作业难度一般较低，因此可以在靠前的章节采用这种形式。当学生对人工智能有更深的认识后，应设计难度系数更高的作业，如在学习“如影随形”小车使它能跟随人前进或后退项目后，完成“自动避障智能车”设计的作业，在学习“自动室内加湿器”的项目后，完成“智能浇花器”设计的作业。

2.数字化课程内容设计

（1）设计虚拟助教

AR图书中的虚拟助教为学生提供学习引导、辅助和反馈，满足学生的个性化学习需求，学生在没有教师辅导的情况下，也可以通过虚拟助教的引导进行自主学习并获得学习反馈。AR图书中的虚拟助教可以是虚拟人物、真实人物、三维形象，可以采用一个虚拟助教贯穿各个学习环节，也可以采用多个虚拟助教分布在学习的各个环节。

在情境引入环节，虚拟助教可以通过语音讲解、虚拟空间展示、视频演示等方式将学生带入人工智能相关的场景中;在项目化学习中，虚拟助教可通过语音讲解文本难以描述的复杂知识;对于学生的项目任务完成情况，虚拟助教应给予一定的反馈。

（2）设计交互内容与方式

数字化交互内容可以包含模型、音频、视频、图片、动画、链接等，交互方式是指通过点击或扫描形状、文字、图片等方式播放相应的数字化教学内容。开发者应在课程的不同环节设计适宜的交互内容和交互方式，注意数字化交互内容是为纸质文本内容难以呈现或呈现效果不佳的内容做补充，学习材料以纸质教程为主，AR教程为辅助，如果只是将纸质内容简单重复则是赘余。

（3）制作数字化教学内容

数字化教学内容是理解纸质文本的辅助材料，在制作时应抓住重点难点，避免冗余内容，提升学习效率。

视频制作可以采用EV录屏、Camtasia Studio等软件，在视频中对于重点内容用符号标记。音频录制可以采用手机录音或软件配音，使用Audition进行制作。图片可以使用美图软件、Photoshop等工具制作。二维动画通过Powerpoint、Focusky、万彩动画大师等软件制作。三维模型等可以采用3D-MAX软件制作。

3.逻辑串联

选用合适的AR制作软件将纸质书页面与数字化教学内容进行逻辑串联，建立二者的逻辑关系。学习者在学习时可以通过点击AR书或扫描纸质图书页面，播放相应的数字化学习内容。目前，市场上AR制作平台也非常多，开发者如为教师，可选择对专业技能要求较低、使用更加友好的软件。

● 基于AR技术的人工智能校本课程案例

为增添课程的故事性，引起学生兴趣，构造了名为“I悦之城”的智能城市，“I”为字母Intelegence的缩写，“悦”意为喜悦，整体含义是指人工智能让人类生活更加美好。在I悦之城里有无人超市、无人驾驶汽车、智能家居、智能城市交通系统等，人类通过城市的各种智能设备，学习人工智能知识。

下面，笔者通过图像识别章节《I悦之城——超市站》一课阐述教材开发过程。扫描二维码（如图2）下载图书观看图书效果。

1.教学目标（如下表）

2.教学情境

I悦之城超市里不需要设置收银员，消费者在购物之后通过扫描商品条形码就能看到商品价格，选好商品后并刷脸完成支付。

3.项目化学习

项目：设计超市商品二维码系统。使摄像头扫描到不同二维码时，掌控板的LED灯亮不同颜色，掌控板液晶屏显示商品的价格。

基础知识：While循环、分支结构。

逻辑流程图：二维码识别逻辑流程图、串口通信逻辑流程图。

程序编写：为学生提供程序编写的参考，并对关键程序块进行解释。

硬件搭建：详细解释硬件搭建过程的每一步，并用图片展示搭建后的硬件形态。

功能检测：正常运行的效果。

4.作业设计

通过“改造I悦之城”，改进亮灯效果，能够实现在摄像头扫描到二维码时，掌控板上的0、1、2号灯以2秒为时间间隔，分别被点亮。

5.虚拟助教设计

智能导游小I：贯穿各个章节的虚拟人物，带领学生分别走进超市站、无人驾驶、智能家庭等。

智慧博士：在关键概念处如“图像识别”，对关键概念进行讲解。

I悦架构师小玲：引导学生建立起项目实现的逻辑结构，形成项目的思路。

I悦工程师小悦：在形成逻辑结构后，引导学生为掌控板编写程序。

I悦建筑师小壮：引导学生建立其硬件与软件的联系，进行硬件搭建。

I悦检测师小言：在硬件和软件准备完毕后，使设备正常运行，检测是否达到项目预期的效果。

6.数字化教学内容

在情境创设部分制作了动画视频，由智能导游小I引导参观I悦之城并来到超市站，视频演示超市的智能支付系统。为每个虚拟助教设计了动画形象并在对应环节进行引导。

7.制作AR教程

選用梦想编辑器对图书页面内容和数字化教学内容进行逻辑串联。因该书文字内容较多，所以选用“4D教材”模板，并在图书页面和数字化内容间建立交互关系（如下页图3）。

● 基于AR技术的人工智能教材开发原则

1.从教学的角度，注重情境的创设

知识无法独立地从情境中抽离出来，知识间的关联也必须通过情境来连接，人只能在情境中获取知识。[3]因此，在进行教材开发时，要设计符合学生思维特征的故事情境。情境要能承载教学目标，使学生学习的其他环节能够围绕这一情境展开，各个教学环节作用不同，却又环环相扣。引导学生在情境中对人工智能产生深度的认识，具体就是要清楚人与人工智能的关系，不仅要知道人工智能能够为人类做什么，更要知道人工智能不能做什么。使学生在与人工智能打交道时能做出符合伦理道德的抉择。

2.从学科的角度，注重跨学科的内容设计

《新一代人工智能发展规划》强调形成“人工智能+X”的复合专业培养新模式，重视人工智能与数学、计算机科学、物理学、生物学等多学科的交叉融合。[4]硬件与软件结合，重视实践操作是人工智能课程的特点。在教材中，硬件的搭建组合部分应融合数学和物理等知识，软件部分则融合编程、数学等部分，学生通过编写程序、调整参数，使硬件呈现不同的形态和效果。

3.从学习形式的角度，注重学习的引导性

基于AR出版的人工智能教材能够支持学生个性化学习。AR教材中要精心设计虚拟助教，虚拟助教的角色要符合教材中的情境和学习者特征。各个环节之间要设计适当的引导性内容，如虚拟助教的语音讲解或视频解释等，项目任务中较为抽象的部分可以通过三维模型、视频演示等内容进行解释。

4.从知识呈现的角度，注重交互内容的设计

在学生进行项目测试后，要设计合适的互动内容，给予学生正确的反馈。电子教材中嵌入的视频、音频等多媒体内容，要用清晰、明显的图标呈现。对于可交互模块要有一定的提示，如“点击此处看提示”“扫一扫看视频等。”

● 结语

本文设计分析了基于AR技术的人工智能教材开发路径，并通过已开发的章节案例进行详细说明，希望能为人工智能数字化教材开发者提供思路和参考。文中所提出的AR人工智能教材需要适应特定的教学情境，不能满足所有的线下课堂教学情境，因此还需要思考线下教学时纸质教材用何种形态呈现。

参考文献：

[1]王东丽，周德青，王亚如，等.中小学人工智能教材综述——基于45本已出版教材的分析[J].现代教育技术，2021（02）：19-25.

[2]王本陆，千京龙，卢亿雷，等.简论中小学人工智能课程的建构[J].教育研究与实验，2018（04）：37-43.

[3]周云华.教学设计应重视对学习情境的研究[J].中小学教师培训，2021（04）：61-65.

[4]李欢冬，樊磊.“可能”与“不可能”：当前人工智能技术教育价值的再探讨——《高等学校人工智能创新行动计划》解读之一[J].远程教育杂志，2018（05）：38-44.

作者简介：曹烔烔（1997—），女，首都师范大学教育学院硕士研究生，研究方向为教育信息化绩效技术;焦宝聪（1954—），男，首都师范大学教育学院教授，博士生导师，研究方向为教育信息化绩效技术。