張園田

（重慶電力高等?？茖W校，重慶 400053）

1 AR教育現狀和特點

(Augmented Reality)是增強現實技術的簡稱，它是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術，將計算機生成的文字、圖像、三維模型、音樂、視頻等虛擬信息模擬仿真后，應用到真實世界中，兩種信息互為補充，從而實現對真實世界的“增強”。利用AR技術可以將一些特定的實體信息模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應用到真實世界，被人類感官所感知，從而達到超越現實的感官體驗。教育信息化的背景下，學生學習方式與教育形態(tài)都發(fā)生著革命性變化，教師的角色日益呈現出多樣性與專業(yè)性的結合。隨著互聯網信息技術的發(fā)展和國家政策改革的推進，AR教學成為當代教育教學技術發(fā)展的新動向。

2 基于AR的《電子技術》教學研究

《電子技術》課程是電類專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎課。以往的課程中，因為學時數和實驗條件的限制，《電子技術》的實驗課開設場次受限，教學停留在理論教學層面。在傳統的課堂教學中，老師以教課為主，學生在課上的參與很少，甚至沒有，電子技術中有些理論晦澀而且抽象，學生普遍反映難懂，教學效果不是，從而影響了后續(xù)專業(yè)課程的學習。AR教學把傳統學習方式的優(yōu)勢和高科技展示方式結合起來，讓學生成為學習的主角，變被動學習為主動學習；教師的授課模式也從“灌輸式”改為“互動式”，以求通過這種有機的AR教學方式來實現更好的教學效果。

2.1 基于AR的《電子技術》教學的特點

《電子技術》課程是電類各專業(yè)一門重要的專業(yè)基礎課。因為學時數和實驗條件的限制，《電子技術》的實驗課開設場次受限，教學停留在理論教學層面。相比于傳統的以書本為基礎的教學方式，將AR實驗穿插到《電子技術》課堂教學的方式具有以下幾個性質：易得性、可視性、交互性、安全性。

（1）易得性。AR軟件的使用成本很低，甚至幾乎為零。軟件的使用成本只需要一臺能夠正常運行的移動設備（例如手機，平板電腦）AR教學軟件除了購買軟件的成本之外，幾乎不需要任何的費用，也不用考慮設備的維護。在設備的流通方面，AR教學也有得天獨厚后的優(yōu)勢。偏遠山區(qū)的學生們很難擁有設備齊全的實驗室和豐厚的材料，但是隨著智能設備的廣泛普及，學生可以打破時間和地域限制來完成相關的教學實驗。同時，AR軟件可以在線上同步使用，學生因故無法到學校實驗室操作，即可直接利用AR實驗平臺在線完成實驗。

（2）可視性。AR的優(yōu)勢之一就是可視性。課堂授課中難免遇到一些比較抽象難以解釋的知識點，以及很難可視化的概念，例如電流及磁場，他們在軟件中會被制作成一個個生動的3D模型，學生只需要在線搭接電路就能從各個維度甚至是用透視的方式對模型進行觀察。這樣一來，書本上晦澀難懂的概念瞬間擁有了立體感，可以使學習過程更加趣味，高效。

（3）交互性。與傳統只能做單向知識傳遞的教學模式不同，基于AR技術的實驗臺可以提供開放式的實驗環(huán)境，在仿真環(huán)境中進行實際操作，可以實現理論和操作的雙向良性互動。同時，由于AR技術便于異地在線監(jiān)測和遠程測控，可以運用網絡技術搭建實驗系統，從而節(jié)省大量的購置設備費用，降低實驗室建設和管理成本。同時由于其使用僅僅需要移動設備，在實驗過程中不受時間地點限制，隨時隨地想學就學。

（4）安全性。以往學生進入基礎實驗室學習，在真實的實驗環(huán)境中往往會潛伏若干的實驗危險源。而利用AR技術進行虛擬實驗，能有效避免因操作不規(guī)范帶來的潛在危險，學生們在移動設備上進行時也完全不用考慮安全隱患。能夠獲得同樣的結果的同時避免了不必要的危險。另外，實驗設備的檢修和維護成本相對較高，設備損壞將影響實驗教學的進度，而虛擬實驗器材能反復使用，無需維護，零損耗。

2.2 基于AR的《電子技術》教學主要針對的問題

（1）《電子技術》課程理論知識高度概括抽象，所涉及的領域屬于微觀，現實世界難以找到具體的案例進行演示。在《電子技術》的課程授課中穿插AR實驗，結合使用AR設備上的在線開放課程和AR實驗工具平臺，在教室里完成相應電路的分析和設計。利用智能手機的AR實驗平臺，搭接電路模塊，模擬實現電路功能，將理論轉換為實物，有信服力，讓學生眼見為實。學生可以一邊學習理論知識、一邊動手做實驗、一邊完成相應的題目來鞏固新知識，這種教學方式加強學生對新知識的掌握能力，培養(yǎng)了學生將實際問題抽象為邏輯問題的能力。同樣，通過AR技術可以讓這些看不見摸不到的知識點直接顯示在屏幕上，讓學生能更加直觀的感受。例如電路圖無法展示電路中各元器件之間的動態(tài)邏輯關系，但利用AR實驗等專業(yè)的輔助軟件，就能形象直觀高效的展示出電路中的各種動態(tài)關系，將抽象知識變得生動直觀。

（2）《電子技術》課程的實驗室教學資源有限，不能滿足學生隨時進行自主學習和動手實踐的要求?！峨娮蛹夹g》是一門理論與實踐性都很強的專業(yè)基礎課，授課對象均為大一新生。他們對交流電有了初步認知，對電路里常用的元器件僅限于理論上的學習，對實際電路的搭接和測試也才剛開始接觸，需要理實一體化的教學手段和設施。由于專業(yè)基礎課的授課對象多，學生在實驗室能體驗到的電子實驗過程不足。因此，學生只能分時段且受限地使用實驗設備，實驗操作的效果并不理想，學生難以徹底掌握實驗的內容。我們將部分容易實現的實驗放在多媒體教室課堂上，讓學生使用手機等設備上的AR實驗平臺。在課堂上分小組對邏輯電路的AR搭接，讓學生從搭建電路的整個環(huán)節(jié)中，體會到成功的樂趣，培養(yǎng)學生的自信心。同時，再將部分設計類的發(fā)散性實驗放在課下讓同學課后分小組完成，極大的提高學生的學生興趣，使學生養(yǎng)成嚴謹的工作作風，能進行良好的團隊合作。同時，利用AR技術，將很多數字化的教學內容可以直接融合到實體教學物品上，為課堂教學帶來巨大的方便，不需要在理論課堂于實驗室之間進行反復切換，從而節(jié)省了大量時間，提高了教學的效率。

（3）《電子技術》課程學時短，授課內容多，課堂效率低下。根據各專業(yè)的課程標準及人才培養(yǎng)計劃，《電子技術》的授課學時在48學時到64學時期間，其中安排的實驗環(huán)節(jié)僅為2到4學時。學生成分復雜，普遍基礎知識薄弱，學習比較吃力，普遍反映純理論的《電子技術》課程較難學。他們更傾向于在實驗室里對器件的特性及其應用進行學習，他們希望能夠看到實際的器件，能夠近距離觀察器件的外觀，能夠親自驗證器件的特性，能夠親自搭接并觀察到器件的各種應用電路等。他們思維比較活躍，自主意識較強，接受新生事物能力較強，互聯網工具應用水平嫻熟，對AR平臺動手搭接電路測試電路特別感興趣。利用AR實驗平臺就能將理論轉換為實物，有信服力，讓學生眼見為實，提高學生學習的積極性。通過課堂上下的實操，讓學生隨時都可參與到實驗過程，充分調動學生學習的積極性、主動性、創(chuàng)新性。營造充滿激情的教學氛圍，使課堂教學充滿活力。

2.3 基于AR的《電子技術》教學過程

（1）在《電子技術》教學中，引入AR實驗的可行性?！峨娮蛹夹g》課程具有理論性強、部分知識點抽象等特點，同時，《電子技術》本身就是為了生產實踐服務的，具有很強的實踐性。然而傳統教學重理論、輕實踐，“學”、“用”脫節(jié)，學生缺乏學習的動力與興趣。因此，在課堂教學中引入AR實驗的教學模式，可以有效解決學生完全被動接受的現狀，提升其學習的自主性加深學生對電子電路理論知識的理解，同時積極有效的提高了學生的動手能力，獨立思考和解決問題的能力，創(chuàng)新思維能力、協調能力、以及團結合作、互幫互助的優(yōu)良傳統。

（2）基于AR的《電子技術》教學模式。在課前課中課后各個環(huán)節(jié)引入AR實驗，充分發(fā)揮信息技術手段對教學的輔助作用，鍛煉學生們的動手能力，采用靈活多樣的教學策略、方法，創(chuàng)建學生自主探究、協作交流的學習情境，注重考核評價方式多元化，堅持過程與結果并重原則，努力實現課堂教學目標。

①課前教學準備。課前教學準備階段最重要的工作就是明確教學目標，概括教學重點，案例化教學任務。此階段，教師在課堂教學前需搜集或自制課程相關學習資源(微課視頻、PPT、仿真動畫、多媒體教學音視頻、課前測驗等)，并將其發(fā)布到在線學習平臺。教師在知識點講解之前設計問題，讓學生帶著問題通過手機AR實驗去驗證理論知識。

②課中案例的應用分析。首先，教師針對學生在課前提出的問題答疑解惑，或者根據學生課前理論知識測試的反饋情況，有針對性地講解相關知識點。在課堂環(huán)節(jié)中，教師講授任務為主，按目標計劃向學生傳授知識技能。并利用AR平臺投屏展示課堂教學案例。同時，每堂課會留出部分時間給學生進行分組操練，并可由教師隨機抽組上臺展示。對于學生存在的共性問題，教師可以統一示范，集體解決。

圖1 學生在課堂進行AR實驗展示

③課后知識鞏固與外延。課后，除了常規(guī)作業(yè)布置，再給學生留一些和實際結合的發(fā)散性問題，例如“紅綠燈故障系統”等。發(fā)散性的設計題目由學生獨立完成，提高了獨立思考和解決問題的能力。同時教師也在課堂上的總結與評價進行回顧與反思。

3 基于“物理實驗室”應用軟件的AR設備

（1）利用“物理實驗室”應用軟件設備上的電學實驗功能進行在線AR實驗搭建簡單電路，以滿足課堂演示及學生搭建需要?！拔锢韺嶒炇摇睉密浖梢杂苫倦娐穲D直接衍生變化為增強現實的物理元器件，并可以在平臺中進行虛擬物理實驗。它擁有多個電子電路元器件，復現了電學元件的每個細節(jié)，模型，外觀到電學性質，不僅如此，還能對元器件的參數進行調整和修改，以便精準高效的完成實驗內容。

圖2 基于“物理實驗室”的二極管正接電路圖

（2）“物理實驗室”是一款包含電學實驗，天體物理實驗，以及電與磁實驗三個虛擬現實實驗平臺的應用軟件。針對《電子技術》這門課，在基于“物理實驗室”應用軟件的AR實驗平臺上，開發(fā)出半導體二極管、單向半波整流電路、單向橋式整流電路、基本邏輯門電路、組合邏輯電路分析及設計、集成計數器及其應用等一共18學時的包含AR演示實驗的教學內容，完成教案編寫。結合課堂教學實施，將傳統課堂教學與AR教學進行有效結合。在課題在研的兩年里，因為疫情的影響，部分課程不得以在線上實施。而電子技術課程的網絡課堂中，通過以AR實驗臺作為媒介，讓學生在虛擬實驗平臺上動手搭建電路，提高學生動手實驗的參與率，也進一步保證教學目標的順利實施。

（3）學生在使用“物理實驗室”應用軟件，學生可在任何地方、任何時間隨時操作實驗，不再受到時間及地點的限制。這不僅克服了傳統實驗教學的局限性，還提升了學生的創(chuàng)新思維和動手實踐能力。將“物理實驗室”的AR實驗平臺應用于實驗教學后，得到了學生的普遍認可，學生更主動地參與實驗教學，并積極與老師溝通，提高了學習的效率。

應用于《電子技術》教學中的AR技術重在強調學習過程中的參與性，讓學生親身體驗，主動思考，積極學習，避免填鴨式被動教學，進行全真模擬展示和交互，增加教學的實踐性和真實感。同時，它也能幫助老師提高課堂趣味性，將平時枯燥難理解的問題變得簡單易懂，幫助老師輕松教學，學生快樂學習，讓課堂教學更加智能高效、煥然一新。