基于AR技术和设备的《电子技术》课堂教学模式改革探究

张园田

（重庆电力高等专科学校，重庆 400053）

1 AR教育现状和特点

(Augmented Reality)是增强现实技术的简称，它是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，将计算机生成的文字、图像、三维模型、音乐、视频等虚拟信息模拟仿真后，应用到真实世界中，两种信息互为补充，从而实现对真实世界的“增强”。利用AR技术可以将一些特定的实体信息模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，被人类感官所感知，从而达到超越现实的感官体验。教育信息化的背景下，学生学习方式与教育形态都发生着革命性变化，教师的角色日益呈现出多样性与专业性的结合。随着互联网信息技术的发展和国家政策改革的推进，AR教学成为当代教育教学技术发展的新动向。

2 基于AR的《电子技术》教学研究

《电子技术》课程是电类专业一门重要的专业基础课。以往的课程中，因为学时数和实验条件的限制，《电子技术》的实验课开设场次受限，教学停留在理论教学层面。在传统的课堂教学中，老师以教课为主，学生在课上的参与很少，甚至没有，电子技术中有些理论晦涩而且抽象，学生普遍反映难懂，教学效果不是，从而影响了后续专业课程的学习。AR教学把传统学习方式的优势和高科技展示方式结合起来，让学生成为学习的主角，变被动学习为主动学习；教师的授课模式也从“灌输式”改为“互动式”，以求通过这种有机的AR教学方式来实现更好的教学效果。

2.1 基于AR的《电子技术》教学的特点

《电子技术》课程是电类各专业一门重要的专业基础课。因为学时数和实验条件的限制，《电子技术》的实验课开设场次受限，教学停留在理论教学层面。相比于传统的以书本为基础的教学方式，将AR实验穿插到《电子技术》课堂教学的方式具有以下几个性质：易得性、可视性、交互性、安全性。

（1）易得性。AR软件的使用成本很低，甚至几乎为零。软件的使用成本只需要一台能够正常运行的移动设备（例如手机，平板电脑）AR教学软件除了购买软件的成本之外，几乎不需要任何的费用，也不用考虑设备的维护。在设备的流通方面，AR教学也有得天独厚后的优势。偏远山区的学生们很难拥有设备齐全的实验室和丰厚的材料，但是随着智能设备的广泛普及，学生可以打破时间和地域限制来完成相关的教学实验。同时，AR软件可以在线上同步使用，学生因故无法到学校实验室操作，即可直接利用AR实验平台在线完成实验。

（2）可视性。AR的优势之一就是可视性。课堂授课中难免遇到一些比较抽象难以解释的知识点，以及很难可视化的概念，例如电流及磁场，他们在软件中会被制作成一个个生动的3D模型，学生只需要在线搭接电路就能从各个维度甚至是用透视的方式对模型进行观察。这样一来，书本上晦涩难懂的概念瞬间拥有了立体感，可以使学习过程更加趣味，高效。

（3）交互性。与传统只能做单向知识传递的教学模式不同，基于AR技术的实验台可以提供开放式的实验环境，在仿真环境中进行实际操作，可以实现理论和操作的双向良性互动。同时，由于AR技术便于异地在线监测和远程测控，可以运用网络技术搭建实验系统，从而节省大量的购置设备费用，降低实验室建设和管理成本。同时由于其使用仅仅需要移动设备，在实验过程中不受时间地点限制，随时随地想学就学。

（4）安全性。以往学生进入基础实验室学习，在真实的实验环境中往往会潜伏若干的实验危险源。而利用AR技术进行虚拟实验，能有效避免因操作不规范带来的潜在危险，学生们在移动设备上进行时也完全不用考虑安全隐患。能够获得同样的结果的同时避免了不必要的危险。另外，实验设备的检修和维护成本相对较高，设备损坏将影响实验教学的进度，而虚拟实验器材能反复使用，无需维护，零损耗。

2.2 基于AR的《电子技术》教学主要针对的问题

（1）《电子技术》课程理论知识高度概括抽象，所涉及的领域属于微观，现实世界难以找到具体的案例进行演示。在《电子技术》的课程授课中穿插AR实验，结合使用AR设备上的在线开放课程和AR实验工具平台，在教室里完成相应电路的分析和设计。利用智能手机的AR实验平台，搭接电路模块，模拟实现电路功能，将理论转换为实物，有信服力，让学生眼见为实。学生可以一边学习理论知识、一边动手做实验、一边完成相应的题目来巩固新知识，这种教学方式加强学生对新知识的掌握能力，培养了学生将实际问题抽象为逻辑问题的能力。同样，通过AR技术可以让这些看不见摸不到的知识点直接显示在屏幕上，让学生能更加直观的感受。例如电路图无法展示电路中各元器件之间的动态逻辑关系，但利用AR实验等专业的辅助软件，就能形象直观高效的展示出电路中的各种动态关系，将抽象知识变得生动直观。

（2）《电子技术》课程的实验室教学资源有限，不能满足学生随时进行自主学习和动手实践的要求。《电子技术》是一门理论与实践性都很强的专业基础课，授课对象均为大一新生。他们对交流电有了初步认知，对电路里常用的元器件仅限于理论上的学习，对实际电路的搭接和测试也才刚开始接触，需要理实一体化的教学手段和设施。由于专业基础课的授课对象多，学生在实验室能体验到的电子实验过程不足。因此，学生只能分时段且受限地使用实验设备，实验操作的效果并不理想，学生难以彻底掌握实验的内容。我们将部分容易实现的实验放在多媒体教室课堂上，让学生使用手机等设备上的AR实验平台。在课堂上分小组对逻辑电路的AR搭接，让学生从搭建电路的整个环节中，体会到成功的乐趣，培养学生的自信心。同时，再将部分设计类的发散性实验放在课下让同学课后分小组完成，极大的提高学生的学生兴趣，使学生养成严谨的工作作风，能进行良好的团队合作。同时，利用AR技术，将很多数字化的教学内容可以直接融合到实体教学物品上，为课堂教学带来巨大的方便，不需要在理论课堂于实验室之间进行反复切换，从而节省了大量时间，提高了教学的效率。

（3）《电子技术》课程学时短，授课内容多，课堂效率低下。根据各专业的课程标准及人才培养计划，《电子技术》的授课学时在48学时到64学时期间，其中安排的实验环节仅为2到4学时。学生成分复杂，普遍基础知识薄弱，学习比较吃力，普遍反映纯理论的《电子技术》课程较难学。他们更倾向于在实验室里对器件的特性及其应用进行学习，他们希望能够看到实际的器件，能够近距离观察器件的外观，能够亲自验证器件的特性，能够亲自搭接并观察到器件的各种应用电路等。他们思维比较活跃，自主意识较强，接受新生事物能力较强，互联网工具应用水平娴熟，对AR平台动手搭接电路测试电路特别感兴趣。利用AR实验平台就能将理论转换为实物，有信服力，让学生眼见为实，提高学生学习的积极性。通过课堂上下的实操，让学生随时都可参与到实验过程，充分调动学生学习的积极性、主动性、创新性。营造充满激情的教学氛围，使课堂教学充满活力。

2.3 基于AR的《电子技术》教学过程

（1）在《电子技术》教学中，引入AR实验的可行性。《电子技术》课程具有理论性强、部分知识点抽象等特点，同时，《电子技术》本身就是为了生产实践服务的，具有很强的实践性。然而传统教学重理论、轻实践，“学”、“用”脱节，学生缺乏学习的动力与兴趣。因此，在课堂教学中引入AR实验的教学模式，可以有效解决学生完全被动接受的现状，提升其学习的自主性加深学生对电子电路理论知识的理解，同时积极有效的提高了学生的动手能力，独立思考和解决问题的能力，创新思维能力、协调能力、以及团结合作、互帮互助的优良传统。

（2）基于AR的《电子技术》教学模式。在课前课中课后各个环节引入AR实验，充分发挥信息技术手段对教学的辅助作用，锻炼学生们的动手能力，采用灵活多样的教学策略、方法，创建学生自主探究、协作交流的学习情境，注重考核评价方式多元化，坚持过程与结果并重原则，努力实现课堂教学目标。

①课前教学准备。课前教学准备阶段最重要的工作就是明确教学目标，概括教学重点，案例化教学任务。此阶段，教师在课堂教学前需搜集或自制课程相关学习资源(微课视频、PPT、仿真动画、多媒体教学音视频、课前测验等)，并将其发布到在线学习平台。教师在知识点讲解之前设计问题，让学生带着问题通过手机AR实验去验证理论知识。

②课中案例的应用分析。首先，教师针对学生在课前提出的问题答疑解惑，或者根据学生课前理论知识测试的反馈情况，有针对性地讲解相关知识点。在课堂环节中，教师讲授任务为主，按目标计划向学生传授知识技能。并利用AR平台投屏展示课堂教学案例。同时，每堂课会留出部分时间给学生进行分组操练，并可由教师随机抽组上台展示。对于学生存在的共性问题，教师可以统一示范，集体解决。

图1 学生在课堂进行AR实验展示

③课后知识巩固与外延。课后，除了常规作业布置，再给学生留一些和实际结合的发散性问题，例如“红绿灯故障系统”等。发散性的设计题目由学生独立完成，提高了独立思考和解决问题的能力。同时教师也在课堂上的总结与评价进行回顾与反思。

3 基于“物理实验室”应用软件的AR设备

（1）利用“物理实验室”应用软件设备上的电学实验功能进行在线AR实验搭建简单电路，以满足课堂演示及学生搭建需要。“物理实验室”应用软件可以由基本电路图直接衍生变化为增强现实的物理元器件，并可以在平台中进行虚拟物理实验。它拥有多个电子电路元器件，复现了电学元件的每个细节，模型，外观到电学性质，不仅如此，还能对元器件的参数进行调整和修改，以便精准高效的完成实验内容。

图2 基于“物理实验室”的二极管正接电路图

（2）“物理实验室”是一款包含电学实验，天体物理实验，以及电与磁实验三个虚拟现实实验平台的应用软件。针对《电子技术》这门课，在基于“物理实验室”应用软件的AR实验平台上，开发出半导体二极管、单向半波整流电路、单向桥式整流电路、基本逻辑门电路、组合逻辑电路分析及设计、集成计数器及其应用等一共18学时的包含AR演示实验的教学内容，完成教案编写。结合课堂教学实施，将传统课堂教学与AR教学进行有效结合。在课题在研的两年里，因为疫情的影响，部分课程不得以在线上实施。而电子技术课程的网络课堂中，通过以AR实验台作为媒介，让学生在虚拟实验平台上动手搭建电路，提高学生动手实验的参与率，也进一步保证教学目标的顺利实施。

（3）学生在使用“物理实验室”应用软件，学生可在任何地方、任何时间随时操作实验，不再受到时间及地点的限制。这不仅克服了传统实验教学的局限性，还提升了学生的创新思维和动手实践能力。将“物理实验室”的AR实验平台应用于实验教学后，得到了学生的普遍认可，学生更主动地参与实验教学，并积极与老师沟通，提高了学习的效率。

应用于《电子技术》教学中的AR技术重在强调学习过程中的参与性，让学生亲身体验，主动思考，积极学习，避免填鸭式被动教学，进行全真模拟展示和交互，增加教学的实践性和真实感。同时，它也能帮助老师提高课堂趣味性，将平时枯燥难理解的问题变得简单易懂，帮助老师轻松教学，学生快乐学习，让课堂教学更加智能高效、焕然一新。