AR技术在小学科学教学资源中的设计与开发

    杨俊丹 胡小强

    

    

    

    摘要：近年来，AR技术在教育领域的应用越来越广泛，本文在分析当前小学科学教学过程中面临的问题、AR应用前景及价值的基础上，提出可将AR技术应用于小学科学教学，并对其进行设计与开发，以此来丰富小学科学的教学资源，有效提升教学效率，激发学生的学习动机。

    关键词：AR技术;小学科学;教育游戏;游戏开发

    中图分类号：G434? 文献标识码：A? 论文编号：1674-2117（2019）21-0077-03

    ● 小学科学教学面临的问题

    小学科学教学旨在培养学生的科学素养、科技创新意识和创新精神，为其继续学习和后续发展奠定基础。在新课标的指引下，小学科学教学发生了巨大的转变，但仍存在不少问题：①探究式学习是小学科学教学的主要方法和核心内容，在当前的小学科学教学中，由于受教师个人素养、实验室场地、实验设备和技术条件等因素的制约，探究式学习存在简单化、程序化的问题。②资源缺乏，开发不足。小学科学资源开发不足主要表现在多媒体资源、实验资源和游戏资源等方面，在农村学校、中西部地区学校表现更为明显。③学生主体地位与教师主导作用存在偏差。

    为了更好地改善小学科学教学效果，可充分借助现代教育技术，特别是利用AR技术来改善小学科学的教学方法，丰富教学资源和教学手段，激发学生的学习积极性，从而充分提高学生的科学素养。

    ● AR在小学科学教学中的应用

    1.AR课件

    在传统的小学科学教学过程中，教师通常是借助多媒体课件展示来让学生更好地理解复杂、抽象的科学知识，但这些课件一般是图片展示，无法建构出三维的场景，不利于学生清晰、直观地理解复杂问题。而借助AR技术，可以将复杂、抽象的教学内容制作成AR课件，以三维或者动画方式叠加到真实场景中，从而实现动态、立体、多角度呈现教学内容，有利于学生准确理解所学内容。

    2.AR电子书

    随着智能手机、平板等智能移动终端的普及，在碎片化阅读背景下，电子书的需求越来越普遍。通过AR技术，可以将传统的纸质书制作成三维动画，使枯燥的文字“活起来”，从而激发学生的学习兴趣和想象力。

    3.AR游戏

    游戏是一种充满互动和乐趣的活动，寓教于乐，是学生认知世界、学习知识的一种非常有效的途径。将科学知识以适宜的方式融入AR游戏中，通过虚实结合、人机交互、沉浸体验，将抽象、复杂、难懂的学习内容生动、具体、动态地呈现给学生，这样不仅可以降低对学生迁移能力的要求，而且可以增强学生对学习内容的关注度，改进学习过程，优化体验，延长专注和沉浸的时间，加深其对知识的准确理解。

    ● 基于AR技术的小学科学教育游戏课件的设计与开发

    根据皮亚杰的建构学习理论和Csikszentmihalyi的沉浸理论（FlowTheory），学习是沉浸在某种特定的情境中，在原有的经验基础之上建构起新的经验的过程。利用Unity3D来建构AR游戏虚拟学习环境，并让学生主动参与更多的控制，能让学生感受到“学习是一种真实情境的体验”。

    本案例内容选自教科版六年级上册《多种多样的植物》这一章节，根据教学内容设计基于AR的小学科学游戏——植物世界，研究内容主要涉及教学设计和游戏设计，其设计框架如图1所示。

    1.设计

    教学设计主要包括教学目标、学生特征、教学需求及内容分析，本课的教学目标是通过了解植物的多样性，能根据植物的特点进行分类。六年级的学生已具有初步的逻辑思维能力，能够区分主次、本质与非本质之间的关系，但是很难理解抽象的学习对象。为了帮助学生更好地辨别和研究植物，笔者研发了一款AR教育游戏，将书本上的二维图片变成立体的三维模型，其优点在于可以将生活中不常见的植物通过AR呈现出来，提高了课堂效率，激发了学生学习的积极性。

    游戏设计主要包括游戏原则、框架、内容及开发步骤、交互设计等内容。游戏设计的原则为：满足科学性，符合适龄学生的身心发展规律，而且要注重游戏内容和教学内容的融合，具有较好的人机交互性和沉浸性。游戏框架设计主要包括界面设计、游戏具体功能、内容、结构设计等。游戏内容设计主要分为有卡识别、脱卡识别、视频三部分。“有卡识别”通过手机摄像头扫描教材中的图片，将会出现AR植物模型。“脱卡识别”是点击进入后，将会出现tuoka1场景——陆生植物（各种花草），通过自转的方式展现在玩家面前，并配有讲解音频，点击“Question”进入答题环节，测试内容来自本节课的某个知识点，答案选对后游戏继续进行;点击“Next”按钮，进入到tuoka2场景，重复上面的操作即可。“视频”选项是点击按钮之后进入到“shipin”场景，在场景中增加了第一人称控制器，玩家可以点击手机屏幕实现场景的移动，还可以观看场景中植物的生長过程。每个界面都有“Return”按钮，点击后可回到菜单页面，在菜单页面可以重新选择自己想要的游戏方式。游戏开发主要包括开发平台Untiy3D、Android系统、Java环境，将各种场景、植物模型、动画导入到Unity3D开发平台中，并设计游戏交互功能，设计完成之后可以通过配置SDK和JDK路径再发布相应的APK。

    2.开发

    （1）场景的搭建

    《植物世界》建立场景的步骤：①导入VuforiaSDK;②创建Vufoira应用，获取License Key，创建应用数据包;③新建场景，删除原Main Camera，将Vuforia/Perfabs文件中的ARCamera和ImageTarget预制件拖入层级视图，ImageTarget可以有多个;④将建好的3D模型添加到场景，并设置为ImageTarget的子对象，然后在Inspector中对相关数据进行设置和修改。

    在scene1场景中包含有卡识别、脱卡识别和视频三个主场景，接下来对菜单窗口main_window进行动画设置，设置Animation的关键帧，使其实现从左往右进入的动画，然后对每个Button进行点击按钮变大的动画设置（如图2）。

    ①有卡识别。玩家通过手机摄像头扫描教科版六年级上册《多种多样的植物》章节中的图片，将会出现AR植物模型，并且可以通过扫描不同的图片来切换不同的植物，同时也可以通过手指对AR植物模型进行缩放大小和旋转等。

    ②脱卡识别。导入植物模型，给模型添加rotate旋转脚本，并设置了问答环节，点击Question进入答题场景，题目类型为选择题，是对本节课知识点的巩固，只有答对才能进入下一个场景，相关代码如图3所示。

    ③视频展示。在场景中能看到植物的生长过程，场景中还添加了第一人称控制器，玩家可以点击手机屏幕近距离观看。

    （2）模型的导入及动画的设置

    本游戏的植物模型都是在3D模型网下载的，打开3Dmax软件，将模型导入3Dmax中转为FBX格式，最后将FBX格式的模型直接拖到unity/Assets/model文件夹中。此时会发现导入的模型没有贴图，需要自己建立一个Material材质球，给材质球贴图后再附给模型，这样能使模型更加立体真实（如图4）。

    ● 结束语

    在小学科学教学中充分利用AR技术，将虚拟对象与真实情境进行叠加融入，将抽象复杂的科学概念具体化、形象化、游戏化，不仅丰富了教学资源，创新了教学方式，还激发了学生学习的主动性、探究性、创造性，真正实现了“做中学、学中做”的目标。

    参考文献：

    [1]陈向东，万悦.增强现实教育游戏的开发与应用——以“泡泡星球”为例[J].中国电化教育，2017（03）：24-30.

    [2]蔡苏，王沛文，杨阳，等.增强现实（AR）技术的教育应用综述[J].远程教育杂志，2016（05）：27-40.

    [3]王辞晓，李贺，尚俊杰.基于虚拟现实和增强现实的教育游戏应用及发展前景[J].中国电化教育，2017（08）：99-107.

    作者简介：杨俊丹（1989.8—），女，江西丰城人，硕士研究生，研究方向为AR/VR在教学中的应用;胡小强（1970.11—），男，江西南昌人，教授，研究方向为AR/VR在教学中的应用。