楊俊丹 胡小強(qiáng)

摘要：近年來(lái)，AR技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，本文在分析當(dāng)前小學(xué)科學(xué)教學(xué)過(guò)程中面臨的問(wèn)題、AR應(yīng)用前景及價(jià)值的基礎(chǔ)上，提出可將AR技術(shù)應(yīng)用于小學(xué)科學(xué)教學(xué)，并對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)，以此來(lái)豐富小學(xué)科學(xué)的教學(xué)資源，有效提升教學(xué)效率，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

關(guān)鍵詞：AR技術(shù);小學(xué)科學(xué);教育游戲;游戲開(kāi)發(fā)

中圖分類(lèi)號(hào)：G434? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? 論文編號(hào)：1674-2117（2019）21-0077-03

● 小學(xué)科學(xué)教學(xué)面臨的問(wèn)題

小學(xué)科學(xué)教學(xué)旨在培養(yǎng)學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)、科技創(chuàng)新意識(shí)和創(chuàng)新精神，為其繼續(xù)學(xué)習(xí)和后續(xù)發(fā)展奠定基礎(chǔ)。在新課標(biāo)的指引下，小學(xué)科學(xué)教學(xué)發(fā)生了巨大的轉(zhuǎn)變，但仍存在不少問(wèn)題：①探究式學(xué)習(xí)是小學(xué)科學(xué)教學(xué)的主要方法和核心內(nèi)容，在當(dāng)前的小學(xué)科學(xué)教學(xué)中，由于受教師個(gè)人素養(yǎng)、實(shí)驗(yàn)室場(chǎng)地、實(shí)驗(yàn)設(shè)備和技術(shù)條件等因素的制約，探究式學(xué)習(xí)存在簡(jiǎn)單化、程序化的問(wèn)題。②資源缺乏，開(kāi)發(fā)不足。小學(xué)科學(xué)資源開(kāi)發(fā)不足主要表現(xiàn)在多媒體資源、實(shí)驗(yàn)資源和游戲資源等方面，在農(nóng)村學(xué)校、中西部地區(qū)學(xué)校表現(xiàn)更為明顯。③學(xué)生主體地位與教師主導(dǎo)作用存在偏差。

為了更好地改善小學(xué)科學(xué)教學(xué)效果，可充分借助現(xiàn)代教育技術(shù)，特別是利用AR技術(shù)來(lái)改善小學(xué)科學(xué)的教學(xué)方法，豐富教學(xué)資源和教學(xué)手段，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性，從而充分提高學(xué)生的科學(xué)素養(yǎng)。

● AR在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

1.AR課件

在傳統(tǒng)的小學(xué)科學(xué)教學(xué)過(guò)程中，教師通常是借助多媒體課件展示來(lái)讓學(xué)生更好地理解復(fù)雜、抽象的科學(xué)知識(shí)，但這些課件一般是圖片展示，無(wú)法建構(gòu)出三維的場(chǎng)景，不利于學(xué)生清晰、直觀地理解復(fù)雜問(wèn)題。而借助AR技術(shù)，可以將復(fù)雜、抽象的教學(xué)內(nèi)容制作成AR課件，以三維或者動(dòng)畫(huà)方式疊加到真實(shí)場(chǎng)景中，從而實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)、立體、多角度呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容，有利于學(xué)生準(zhǔn)確理解所學(xué)內(nèi)容。

2.AR電子書(shū)

隨著智能手機(jī)、平板等智能移動(dòng)終端的普及，在碎片化閱讀背景下，電子書(shū)的需求越來(lái)越普遍。通過(guò)AR技術(shù)，可以將傳統(tǒng)的紙質(zhì)書(shū)制作成三維動(dòng)畫(huà)，使枯燥的文字“活起來(lái)”，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和想象力。

3.AR游戲

游戲是一種充滿互動(dòng)和樂(lè)趣的活動(dòng)，寓教于樂(lè)，是學(xué)生認(rèn)知世界、學(xué)習(xí)知識(shí)的一種非常有效的途徑。將科學(xué)知識(shí)以適宜的方式融入AR游戲中，通過(guò)虛實(shí)結(jié)合、人機(jī)交互、沉浸體驗(yàn)，將抽象、復(fù)雜、難懂的學(xué)習(xí)內(nèi)容生動(dòng)、具體、動(dòng)態(tài)地呈現(xiàn)給學(xué)生，這樣不僅可以降低對(duì)學(xué)生遷移能力的要求，而且可以增強(qiáng)學(xué)生對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容的關(guān)注度，改進(jìn)學(xué)習(xí)過(guò)程，優(yōu)化體驗(yàn)，延長(zhǎng)專(zhuān)注和沉浸的時(shí)間，加深其對(duì)知識(shí)的準(zhǔn)確理解。

● 基于AR技術(shù)的小學(xué)科學(xué)教育游戲課件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)

根據(jù)皮亞杰的建構(gòu)學(xué)習(xí)理論和Csikszentmihalyi的沉浸理論（FlowTheory），學(xué)習(xí)是沉浸在某種特定的情境中，在原有的經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)之上建構(gòu)起新的經(jīng)驗(yàn)的過(guò)程。利用Unity3D來(lái)建構(gòu)AR游戲虛擬學(xué)習(xí)環(huán)境，并讓學(xué)生主動(dòng)參與更多的控制，能讓學(xué)生感受到“學(xué)習(xí)是一種真實(shí)情境的體驗(yàn)”。

本案例內(nèi)容選自教科版六年級(jí)上冊(cè)《多種多樣的植物》這一章節(jié)，根據(jù)教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)基于AR的小學(xué)科學(xué)游戲——植物世界，研究?jī)?nèi)容主要涉及教學(xué)設(shè)計(jì)和游戲設(shè)計(jì)，其設(shè)計(jì)框架如圖1所示。

1.設(shè)計(jì)

教學(xué)設(shè)計(jì)主要包括教學(xué)目標(biāo)、學(xué)生特征、教學(xué)需求及內(nèi)容分析，本課的教學(xué)目標(biāo)是通過(guò)了解植物的多樣性，能根據(jù)植物的特點(diǎn)進(jìn)行分類(lèi)。六年級(jí)的學(xué)生已具有初步的邏輯思維能力，能夠區(qū)分主次、本質(zhì)與非本質(zhì)之間的關(guān)系，但是很難理解抽象的學(xué)習(xí)對(duì)象。為了幫助學(xué)生更好地辨別和研究植物，筆者研發(fā)了一款A(yù)R教育游戲，將書(shū)本上的二維圖片變成立體的三維模型，其優(yōu)點(diǎn)在于可以將生活中不常見(jiàn)的植物通過(guò)AR呈現(xiàn)出來(lái)，提高了課堂效率，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。

游戲設(shè)計(jì)主要包括游戲原則、框架、內(nèi)容及開(kāi)發(fā)步驟、交互設(shè)計(jì)等內(nèi)容。游戲設(shè)計(jì)的原則為：滿足科學(xué)性，符合適齡學(xué)生的身心發(fā)展規(guī)律，而且要注重游戲內(nèi)容和教學(xué)內(nèi)容的融合，具有較好的人機(jī)交互性和沉浸性。游戲框架設(shè)計(jì)主要包括界面設(shè)計(jì)、游戲具體功能、內(nèi)容、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。游戲內(nèi)容設(shè)計(jì)主要分為有卡識(shí)別、脫卡識(shí)別、視頻三部分?！坝锌ㄗR(shí)別”通過(guò)手機(jī)攝像頭掃描教材中的圖片，將會(huì)出現(xiàn)AR植物模型?！懊摽ㄗR(shí)別”是點(diǎn)擊進(jìn)入后，將會(huì)出現(xiàn)tuoka1場(chǎng)景——陸生植物（各種花草），通過(guò)自轉(zhuǎn)的方式展現(xiàn)在玩家面前，并配有講解音頻，點(diǎn)擊“Question”進(jìn)入答題環(huán)節(jié)，測(cè)試內(nèi)容來(lái)自本節(jié)課的某個(gè)知識(shí)點(diǎn)，答案選對(duì)后游戲繼續(xù)進(jìn)行;點(diǎn)擊“Next”按鈕，進(jìn)入到tuoka2場(chǎng)景，重復(fù)上面的操作即可?！耙曨l”選項(xiàng)是點(diǎn)擊按鈕之后進(jìn)入到“shipin”場(chǎng)景，在場(chǎng)景中增加了第一人稱控制器，玩家可以點(diǎn)擊手機(jī)屏幕實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景的移動(dòng)，還可以觀看場(chǎng)景中植物的生長(zhǎng)過(guò)程。每個(gè)界面都有“Return”按鈕，點(diǎn)擊后可回到菜單頁(yè)面，在菜單頁(yè)面可以重新選擇自己想要的游戲方式。游戲開(kāi)發(fā)主要包括開(kāi)發(fā)平臺(tái)Untiy3D、Android系統(tǒng)、Java環(huán)境，將各種場(chǎng)景、植物模型、動(dòng)畫(huà)導(dǎo)入到Unity3D開(kāi)發(fā)平臺(tái)中，并設(shè)計(jì)游戲交互功能，設(shè)計(jì)完成之后可以通過(guò)配置SDK和JDK路徑再發(fā)布相應(yīng)的APK。

2.開(kāi)發(fā)

（1）場(chǎng)景的搭建

《植物世界》建立場(chǎng)景的步驟：①導(dǎo)入VuforiaSDK;②創(chuàng)建Vufoira應(yīng)用，獲取License Key，創(chuàng)建應(yīng)用數(shù)據(jù)包;③新建場(chǎng)景，刪除原Main Camera，將Vuforia/Perfabs文件中的ARCamera和ImageTarget預(yù)制件拖入層級(jí)視圖，ImageTarget可以有多個(gè);④將建好的3D模型添加到場(chǎng)景，并設(shè)置為ImageTarget的子對(duì)象，然后在Inspector中對(duì)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)置和修改。

在scene1場(chǎng)景中包含有卡識(shí)別、脫卡識(shí)別和視頻三個(gè)主場(chǎng)景，接下來(lái)對(duì)菜單窗口main_window進(jìn)行動(dòng)畫(huà)設(shè)置，設(shè)置Animation的關(guān)鍵幀，使其實(shí)現(xiàn)從左往右進(jìn)入的動(dòng)畫(huà)，然后對(duì)每個(gè)Button進(jìn)行點(diǎn)擊按鈕變大的動(dòng)畫(huà)設(shè)置（如圖2）。

①有卡識(shí)別。玩家通過(guò)手機(jī)攝像頭掃描教科版六年級(jí)上冊(cè)《多種多樣的植物》章節(jié)中的圖片，將會(huì)出現(xiàn)AR植物模型，并且可以通過(guò)掃描不同的圖片來(lái)切換不同的植物，同時(shí)也可以通過(guò)手指對(duì)AR植物模型進(jìn)行縮放大小和旋轉(zhuǎn)等。

②脫卡識(shí)別。導(dǎo)入植物模型，給模型添加rotate旋轉(zhuǎn)腳本，并設(shè)置了問(wèn)答環(huán)節(jié)，點(diǎn)擊Question進(jìn)入答題場(chǎng)景，題目類(lèi)型為選擇題，是對(duì)本節(jié)課知識(shí)點(diǎn)的鞏固，只有答對(duì)才能進(jìn)入下一個(gè)場(chǎng)景，相關(guān)代碼如圖3所示。

③視頻展示。在場(chǎng)景中能看到植物的生長(zhǎng)過(guò)程，場(chǎng)景中還添加了第一人稱控制器，玩家可以點(diǎn)擊手機(jī)屏幕近距離觀看。

（2）模型的導(dǎo)入及動(dòng)畫(huà)的設(shè)置

本游戲的植物模型都是在3D模型網(wǎng)下載的，打開(kāi)3Dmax軟件，將模型導(dǎo)入3Dmax中轉(zhuǎn)為FBX格式，最后將FBX格式的模型直接拖到unity/Assets/model文件夾中。此時(shí)會(huì)發(fā)現(xiàn)導(dǎo)入的模型沒(méi)有貼圖，需要自己建立一個(gè)Material材質(zhì)球，給材質(zhì)球貼圖后再附給模型，這樣能使模型更加立體真實(shí)（如圖4）。

● 結(jié)束語(yǔ)

在小學(xué)科學(xué)教學(xué)中充分利用AR技術(shù)，將虛擬對(duì)象與真實(shí)情境進(jìn)行疊加融入，將抽象復(fù)雜的科學(xué)概念具體化、形象化、游戲化，不僅豐富了教學(xué)資源，創(chuàng)新了教學(xué)方式，還激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)的主動(dòng)性、探究性、創(chuàng)造性，真正實(shí)現(xiàn)了“做中學(xué)、學(xué)中做”的目標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳向東，萬(wàn)悅.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教育游戲的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用——以“泡泡星球”為例[J].中國(guó)電化教育，2017（03）：24-30.

[2]蔡蘇，王沛文，楊陽(yáng)，等.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)的教育應(yīng)用綜述[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2016（05）：27-40.

[3]王辭曉，李賀，尚俊杰.基于虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的教育游戲應(yīng)用及發(fā)展前景[J].中國(guó)電化教育，2017（08）：99-107.

作者簡(jiǎn)介：楊俊丹（1989.8—），女，江西豐城人，碩士研究生，研究方向?yàn)锳R/VR在教學(xué)中的應(yīng)用;胡小強(qiáng)（1970.11—），男，江西南昌人，教授，研究方向?yàn)锳R/VR在教學(xué)中的應(yīng)用。