黃鍵 卓皓 董湛

摘? 要：小學(xué)科學(xué)作為培養(yǎng)人才科學(xué)素養(yǎng)的啟蒙課程，發(fā)揮著十分重要的作用。在傳統(tǒng)的小學(xué)科學(xué)課堂中，由于條件限制，一些科學(xué)知識(shí)無法直觀地進(jìn)行呈現(xiàn)。近年來，隨著AR技術(shù)的普及應(yīng)用，使得AR技術(shù)在科學(xué)課堂的應(yīng)用成為可能。文章介紹了小學(xué)科學(xué)課堂的現(xiàn)狀，以及AR技術(shù)的應(yīng)用情況，并針對(duì)一節(jié)小學(xué)科學(xué)課的案例，分析了AR技術(shù)在課堂上的應(yīng)用，還針對(duì)應(yīng)用中出現(xiàn)的問題，提出了解決思路。

關(guān)鍵詞：小學(xué)科學(xué);AR技術(shù);AR教育

Abstract：Primary school science plays a very important role as an enlightenment course for cultivating talentsscientific literacy. In the traditional primary school science classroom，some scientific knowledge can not be directly presented due to the constraints of conditions. In recent years，with the popularization and application of AR technology，the application of AR technology in science classroom becomes possible. This paper introduces the current situation of science classroom in primary school，and the application of AR technology. According to a case of elementary school science class，the application of AR technology in the classroom is analyzed，and solutions to problems in the application are also proposed.

Keywords：primary school science;AR technology;AR education

0? 引? 言

小學(xué)科學(xué)課程是培養(yǎng)科學(xué)素養(yǎng)的基礎(chǔ)課程，教學(xué)內(nèi)容涵蓋物質(zhì)科學(xué)，生命科學(xué)，地球與宇宙科學(xué)，技術(shù)與工程等四個(gè)領(lǐng)域[1]。通過科學(xué)課程教學(xué)，不僅能讓學(xué)生能學(xué)到知識(shí)，而且在探究的過程中，可以激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)探究科學(xué)的精神[2]。

目前，全國(guó)各地的小學(xué)基本都已經(jīng)開設(shè)了科學(xué)課，但受到經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平，以及師資水平等因素的影響，不同地區(qū)的科學(xué)課開展情況也不一樣。對(duì)于發(fā)達(dá)地區(qū)，小學(xué)科學(xué)課開展情況相對(duì)較好，而在一些偏遠(yuǎn)地區(qū)和農(nóng)村小學(xué)，情況就不夠理想，主要存在的問題有：重要性認(rèn)識(shí)不足，軟硬件設(shè)施欠缺，師資綜合素質(zhì)不高等。近年來，隨著VR、AR技術(shù)的興起和應(yīng)用，也給科學(xué)課開展實(shí)施帶來更多的思路。為了研究AR技術(shù)在小學(xué)科學(xué)課堂的應(yīng)用，本校與作為科學(xué)教育專業(yè)校外實(shí)踐基地的福州市紅霞小學(xué)等幾所學(xué)校開展了積極地合作。通過制作AR科學(xué)小實(shí)驗(yàn)教學(xué)資源，將這些資源運(yùn)用到小學(xué)科學(xué)課堂的教學(xué)中，探討AR技術(shù)對(duì)于提升課堂教學(xué)質(zhì)量的影響。

1? AR技術(shù)

AR技術(shù)，即增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是一種實(shí)時(shí)地計(jì)算攝影機(jī)影像的位置角度和各個(gè)參數(shù)，并加上相應(yīng)圖像的技術(shù)，綜合運(yùn)用了多媒體、三維建模、智能交互、傳感等技術(shù)手段，將虛擬的信息內(nèi)容融合到真實(shí)世界中，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)實(shí)與虛擬世界之間的互動(dòng)[3]。

1.1? AR技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用

隨著AR技術(shù)的發(fā)展，相關(guān)的應(yīng)用也越來越多。目前，AR技術(shù)已應(yīng)用到商品銷售，教育、健康醫(yī)療、企業(yè)培訓(xùn)、室內(nèi)設(shè)計(jì)等領(lǐng)域，改變著人們學(xué)習(xí)，工作生活的方式。

在教育領(lǐng)域中，AR技術(shù)的應(yīng)用也帶來了教學(xué)手段的變革。AR技術(shù)可以幫助學(xué)生打造生動(dòng)、逼真的學(xué)習(xí)環(huán)境，使學(xué)生通過真實(shí)感受來增強(qiáng)記憶，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。此外，由于不少AR產(chǎn)品對(duì)于硬件的要求較低，只要一個(gè)帶攝像頭的移動(dòng)終端，以及配套的教學(xué)資源卡片等，大大降低了成本，這也有利于普及應(yīng)用。

圖1展示的是一個(gè)本校學(xué)生開發(fā)的AR識(shí)物APP軟件，通過手機(jī)掃描印著魚的紙質(zhì)卡片，呈現(xiàn)出一條魚的三維造型。

1.2? AR教育產(chǎn)品設(shè)計(jì)流程

目前，主要的AR開發(fā)引擎有Unity、Unreal Engine、CryEngine等。其中，Unity是由Unity Technologies開發(fā)的一個(gè)能創(chuàng)建三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫等類型互動(dòng)內(nèi)容的綜合型游戲開發(fā)工具[4]。因其具有跨平臺(tái)的特點(diǎn)，且支持主流的VR、AR設(shè)備，成為目前最流行的VR、AR產(chǎn)品開發(fā)工具。Unreal是Unreal Engine（虛幻引擎）的簡(jiǎn)寫，由Epic開發(fā)，是世界知名、授權(quán)最廣的游戲引擎之一。通過在Unreal Engine中引入ARToolkit插件，可以進(jìn)行AR產(chǎn)品的開發(fā)。

要完成一個(gè)AR產(chǎn)品的開發(fā)，首先要制作三維模型，然后導(dǎo)出為OBJ或者FBX格式，然后再導(dǎo)入U(xiǎn)nity或Unreal Engine工具中，通過編寫程序或者藍(lán)圖來完成功能設(shè)計(jì)，最后根據(jù)需求發(fā)布產(chǎn)品。AR教育產(chǎn)品的開發(fā)基本流程如圖2所示。

2? AR科學(xué)實(shí)驗(yàn)在課堂的應(yīng)用

在傳統(tǒng)的科學(xué)課堂教學(xué)中，主要是通過圖片文字講解，實(shí)驗(yàn)演示及互動(dòng)來開展。對(duì)于現(xiàn)實(shí)中能接觸到的實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，如光電物理實(shí)驗(yàn)、認(rèn)識(shí)植物等，比較容易開展。而對(duì)于地球與宇宙科學(xué)領(lǐng)域的知識(shí)，或者一些已經(jīng)不存在的動(dòng)植物，則只能通過圖片視頻進(jìn)行展示，不容易進(jìn)行實(shí)驗(yàn)展示。通過AR技術(shù)，則可以虛擬出世界萬物，如宇宙中的星球、動(dòng)植物，物理實(shí)驗(yàn)的道具、化學(xué)實(shí)驗(yàn)的現(xiàn)象等。這些仿真內(nèi)容制作出來后，可以讓學(xué)生在課堂上進(jìn)行觀摩學(xué)習(xí)，并進(jìn)行互動(dòng)操作，給他們帶來不一樣的觀感體驗(yàn)，提升了學(xué)習(xí)效果[5]。而且，AR技術(shù)的應(yīng)用也在一定程度上彌補(bǔ)了科學(xué)教師個(gè)人綜合素質(zhì)方面的不足，提升了教學(xué)質(zhì)量。

2.1? AR實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)對(duì)于科學(xué)知識(shí)是非常重要的，是驗(yàn)證和探索知識(shí)的重要環(huán)節(jié)。幾乎所有的科學(xué)知識(shí)實(shí)驗(yàn)都可以通過AR技術(shù)模擬出來，尤其是對(duì)于一些平常見不到的事物，更適合用AR技術(shù)進(jìn)行演示。下面以蘇教版五年級(jí)上冊(cè)小學(xué)科學(xué)“晝夜交替”這一課的AR資源制作為例，簡(jiǎn)要說明其設(shè)計(jì)步驟。

“晝夜交替”這節(jié)課主要是介紹太陽(yáng)，地球，以及自轉(zhuǎn)公轉(zhuǎn)的知識(shí)，主要設(shè)計(jì)的內(nèi)容及步驟如下：

（1）利用3ds max制作太陽(yáng)，地球的模型，設(shè)計(jì)地球靜止和轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)畫，并設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的材質(zhì)和相關(guān)的系列貼圖。

（2）將太陽(yáng)和地球的模型材質(zhì)及相關(guān)動(dòng)畫導(dǎo)出為FBX文件，所有材質(zhì)的貼圖也單獨(dú)保存到一個(gè)文件夾中。

（3）創(chuàng)建一個(gè)Unity項(xiàng)目，依次導(dǎo)入EasyAR SDK，模型材質(zhì)的FBX文件，及其對(duì)應(yīng)的貼圖，并將貼圖賦予對(duì)應(yīng)模型的材質(zhì)。

（4）將模型拖入場(chǎng)景，設(shè)計(jì)場(chǎng)景UI，如功能按鈕菜單等，并保存。

（5）新建一個(gè)Animator Controller，添加地球自轉(zhuǎn)，停止?fàn)顟B(tài)，依次添加狀態(tài)連線，創(chuàng)建一個(gè)觸發(fā)變量isrotate，設(shè)置不同狀態(tài)間轉(zhuǎn)換條件，完成的動(dòng)畫狀態(tài)機(jī)如圖3所示。

（5）將一張?zhí)?yáng)系平面圖tyx.jpg導(dǎo)入到項(xiàng)目中，找到EasyAR的識(shí)圖目標(biāo)圖像對(duì)象ImageTarget，設(shè)置要識(shí)別的對(duì)象圖片為tyx.jpg。

（6）新建腳本play.cs，編程實(shí)現(xiàn)界面中各個(gè)按鈕菜單的功能。以旋轉(zhuǎn)功能為例，主要是設(shè)置變量isrotate的值為true。

完成的運(yùn)行效果圖如圖4所示。

2.2? AR實(shí)驗(yàn)在課堂中的運(yùn)用

在AR演示軟件制作完成后，就可以用在課堂教學(xué)中了。為了驗(yàn)證AR實(shí)驗(yàn)在小學(xué)科學(xué)課的實(shí)施效果，本文以本?？茖W(xué)教育專業(yè)學(xué)生教育實(shí)習(xí)的福州市臺(tái)江區(qū)某小學(xué)五年級(jí)三班來開展教學(xué)。在“晝夜交替”這節(jié)課的教學(xué)中，教師首先會(huì)提出問題，讓學(xué)生探討晝夜變化的規(guī)律，然后再介紹歷史上人類對(duì)于此類現(xiàn)象的觀點(diǎn)。接下來，需要驗(yàn)證晝夜交替與地球自轉(zhuǎn)的關(guān)系。在模擬實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，涉及地球自轉(zhuǎn)，公轉(zhuǎn)等場(chǎng)景演示的時(shí)候，可以利用AR技術(shù)來實(shí)現(xiàn)。

上完這堂課后，讓班上的學(xué)生填寫一份問卷，問卷內(nèi)容包含一個(gè)多選題及一個(gè)單選題，題目如下：

（1）這節(jié)課讓你印象最深刻的地方在哪？（多選題）

A.歷史上關(guān)于晝夜交替的現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)? ?B.地球自轉(zhuǎn)知識(shí)介紹? ?C.地球公轉(zhuǎn)知識(shí)介紹? ?D.手電筒地球儀模擬實(shí)驗(yàn)? ?E.晝夜交替的AR實(shí)驗(yàn)演示

（2）這樣的科學(xué)課堂你喜歡嗎？（單選題）

A.很喜歡? ?B.喜歡? ?C.還行? ?D.不喜歡

本次授課的班級(jí)，學(xué)生人數(shù)為53人。通過整理收回的53份問卷，發(fā)現(xiàn)學(xué)生印象最深刻的地方主要是在手電筒地球儀模擬實(shí)驗(yàn)以及晝夜交替的AR實(shí)驗(yàn)演示，選擇的人數(shù)分別為48人和51人。而在選擇是否喜歡這樣的科學(xué)課堂時(shí)，有51人選擇了很喜歡，剩下2人選擇了喜歡。再通過對(duì)授課過程中學(xué)生表現(xiàn)狀態(tài)的觀察以及課后思考題的完成情況的統(tǒng)計(jì)，整理出課堂教學(xué)情況表，如表1所示。

從表1可以看出，通過模擬的情景展示，學(xué)生基本都掌握了自轉(zhuǎn)在晝夜交替中的作用。在授課過程中，學(xué)生還會(huì)向教師提出問題，進(jìn)行互動(dòng)探討，本節(jié)課取得了較好的效果。

2.3? 存在的問題

從前面的介紹中可以看出，AR技術(shù)的合理運(yùn)用，提升了課堂體驗(yàn)的效果，學(xué)生也能更好地理解和記憶所學(xué)的知識(shí)。但是也要看到，目前AR技術(shù)在教育教學(xué)中的運(yùn)用還不夠成熟，主要存在以下幾個(gè)問題：

（1）新技術(shù)如何與傳統(tǒng)課堂更好地融合。一方面，AR等新技術(shù)的普及應(yīng)用為教師的教學(xué)提供了新的助力;另一方面，這也對(duì)教師提出了更高的要求，作為科學(xué)教師，應(yīng)當(dāng)不斷提高自身綜合素質(zhì)，主動(dòng)學(xué)習(xí)新知識(shí)新技術(shù)，并將它們?nèi)谌胝n堂教學(xué)中，以促進(jìn)學(xué)生更好地掌握知識(shí);還應(yīng)當(dāng)看到，AR等新技術(shù)的運(yùn)用，絕不是簡(jiǎn)單地替代傳統(tǒng)的教學(xué)方式，而是需要合理恰當(dāng)?shù)剡\(yùn)用，才能取得最佳的效果。

（2）AR教育資源還不夠豐富完善。目前，隨著AR技術(shù)的發(fā)展成熟，已應(yīng)用到各個(gè)領(lǐng)域，但是在教育領(lǐng)域中的應(yīng)用，還處于起步階段。現(xiàn)階段，對(duì)于小學(xué)科學(xué)課來說，還沒有配套的，比較系統(tǒng)完整的科學(xué)課AR教育資源，這也影響了使用效果。未來，如果能開發(fā)出配套的AR資源，也能更好地進(jìn)行推廣使用，進(jìn)一步提高科學(xué)教育的質(zhì)量。

3? 結(jié)? 論

近年來，隨著信息技術(shù)的發(fā)展，尤其是VR、AR技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用，給小學(xué)科學(xué)課的實(shí)施帶來了良好的機(jī)遇。文章分析了小學(xué)科學(xué)課堂教學(xué)的現(xiàn)狀，并詳細(xì)介紹了AR技術(shù)在教育領(lǐng)域，尤其是科學(xué)課堂的應(yīng)用情況。文章中還結(jié)合蘇教版小學(xué)科學(xué)五年級(jí)上冊(cè)“晝夜交替”這一課的教學(xué)內(nèi)容，利用Unity等工具制作了其中模擬實(shí)驗(yàn)的AR軟件，并將其應(yīng)用到小學(xué)科學(xué)課的教學(xué)中。課堂實(shí)踐表明，合理運(yùn)用AR技術(shù)進(jìn)行教學(xué)活動(dòng)能夠產(chǎn)生良好的效果，讓學(xué)生更好地掌握知識(shí)，培養(yǎng)主動(dòng)探究思考的能力。

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作者簡(jiǎn)介：黃鍵（1983—），男，漢族，福建莆田人，講師，碩士研究生，研究方向：軟件工程，虛擬現(xiàn)實(shí)應(yīng)用、科學(xué)教育;卓皓（1983—），男，漢族，福建福州人，講師，碩士研究生，研究方向：軟件工程、數(shù)字媒體技術(shù);董湛（1987—），女，漢族，福建福州人，助教，碩士研究生，研究方向：戲劇影視、數(shù)字媒體技術(shù)。