《增強現實2》學習工具制作綜述

特色與亮點

《增強現實2》學習工具是我于2015年開發并參賽的數字化學習工具《創新與未來》的升級版。相比早先的參賽作品，新學習工具具有以下特色。

1.教學內容改變

早先的學習工具是對應小學五年級信息技術課中PowerPoint軟件的圖片功能，新的學習工具內容已經發展到了青島市市北區STEAM創意課堂的整堂課。教學目標也由單純學習軟件功能更改為完成未來校園的設計任務，并在實現過程中體驗增強現實技術等新技術。

2.開發工具升級

學習工具的開發環境由微軟的Visual Studio升級為更有針對性的Unity，開發語言也由C++轉為了C#，此項升級帶來的最大優勢就是增強了OpenGL和DirectX圖形驅動的完整性支持，使得在學習工具中可以輕松地應用粒子、動力學、三維模型及動畫等資產升級內容的畫面效果和交互性、實用性。

3.虛擬現實功能

2015年受我自身水平的限制，用于課堂拓展的體驗環節內容只是一段由三維動畫軟件制作的預渲染動畫，內容雖然精美，但仍未達到“身臨其境”的程度。升級版的學習工具增加了基于學生設計成果的虛擬現實體驗環節，學生可以在虛擬的設計環境中盡情游覽，體驗拓展得到升級（如圖1）。

4.多平臺開發

新版學習工具已經實現個人電腦、平板、智能手機、VR頭盔等不同硬件的兼容使用，應用平臺也從單一的Windows環境擴展到了包括支持Linux、Android等操作系統的跨平臺環境，極大降低了師生體驗的軟硬件限制。

制作背景

從交叉學科到學科整合再到學科融合，信息技術一直在其中擔任著重要角色，學科融合的實施使得各學科教師的信息素養水平均得到極大提升，也使得各種多媒體資源的使用在學生的學習活動中成為常態。

科技的發展日新月異，各種新科技新技術層出不窮，其中多種技術在教育教學應用中有著先天的優勢：人工智能、開源硬件和機器人等技術可以培養學生的計算思維，從而進一步提高學生的邏輯思維能力和將事物量化、結構化的能力；3D打印技術的使用在激發學生想象力的同時也提高了創造力；增強現實、虛擬現實和混合現實等技術能夠為師生提供沉浸式體驗和增強的互動方式，為學生快速進入深度學習打下基礎。

基于之前的開發經驗與不遺余力的追根溯源，以及國際國內開發環境的改善，2016年初，國內開始涌現出一批增強現實技術開發團隊，如太虛、視辰以及亮風臺等，國外的Wikitude、高通①等也在該技術上有了長足的進步，增添了更多功能。在虛擬現實技術方面，Unreal、Unity、CRYENGINE、3ds Max Interactive②等實時引擎也紛紛宣布原生支持VR技術應用的開發。

如果教師能在教育教學過程中融合最新科技并靈活運用教學手段進行拓展，不僅能刺激學生的學習欲望，還能為師生創造更多開闊視野和獨立思考的機會，并能創新學生合作學習的方式方法。

設計思路及內容結構

義務教育階段的小學信息技術課程定位，是以培養學生的信息素養和信息技術操作能力為主要目標，以操作性、實踐性和探究性（創新性）為特征的指定學習領域。本學習工具以未來校園設計為引，引導學生通過經歷對未來校園的選址、布局、規劃和設計四個環節，在操作過程中學習新知，完成學習目標。同時學生在規劃和設計環節中能夠自由發揮想象力和創造力，并在后期同時應用增強現實技術和虛擬現實技術觀察到設計成果，初步接觸并實踐建筑規劃的過程。使用新技術、充滿想象力的課堂還使學生對未來和技術產生向往，配合教師的適時引導，讓學生在驚嘆的同時思想情感也能得以升華。

新課程標準提出，小學信息技術應當以興趣為起點，以活動為載體，螺旋上升地設置內容。本課內容同時兼顧了學生的體驗興趣、實踐興趣和創造興趣，使學生在“做中學”。課標同時鼓勵以跨學科的活動為主題，實現技術學習與技術應用之間的整合，體現“雙價值”。

本學習工具對應課程正是市北區推廣的STEAM創意課堂中的課程之一，課程淡化了學科體系，將科學、工程、藝術、信息技術等內容融合到了課程中。同時還以新技術為載體，顛覆了學生對信息技術的固有認知，為學生接觸、接納更多的新技術打下基礎，使學生能拓展知識寬度、勇于創新實踐。

《增強現實2》學習工具是眾多小工具的組合，其中包括教師授課工具、微視頻、素材、學生自學工具、移動應用等。目的是通過多種資源的綜合利用，規劃設計未來校園建筑群，最終利用新技術體驗設計成果。

第一環節：情境導入，視頻解惑

學習工具的導入環節以新技術為主題，展示了眾多新興科技（如圖2），并使用增強現實技術實現虛擬禮盒與課堂環境的融合，通過交互動畫顯示打開虛擬禮盒，虛擬禮物生長過程，配合酷炫的粒子效果和音效激發學生的興趣（如圖3），從而引出有關增強現實技術應用的話題，為教學過程的下一環節做好鋪墊。

此環節使用Unity軟件作為開發工具，除了重現早先版本展示的內容之外，還使用了延虛擬攝像機畫面投射射線的方式，完美地解決了禮盒在多個設備下，不確定位置地互動問題。同時添加粒子增強了畫面效果。

通過我精心準備的視頻介紹，將增強現實技術在教育、娛樂、生活、未來應用等方面的內容加以整合，配以語音和文字說明，使學生能在短時間內對增強現實技術及其應用有大致的了解。視頻包括以下演示內容：美國國家地理增強現實技術、微軟HoloLens增強現實眼鏡技術、基于增強現實技術的概念視頻和美國THE VOID公司虛擬現實主題公園③。學生在欣賞視頻案例后，會因神奇的視覺效果和奇妙的構思對增強現實技術的廣闊應用前景產生直觀的印象。這為教師引入未來校園設計環節，進一步引發學生的學習熱情打下了基礎。

第二環節：項目驅動，學習新知

該部分通過逐層遞進的方式將未來校園設計項目分解，學生通過小組合作、互幫互助、微視頻自學、圖解自學等多種方式參與學習過程（如圖4）。任務部分包含以下內容。

（1）校園場地選址

本環節內容為使用Adobe Captivate軟件制作的一段微視頻，用于PowerPoint軟件中更改幻燈片背景的操作演示，微視頻在PC端以可執行文件的方式發布，配合導航功能可反復播放及暫停和快進，方便學生重復觀看操作步驟。學生在學習中由模仿過程轉換為理解功能，為靈活應用軟件、發揮想象力創造了必要的條件。同時，為有豐富想象力卻對軟件操作不熟悉的學生準備了多種不同環境的場地背景，方便學生直接使用（如圖5）。

（2）校園道路布局

本環節除了提供多種道路規劃素材之外，還提供了更高難度的道路布局方案，即使用軟件的圖形功能進行創意繪制，以滿足水平較高和擁有設計意向的學生的自由發揮。

（3）建筑分布規劃

本環節著重鍛煉學生的動手能力，目標過程需離開學習工具改為在學習任務單上進行繪畫。

（4）建筑方案設計

在本環節提供了圖文資料《未來校園設計方案》作為學生此環節創作的唯一參考資料，其意義在于以下三點：

①圖文并茂的說明使學生更容易理解設計規范，從而減少設計失敗的可能性。

②采用編號方式注釋建筑信息，使學生能夠將注意力集中在建筑格局上，正確高效地完成項目目標。

③同一目標的多種操作方法使學生逐漸熟悉在不同格式的文檔間復制、粘貼所需資源的Windows操作技能。

第三環節：課堂展示，拓展體驗

使用增強現實技術將學生設計的未來校園轉化為實景場地與三維虛擬建筑相結合的動態畫面，學生可使用Pad在不同角度觀察欣賞自己的設計成果（在PC端則需使用電腦攝像頭變換觀察角度），并對規劃的建筑功能進行口頭介紹，提高學生的想象力與表達能力。

氣勢恢宏的體育館正在進行禮花燃放，煙霧繚繞的發射場上飛船整裝待發，憨頭憨腦的老虎在生物園中搖頭擺尾，空中盤旋的飛艇餐館、屏幕巨大的圖書館、綠樹成蔭的教學樓等多種風格各異的三維建筑展現在學生眼前，將學生的設計變得更加生動有趣，極大提高了學生參與展示的熱情。教師可利用PC端攝像頭共享展示學生屏幕畫面，與全體學生共同欣賞優秀設計作品。

傳統教學受到課堂環境和計算機硬件的雙重限制，學生在課堂上很難“身臨其境”看到自己的設計成果。由攝像頭鳥瞰觀察到的畫面像是微縮景觀，學生只能在宏觀角度上看到自己的設計，難以產生沉浸感，因而達不到與設計成果的完美共鳴。

早期版本的學習工具采用了制作精良的預渲染動畫來引導學生產生代入感，效果并不能被全體學生接受。2016年，在國內外對虛擬現實技術重視的大環境下，我結合自身開發能力的提升，我添加制作了虛擬現實體驗環節，學生通過虛擬現實技術終于“進入”到了自己設計的未來校園中。漫步于校園中，身邊伴隨著奇妙的各類植物、高聳入云的建筑群、天空中緩緩飛過的巨大生物、校園中顏色絢爛隨風飄動的光點……徹底點燃了學生心中的創作熱情（如上頁圖6）。

虛擬現實展示環節考慮到在不同環境下的兼容性，分別制作了適用于PC、平板手機、VR設備的多個不同版本。針對設備的硬件限制，PC端因沒有重力感應只能制作成通過鍵盤運動、鼠標觀察的操作方式；平板和手機版則是在自行移動的基礎上通過轉動設備來查看不同方向的內容；VR設備則是功能完整的虛擬現實體驗，除了可以360度觀看，還有雙目視覺效果的立體畫面。

關鍵技術處理

1.增強現實和虛擬現實

我最早接觸增強現實技術是在2014年，當時的增強現實技術在國外剛剛起步，國內應用更是鳳毛麟角，除了性能不高的ARToolkit，幾乎沒有可用的中文信息。經過查閱翻譯大量外文資料，綜合性能、效率以及自身能力的考慮，最終第一版學習工具使用了Windows 7系統作為開發和展示平臺，配置Visual Studio 2013開發環境，使用Metaio SDK④以及C++語言作為增強現實技術的開發工具。

目前的第二版學習工具使用了Unity開發環境（如上頁圖7），除了原生支持多種渲染引擎之外，其對三維環境的支持更加友好，同時滿足了筆者對增強現實技術和虛擬現實技術開發的需求。軟件強大的材質Shader、簡單高效的動力學、支持IK的骨骼等特性等，為學習工具的內容擴展增添了近乎無限可能。

虛擬現實的開發相對來說比較簡單，其要點有二：一是在自由環境中搭建適當的碰撞體，以免后期的實時動力學計算出錯；二是搞定設備狀態與內置陀螺儀的角度關系。后者可通過諸如谷歌Cardboard SDK等第三方開發工具輕松完成。

2.三維模型和動畫

學習工具中所有三維資產全部使用Autodesk 3dsmax軟件制作，并烘焙貼圖渲染而成（如上頁圖8），大量的模型和動畫使得三維資產的創建占據了整個學習工具制作的大半時間。我原以為自身具有二十多年的三維軟件使用經驗，又是官方認證的全球400多名歐特克專家精英之一，制作難度應當不大，結果還是在模型的UV展開和FBX輸出選項方面走了不少彎路，不過也積累了豐富的制作經驗，對FBX格式的文件特性、坐標軸向、材質貼圖和動畫實現方式等有了更加全面的了解。

幕前幕后

今年是我走進NOC活動的第四個年頭，我曾在2015、2016連續兩年獲得恩歐希教育信息化發明創新獎；2017年考取并擔任了第十五屆全國中小學信息技術創新與實踐活動決賽執行評委；2018年第三次獲得恩歐希教育信息化發明創新獎，并有幸代表數字化學習工具賽項的參賽選手在禮堂作經驗交流報告。能夠達到這種程度，與自己不斷的學習和努力拼搏是分不開的。

回想二十三年前的我還在拼命學習漢字錄入，學習辦公軟件和MS-DOS命令。到今天這些技術或者被淘汰，或者變得像讀書寫字一樣普及。可以想象在不久的將來，很多當前的新技術也會變成人人都能簡單掌握的技能。

2016年我有幸站在報告臺上時，曾經提過自己的理想，那就是能夠盡自己的微薄之力來加速新技術在教學中的普及過程，讓教師受益，讓學生受益，讓教育受益。時至現在，我開發的新技術課程在我區得到推廣，學校也為我創建名師工作室，使我能將移動應用開發、增強現實、虛擬現實等新技術分享給學校青年教師，新技術得到更多的普及。

感謝信息技術日新月異的發展，它讓我們必須不斷提高自身水平，才能在信息技術大潮中劈波斬浪，不斷前行，在學習工具的制作上加以創新，為未來課堂教學打下更加堅實的基礎。更加感謝所有參賽的老師們，他們的優秀作品給予了我很多的啟發。感謝NOC的各位專家評委，他們的點評和指導使我獲益匪淺。感謝初教授、雷館長、劉館長等前輩的諄諄教誨，我的進步離不開他們的大力支持與幫助！

注：

①原指高通（Qualcomm）旗下的Vuforia，該業務現已出售給PTC公司。

②歐特克公司（Autodesk）3dsmax軟件附加產品，原為該公司推出的3D開發引擎“魔鬼魚”。

③實際上微軟HoloLens眼鏡以及THE VOID公司的主題公園使用的是一種被稱作混合現實的技術，又稱MR。其特點是混合了真實、增強現實和虛擬現實技術的多種特點，使真實與虛擬緊密結合，其實現內容更加接近增強現實的技術特點。

④德國Metaio公司的增強現實開發工具包，可實現特征碼識別、圖像識別、人臉識別、三維模型識別、無定位識別、單目攝像頭環境識別等多種識別方式，并自帶簡單的三維引擎。2015年該公司被蘋果公司收購，并于2015年底停止對其開發工具的支持和維護。

評委印象

信息技術的飛速發展，無時無刻不在改變著人們的思想觀念、生活環境和工作方式。作為一個為未來培育人才的教育工作者，理所當然地要站在時代的前沿，做時代的弄潮兒，為學生們十年二十年后的發展奠基。

山東省青島四方小學楊曉光老師的信息技術課《增強現實2》，為我們展現了出這位站立在潮頭上的年輕人的風采，他刻苦鉆研，勤學不輟，用現代的學習方式及全新的學習工具給學生們開創出嶄新的學習平臺與創新空間，讓學生實現從虛擬現實到增強現實的跨越，實現從學習方法的掌握到現代技術的運用超前發展，為五年級的學生們創造美好的學習生活，建立遠大的人生志向，探索未來的世界創設了廣闊的發展空間。

1.新技術讓學生的夢想成真

楊老師的《增強現實2》一課，是他2015年獲得恩歐希教育信息化發明創新獎的《增強現實1》的續集。由學習PowerPoint的圖片功能課發展到設計STEAM創意課程，由學習軟件功能提高到完成“未來校園”的設計項目，這兩節課能夠讓人從中體驗到“虛擬現實”與“增強現實”等新技術的異同和應用效果，進而了解到學習工具開發環境的升級，即從微軟Visual Studio升級為Unity，語言也由C++升為C#，由此帶來的是OpenGL和DirectX圖形驅動的增強，使得在學習中能輕松地應用粒子、動力學、三維動畫，實現畫面效果的交互性和真實感，使學生能“身臨其境”地在自己設計出的“未來學校”中享受學習生活，享受成功的喜悅。

虛擬現實技術（VR）與增強現實技術（AR）作為當今的前沿技術注定會在今后的歲月中持續地改變人們的生活。在教學中，增強現實、虛擬現實和混合現實等技術能夠為師生提供沉浸式體驗和增強式互動，為學生快速進入深度學習打下基礎；通過增強現實等技術的學習可以培養學生的計算思維，從而進一步提高學生的邏輯思維能力和將事物量化、結構化的能力，拓寬了視野，使學生能夠更加快速地適應新時代，為學生的終身發展奠定堅實的基礎。

2.新課堂讓學生的學習力跨越式形成

從楊老師展示的兩段“課堂實錄”中，可以清楚地看到課堂上設計的 “三個環節”，完成了“四大任務”。通過播放一段“未來校園”虛擬現實的微視頻，學生在自主學習、小組合作、共同探究的過程中，運用手中的學習平板，掃描設計，交流討論，完成“情境導入，視頻解惑”，進入了學習思考的狀態。教師適時下達任務單，明確“未來學校”的校園選址、道路的布局、建筑物分布規劃、建設方案的設計等四大任務，學生們在教師選擇設計的平臺上完成各組的具體任務，有條不紊地討論和設計著，我們認為通過“項目驅動”，可形成學生綜合性學習和探索新知的內驅力，也有可能成為學生終身發展的興趣。各組的項目設計任務完成后，學生使用增強現實技術將設計的未來校園轉化為實景場地，形成三維虛擬建筑的動態畫面，用Pad在不同角度欣賞自己的設計成果，并對自己規劃的校園各種功能進行口頭介紹，這樣“展示交流，拓展體驗”的過程，使學生的表達能力與空間想象力極大地提高，綜合性學習能力的提升呈現出跨越式發展。

啟示：關于增強現實等技術的應用，已在很多影視作品中出現，可以說在今后的生活中，增強現實等新技術將與我們的日常生活息息相關。作為學生生命的引路人，楊教師作出了非常有益的探索和嘗試，積累了非常成功的經驗，為廣大教師的發展提供了很好的借鑒，教師們不僅要不斷地提升自己的專業技術水平，更要勇于創新，將新技術合理地運用到日常教學中，融入到學生的生活中，達到授人以漁的效果。新時代的教師應該教給學生終身學習的能力；這樣成長起來的學生，才能更好地適應這個新技術飛速發展的時代，實現自我的人生價值。