AR技術在小學科學教學資源中的設計與開發

楊俊丹 胡小強

摘要：近年來，AR技術在教育領域的應用越來越廣泛，本文在分析當前小學科學教學過程中面臨的問題、AR應用前景及價值的基礎上，提出可將AR技術應用于小學科學教學，并對其進行設計與開發，以此來豐富小學科學的教學資源，有效提升教學效率，激發學生的學習動機。

關鍵詞：AR技術;小學科學;教育游戲;游戲開發

中圖分類號：G434? 文獻標識碼：A? 論文編號：1674-2117（2019）21-0077-03

● 小學科學教學面臨的問題

小學科學教學旨在培養學生的科學素養、科技創新意識和創新精神，為其繼續學習和后續發展奠定基礎。在新課標的指引下，小學科學教學發生了巨大的轉變，但仍存在不少問題：①探究式學習是小學科學教學的主要方法和核心內容，在當前的小學科學教學中，由于受教師個人素養、實驗室場地、實驗設備和技術條件等因素的制約，探究式學習存在簡單化、程序化的問題。②資源缺乏，開發不足。小學科學資源開發不足主要表現在多媒體資源、實驗資源和游戲資源等方面，在農村學校、中西部地區學校表現更為明顯。③學生主體地位與教師主導作用存在偏差。

為了更好地改善小學科學教學效果，可充分借助現代教育技術，特別是利用AR技術來改善小學科學的教學方法，豐富教學資源和教學手段，激發學生的學習積極性，從而充分提高學生的科學素養。

● AR在小學科學教學中的應用

1.AR課件

在傳統的小學科學教學過程中，教師通常是借助多媒體課件展示來讓學生更好地理解復雜、抽象的科學知識，但這些課件一般是圖片展示，無法建構出三維的場景，不利于學生清晰、直觀地理解復雜問題。而借助AR技術，可以將復雜、抽象的教學內容制作成AR課件，以三維或者動畫方式疊加到真實場景中，從而實現動態、立體、多角度呈現教學內容，有利于學生準確理解所學內容。

2.AR電子書

隨著智能手機、平板等智能移動終端的普及，在碎片化閱讀背景下，電子書的需求越來越普遍。通過AR技術，可以將傳統的紙質書制作成三維動畫，使枯燥的文字“活起來”，從而激發學生的學習興趣和想象力。

3.AR游戲

游戲是一種充滿互動和樂趣的活動，寓教于樂，是學生認知世界、學習知識的一種非常有效的途徑。將科學知識以適宜的方式融入AR游戲中，通過虛實結合、人機交互、沉浸體驗，將抽象、復雜、難懂的學習內容生動、具體、動態地呈現給學生，這樣不僅可以降低對學生遷移能力的要求，而且可以增強學生對學習內容的關注度，改進學習過程，優化體驗，延長專注和沉浸的時間，加深其對知識的準確理解。

● 基于AR技術的小學科學教育游戲課件的設計與開發

根據皮亞杰的建構學習理論和Csikszentmihalyi的沉浸理論（FlowTheory），學習是沉浸在某種特定的情境中，在原有的經驗基礎之上建構起新的經驗的過程。利用Unity3D來建構AR游戲虛擬學習環境，并讓學生主動參與更多的控制，能讓學生感受到“學習是一種真實情境的體驗”。

本案例內容選自教科版六年級上冊《多種多樣的植物》這一章節，根據教學內容設計基于AR的小學科學游戲——植物世界，研究內容主要涉及教學設計和游戲設計，其設計框架如圖1所示。

1.設計

教學設計主要包括教學目標、學生特征、教學需求及內容分析，本課的教學目標是通過了解植物的多樣性，能根據植物的特點進行分類。六年級的學生已具有初步的邏輯思維能力，能夠區分主次、本質與非本質之間的關系，但是很難理解抽象的學習對象。為了幫助學生更好地辨別和研究植物，筆者研發了一款AR教育游戲，將書本上的二維圖片變成立體的三維模型，其優點在于可以將生活中不常見的植物通過AR呈現出來，提高了課堂效率，激發了學生學習的積極性。

游戲設計主要包括游戲原則、框架、內容及開發步驟、交互設計等內容。游戲設計的原則為：滿足科學性，符合適齡學生的身心發展規律，而且要注重游戲內容和教學內容的融合，具有較好的人機交互性和沉浸性。游戲框架設計主要包括界面設計、游戲具體功能、內容、結構設計等。游戲內容設計主要分為有卡識別、脫卡識別、視頻三部分。“有卡識別”通過手機攝像頭掃描教材中的圖片，將會出現AR植物模型。“脫卡識別”是點擊進入后，將會出現tuoka1場景——陸生植物（各種花草），通過自轉的方式展現在玩家面前，并配有講解音頻，點擊“Question”進入答題環節，測試內容來自本節課的某個知識點，答案選對后游戲繼續進行;點擊“Next”按鈕，進入到tuoka2場景，重復上面的操作即可。“視頻”選項是點擊按鈕之后進入到“shipin”場景，在場景中增加了第一人稱控制器，玩家可以點擊手機屏幕實現場景的移動，還可以觀看場景中植物的生長過程。每個界面都有“Return”按鈕，點擊后可回到菜單頁面，在菜單頁面可以重新選擇自己想要的游戲方式。游戲開發主要包括開發平臺Untiy3D、Android系統、Java環境，將各種場景、植物模型、動畫導入到Unity3D開發平臺中，并設計游戲交互功能，設計完成之后可以通過配置SDK和JDK路徑再發布相應的APK。

2.開發

（1）場景的搭建

《植物世界》建立場景的步驟：①導入VuforiaSDK;②創建Vufoira應用，獲取License Key，創建應用數據包;③新建場景，刪除原Main Camera，將Vuforia/Perfabs文件中的ARCamera和ImageTarget預制件拖入層級視圖，ImageTarget可以有多個;④將建好的3D模型添加到場景，并設置為ImageTarget的子對象，然后在Inspector中對相關數據進行設置和修改。

在scene1場景中包含有卡識別、脫卡識別和視頻三個主場景，接下來對菜單窗口main_window進行動畫設置，設置Animation的關鍵幀，使其實現從左往右進入的動畫，然后對每個Button進行點擊按鈕變大的動畫設置（如圖2）。

①有卡識別。玩家通過手機攝像頭掃描教科版六年級上冊《多種多樣的植物》章節中的圖片，將會出現AR植物模型，并且可以通過掃描不同的圖片來切換不同的植物，同時也可以通過手指對AR植物模型進行縮放大小和旋轉等。

②脫卡識別。導入植物模型，給模型添加rotate旋轉腳本，并設置了問答環節，點擊Question進入答題場景，題目類型為選擇題，是對本節課知識點的鞏固，只有答對才能進入下一個場景，相關代碼如圖3所示。

③視頻展示。在場景中能看到植物的生長過程，場景中還添加了第一人稱控制器，玩家可以點擊手機屏幕近距離觀看。

（2）模型的導入及動畫的設置

本游戲的植物模型都是在3D模型網下載的，打開3Dmax軟件，將模型導入3Dmax中轉為FBX格式，最后將FBX格式的模型直接拖到unity/Assets/model文件夾中。此時會發現導入的模型沒有貼圖，需要自己建立一個Material材質球，給材質球貼圖后再附給模型，這樣能使模型更加立體真實（如圖4）。

● 結束語

在小學科學教學中充分利用AR技術，將虛擬對象與真實情境進行疊加融入，將抽象復雜的科學概念具體化、形象化、游戲化，不僅豐富了教學資源，創新了教學方式，還激發了學生學習的主動性、探究性、創造性，真正實現了“做中學、學中做”的目標。

參考文獻：

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作者簡介：楊俊丹（1989.8—），女，江西豐城人，碩士研究生，研究方向為AR/VR在教學中的應用;胡小強（1970.11—），男，江西南昌人，教授，研究方向為AR/VR在教學中的應用。