一種基于增強現實的小學數學輔助學習APP的設計與實現

康藝旋，華尉然，童 強,2，杜雙云

(1.湖北師范大學 計算機與信息工程學院，湖北 黃石 435002；2.湖北師范大學 鼎利學院，湖北 黃石 435003)

0 引言

近年來，信息技術的飛速發展不斷推動著教育的變革和創新。通過“互聯網+教育”的模式，推動教育均衡發展，打造學習型社會已成為教育發展的新趨勢。在此背景下，增強現實作為一種新興的交互技術，在教育領域有著很大的發展潛力和機遇。增強現實(Augmented Reality，簡稱AR)，也被稱為擴增現實，它是把原本在現實世界的一定時間空間范圍內很難體驗到的實體信息(視覺、聲音等)采用一定的科學技術模擬仿真后，將虛擬信息疊加應用到真實世界，被人類感官所感知，從而達到超越現實的感官體驗[1]。將增強現實技術運用到教育中可以實現抽象內容形象化，為學習者創設一個真實的學習環境，以激發學習者的興趣并吸引其注意力。利用增強現實技術進行小學數學教學有助于培養學生的空間想象力、思維能力和理解能力，激發學習的興趣。

本文設計了一種基于移動端的小學數學輔助教學APP，用戶通過掃描課本上的平面模型，在手機上呈現出對應的3D立體模型，通過一定的交互操作，幫助學生進行初步的立體幾何學習，培養學生的空間想象力，提高學生的空間感知能力。

1 小學數學與增強現實

我國《義務教育數學課程標準(2011年版)》[2](以下簡稱《標準》)中指出小學第二學段(《標準》中將小學劃分為2個學段，1～3年級為第一學段，也稱低學段；4～6年級為第二學段，也稱高學段)的課程目標是要學生掌握必要的數學基本知識和技能，同時初步形成數感和空間概念，在觀察、實驗、猜想等活動中發展推理和獨立思考的能力。

小學階段學生的身心發展也分為兩個階段：低學段的學生以具體形象思維為主，很難進行抽象思考，學習中需要借助具體的事物和情境來輔助學習，而且他們的注意目的性低，只能注意自己感興趣的對象，不隨意記憶占主導地位[3]。隨著年齡的增長和知識的增加，他們的抽象思維能力得到一定的發展，注意和隨意記憶也有所提高，但是在這個階段，他們的抽象思維能力還有很大成分的具體形象性，很大程度上直接與感性經驗相關聯，并且注意水平有限，仍然需要教師通過提升學習興趣吸引學生的注意和進行記憶[4]。

由此可見，在對小學生進行數學教學的時候，要激發學生對數學的興趣和喜愛，利用具體形象的事物提高學生對抽象知識的吸收和消化能力，增強學生運用所學的數學知識解決實際問題的能力，實現教學目標。在日常的教學中，知識大多是書本上的概念，教師在進行教學的時候容易忽略學生對知識的體驗和感悟過程，導致學生在學習過程中的參與度不強，熱情度不高。將增強現實應用到數學上，可以為學生構建充滿沉浸感的學習環境，它的仿真和交互的特性可以在融合真實生活場景的前提下，將抽象的概念變為生動立體的內容呈現在教學場景中，同時增強現實豐富的交互手段，可以讓學生通過感官和交互去體驗學習內容，充分調動學生的學習熱情，提高學習興趣和學習效果。與此同時，基于增強現實的教育資源對于硬件設施的要求較低，這種低地域化甚至無地域化的特點，讓相對落后地區的學生也能享受到較為優質的教育資源，在一定程度上緩解了教育資源配置不均衡的問題[5]。

2 設計與開發

本文以數學人教版四年級下冊的《觀察物體二》為例，將手機作為移動端應用平臺，開發基于AR技術的小學數學輔助教學APP.

2.1 系統架構

依據小學數學課程目標和小學生身心發展特征，進行AR教學APP的功能分析，該系統應具備的主要功能包括：1)快速識別標識圖并調出立體模型，使立體模型疊加在真實場景中顯示；2)對立體模型進行交互操作，包括移動、縮放等；3)點擊相應的按鈕可以出現立體幾何即三視圖。根據AR教學系統的功能分析，其系統應由3個功能模塊構成，分別是模型顯示、模型交互和按鈕交互。功能模塊設計如圖1所示。

2.2 開發資源

該教學APP所用到的開發資源有硬件資源、軟件資源和媒體資源。學生所需的資源有智能手機、網絡和數學人教版4年級下冊課本。

1)硬件資源

AR所用到的硬件大致可分為可穿戴設備和不可穿戴設備兩類。目前出現的可穿戴設備主要有AR頭盔(如聯想推出的Mirage AR智能頭盔)、AR 眼鏡(如國內的亮風臺開發的HiAR眼鏡、谷歌發布的Google Glass增強現實眼鏡)。不可穿戴設備大致分為固定設備(電視機、個人電腦等)和移動設備(智能手機、平板電腦、筆記本電腦等)這兩種。出于經濟性和便攜性的考慮，本系統采用的開發平臺是可以聯網的PC，移動平臺是Android系統的智能手機。

2)軟件資源

本系統使用的開發環境是Unity。Unity是一個多平臺的綜合型開發工具，可以用來創作三維視頻游戲、實時三維動畫、Kinect體感開發和建筑可視化等。Unity是利用交互的圖型化開發環境為首要方式的軟件。其編輯器可以在Windows、Linux、Max OS X下運行，可發布軟件至Windows、iPhone、WebGL、Android平臺。Unity是一款主流的AR開發引擎，目前市面上超過60%的AR內容都是用它創建的。本系統采用的是Unity 2018.3.11版本，腳本環境是Unity自帶的MonoDevelop工具。

本系統使用的軟件開發工具包(SDK)是EasyAR SDK。EasyAR SDK是由上海視辰信息提出的一款SDK，它分為EasyAR Basic和EasyAR Pro兩個版本。其中，EasyAR Basic為免費SDK,可供開發者前期的了解和學習。EasyAR無需授權、無水印、無識別次數限制，可免費下載。它還具有強大的跨平臺支持特性，可支持Windows、Mac OS、Android等多個平臺。它能完整的支持Unity3D，具有多個目標識別、平面圖像實時識別、跟蹤、SLAM等多種功能，適合學習和研發。本系統使用的是Easy AR SDK v2.3.0版本。

3)媒體資源

系統需要用到的媒體資源有標識圖、3D模型以及各個模型三視圖的圖片。標識圖使用數學人教版4年級下冊教材《觀察物體(二)》的立體圖形(如圖2)，方便學生使用課本體驗AR內容。3D模型使用3ds Max2018制作，導出為.fbx格式。三視圖的圖片使用Adobe Photoshop CC 2017進行繪制，保存為.jpg格式。

圖2 課本標識圖

2.3 系統開發

根據AR教學APP的功能分析和系統架構，開發過程分為配置AR環境、3D建模、模型顯示與交互、打包發布四個步驟。

1)配置AR環境

第一步，登錄Unity官網下載Unity2018.3.11并安裝，注意Unity的安裝路徑不能出現中文字符。第二步，登錄EasyAR官網，下載EasyAR SDK 2.3.0 Basic for Unity3D(unitypackage)和EasyAR_SDK_2.3.0_Basic_Samples_Unity.第三步，在EasyAR官網注冊并登錄平臺，新建一個SDK license key.第四部，打開Unity，導入EasyAR SDK，打開HelloAR項目，填入申請的key，試運行成功，AR環境配置成功。

2)3D建模

建模對象是《觀察物體(二)》示例的兩個平面立體圖形，使用3ds Max為建模工具，在3ds Max中進行三維建模以及貼圖處理，依照教材上的顏色配置為三維模型搭配不同的色彩，吸引學生注意并便于區別，將模型保存為.fbx格式。

3)模型顯示與交互

將《觀察物體(二)》示例的兩個平面立體圖形作為標識圖，分別拖入StreamingAssets和Textures文件夾，并設置相關屬性參數。將格式為.fbx的模型導入項目中，設置模型的屬性參數，模型添加碰撞器Box Collider，調整碰撞器參數，并編寫cs腳本控制模型的移動和縮放。使用Unity自帶的UGUI為系統添加按鈕，使模型實現點擊按鈕顯示不同的三視圖的功能。

4)打包發布

打包成在Android平臺上發布的應用程序，需要先在PC端安裝Android的SDK包，并導入到Unity中。在Unity中選擇Building Settings中的Android平臺，并對Player Settings的各項進行設置。將key的Company Name，Product Name等依次填入，并設置其他選項。完成后選擇Build，完成apk的打包發布。

3 教學應用

在移動端安裝該APP后，用戶可以打開APP測試使用效果。用戶授權給APP調用手機攝像頭的權限，打開APP后將手機攝像頭對準課本上的平面立體圖形，APP識別到作為標識卡的圖形時，會在手機視頻中疊加顯示與課本圖形對應的3D立體模型和代表學生觀察位置的卡通小人(如圖3(a)所示)，用戶可以對3D模型進行移動和縮放的操作，并且通過轉動手機對模型進行360°觀察，以便更好地看到模型的每個面(如圖3(b)所示)。APP下方有四個按鈕，點擊按鈕，分別可以出現主視(圖4(a))、左視(圖4(b))、俯視(圖4(c))模型和還原初始模型的效果，例如，點擊“從上面看”按鈕，APP會改變3D立體模型上面的顏色，出現卡通眼睛指向上面，提示學生觀察的方向，并且被觀察面不斷發光并閃爍，吸引學生注意。學生點擊還原按鈕，模型被還原到初始狀態，卡通眼睛消失，讓學生重新在沒有輔助提示的情況下觀察物體進行獨立想象。

(a)顯示模型

(b)縮放和移動

(a)主視

(b)左視

(c)俯視

4 結論

本文將增強現實技術引入小學數學教學，開發了以Android移動終端為平臺的增強現實數學教學輔助APP，意在促進學生空間感的培養，激發學生學習數學的熱情。該系統將小學課本中的平面圖與虛擬的三維模型結合起來，使學生可以方便、自覺地進行三視圖的學習。同時該系統中的交互操作不僅能有效提高教學質量，還使數學變得生動有趣，提升了數學課程的吸引力。但本文還有待進一步完善，例如怎樣設計符合小學生身心特點的交互界面，如何容納更多的功能模塊使之成為完整的小學數學教學輔助系統，這些都有待進一步的開發和研究，從而推動增強現實技術在小學數學教學上的發展。