基于移動AR的可視化教學案例設計

吳珍珍 朱峰

摘要：為了讓學生更好地理解程序設計類課程的重要知識點，將增強現實（AR）技術融入可視化教學，利用Unity結合Vuforia設計了一個基于移動AR應用的教學案例。首先需要依據課程內容設計好案例，完成AR開發環境的安裝與配置，最后實現圖片識別和音視頻添加等功能。實踐表明案例的運用可以幫助學生加深對知識點的理解，為知識點解析的可視化提供有益參考。

關鍵詞：增強現實（AR）;可視化教學;Unity;Vuforia

中圖分類號：TP311 ? ? ? ?文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2021）31-0155-02

Visual Teaching Case Design Based on Mobile AR

WU Zhen-zhen1， ZHU Feng2

（1.College of Information Science and Engineering， Hunan Women's University， Changsha 410004， China; 2.CINF Engineering Corporation Limited Changsha， Changsha 410019， China）

Abstract： With the rapid development of augmented reality （AR） technology， it has been widely used in various fields. In this paper， augmented reality technology is integrated into the knowledge points of programming courses， a teaching case based on mobile AR application is designed and implemented by Unity and Vuforia. First， we need to design cases according to the course content， complete the installation and configuration of AR development environment， and finally realize the functions of image recognition and audio and video addition. Practice shows that the application of cases can help students deepen their understanding of knowledge points and provide useful reference for the visualization of knowledge point analysis.

Key words： augmented Reality （AR）; visual teaching; Unity; Vuforia

“可視化”其實已不是一個新名詞，其應用由來已久。作為教育領域關注的一個熱點，涉及的方向主要有知識可視化、思維可視化和可視化教學設計等。華東師范大學的劉濯源研究員指出只要將可視化技術應用于教學過程中都可稱為可視化教學[1]。從傳統課堂的黑板、幻燈片到如今的電子白板甚至是基于物聯網的智慧教室系統，都屬于可視化教學的范疇。增強現實（AR）技術具有獨特的呈現方式，與教育相結合將會產生一種特別的個性化教學模式，這種人機互動教學帶來的趣味可以提高學生的學習興趣和自主性，也更符合學生的學習特點，從而實現教育質量的提升[2]。事實上，已經有很多人在這方面做了不少探索，并提出了一些實用的方案，如把移動設備增強現實技術應用到與書本的交互中，基于Unity的教育教輔應用系統等[3-5]，可以為書本帶來新的內容呈現方式，為教育教學活動提供全新的互動體驗，新媒體新技術的支持為教學案例和內容的開發設計提供了無限可能。

1 相關技術介紹

1.1 增強現實技術

隨著各類基礎技術的不斷突破，人工智能、物聯網更加普及，VR、AR成為了當今世界最炙手可熱的新興技術，已經獲得了廣泛關注和認可，并且已經變得越來越觸手可及。AR既能通過將虛擬信息疊加到現實環境來增強人們對現實環境的理解和感知，又能借助現實環境的信息模型來增強用戶體驗虛擬物體的真實感，在各大領域都有了廣泛應用包括交通、教育、醫療、社交等等，其中教育類應用受關注度比較高[6-8]。目前AR技術的教學應用主要體現在利用AR作為教具、增強教學情境或增強課堂教學的知識表達等方面，隨著虛擬現實、增強現實時代的到來，課堂也將迎來可視化教學的新篇章。

1.2 AR產品分類

根據運行軟件終端類型，AR一般分為PC端的AR產品、移動終端AR產品和AR眼鏡幾大類。其主要應用場景也分別有所不同，PC端的AR主要用于直播互動，如AR衣櫥、直播游泳比賽等;移動終端產品多用于教育、導航之類，典型的如國內起步較早的小熊尼奧系列、AR涂涂樂系列，百度地圖的AR實景導航等;AR眼鏡的功能比較豐富，更貼合用戶視覺舉例，但是生活學習還需要單獨購買配置設備，由于介入成本較高，市場普及程度較低。AR手機憑借其便捷的使用度和交互性，普及程度較高，我們選擇設計的案例也屬于移動端AR應用，學生只需要帶了手機即可參與使用。

2案例的具體實現

2.1案例策劃

對于一些程序設計類課程，如面向對象程序設計、JSP程序設計、移動開發技術等，很多學生反映其中有知識點較難理解，沒聽懂老師講課內容，從而逐漸失去了對這些課程的興趣，或是對這些知識點理解不是十分深刻，等自己實操時不會運用。本文接下來將以講解輸入輸出流為例，利用Unity+ Vuforia實現一個移動AR應用案例作為例子介紹其在可視化教學中的應用，它能夠讓手機在掃描到識別圖時在屏幕上顯示特定的3D模型，同時播放與之相應的課程內容知識點講解，甚至播放相關的視頻片段，在移開識別圖時暫停播放講解，并且在再次掃描到識別圖時從上次暫停的地方繼續播放，從而激發學生的學習興趣以及加深學生對知識的理解。

2.2 素材準備

依據課程教學內容選擇合適的案例，再根據案例需求準備相應的素材文件如需要識別的圖片文件，識別以后要顯示的3D模型，需要播放的背景音樂、音效或視頻文件等，因此素材準備主要包括以上幾部分內容。為了更貼合教學內容和使用習慣，我們遴選了多種識別圖片，包括二維碼、文字、理論圖及類比實物圖，從應用廣度及內容廣度、系統識別難度等方面比較得出選擇類比實物圖，另外考慮到輸入輸出是程序設計類課程中一個重要的知識點且學生對此容易混淆使用，案例選擇識別的圖片為一幅包含打印機及輸入輸出字樣的平面圖，3D模型是在Unity官方資源商店獲取的3D打印機，同時錄制了音頻，也準備了和課程內容相應的視頻講解。

2.3 AR開發環境的安裝與配置

首先需要根據自己個人計算機的類型選擇性的安裝如基于Windows平臺的Unity軟件。在安裝時，建議根據需要選擇勾選Android、iOS和Vuforia等組件。第一次運行安裝好的Unity需要登錄，所以還需到其官網注冊一個賬號并激活才能使用。Vuforia作為常用的增強現實SDK之一，在移動平臺包括安卓和IOS都有非常好的兼容性，要使用Vuforia開發AR應用，也需要一個Vuforia開發者帳號。通過該帳號才可以使用許可證管理器和目標管理器，并且可以下載它的SDK和示例。因為在Unity2018之后對AR開發進行了集成，所以只需要在安裝Unity2018及之后的版本時默認勾選AR開發選項即可，不需要像之前版本那樣將Vuforia作為插件使用。登錄成功的用戶，點擊develop標簽可以看到有兩個選項卡，分別為License Manager和Target Manager，其中License Manager用來管理密鑰，當點擊該選項卡下的Get Development Key按鈕，確認接受協議后即可獲取密鑰Key，然后將密鑰復制到本地供后期開發使用。沒有正確的key，程序將無法運行。

2.4 圖片識別

其主要步驟如下，新建一個Unity項目，設置集成開發環境，需要點擊player settings，在右側的Inspector屬性面板找到并勾選Vuforia Argumented復選框。然后再添加ARCamera，即導入vuforia攝像機同時關閉場景中的主攝像機。然后配置Vuforia Configuration，將之前準備好的密鑰復制到相應的輸入框。接著需要使用Vuforia來生成識別圖的特征數據庫。繼續登錄Vuforia官網選擇devlelop下的target Manager，可以看到添加數據庫的按鈕，點擊以后填寫輸入識別圖片庫名稱，類型選擇默認即可。數據庫加載成功后，就可以點擊該數據庫名和add target添加識別對象了。添加類型選擇單個圖片，File選項選擇瀏覽添加本教學案例事先準備好的圖片文件，注意只能是jpg和png格式，Width中輸入識別圖片的寬度，Name中輸入圖片的名字，最好是英文，默認為圖片文件名，之后如果要用代碼來控制對象的話就是用這個名字，所以最好取一個有意義的名字。上傳完后，就可以看到上傳圖片的情況。其中圖片的星級很重要，有5個星級，從五顆星依次向下排序，如小于3顆星的圖片，識別可能會比較困難，如下圖所示。

上圖中單擊download database按鈕可以下載識別圖的資源包文件。此時再切換到Unity工作窗口，單擊菜單欄Asset中的Import可將剛下載的資源包文件導入，將圖片目標對象及以后要顯示的3D對象添加到場景，調整對象大小和位置，并將圖片對象數據庫設置好，就可以調整ARCamera攝像機進行測試了，如圖2所示。之后，就可以發布到安卓或者IOS平臺。

2.5音視頻的添加

相對于簡單的3D模型，炫酷的視頻和動人的音樂播放展示更加能吸引人。Unity支持不同類型的音視頻格式，常見的如MOV、MPG、MP4、ASF等類型的文件都可以。在之前步驟的基礎上，包括先把Unity AR開發環境配置好，導入圖片和數據，取消主攝像機的使用等，同時調整AR攝像機使其照射全景。接下來再將事先準備好的音視頻文件導入，導入機制和導入其他素材文件一樣，只要把文件由所在計算機中的位置將其拖拽進來即可。如果添加的是音頻文件，即播放相應的知識點講解的話，還需要單擊組件component下的Audio，同時添加音頻偵聽器和音頻源。對于視頻文件，我們采取了先添加一個游戲對象如plane創建平面作為目標對象的子物體，然后將視頻資源掛在視頻播放器Video Player上，注意不要勾選Loop設置視頻循環播放，同時利用官網默認實例腳本稍作簡單修改并將新腳本掛載在plane上即可由程序代碼控制視頻的播放。

3 結束語

本文主要以程序設計類課程的知識點講解為例，利用增強現實技術實現了一個基于unity+vuforia的移動AR應用教學案例，學生通過移動設備手機掃描平面圖片即可看到相應的3D模型圖，同時可查收到課程知識點的分析講解甚至播放相關的視頻片段。學生掃描的圖片可以是純文字可以是純圖，也可以是文字加圖片的形式，掃描后出現的知識點的多元化解讀方式，任課教師都可根據教學內容自行選擇和隨時調整，應用此案例不僅可以幫助學生加深對知識點的理解，提高學生的學習興趣和主動性，也延伸和拓展了傳統平面媒體的知識承載形式，提供了一種新型的學習交互方式，為知識點解析的可視化提供有益參考。

參考文獻：

[1] 劉濯源.思維可視化與教育教學的有效整合[J].中國信息技術教育，2015（21）：5-7.

[2] 李婷婷，等.Unity AR增強現實開發實戰[M].北京：清華大學出版社，2020.

[3] 鄒優嘉.移動設備增強現實技術與書本交互的應用[J].計算機技術與發展，2013，23（8）：227-229，233.

[4] 張櫨月.基于Unity3D的教育教輔應用系統設計與實現[D].北京：北京印刷學院，2020.

[5] 陳豪，張先增.基于增強現實的教育應用設計與制作[J].長春師范大學學報，2021（40）：52-59. [6] 陳向東，張茜. 基于增強現實的教學演示[J].中國電化教育，2012（9）：102-105，123.

[7] 馮建平，王軍.虛擬現實和增強現實技術及其教育應用研究[J].無線互聯科技，2018，15（7）：89-90.

[8]胡家誠.基于增強現實技術的高中地理可視化教學實踐研究[D].沈陽：沈陽師范大學，2021.

【通聯編輯：梁書】

收稿日期：2021-07-12

基金項目：湖南省教育廳科學研究資助項目“基于AR的高校數字校園應用研究”（編號：17C0797）;教育部高教司產學合作協同育人項目“移動開發技術課程中CBL教學模式的應用與實踐”（編號：201901050007）

作者簡介：吳珍珍（1981—），女，主要研究方向為計算機應用;朱峰（1978—），男，主要研究方向為企業信息化。