基于Unity3D的初中生物AR交互式教學軟件的設計與實現

摘" 要：增強現實（AR）技術憑借其獨特的實時交互能力和在3D視頻空間中添加虛擬物體的優勢，已成為眾多研究領域的熱點。深入分析當前中小學生物教學中多媒體教學方式的局限性，將AR技術引入生物教學。依據教學媒體的教育性、交互性和易用性等設計理念，基于Unity3D開發平臺，設計并實現了一款名為“人體八大系統”的AR交互式教學軟件，讓學生在虛實融合的學習情境中主動建構知識，促進AR技術在生物課程教學中的應用。

關鍵詞：AR技術；Unity3D；AR交互式教學軟件

文章編號：1671-489X（2025）07-00-04

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.07.0

0" 引言

教學媒體的開發利用在塑造學生與教師的學習和教學體驗方面發揮著關鍵作用，包含各種數字學習資源、互動平臺和教學內容的教學應用軟件已成為數字化教育轉型的關鍵參與者[1]。生物學科中存在很多難以想象卻又缺乏直接經驗支持的微觀現象和無法直接觀察的抽象模型[2]，在傳統生物教學過程中，教師通常借助多媒體展示幫助學生更好地理解復雜、抽象的知識內容，但基于PPT的文本、圖像等二維平面教育環境，無法建構出三維交互的場景，難以給予學生直觀且真實的感知體驗。增強現實（AR）技術可以將復雜、抽象的教學內容可視化呈現，以三維模型或動畫方式疊加到真實場景中進行展示，從而改進傳統教學資源在傳達信息方面參與度和有效性的不足，幫助學生準確理解所學內容。

為探索AR技術與生物教學結合的思路，拓展和補充數字化教學手段，本文運用Unity3D開發引擎，以人教版初中七年級生物人體八大系統教學內容為例，設計和實現AR交互式教學軟件，并總結提煉設計與開發原理，為今后AR教學資源的開發提供可參考的意見與方向。

1" AR教學軟件及AR技術在生物教學中的應用

1.1" AR教學軟件

增強現實（AR）技術通過在現實環境添加虛擬信息來構建虛實融合的場景。它不僅可以添加3D對象、文本、圖像等虛擬信息，還能嵌入流媒體視頻和游戲元素，并提供簡單的交互功能[3]。這種技術通過虛實結合的方式，顯著改善了學生的學習體驗。因此，AR技術具有真實與虛擬相結合、實時交互和可三維執行三個主要特點[4]。目前，基于智能移動設備的AR技術因其易于普及和良好的交互性脫穎而出，成為AR最普遍的展現方式[5]，主流的AR識別應用包括蘋果的ARKit、谷歌的ARCore和高通的Vuforia等，這些工具為移動AR系統軟件的開發提供了便捷的平臺。AR教學軟件是指利用AR技術開發的、用于教學活動的數字化應用程序。它能夠擴展學生的感知范圍、提升學習體驗，并且可以在多種設備上靈活使用。AR教學軟件在促進教學和學習方面展現出巨大潛力，正逐漸成為下一代人機交互技術發展的主要方向[6]。

1.2" AR技術在生物教學中的應用

AR技術因其獨特的沉浸式和變革性學習體驗，吸引了眾多教育研究者的關注。研究表明，AR技術在生物學實驗模擬、三維生物結構展示等方面具有顯著優勢。例如，通過AR技術將人體器官轉化為3D模型，學生可以近距離觀察并交互操作，從而更深入地理解復雜人體器官的結構與功能；借助細胞結構的AR教學軟件，可以突破傳統課堂探究實驗客觀條件的局限[7]；此外，AR技術可以將數字圖像疊加到紙質教科書中，使教材內容更生動有趣[8]。實踐研究也驗證了基于 AR 技術的交互式學習媒體在生物教學活動中具有多方面的積極影響，包括降低認知負荷、增強抽象概念可視化效果、提升學習動機和提供引人入勝的學習體驗[9]，從而證實了AR教學軟件作為一種有效學習工具的可行性。

然而，盡管已有研究對 AR 技術在生物教學中的應用潛力進行了探索，但其在一線教學實踐中的應用仍較為有限。一方面，面向中小學生物教學的AR應用相對較少；另一方面，現有的AR產品在內容質量與用戶體驗方面仍存在不足，如部分媒體展示型AR教學軟件的交互性不強而導致無效使用等，值得進一步研究和探索。

2" AR交互式教學軟件的設計

2.1" 需求分析

本研究面向七年級學生。該階段的學生剛剛開始接觸生物課程，經過一個學期的學習，已具備一定的生物基礎知識。然而，學生之間的學習能力存在差異，尤其在邏輯思維和抽象思維能力方面仍顯不足。因此，本研究選取人體八大系統知識作為案例對象。這一知識體系復雜，涵蓋諸多人體內部器官的結構和功能特點。基于此，本研究開發的AR教學軟件由運動系統、消化系統、呼吸系統、泌尿系統、生殖系統、循環系統、內分泌系統和神經系統八個模塊組成。

在對現有AR平臺的適用性、設備需求等多方面進行比較后，本研究選擇Unity3D作為開發平臺，并以 Vuforia 插件作為AR識別的技術支撐。在教學過程中的實驗探究環節，開展AR應用實踐。通過將多媒體課件與虛擬教學資源相結合，學生可以在手機或平板終端掃描課件，實現屏幕顯示的3D模型與觸摸指令之間的交互。將生成的虛擬模型可視化地應用于實際教學，幫助學生掌握人體八大系統的結構和功能，理解各系統之間的關聯與協調作用，激發學生探究人體奧秘的興趣。

2.2" 設計理念

基于Unity3D開發的AR交互式教學軟件能夠實現真實場景與虛擬場景的無縫疊加。學生可以在這種虛實融合的學習情境中主動參與并構建自己的知識體系，深刻體會到“學習是一種真實情境的體驗”。在建構主義學習理論的指導下，本研究開發的AR初中生物教學軟件遵循以下設計理念：以學生主體性為原則，增強學習體驗的互動性；綜合運用各類媒體優勢，打造界面美觀實用、操作簡便的人機交互式教學軟件。該軟件旨在激發學生的學習興趣和積極性，為教師更有趣、更深入地講解學習主題提供輔助。

2.3" 總體設計

基于前期的需求分析和設計理念，AR初中生物交互式教學軟件的設計分為場景模型設計、邏輯流程設計、功能模塊設計和人機交互設計四個方面，總體架構如圖1所示。

1）場景模型設計主要包括UI界面設計、多媒體素材設計和三維立體模型設計。UI界面應保持風格統一，同時做到美觀實用，以符合青少年的使用習慣。多媒體素材主要包括識別圖等圖片和音頻素材的制作與處理，這些素材是構建AR場景的基礎。對實際教學中使用的三維立體人體系統模型，要求其既真實美觀又具有較高的視覺效果，但建模工作量較大。因此，本研究選用的模型是從3D模型資源網站下載的。下載后，先將模型導入3Dmax軟件并轉換為FBX格式，最后將FBX格式的模型導入Unity3D中進行進一步開發。

2）邏輯流程設計主要包括場景切換機制和程序基本設置。場景切換主要涉及導航主頁面與AR識別場景之間的切換。程序基本設置包括對程序音量大小的調節、返回與退出機制。用戶可以通過調節音量進度條控制聲音的大小；點擊返回按鈕可以返回導航主頁面，點擊退出按鈕則退出應用。

3）功能模塊設計由知識演示模塊和知識拓展模塊構成。當程序跳轉進入AR場景界面后，學生通過設備掃描識別圖，成功后將在識別圖周圍的真實世界生成3D人體系統模型。在知識演示模塊中，學生可以與3D模型進行交互，直觀地觀察和了解人體系統及其組成結構。知識拓展模塊則為學生提供解釋說明或提示幫助。學生雙擊三維卡通人物，可展開具體文字說明并自動播放相應的配音解說。

4）人機交互設計：為了輔助學生全方位地觀察和學習，軟件支持一系列手勢操作來控制屏幕上顯示的3D對象。學生可以通過單擊、雙擊、手指縮放和左右滑動等操作，突出模型結構的三維立體感，從而為學生營造沉浸式的學習環境。

3" AR交互式教學軟件的開發與實現

3.1" 開發流程

AR交互式教學軟件的實現流程可以分為三個階段：識別現實、增強現實和虛實互動[10]。識別現實階段的主要任務是選定識別圖并提取圖像特征；增強現實階段重點是對不同資源類型進行設計、制作和整合；虛實互動階段主要是為AR資源設置恰當的互動形式。基于這一流程，本研究開發的“人體八大系統”AR交互式教學軟件具體流程如圖2所示。

3.1.1" 開發環境配置

注冊賬號并登錄官方網站下載Unity Hub安裝包，選擇合適的版本進行安裝并獲取個人Unity Hub許可證。

打開Vuforia官網下載Vuforia AR引擎插件，將AR引擎導入Unity3D，在Unity3D中新建場景添加AR camera。接著進入Vuforia官網注冊賬號并登錄，將獲得的個人Unity Hub許可證粘貼到工程的App License Key里面即可。

3.1.2" 識別現實

在Vuforia資源管理平臺中創建數據庫，通過該平臺將識別圖等素材文件導入數據庫中，并調整相關數值增強識別效果。

3.1.3" 增強現實

下載Vuforia數據包，并將其導入Unity3D場景中。將準備好的三維立體模型添加到場景中，并設置相機方向、光照系統等一系列初始參數，將模型平行置于AR識別圖前。根據教學內容的需求，通過添加組件分別為人體系統的各個組成部分添加相應的注釋性文字說明。

3.1.4" 虛實互動

在Unity3D中通過添加組件、編寫并掛載C#腳本以及設置參數，實現模型控制交互功能，如場景跳轉、物體的縮放和旋轉等。

3.1.5" 發布與測試

在Unity Hub中勾選Android Build Support并完成安裝，創建Android平臺并設置相關屬性參數。在發布時，將工程數據封裝并導出為基于Android系統的APK安裝包。使用安卓移動設備運行導出的APK安裝包，檢查AR功能是否正常運行，確保應用程序的穩定性和用戶體驗。

3.2" 關鍵功能的實現

3.2.1" AR識別功能的實現

AR識別功能主要通過Vuforia AR引擎實現。用戶可以在Vuforia網站上注冊賬號、創建云數據庫并管理標記。

該平臺以圖片作為識別標記，將識別出的圖像目標對象映射為相應的虛擬3D模型。其實現機制是：從上傳至Vuforia資源管理平臺的圖像中提取特征點數據，并將其存儲到數據庫中。當AR應用程序運行時，實時檢測圖像的特征點，并與數據庫中的特征點進行匹配。一旦識別出相應結果，應用預定義的配置調整模型的大小、位置和光照，并將模型顯示在屏幕上。

結合AR的實際應用場景，本研究選擇教材插圖作為掃描使用的識別圖。掃描后生成的三維立體模型與插圖中的人體器官結構及名稱相對應。在Vuforia資源管理平臺上查看上傳的識別圖評分，均達到了四星或五星，這表明插圖的識別效果良好。

本研究開發的AR交互式教學軟件共需要八個Vuforia數據包。按照AR識別圖的制作步驟，依次完成各插圖的制作，并下載數據包導入創建的 Unity 項目中。

3.2.2" AR場景的創建

本研究利用Unity3D構建了AR交互式教學軟件的AR掃描識別場景，該場景包含知識點演示區和知識拓展區，通過AR Camera識別圖片實現模型的交互展示，如圖3所示。在Unity中新建場景，選擇Vuforia Augmented Reality來搭建AR場景，拖入AR Camera，并將相應的三維模型添加到場景中，使其與識別圖建立關聯。修改相關參數后，通過添加面板和文字來制作知識點，從而完成一個簡單的AR場景構建。

知識拓展區由字幕和卡通人物形象組成。首先，載入三維卡通人物模型，并在其下建立一個Canvas組件，用于添加代碼腳本。在Canvas組件下再添加一個Image組件用于展示文字，調整其大小和位置，使其與三維模型的y軸平行。在TMP組件中輸入需要展示的解釋性文字內容。同時，采用觸屏雙擊的交互方式來打開或關閉該模塊。通過在字幕和卡通人物模型上掛載同一代碼腳本，并設置其可見性狀態為顯示或隱藏，進而編寫并調用腳本代碼函數來控制卡通人物解說音頻的播放。

3.2.3" 旋轉、縮放等交互功能的實現

與PPT和三維動畫視頻教學資源不同，AR教學資源能夠在現實環境中添加虛擬物體對象，實現學生與教學場景的交互。為了讓學生能夠在移動設備上更清晰地觀察模型并進行交互操作，需要為模型添加相應的代碼。模型的旋轉和縮放等手勢交互功能主要通過在Unity3D平臺中編寫代碼來實現。在腳本文件夾中新建一個C#腳本文件，其中旋轉功能通過Rotate（）函數實現，可以設置參數使模型繞自身x軸、y軸或z軸旋轉；縮放功能通過localScale（）函數實現，主要通過比較手指停留的起始位置和結束位置之間的距離來放大或縮小模型。

4" 結束語

AR技術可以實現虛擬增強信息和真實場景信息的疊加和補充，為當前生物課程教學資源的開發提供了新的途徑。針對生物傳統多媒體教學方式的局限性與現有AR教學應用軟件的不足，本研究通過AR技術與多媒體課件相融合，實現在生物課堂實際教學環境中虛擬人體系統的3D可視化和交互操作，從而達到多元化、高效的課程教學目的。AR教學軟件的設計與開發仍有很大的發展空間，下一步可以在多學科融合與交互功能的拓展方面進行更深入的研究。

5" 參考文獻

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