一種基于增強現(xiàn)實的小學(xué)數(shù)學(xué)輔助學(xué)習(xí)APP的設(shè)計與實現(xiàn)

康藝旋，華尉然，童 強,2，杜雙云

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

0 引言

近年來，信息技術(shù)的飛速發(fā)展不斷推動著教育的變革和創(chuàng)新。通過“互聯(lián)網(wǎng)+教育”的模式，推動教育均衡發(fā)展，打造學(xué)習(xí)型社會已成為教育發(fā)展的新趨勢。在此背景下，增強現(xiàn)實作為一種新興的交互技術(shù)，在教育領(lǐng)域有著很大的發(fā)展?jié)摿蜋C遇。增強現(xiàn)實(Augmented Reality，簡稱AR)，也被稱為擴增現(xiàn)實，它是把原本在現(xiàn)實世界的一定時間空間范圍內(nèi)很難體驗到的實體信息(視覺、聲音等)采用一定的科學(xué)技術(shù)模擬仿真后，將虛擬信息疊加應(yīng)用到真實世界，被人類感官所感知，從而達到超越現(xiàn)實的感官體驗[1]。將增強現(xiàn)實技術(shù)運用到教育中可以實現(xiàn)抽象內(nèi)容形象化，為學(xué)習(xí)者創(chuàng)設(shè)一個真實的學(xué)習(xí)環(huán)境，以激發(fā)學(xué)習(xí)者的興趣并吸引其注意力。利用增強現(xiàn)實技術(shù)進行小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)有助于培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力、思維能力和理解能力，激發(fā)學(xué)習(xí)的興趣。

本文設(shè)計了一種基于移動端的小學(xué)數(shù)學(xué)輔助教學(xué)APP，用戶通過掃描課本上的平面模型，在手機上呈現(xiàn)出對應(yīng)的3D立體模型，通過一定的交互操作，幫助學(xué)生進行初步的立體幾何學(xué)習(xí)，培養(yǎng)學(xué)生的空間想象力，提高學(xué)生的空間感知能力。

1 小學(xué)數(shù)學(xué)與增強現(xiàn)實

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

小學(xué)階段學(xué)生的身心發(fā)展也分為兩個階段：低學(xué)段的學(xué)生以具體形象思維為主，很難進行抽象思考，學(xué)習(xí)中需要借助具體的事物和情境來輔助學(xué)習(xí)，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(dǎo)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(fā)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(jīng)驗相關(guān)聯(lián)，并且注意水平有限，仍然需要教師通過提升學(xué)習(xí)興趣吸引學(xué)生的注意和進行記憶[4]。

由此可見，在對小學(xué)生進行數(shù)學(xué)教學(xué)的時候，要激發(fā)學(xué)生對數(shù)學(xué)的興趣和喜愛，利用具體形象的事物提高學(xué)生對抽象知識的吸收和消化能力，增強學(xué)生運用所學(xué)的數(shù)學(xué)知識解決實際問題的能力，實現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)。在日常的教學(xué)中，知識大多是書本上的概念，教師在進行教學(xué)的時候容易忽略學(xué)生對知識的體驗和感悟過程，導(dǎo)致學(xué)生在學(xué)習(xí)過程中的參與度不強，熱情度不高。將增強現(xiàn)實應(yīng)用到數(shù)學(xué)上，可以為學(xué)生構(gòu)建充滿沉浸感的學(xué)習(xí)環(huán)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?yōu)樯鷦恿Ⅲw的內(nèi)容呈現(xiàn)在教學(xué)場景中，同時增強現(xiàn)實豐富的交互手段，可以讓學(xué)生通過感官和交互去體驗學(xué)習(xí)內(nèi)容，充分調(diào)動學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情，提高學(xué)習(xí)興趣和學(xué)習(xí)效果。與此同時，基于增強現(xiàn)實的教育資源對于硬件設(shè)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(qū)的學(xué)生也能享受到較為優(yōu)質(zhì)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(shè)計與開發(fā)

本文以數(shù)學(xué)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(yīng)用平臺，開發(fā)基于AR技術(shù)的小學(xué)數(shù)學(xué)輔助教學(xué)APP.

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

依據(jù)小學(xué)數(shù)學(xué)課程目標(biāo)和小學(xué)生身心發(fā)展特征，進行AR教學(xué)APP的功能分析，該系統(tǒng)應(yīng)具備的主要功能包括：1)快速識別標(biāo)識圖并調(diào)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(yīng)的按鈕可以出現(xiàn)立體幾何即三視圖。根據(jù)AR教學(xué)系統(tǒng)的功能分析，其系統(tǒng)應(yīng)由3個功能模塊構(gòu)成，分別是模型顯示、模型交互和按鈕交互。功能模塊設(shè)計如圖1所示。

2.2 開發(fā)資源

該教學(xué)APP所用到的開發(fā)資源有硬件資源、軟件資源和媒體資源。學(xué)生所需的資源有智能手機、網(wǎng)絡(luò)和數(shù)學(xué)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(shè)備和不可穿戴設(shè)備兩類。目前出現(xiàn)的可穿戴設(shè)備主要有AR頭盔(如聯(lián)想推出的Mirage AR智能頭盔)、AR 眼鏡(如國內(nèi)的亮風(fēng)臺開發(fā)的HiAR眼鏡、谷歌發(fā)布的Google Glass增強現(xiàn)實眼鏡)。不可穿戴設(shè)備大致分為固定設(shè)備(電視機、個人電腦等)和移動設(shè)備(智能手機、平板電腦、筆記本電腦等)這兩種。出于經(jīng)濟性和便攜性的考慮，本系統(tǒng)采用的開發(fā)平臺是可以聯(lián)網(wǎng)的PC，移動平臺是Android系統(tǒng)的智能手機。

2)軟件資源

本系統(tǒng)使用的開發(fā)環(huán)境是Unity。Unity是一個多平臺的綜合型開發(fā)工具，可以用來創(chuàng)作三維視頻游戲、實時三維動畫、Kinect體感開發(fā)和建筑可視化等。Unity是利用交互的圖型化開發(fā)環(huán)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(fā)布軟件至Windows、iPhone、WebGL、Android平臺。Unity是一款主流的AR開發(fā)引擎，目前市面上超過60%的AR內(nèi)容都是用它創(chuàng)建的。本系統(tǒng)采用的是Unity 2018.3.11版本，腳本環(huán)境是Unity自帶的MonoDevelop工具。

本系統(tǒng)使用的軟件開發(fā)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(fā)者前期的了解和學(xué)習(xí)。EasyAR無需授權(quán)、無水印、無識別次數(shù)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(biāo)識別、平面圖像實時識別、跟蹤、SLAM等多種功能，適合學(xué)習(xí)和研發(fā)。本系統(tǒng)使用的是Easy AR SDK v2.3.0版本。

3)媒體資源

系統(tǒng)需要用到的媒體資源有標(biāo)識圖、3D模型以及各個模型三視圖的圖片。標(biāo)識圖使用數(shù)學(xué)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(xué)生使用課本體驗AR內(nèi)容。3D模型使用3ds Max2018制作，導(dǎo)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(biāo)識圖

2.3 系統(tǒng)開發(fā)

根據(jù)AR教學(xué)APP的功能分析和系統(tǒng)架構(gòu)，開發(fā)過程分為配置AR環(huán)境、3D建模、模型顯示與交互、打包發(fā)布四個步驟。

1)配置AR環(huán)境

第一步，登錄Unity官網(wǎng)下載Unity2018.3.11并安裝，注意Unity的安裝路徑不能出現(xiàn)中文字符。第二步，登錄EasyAR官網(wǎng)，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(wǎng)注冊并登錄平臺，新建一個SDK license key.第四部，打開Unity，導(dǎo)入EasyAR SDK，打開HelloAR項目，填入申請的key，試運行成功，AR環(huán)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(xué)生注意并便于區(qū)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(biāo)識圖，分別拖入StreamingAssets和Textures文件夾，并設(shè)置相關(guān)屬性參數(shù)。將格式為.fbx的模型導(dǎo)入項目中，設(shè)置模型的屬性參數(shù)，模型添加碰撞器Box Collider，調(diào)整碰撞器參數(shù)，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(tǒng)添加按鈕，使模型實現(xiàn)點擊按鈕顯示不同的三視圖的功能。

4)打包發(fā)布

打包成在Android平臺上發(fā)布的應(yīng)用程序，需要先在PC端安裝Android的SDK包，并導(dǎo)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(shè)置。將key的Company Name，Product Name等依次填入，并設(shè)置其他選項。完成后選擇Build，完成apk的打包發(fā)布。

3 教學(xué)應(yīng)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(quán)給APP調(diào)用手機攝像頭的權(quán)限，打開APP后將手機攝像頭對準(zhǔn)課本上的平面立體圖形，APP識別到作為標(biāo)識卡的圖形時，會在手機視頻中疊加顯示與課本圖形對應(yīng)的3D立體模型和代表學(xué)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(zhuǎn)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(xiàn)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(xiàn)卡通眼睛指向上面，提示學(xué)生觀察的方向，并且被觀察面不斷發(fā)光并閃爍，吸引學(xué)生注意。學(xué)生點擊還原按鈕，模型被還原到初始狀態(tài)，卡通眼睛消失，讓學(xué)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(jié)論

本文將增強現(xiàn)實技術(shù)引入小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)，開發(fā)了以Android移動終端為平臺的增強現(xiàn)實數(shù)學(xué)教學(xué)輔助APP，意在促進學(xué)生空間感的培養(yǎng)，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)的熱情。該系統(tǒng)將小學(xué)課本中的平面圖與虛擬的三維模型結(jié)合起來，使學(xué)生可以方便、自覺地進行三視圖的學(xué)習(xí)。同時該系統(tǒng)中的交互操作不僅能有效提高教學(xué)質(zhì)量，還使數(shù)學(xué)變得生動有趣，提升了數(shù)學(xué)課程的吸引力。但本文還有待進一步完善，例如怎樣設(shè)計符合小學(xué)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(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)輔助系統(tǒng)，這些都有待進一步的開發(fā)和研究，從而推動增強現(xiàn)實技術(shù)在小學(xué)數(shù)學(xué)教學(xué)上的發(fā)展。