基于AR技術的初中生物教學應用研究

況 揚，曾 嬪

（江西科技師范大學研究生院，南昌 330038）

0 引言

數字化轉型的大背景下，新課改強調課堂教學要培養(yǎng)學生的核心素養(yǎng)，突出學生主體地位，滿足學生多樣化需求。因此，先進的科技手段與教育相結合，優(yōu)化教學方法和教學手段，堅持與時俱進，是當今課堂教學發(fā)展必然趨勢。隨著信息科技的迅速發(fā)展，虛擬現實技術和增強現實技術在教學中的應用逐漸多樣化。增強現實技術（augmented reality, AR），是通過電腦等技術手段，將視覺、聽覺、觸覺等信息進行模擬仿真，應用到真實世界，將真實世界和虛擬實物疊加到同一畫面的空間中，實現“虛實結合”達到超越現實的感官體驗［1］。增強現實是對現實的補充，而不是通過將虛擬世界的一部分與現實世界的三維（3D）相結合來完全替代現實［2］。增強現實技術應用到生物教學中，學生觀摩和操作3D 模型了解萬事萬物的外表和內在特征，有助于初中生形象思維過渡到抽象思維。初中生物教學中，從傳統(tǒng)圖片轉化成3D 模型，比如人體、動物、植物、細胞等。學生可以360°觀看模型，拓展學生空間思維，豐富想象力，體驗沉浸感。因此，本文選用初中生物《鳥》的例子開發(fā)增強現實技術教學資源。

1 AR教學資源設計

本文的AR 教學案例總體框架設計如圖1 所示。

圖1 AR教學案例總體框架設計

2 AR教學資源設計

Unity3D 是由Unity Technologies 開發(fā)的一個能創(chuàng)建諸如實時三維動畫等類型互動內容的多平臺開發(fā)工具。它跨平臺性較好，支持Windows、Mac、網頁端、蘋果和安卓移動端運行，是AR 和VR 主要的開發(fā)工具。Unity 中較受大眾歡迎的AR 插件有Vuforia，因其性能好、交互性強、免費面向用戶等優(yōu)點而廣受開發(fā)者喜愛。AR 技術將虛擬世界與現實世界結合起來，為教育提供更豐富的呈現方式，增強了學習的交互感和參與感，使知識、信息能夠更有效地被學習者接受和吸收，正成為信息技術教育新熱點［3］。“鳥三維展示”AR移動應用開發(fā)包括環(huán)境配置、圖片識別制作、UI 界面設計、交互邏輯控制、打包使用等環(huán)節(jié)，具體步驟如下：

（1）安裝3D MAX軟件，制作幾款鳥的模型，并設計材質和對應貼圖，一起導出FBX文件。

（2）安裝Unity3D 軟件，下載JDK 和SDK 插件；新建Unity3D 項目，命名為3D Display of Birds；導入XDreamer，再勾選Vuforia插件。

（3）注冊登錄Vuforia 官網，申請License Key，將證書復制添加到Unity3D 的AR Camera下。準備好幾張鳥的圖片制作圖像識別訓練數據。在Target Manager 中創(chuàng)建數據，逐個添加圖片并英文命名，添加完成后選中所有數據進行下載，最后將圖片識別包導入Unity中。

（4）在Unity3D 中導入鳥的FBX 資源包，新建音頻文件，準備好鳥的介紹信息文本。

（5）先在Vuforia 中添加一個圖像目標，選中一張訓練數據圖片，再將相應鳥的三維模型添加到場景中；設計UI 界面，UI 界面包括介紹信息和音頻播放按鈕。

（6）打開狀態(tài)機和狀態(tài)庫，制作鳥的模型旋轉功能，沿著Y軸旋轉360度。

（7）制作UI 的顯示介紹信息，先在狀態(tài)庫中添加碰撞體點擊，目標選擇按鈕點擊；添加游戲對象激活，目標選擇介紹信息，初始化改成否，進入改成切換；添加音頻源屬性設置，目標選擇鳥的音頻，功能選擇不播放。

（8）制作播放音頻按鈕，添加按鈕點擊，拖入音頻按鈕，選擇播放；添加音頻源屬性設置，選擇鳥的音頻。

（9）制作圖像消失時，音頻和介紹信息也停止的控制功能。添加默認觀察者時間處理器事件，選擇當目標丟失；添加音頻源屬性設置，目標選擇鳥的音頻，功能選擇不播放；添加游戲對象激活，目標選擇介紹信息。最后依次連接各狀態(tài)組件，在Game面板中測試。

（10）調整UI 界面的位置和大小，移動端掃描圖片識別3D 模型，掃描圖片與彈出的3D 模型是否對應，點擊音頻圖標能否播放和暫停，點擊介紹信息能否彈出UI 界面，識別正確模型后是否能按設定好的方向、角度以及頻率旋轉，當目標消失時3D模型是否停止顯示。

最終“鳥”的AR展示運行效果如圖2所示。

圖2 “鳥”AR展示運行效果

3 在課堂教學中的應用

一方面，傳統(tǒng)的課堂教學主要用到圖片和實物模型等教學工具。教師將知識內容以口頭方式傳授給學生，對于一些實驗內容學生主要是觀察教師操作步驟，還不能真正體現學生的主體地位。一些不常見但又特別重要的教學資源容易受到各種各樣的條件限制，比如生物教學中人體器官、動物、植物等受時間和空間的限制，只能通過圖片的形式展示給學生，學生只能根據原有經驗展開想象，視覺、聽覺、觸覺等達不到感官刺激。一些周期性較長或有危險的生物觀察實驗也不能在實踐中完成，導致課堂枯燥乏味，學生的課外知識和觀察能力也得不到更好的發(fā)展。另一方面，因各地區(qū)教學條件不同，教師水平參差不齊，導致偏遠地區(qū)學校無法享受和大城市學校一樣的教學水平，無法進一步促進教育公平。信息科技發(fā)展的大背景下，先進的科技手段不斷顯現，比如增強現實技術引入教育教學中，就很好地彌補了這一方面的差距。從長遠來看，增強現實技術設計的教學產品成本低、可以反復使用，平板或手機就可以實現。通過增強現實技術，學生可根據需要對學習對象的三維模型進行旋轉、放大、縮小、移動、觀看模型的各個角度，對其部分進行操作分離，每個學生都可以動手參與其中，如同置身真實的場景中，畫面感強。增強現實技術用最貼近真實環(huán)境的交互演示為學習者搭建一個真實學習體驗的平臺，讓學習者在虛擬與現實之間自由遨游穿梭，AR 技術讓學習者的思維動力提升，視野開闊，從而提高自主動手能力［4］，能讓學生體會到身臨其境的感覺，從而激發(fā)學習興趣，主動構建知識體系，提高學習效果［5］。最后，為了證明AR 技術在生物教學課堂中的應用效果，本研究選取了南昌市某中學初二三班來展開教學。

3.1 教學設計依據

《鳥》是初中生物《動物的主要種群》一章中的內容，本設計從學生為主體、教師為主導、教學的實際需要三個角度出發(fā)：

3.1.1 以人為本的教學理念

促進學生的德智體美勞全面發(fā)展，培養(yǎng)學生的創(chuàng)新精神和實踐能力。學生是發(fā)展中的人、學生是獨特的人、學生是具有獨立意義的人。強調在教學設計的過程中要注重學生的多樣化需求。引導學生主動觀察，通過小組合作、交流討論等方法掌握知識、解決實際問題，逐漸培養(yǎng)科學探究精神。

3.1.2 教學的實際需要

陶行知先生曾指出“凡做一事，要用最簡單、最省力、最省錢、最省時的法子，去收獲最大的效果”。在生物教學過程中，教師必須與時俱進，應用新技術、新手段、新方法、新教具為課堂教學注入活力，吸引學生注意力，學生體驗玩中學的快樂。

3.1.3 教師教學經驗

根據以往的教學經驗適當調整教學手段和教學方法，以提高教學效果，為課堂注入活力。

3.2 教學目標

依據核心素養(yǎng)下的課程理念、課程目標、課程內容、學業(yè)質量和學業(yè)要求制定教學目標：

3.2.1 知識與技能目標

學生能夠說出鳥的主要特征以及鳥與人類生活的關系。

3.2.2 過程與方法

通過觀察鳥的三維模型，比較不同鳥的形態(tài)結構特征和生理功能特征，培養(yǎng)學生概括能力以及運用生物學知識解決實際問題的能力。

3.2.3 情感態(tài)度與價值觀

通過鳥的知識的學習，感受生物與環(huán)境相適應，形態(tài)與功能相適應的生物學觀點，培養(yǎng)學生對生物學的興趣。

3.3 教學過程

3.3.1 導入新課

教師多媒體展示幾種“鳥”的圖片，并提示，我們在生活中遇到不愉快時，經常感嘆：“要是我能像鳥兒在天空自由自在地翱翔，那該有多好??！”是啊，有些鳥兒能夠在南北方之間遷徙，有些鳥兒能攀登珠峰！那你知道它們?yōu)槭裁磿腥绱藦姷娘w行技能嗎？本節(jié)課呢，我們一起來學習動物的主要種群中的第六節(jié)《鳥》。

3.3.2 新課講授

活動一：探討鳥的特征

教師通過AR 技術展現不同鳥的模型，學生運用手機或者平板掃描素材圖片，并點擊旋轉、放大、縮小、介紹信息和音頻播放等功能，學生操作練習后用表格總結出鳥在喙、足、食性和生活環(huán)境的特征，見表1。

表1 鳥的有關特征

活動二：探討鳥的形態(tài)結構特點

教師運用AR 技術展示鳥的具體部位，如鳥的翼和羽毛，鳥的胸肌，鳥的骨骼和鳥的運動系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)等。向學生提問：鳥的形態(tài)結構有什么特點？鳥的形態(tài)結構有哪些適于飛行？

學生對“鳥”AR 三維展示具體部位放大、縮小和介紹按鈕等操作進行仔細觀察，最后學生總結出：鳥的身體呈流線型，可減少飛行中空氣的阻力；前肢變翼，翼上附著大型的羽毛，翼搏擊空氣，使鳥能蓬勃展翅飛翔，或平穩(wěn)滑翔；鳥骨內部中空，骨骼輕、薄且堅固，雖然無牙齒食量大，但消化能力強，食物經過消化吸收后形成的殘渣很快就隨糞便排出體內，可減輕體重；鳥的呼吸器官發(fā)達，具有與肺相通的氣囊，可以輔助呼吸，提高了氣體交換的效率；心跳頻率加快，體溫高而恒定能夠增強對環(huán)境的適應能力，擴大鳥分布范圍。

3.3.3 鞏固提高

活動三：鳥與人類生活的關系

教師依據組間同質，組內異質的原則將學生分為4 人一組進行討論，時間為8 分鐘，同學展開激烈討論，教師巡視引導學生結合日常生活經驗思考鳥與人類生活的關系，最后請小組代表回答。

學生針對鳥與人類的關系總結出以下幾點：首先，鳥具有很高的觀賞價值，觀鳥增進了人與鳥之前的情感，也為人類提供休閑、娛樂、旅游價值，比如白鴿。其次，鳥為人類食物提供動物蛋白，比如雞、鴨、鵝等家禽。最后，鳥能幫助人類捕捉農業(yè)、森林、草原等方面的害蟲，比如貓頭鷹、大山雀、灰喜鵲、啄木鳥等。鳥是生物圈中必不可少的動物，它能夠維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。

3.3.4 小結作業(yè)

教師引導學生總結本堂課所學內容，發(fā)表心得體會，并完成課后練習。本堂課結束后，發(fā)放問卷，讓學生如實填寫，紙質問卷設計如下：

第一題：你喜歡本堂課的教學方式嗎？（）單選題

A.非常喜歡B.喜歡

C.一般D.不喜歡

第二題：與傳統(tǒng)課堂相比你認為AR 課堂更能激發(fā)自己的學習興趣嗎？（）單選題

A.是B.不是

第三題：你認為本堂課哪些地方讓你印象最深刻？（）單選題

A.課堂展示的鳥的圖片

B.操作“鳥”AR三維展示APP

C.課本上的介紹內容

本堂課通過調查問卷的方式驗證AR 技術在初中生物課堂的教學效果。課堂結束后，發(fā)放給學生58 份問卷，回收58 份問卷，有效回收率達100%。通過整理問卷發(fā)現本堂課的教學方式有55 人選擇非常喜歡，3 人選擇喜歡。認為AR課堂更能激發(fā)自己的學習興趣的有57 人。有56人認為本堂課印象最深的是操作“鳥”AR 三維展示APP。最后統(tǒng)計了學生課后練習的完成情況，90 分以上的有48 人。數據表明，AR 課堂確實能引起學生的注意，達到更好的教學效果，提高學生的學習效率。增強教學的直觀性、生動性和豐富性。如教師可以運用互聯網和數字設備，設計完成模擬實驗，進行虛擬仿真實驗，突破實驗材料、實驗時間和實驗設備的限制，減少學習活動對材料、場地和設備等條件的依賴。增強現實技術的交互性和沉浸性不受時間和空間的限制，學生隨時隨地能夠打開移動端鞏固復習知識，經過反復練習、操作，強化學生記憶。新穎的學習方式提高學生的積極性，拓展學生的思維空間，充分發(fā)揮想象力，有利于培養(yǎng)學生的操作能力、分析判斷能力、設計能力和創(chuàng)新意識。教學方面向數字化學習轉變，能夠建構更加高效的課堂體系，與時俱進。

3.4 教學反思

增強現實技術應用到實際的教學過程中的優(yōu)勢如下：

3.4.1 AR突破時空限制，促進教育公平

一方面，在初中生物教材中大量的人體器官、動植物均以圖片的形式呈現，學生也只能片面觀察，無法從各個角度仔細觀摩，無法滿足學生對事物的好奇心。另一方面，受疫情、各地區(qū)時間、氣候、經費、教學設備等因素影響，很多生物學實驗無法進行，動植物模型無法獲得。增強現實技術的出現則很好地解決了以上存在的實際問題。比如《鳥》這一堂課，制作各種鳥的3D 模型后通過Unity 完成導出發(fā)布后運用移動端加以實現的案例，既節(jié)省了購買實物模型和昂貴教學設備的開支，突破季節(jié)、空間限制，學生能夠觀看各地區(qū)的鳥，AR 資源還可以重復使用，不會像實物模型用久后產生磨損破損。AR 技術可以簡單方便實現，對教學設備要求低，所需成本低。彌補了一些學校資源短缺的現狀，進一步促進了教育公平。

3.4.2 AR與生物課堂結合，激發(fā)學習興趣

傳統(tǒng)的教學方式是通過多媒體呈現視頻、圖片、聲音，雖然一定程度上能夠吸引學生的注意，但還不夠深入。隨著虛擬現實、增強現實等信息科技的發(fā)展，社會智能化加快，教學手段多元化。VR 技術與傳統(tǒng)教學方式相比較，它能夠360 度全景觀看，使用者的聽覺、視覺、觸覺等感官進行模擬，讓人產生身臨其境的感覺。AR 技術與生物課堂教學相結合，將學生的注意力帶入，學生自主進入沉浸性學習狀態(tài)。像《鳥》一節(jié)的教學過程中，逼真的3D 模型展示讓學生眼前一亮，瞬間進入課堂狀態(tài)，課堂不再枯燥乏味，而是在感到愉快的同時收獲了很多知識，逐漸喜歡上AR 生物課堂，提高了成績，學習更加自信，身心得到健康全面發(fā)展。

3.4.3 AR技術推動學生核心素養(yǎng)的形成

AR 技術課堂充分展現了教師為主導，學生為主體。構建學習情境引導每位學生主動參與，在信息環(huán)境下獲取生物學科知識和技能的新型學習方式，幫助學生在宏觀和微觀兩個角度去觀摩內在結構特征，開拓視野，解決了人與人之間認知上的差距，滿足全體學生的個性化需求。在觀察模型過程中，增強學生的好奇心和求知欲，培養(yǎng)學生在實踐中發(fā)現問題和解決問題的能力。學生主動參與、勤于動手，從而在學習過程中獲得終身發(fā)展的必備品格和關鍵能力。

4 結語

增強現實技術是信息時代的產物，它在教育領域具有廣闊的運用前景，繼續(xù)普及將促進教學手段的變革。增強現實是一種刺激學生通過AR 技術實現所需教育目標的方式，這給學生帶來了積極的影響［6］。當然，教學中運用新科技手段的同時對教師技能要求有所提高，并且在教學內容和教學素材的選擇上需謹慎，把好的技術用在刀刃上，需要從宏觀和微觀角度觀察的、難以在現實生活中獲得的、危險的動物模型、人體器官結構、細胞結構等通過三維方式展現，學生可從中感性認識，理解知識內容，彌補直接經驗的不足。就目前而言，AR 教育資源開發(fā)不足以滿足現代教學的需要，期待在不久的將來能開發(fā)更多的AR 教育資源以促進教學手段的變革。