基于增強現(xiàn)實技術(shù)的初中地理教學(xué)軟件設(shè)計與開發(fā)

童 強,洪 益

(湖北師范大學(xué) 計算機與信息工程學(xué)院,湖北 黃石 435002)

0 引言

2019年國家出臺以教育現(xiàn)代化為核心的戰(zhàn)略性文件《中國教育現(xiàn)代化2035》,提出要加快信息化時代教育變革,建設(shè)智能化校園,利用現(xiàn)代信息技術(shù)加快人才培養(yǎng)模式改革,實現(xiàn)規(guī)模化教育與個性化教育培養(yǎng)的有機結(jié)合[1]。近年來,信息技術(shù)的發(fā)展,增強現(xiàn)實技術(shù)也是發(fā)展討論當中的熱潮。越來越多的教育學(xué)者將增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到教育領(lǐng)域當中,運用增強現(xiàn)實技術(shù)來解決教學(xué)中的難點。

基于此,本研究設(shè)計開發(fā)一款基于增強現(xiàn)實的初中地理教學(xué)軟件,實現(xiàn)增強現(xiàn)實技術(shù)與課本內(nèi)容的虛實深度融合。學(xué)習(xí)者通過使用AR地理教學(xué)軟件掃描課本上的圖片,手機上會呈現(xiàn)與課本內(nèi)容相關(guān)的AR模型,同時具有交互功能,對激發(fā)學(xué)生興趣和增強教學(xué)效果有一定的促進作用。

1 初中地理教學(xué)現(xiàn)狀及問題

1.1 初中生地理學(xué)習(xí)的現(xiàn)狀

地理學(xué)科涉及天文、地質(zhì)地貌、植被等領(lǐng)域,跨度較大,信息量復(fù)雜多樣。若只用傳統(tǒng)的教學(xué)方法是難以達到理想的效果。金阿寧[2]指出初中生由于認知發(fā)展的能力,在學(xué)習(xí)地理空間關(guān)系知識的時候,其空間感受能力較弱;初中生的地理學(xué)科思維還處在形象思維階段,抽象思維較弱。所以這對學(xué)生來說,因為缺乏現(xiàn)實生活經(jīng)驗,缺少抽象思維能力和學(xué)習(xí)感知能力,只能理解記住概念性知識,無法真正領(lǐng)會難點。因此在設(shè)計與開發(fā)過程中,要結(jié)合學(xué)習(xí)者的特征,使教學(xué)內(nèi)容符合初中生學(xué)習(xí)的水平,來培養(yǎng)學(xué)生地理學(xué)科思維,鍛煉想象力。

1.2 初中地理教學(xué)存在的問題

在當前的初中教育當中,地理學(xué)科素養(yǎng)并沒有得到足夠的重視,一方面,多數(shù)學(xué)校缺乏培養(yǎng)地理學(xué)科思維的技術(shù)工具,教學(xué)仍然以傳統(tǒng)的教學(xué)方法和學(xué)習(xí)方式,只注重對學(xué)生進行知識點的灌輸,較少關(guān)注學(xué)生的理解能力和應(yīng)用能力的培養(yǎng),只按照本身的講課思路走,缺乏真正的去探索課堂問題,學(xué)生變成了被動接受者,忽視了學(xué)生的主體性[3]。另一方面,大部分教師只是利用傳統(tǒng)平面二維的多媒體技術(shù),僅重視利用紙筆、圖片、視頻等“二維可視化”的呈現(xiàn)形式,缺少類似于增強現(xiàn)實技術(shù)這種動態(tài)可視化表征能夠獲得觀察、操作、分析、驗證等豐富的切身經(jīng)驗[4]。無法有針對性的對抽象的教學(xué)難點內(nèi)容進行闡述,使學(xué)生難以理解,降低了課堂的教學(xué)效果。并且缺少創(chuàng)造性、啟發(fā)性的課堂互動,學(xué)生不能對課堂內(nèi)容形成充分情感體驗和價值認識,造成地理學(xué)習(xí)興趣的減弱,影響學(xué)生對學(xué)習(xí)的自主投入和知識獲取。

對于上述存在的問題,國內(nèi)外研究從不同的方面進行了研究,但是相關(guān)的案例還是較少。在教學(xué)學(xué)具開發(fā)方面,作為技術(shù)工具為教學(xué)提供條件,全希等[5]以初中地理“多民族國家”為例,模擬出可視化的知識脈絡(luò),加強學(xué)生對復(fù)雜事物的理解;學(xué)科教學(xué)領(lǐng)域,利用增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到地理、物理、化學(xué)等多種學(xué)科領(lǐng)域,周琴等[6]將增強現(xiàn)實技術(shù)和地理教學(xué)資源整合,結(jié)合課本中適用于增強現(xiàn)實技術(shù)的知識點,從而開發(fā)了AR教學(xué)資源,有利于提升課堂的教學(xué)質(zhì)量和提升學(xué)生的地理學(xué)科素養(yǎng);AR教育游戲方面,Chiang[7]等開發(fā)了生物學(xué)科的增強現(xiàn)實教育游戲,學(xué)生之間能通過設(shè)備進行游戲化的學(xué)習(xí)生物知識。通過游戲化學(xué)習(xí)的方式與教學(xué)內(nèi)容相融合,不僅體現(xiàn)出教育性,還能展現(xiàn)出娛樂性,從而達到趣味性學(xué)習(xí)的效果。

基于此,本文利用Unity增強現(xiàn)實開發(fā)工具進行探索,開發(fā)出增強現(xiàn)實地理教學(xué)軟件,為提高初中地理教學(xué)效果提供新的思路。借助增強現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)設(shè)教學(xué)環(huán)境,能更好彌補傳統(tǒng)教學(xué)中存在的缺陷問題,幫助學(xué)生培養(yǎng)觀察能力、地理空間思維能力,將復(fù)雜的地理表象分解成易懂的動態(tài)效果,加深學(xué)生對知識點的記憶。隨著增強現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展,增強現(xiàn)實教學(xué)輔助軟件將會越來越普及到課堂當中。

2 增強現(xiàn)實技術(shù)的引入

2.1 增強現(xiàn)實技術(shù)的概念

增強現(xiàn)實技術(shù)是基于計算機實時計算和多傳感器融合,將現(xiàn)實世界與虛擬信息結(jié)合起來的技術(shù)。該技術(shù)通過人的視覺、聽覺、嗅覺、觸覺等感受進行模擬和再輸出,并將虛擬信息疊加到真實信息上,給人們提供超越真實世界感受的體驗[8]。而AR在其他領(lǐng)域的成功應(yīng)用,讓其逐漸應(yīng)用到教育中來,不僅將書本上原本的抽象知識展示出來,更是增加了課堂的生動性,充分調(diào)動學(xué)生的積極性,進而提高課堂教學(xué)效果[9]。

2.2 增強現(xiàn)實軟件的工作原理

增強現(xiàn)實軟件的工作原理如圖1所示,當學(xué)習(xí)者通過打開手機端教學(xué)軟件,利用手機端攝像頭對課本進行掃描,應(yīng)用軟件會自動進行識別圖像特征,一旦識別成功,會獲取虛擬模型并疊加在課本內(nèi)容上,經(jīng)過軟件的處理,在手機端上顯示輸出。

圖1 增強現(xiàn)實軟件的工作原理圖

3 AR地理教學(xué)軟件的框架設(shè)計

本文以初中地理七年級上冊第一章“認識地球”為例開發(fā)了基于增強現(xiàn)實的地理教學(xué)軟件,介紹如何將AR技術(shù)應(yīng)用到教學(xué)中來。此款A(yù)R地理軟件是基于增強現(xiàn)實技術(shù),通過手機攝像頭識別目標圖片時,將呈現(xiàn)出設(shè)計好的模型、動畫、視頻,與現(xiàn)實世界相疊加[11]。通過手機掃描閱讀材料部分,給學(xué)生展示課本知識從平面轉(zhuǎn)向AR立體動畫視頻;在地球部分,課本的平面圖片呈現(xiàn)出立體地球的模型,讓學(xué)生能夠近距離觀察生動形象的地球模型并可以進行交互操作,如圖2所示,其功能模塊主要包括:1)進入AR模式,掃描識別圖,顯示AR視頻動畫和三維立體教學(xué)模型;2)點擊暫停播放;3)模型之間可進行移動、縮放、旋轉(zhuǎn)。

圖2 AR模式操作流程圖

根據(jù)一般開發(fā)流程,結(jié)合增強現(xiàn)實技術(shù),將軟件總體的設(shè)計開發(fā)分為開發(fā)環(huán)境的搭建、素材資源的設(shè)計、場景界面的設(shè)計、交互功能的設(shè)計四個環(huán)節(jié),依據(jù)每個環(huán)節(jié)進行詳細的實現(xiàn),如圖3所示。

圖3 開發(fā)流程圖

4 AR地理教學(xué)軟件的開發(fā)

4.1 開發(fā)環(huán)境的搭建

1)Unity的安裝。開發(fā)一款增強現(xiàn)實技術(shù)的地理學(xué)科教學(xué)軟件需要在Unity3D引擎的支持下。首先需要在Unity3D官網(wǎng)下載安裝包并進行安裝,在新版Unity中可以下載UnityHub客戶端,在安裝編輯器的選擇中找到自己所需的版本并進行安裝,為了能讓程序能打包到手機設(shè)備上來,需勾選Android Build Support或者可以勾選IOS BuildSupport選項 ,根據(jù)自己的手機平臺,保證計算機能正常運行Unity3D,并且有打包發(fā)布apk功能。

2)Vuforia環(huán)境配置。目前世界上主流的AR SDK提供廠商,國外的主要是Vuforia、Metaio,國內(nèi)的主要是EasyAR。本文使用的是Vuforia增強現(xiàn)實開發(fā)sdk,它是利用計算機視覺技術(shù)實時識別和跟蹤平面圖像和3D圖像。在Vuforia官網(wǎng)下載Vuforia sdk,并導(dǎo)入到Unity項目中,然后在Vuforia官網(wǎng)獲取ARCamera許可密鑰,如果沒有這個密鑰,在發(fā)布應(yīng)用的時候是無法使用AR功能,并且會報錯。

3)JDK的配置。在安裝好Android Build Support之后,需要搭建Android jdk。沒有安裝jdk,安卓端的功能就無法正常運行已經(jīng)發(fā)布apk軟件。在Android官網(wǎng)下載jdk版本,可以選擇多版本,本文選擇的是jdk8,盡量選擇中高版的jdk,最后檢查一下是否安裝成功。

4.2 素材資源的準備

1)識別圖的制作。本文根據(jù)教材內(nèi)容的分析,對相應(yīng)的知識模塊制作AR教學(xué)資源的識別圖。根據(jù)七年級上冊地理教材第一章地球和地圖中的內(nèi)容,選取麥哲倫環(huán)球航行路線圖以及閱讀材料、地球的大小等等這些圖片作為識別圖。采用的是Vuforia環(huán)境,需要將教材知識點的電子檔圖片上傳到Vuforia官網(wǎng)中,進入官網(wǎng)點擊Target Manager,創(chuàng)建新的Database,點擊Add Target將圖片素材上傳到新建的Database中,上傳成功之后,圖片右側(cè)會出現(xiàn)星級的劃分,代表著圖片的識別幾率,星級越高Vuforia識別的成功率越高,如圖4所示。下載此數(shù)據(jù)庫包并導(dǎo)入Unity項目中,在Unity項目中右鍵新建Image Target,并在右側(cè)面板中選擇對應(yīng)的Database和對應(yīng)的識別圖即可。

圖4 識別圖的上傳

2)模型的制作。建模對象主要對應(yīng)的是地理知識中的關(guān)鍵內(nèi)容,使用blender、Maya為建模工具,也可以使用Unity開發(fā)工具,使這些工具能夠相輔相成,對所需的地球模型進行建模設(shè)計、貼圖的渲染,如圖5所示,再將這些制作好的渲染出來的地球模型導(dǎo)入到Unity中,并放置在ImageTarget識別圖之上,最后將制作好的教學(xué)資源地球模型,呈現(xiàn)在學(xué)生的書本上。

圖5 地球模型

4.3 場景界面的制作

1)主界面的設(shè)計。首先新建一個3D項目,會自動出現(xiàn)一個場景改名字為Main Menu作為主頁面。創(chuàng)建Canvas畫布,所有創(chuàng)建的UI控件會放在畫布之上,調(diào)整畫布大小為1 920*1 080能夠更好的與手機適配。然后在Canvas下創(chuàng)建Image用來添加背景圖。再創(chuàng)建幾個Button按鈕并在Button中添加腳本,用來場景之間的跳轉(zhuǎn)。

2)AR場景的制作。在這個場景中首先是新建Canvas,做一個返回的Button按鈕,來切換到主界面。創(chuàng)建第一個目標組件Image Target,選擇閱讀材料識別圖進行匹配,在Image Target下新建cube調(diào)整大小成面板形狀立在識別圖之上,將視頻素材拖入到cube上,面板上會自動生成Video Player組件,再新建兩個Button按鈕命名為Play和Pause,添加腳本給兩個按鈕,達到識別之后按鈕來控制視頻的播放和暫停的效果。

新建第二個目標組件Image Target,選擇地球大小這部分內(nèi)容的識別圖進行匹配,然后配置地球內(nèi)核的模型,也同樣選擇UI面板,放在模型右側(cè),顯示地球內(nèi)核的相關(guān)知識點,如圖6所示。通過導(dǎo)入Unity自帶的插件Lean Touch,將這個組件中的三種腳本分別是Lean Pinch Scale、Lean Twist Rotate Axis、Lean Drag Translate加載到需要被控制的模型上,就能夠?qū)崿F(xiàn)移動、放大、縮小、旋轉(zhuǎn)的交互功能。

圖6 “地球大小”內(nèi)容的制作場景

新建第三個目標組件Image Target,選擇地球儀的識別圖進行匹配,配置地球模型,也同樣地設(shè)置UI面板,放在模型指定位置,標記地球的關(guān)鍵知識點,并且用工具將地球的地軸用線標記出來,讓學(xué)習(xí)者能夠了解地球其實是傾斜的,并且知道地球的最上端是北極,最下端是南極,如圖7所示。

圖7 地球儀的制作場景

4.4 應(yīng)用的打包發(fā)布

在Unity中以package包的方式導(dǎo)出,切換成安卓平臺,并在Player Setting中更改發(fā)布配置,最后生成為apk文件,將apk文件發(fā)送到手機進行安裝測試。

在手機端安裝好之后,打開應(yīng)用,會首先出現(xiàn)主界面,點擊AR模式,進入AR場景,手機攝像頭的調(diào)用之后,對課本麥哲倫環(huán)球航行閱讀材料的部分進行掃描,軟件會識別到對應(yīng)的識別圖片時,屏幕中會出現(xiàn)與課本疊加的面板狀的視頻動畫,在左下角有兩個按鈕,學(xué)習(xí)者可以通過點擊播放、暫停,如圖8所示。在課本另一頁,通過掃描地球的大小知識點圖片時,地球的內(nèi)核模型會與之疊加,并且相關(guān)的知識點標記在地球內(nèi)核模型的右側(cè),可以通過觸摸屏幕對模型進行交互體驗,如圖9所示。在地球的模型這部分內(nèi)容,同樣掃描課本,對應(yīng)的地球模型呈現(xiàn)出來,地軸的標記也顯示出來,讓學(xué)生更好地理解地軸與地球的表面相交的兩點,叫兩極。通過觸控屏幕可以進行放大縮小旋轉(zhuǎn),來觀察北極的位置,南極的位置,加深學(xué)生學(xué)習(xí)的印象,如圖10所示。

圖8 掃描閱讀材料后的效果圖

圖9 掃描地球的大小內(nèi)容后的效果圖

圖10 掃描地球儀內(nèi)容后的效果圖

5 結(jié)束語

增強現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的跨界融合,實現(xiàn)了虛實結(jié)合的教學(xué)情境,給學(xué)生帶來直觀性、互動性的體驗,極大地增強了初中學(xué)生的參與感、滿足感。對于增強現(xiàn)實技術(shù)與教學(xué)的融合,并不是所有的教材中的內(nèi)容都適合用AR技術(shù)來展示出來,要根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容的分析,達到內(nèi)容與技術(shù)之間的融合。本文通過Unity和Vuforia開發(fā)一款簡易版的AR地理教學(xué)軟件,將初中地理課本教材與虛擬教學(xué)資源相銜接,提高了課堂的效率和學(xué)生的興趣,還能培養(yǎng)學(xué)生的地理學(xué)科素養(yǎng),提高地理知識的立體化思維,使學(xué)生學(xué)習(xí)思路更加清晰,但其應(yīng)用尚處于初級階段。未來,仍需要深入研究。