基于增強現實技術的初中地理教學軟件設計與開發

童 強,洪 益

(湖北師范大學 計算機與信息工程學院,湖北 黃石 435002)

0 引言

2019年國家出臺以教育現代化為核心的戰略性文件《中國教育現代化2035》,提出要加快信息化時代教育變革,建設智能化校園,利用現代信息技術加快人才培養模式改革,實現規?；逃c個性化教育培養的有機結合[1]。近年來,信息技術的發展,增強現實技術也是發展討論當中的熱潮。越來越多的教育學者將增強現實技術應用到教育領域當中,運用增強現實技術來解決教學中的難點。

基于此,本研究設計開發一款基于增強現實的初中地理教學軟件,實現增強現實技術與課本內容的虛實深度融合。學習者通過使用AR地理教學軟件掃描課本上的圖片,手機上會呈現與課本內容相關的AR模型,同時具有交互功能,對激發學生興趣和增強教學效果有一定的促進作用。

1 初中地理教學現狀及問題

1.1 初中生地理學習的現狀

地理學科涉及天文、地質地貌、植被等領域,跨度較大,信息量復雜多樣。若只用傳統的教學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展的能力,在學習地理空間關系知識的時候,其空間感受能力較弱;初中生的地理學科思維還處在形象思維階段,抽象思維較弱。所以這對學生來說,因為缺乏現實生活經驗,缺少抽象思維能力和學習感知能力,只能理解記住概念性知識,無法真正領會難點。因此在設計與開發過程中,要結合學習者的特征,使教學內容符合初中生學習的水平,來培養學生地理學科思維,鍛煉想象力。

1.2 初中地理教學存在的問題

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

對于上述存在的問題,國內外研究從不同的方面進行了研究,但是相關的案例還是較少。在教學學具開發方面,作為技術工具為教學提供條件,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,加強學生對復雜事物的理解;學科教學領域,利用增強現實技術應用到地理、物理、化學等多種學科領域,周琴等[6]將增強現實技術和地理教學資源整合,結合課本中適用于增強現實技術的知識點,從而開發了AR教學資源,有利于提升課堂的教學質量和提升學生的地理學科素養;AR教育游戲方面,Chiang[7]等開發了生物學科的增強現實教育游戲,學生之間能通過設備進行游戲化的學習生物知識。通過游戲化學習的方式與教學內容相融合,不僅體現出教育性,還能展現出娛樂性,從而達到趣味性學習的效果。

基于此,本文利用Unity增強現實開發工具進行探索,開發出增強現實地理教學軟件,為提高初中地理教學效果提供新的思路。借助增強現實技術創設教學環境,能更好彌補傳統教學中存在的缺陷問題,幫助學生培養觀察能力、地理空間思維能力,將復雜的地理表象分解成易懂的動態效果,加深學生對知識點的記憶。隨著增強現實技術的發展,增強現實教學輔助軟件將會越來越普及到課堂當中。

2 增強現實技術的引入

2.1 增強現實技術的概念

增強現實技術是基于計算機實時計算和多傳感器融合,將現實世界與虛擬信息結合起來的技術。該技術通過人的視覺、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在其他領域的成功應用,讓其逐漸應用到教育中來,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,充分調動學生的積極性,進而提高課堂教學效果[9]。

2.2 增強現實軟件的工作原理

增強現實軟件的工作原理如圖1所示,當學習者通過打開手機端教學軟件,利用手機端攝像頭對課本進行掃描,應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容上,經過軟件的處理,在手機端上顯示輸出。

圖1 增強現實軟件的工作原理圖

3 AR地理教學軟件的框架設計

本文以初中地理七年級上冊第一章“認識地球”為例開發了基于增強現實的地理教學軟件,介紹如何將AR技術應用到教學中來。此款AR地理軟件是基于增強現實技術,通過手機攝像頭識別目標圖片時,將呈現出設計好的模型、動畫、視頻,與現實世界相疊加[11]。通過手機掃描閱讀材料部分,給學生展示課本知識從平面轉向AR立體動畫視頻;在地球部分,課本的平面圖片呈現出立體地球的模型,讓學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模型;2)點擊暫停播放;3)模型之間可進行移動、縮放、旋轉。

圖2 AR模式操作流程圖

根據一般開發流程,結合增強現實技術,將軟件總體的設計開發分為開發環境的搭建、素材資源的設計、場景界面的設計、交互功能的設計四個環節,依據每個環節進行詳細的實現,如圖3所示。

圖3 開發流程圖

4 AR地理教學軟件的開發

4.1 開發環境的搭建

1)Unity的安裝。開發一款增強現實技術的地理學科教學軟件需要在Unity3D引擎的支持下。首先需要在Unity3D官網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備上來,需勾選Android Build Support或者可以勾選IOS BuildSupport選項 ,根據自己的手機平臺,保證計算機能正常運行Unity3D,并且有打包發布apk功能。

2)Vuforia環境配置。目前世界上主流的AR SDK提供廠商,國外的主要是Vuforia、Metaio,國內的主要是EasyAR。本文使用的是Vuforia增強現實開發sdk,它是利用計算機視覺技術實時識別和跟蹤平面圖像和3D圖像。在Vuforia官網下載Vuforia sdk,并導入到Unity項目中,然后在Vuforia官網獲取ARCamera許可密鑰,如果沒有這個密鑰,在發布應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發布apk軟件。在Android官網下載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。本文根據教材內容的分析,對相應的知識模塊制作AR教學資源的識別圖。根據七年級上冊地理教材第一章地球和地圖中的內容,選取麥哲倫環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環境,需要將教材知識點的電子檔圖片上傳到Vuforia官網中,進入官網點擊Target Manager,創建新的Database,點擊Add Target將圖片素材上傳到新建的Database中,上傳成功之后,圖片右側會出現星級的劃分,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。下載此數據庫包并導入Unity項目中,在Unity項目中右鍵新建Image Target,并在右側面板中選擇對應的Database和對應的識別圖即可。

圖4 識別圖的上傳

2)模型的制作。建模對象主要對應的是地理知識中的關鍵內容,使用blender、Maya為建模工具,也可以使用Unity開發工具,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入到Unity中,并放置在ImageTarget識別圖之上,最后將制作好的教學資源地球模型,呈現在學生的書本上。

圖5 地球模型

4.3 場景界面的制作

1)主界面的設計。首先新建一個3D項目,會自動出現一個場景改名字為Main Menu作為主頁面。創建Canvas畫布,所有創建的UI控件會放在畫布之上,調整畫布大小為1 920*1 080能夠更好的與手機適配。然后在Canvas下創建Image用來添加背景圖。再創建幾個Button按鈕并在Button中添加腳本,用來場景之間的跳轉。

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容的識別圖進行匹配,然后配置地球內核的模型,也同樣選擇UI面板,放在模型右側,顯示地球內核的相關知識點,如圖6所示。通過導入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,就能夠實現移動、放大、縮小、旋轉的交互功能。

圖6 “地球大小”內容的制作場景

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,也同樣地設置UI面板,放在模型指定位置,標記地球的關鍵知識點,并且用工具將地球的地軸用線標記出來,讓學習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 應用的打包發布

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

在手機端安裝好之后,打開應用,會首先出現主界面,點擊AR模式,進入AR場景,手機攝像頭的調用之后,對課本麥哲倫環球航行閱讀材料的部分進行掃描,軟件會識別到對應的識別圖片時,屏幕中會出現與課本疊加的面板狀的視頻動畫,在左下角有兩個按鈕,學習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,地球的內核模型會與之疊加,并且相關的知識點標記在地球內核模型的右側,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容,同樣掃描課本,對應的地球模型呈現出來,地軸的標記也顯示出來,讓學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,來觀察北極的位置,南極的位置,加深學生學習的印象,如圖10所示。

圖8 掃描閱讀材料后的效果圖

圖9 掃描地球的大小內容后的效果圖

圖10 掃描地球儀內容后的效果圖

5 結束語

增強現實技術在教育領域的跨界融合,實現了虛實結合的教學情境,給學生帶來直觀性、互動性的體驗,極大地增強了初中學生的參與感、滿足感。對于增強現實技術與教學的融合,并不是所有的教材中的內容都適合用AR技術來展示出來,要根據學習內容的分析,達到內容與技術之間的融合。本文通過Unity和Vuforia開發一款簡易版的AR地理教學軟件,將初中地理課本教材與虛擬教學資源相銜接,提高了課堂的效率和學生的興趣,還能培養學生的地理學科素養,提高地理知識的立體化思維,使學生學習思路更加清晰,但其應用尚處于初級階段。未來,仍需要深入研究。