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        基于Unity3D的初中生物AR交互式教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

        2025-04-24 00:00:00凌海燕張夏媚崔萌
        中國(guó)教育技術(shù)裝備 2025年7期

        摘" 要:增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)憑借其獨(dú)特的實(shí)時(shí)交互能力和在3D視頻空間中添加虛擬物體的優(yōu)勢(shì),已成為眾多研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。深入分析當(dāng)前中小學(xué)生物教學(xué)中多媒體教學(xué)方式的局限性,將AR技術(shù)引入生物教學(xué)。依據(jù)教學(xué)媒體的教育性、交互性和易用性等設(shè)計(jì)理念,基于Unity3D開(kāi)發(fā)平臺(tái),設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了一款名為“人體八大系統(tǒng)”的AR交互式教學(xué)軟件,讓學(xué)生在虛實(shí)融合的學(xué)習(xí)情境中主動(dòng)建構(gòu)知識(shí),促進(jìn)AR技術(shù)在生物課程教學(xué)中的應(yīng)用。

        關(guān)鍵詞:AR技術(shù);Unity3D;AR交互式教學(xué)軟件

        文章編號(hào):1671-489X(2025)07-00-04

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

        0" 引言

        教學(xué)媒體的開(kāi)發(fā)利用在塑造學(xué)生與教師的學(xué)習(xí)和教學(xué)體驗(yàn)方面發(fā)揮著關(guān)鍵作用,包含各種數(shù)字學(xué)習(xí)資源、互動(dòng)平臺(tái)和教學(xué)內(nèi)容的教學(xué)應(yīng)用軟件已成為數(shù)字化教育轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵參與者[1]。生物學(xué)科中存在很多難以想象卻又缺乏直接經(jīng)驗(yàn)支持的微觀現(xiàn)象和無(wú)法直接觀察的抽象模型[2],在傳統(tǒng)生物教學(xué)過(guò)程中,教師通常借助多媒體展示幫助學(xué)生更好地理解復(fù)雜、抽象的知識(shí)內(nèi)容,但基于PPT的文本、圖像等二維平面教育環(huán)境,無(wú)法建構(gòu)出三維交互的場(chǎng)景,難以給予學(xué)生直觀且真實(shí)的感知體驗(yàn)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)可以將復(fù)雜、抽象的教學(xué)內(nèi)容可視化呈現(xiàn),以三維模型或動(dòng)畫(huà)方式疊加到真實(shí)場(chǎng)景中進(jìn)行展示,從而改進(jìn)傳統(tǒng)教學(xué)資源在傳達(dá)信息方面參與度和有效性的不足,幫助學(xué)生準(zhǔn)確理解所學(xué)內(nèi)容。

        為探索AR技術(shù)與生物教學(xué)結(jié)合的思路,拓展和補(bǔ)充數(shù)字化教學(xué)手段,本文運(yùn)用Unity3D開(kāi)發(fā)引擎,以人教版初中七年級(jí)生物人體八大系統(tǒng)教學(xué)內(nèi)容為例,設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)AR交互式教學(xué)軟件,并總結(jié)提煉設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)原理,為今后AR教學(xué)資源的開(kāi)發(fā)提供可參考的意見(jiàn)與方向。

        1" AR教學(xué)軟件及AR技術(shù)在生物教學(xué)中的應(yīng)用

        1.1" AR教學(xué)軟件

        增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)通過(guò)在現(xiàn)實(shí)環(huán)境添加虛擬信息來(lái)構(gòu)建虛實(shí)融合的場(chǎng)景。它不僅可以添加3D對(duì)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(jiǎn)單的交互功能[3]。這種技術(shù)通過(guò)虛實(shí)結(jié)合的方式,顯著改善了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。因此,AR技術(shù)具有真實(shí)與虛擬相結(jié)合、實(shí)時(shí)交互和可三維執(zhí)行三個(gè)主要特點(diǎn)[4]。目前,基于智能移動(dòng)設(shè)備的AR技術(shù)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(xiàn)方式[5],主流的AR識(shí)別應(yīng)用包括蘋(píng)果的ARKit、谷歌的ARCore和高通的Vuforia等,這些工具為移動(dòng)AR系統(tǒng)軟件的開(kāi)發(fā)提供了便捷的平臺(tái)。AR教學(xué)軟件是指利用AR技術(shù)開(kāi)發(fā)的、用于教學(xué)活動(dòng)的數(shù)字化應(yīng)用程序。它能夠擴(kuò)展學(xué)生的感知范圍、提升學(xué)習(xí)體驗(yàn),并且可以在多種設(shè)備上靈活使用。AR教學(xué)軟件在促進(jìn)教學(xué)和學(xué)習(xí)方面展現(xiàn)出巨大潛力,正逐漸成為下一代人機(jī)交互技術(shù)發(fā)展的主要方向[6]。

        1.2" AR技術(shù)在生物教學(xué)中的應(yīng)用

        AR技術(shù)因其獨(dú)特的沉浸式和變革性學(xué)習(xí)體驗(yàn),吸引了眾多教育研究者的關(guān)注。研究表明,AR技術(shù)在生物學(xué)實(shí)驗(yàn)?zāi)M、三維生物結(jié)構(gòu)展示等方面具有顯著優(yōu)勢(shì)。例如,通過(guò)AR技術(shù)將人體器官轉(zhuǎn)化為3D模型,學(xué)生可以近距離觀察并交互操作,從而更深入地理解復(fù)雜人體器官的結(jié)構(gòu)與功能;借助細(xì)胞結(jié)構(gòu)的AR教學(xué)軟件,可以突破傳統(tǒng)課堂探究實(shí)驗(yàn)客觀條件的局限[7];此外,AR技術(shù)可以將數(shù)字圖像疊加到紙質(zhì)教科書(shū)中,使教材內(nèi)容更生動(dòng)有趣[8]。實(shí)踐研究也驗(yàn)證了基于 AR 技術(shù)的交互式學(xué)習(xí)媒體在生物教學(xué)活動(dòng)中具有多方面的積極影響,包括降低認(rèn)知負(fù)荷、增強(qiáng)抽象概念可視化效果、提升學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和提供引人入勝的學(xué)習(xí)體驗(yàn)[9],從而證實(shí)了AR教學(xué)軟件作為一種有效學(xué)習(xí)工具的可行性。

        然而,盡管已有研究對(duì) AR 技術(shù)在生物教學(xué)中的應(yīng)用潛力進(jìn)行了探索,但其在一線教學(xué)實(shí)踐中的應(yīng)用仍較為有限。一方面,面向中小學(xué)生物教學(xué)的AR應(yīng)用相對(duì)較少;另一方面,現(xiàn)有的AR產(chǎn)品在內(nèi)容質(zhì)量與用戶(hù)體驗(yàn)方面仍存在不足,如部分媒體展示型AR教學(xué)軟件的交互性不強(qiáng)而導(dǎo)致無(wú)效使用等,值得進(jìn)一步研究和探索。

        2" AR交互式教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)

        2.1" 需求分析

        本研究面向七年級(jí)學(xué)生。該階段的學(xué)生剛剛開(kāi)始接觸生物課程,經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)期的學(xué)習(xí),已具備一定的生物基礎(chǔ)知識(shí)。然而,學(xué)生之間的學(xué)習(xí)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(tǒng)知識(shí)作為案例對(duì)象。這一知識(shí)體系復(fù)雜,涵蓋諸多人體內(nèi)部器官的結(jié)構(gòu)和功能特點(diǎn)?;诖耍狙芯块_(kāi)發(fā)的AR教學(xué)軟件由運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、泌尿系統(tǒng)、生殖系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)、內(nèi)分泌系統(tǒng)和神經(jīng)系統(tǒng)八個(gè)模塊組成。

        在對(duì)現(xiàn)有AR平臺(tái)的適用性、設(shè)備需求等多方面進(jìn)行比較后,本研究選擇Unity3D作為開(kāi)發(fā)平臺(tái),并以 Vuforia 插件作為AR識(shí)別的技術(shù)支撐。在教學(xué)過(guò)程中的實(shí)驗(yàn)探究環(huán)節(jié),開(kāi)展AR應(yīng)用實(shí)踐。通過(guò)將多媒體課件與虛擬教學(xué)資源相結(jié)合,學(xué)生可以在手機(jī)或平板終端掃描課件,實(shí)現(xiàn)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(yīng)用于實(shí)際教學(xué),幫助學(xué)生掌握人體八大系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和功能,理解各系統(tǒng)之間的關(guān)聯(lián)與協(xié)調(diào)作用,激發(fā)學(xué)生探究人體奧秘的興趣。

        2.2" 設(shè)計(jì)理念

        基于Unity3D開(kāi)發(fā)的AR交互式教學(xué)軟件能夠?qū)崿F(xiàn)真實(shí)場(chǎng)景與虛擬場(chǎng)景的無(wú)縫疊加。學(xué)生可以在這種虛實(shí)融合的學(xué)習(xí)情境中主動(dòng)參與并構(gòu)建自己的知識(shí)體系,深刻體會(huì)到“學(xué)習(xí)是一種真實(shí)情境的體驗(yàn)”。在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論的指導(dǎo)下,本研究開(kāi)發(fā)的AR初中生物教學(xué)軟件遵循以下設(shè)計(jì)理念:以學(xué)生主體性為原則,增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)的互動(dòng)性;綜合運(yùn)用各類(lèi)媒體優(yōu)勢(shì),打造界面美觀實(shí)用、操作簡(jiǎn)便的人機(jī)交互式教學(xué)軟件。該軟件旨在激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和積極性,為教師更有趣、更深入地講解學(xué)習(xí)主題提供輔助。

        2.3" 總體設(shè)計(jì)

        基于前期的需求分析和設(shè)計(jì)理念,AR初中生物交互式教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)分為場(chǎng)景模型設(shè)計(jì)、邏輯流程設(shè)計(jì)、功能模塊設(shè)計(jì)和人機(jī)交互設(shè)計(jì)四個(gè)方面,總體架構(gòu)如圖1所示。

        1)場(chǎng)景模型設(shè)計(jì)主要包括UI界面設(shè)計(jì)、多媒體素材設(shè)計(jì)和三維立體模型設(shè)計(jì)。UI界面應(yīng)保持風(fēng)格統(tǒng)一,同時(shí)做到美觀實(shí)用,以符合青少年的使用習(xí)慣。多媒體素材主要包括識(shí)別圖等圖片和音頻素材的制作與處理,這些素材是構(gòu)建AR場(chǎng)景的基礎(chǔ)。對(duì)實(shí)際教學(xué)中使用的三維立體人體系統(tǒng)模型,要求其既真實(shí)美觀又具有較高的視覺(jué)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(wǎng)站下載的。下載后,先將模型導(dǎo)入3Dmax軟件并轉(zhuǎn)換為FBX格式,最后將FBX格式的模型導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D中進(jìn)行進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

        2)邏輯流程設(shè)計(jì)主要包括場(chǎng)景切換機(jī)制和程序基本設(shè)置。場(chǎng)景切換主要涉及導(dǎo)航主頁(yè)面與AR識(shí)別場(chǎng)景之間的切換。程序基本設(shè)置包括對(duì)程序音量大小的調(diào)節(jié)、返回與退出機(jī)制。用戶(hù)可以通過(guò)調(diào)節(jié)音量進(jìn)度條控制聲音的大?。稽c(diǎn)擊返回按鈕可以返回導(dǎo)航主頁(yè)面,點(diǎn)擊退出按鈕則退出應(yīng)用。

        3)功能模塊設(shè)計(jì)由知識(shí)演示模塊和知識(shí)拓展模塊構(gòu)成。當(dāng)程序跳轉(zhuǎn)進(jìn)入AR場(chǎng)景界面后,學(xué)生通過(guò)設(shè)備掃描識(shí)別圖,成功后將在識(shí)別圖周?chē)恼鎸?shí)世界生成3D人體系統(tǒng)模型。在知識(shí)演示模塊中,學(xué)生可以與3D模型進(jìn)行交互,直觀地觀察和了解人體系統(tǒng)及其組成結(jié)構(gòu)。知識(shí)拓展模塊則為學(xué)生提供解釋說(shuō)明或提示幫助。學(xué)生雙擊三維卡通人物,可展開(kāi)具體文字說(shuō)明并自動(dòng)播放相應(yīng)的配音解說(shuō)。

        4)人機(jī)交互設(shè)計(jì):為了輔助學(xué)生全方位地觀察和學(xué)習(xí),軟件支持一系列手勢(shì)操作來(lái)控制屏幕上顯示的3D對(duì)象。學(xué)生可以通過(guò)單擊、雙擊、手指縮放和左右滑動(dòng)等操作,突出模型結(jié)構(gòu)的三維立體感,從而為學(xué)生營(yíng)造沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境。

        3" AR交互式教學(xué)軟件的開(kāi)發(fā)與實(shí)現(xiàn)

        3.1" 開(kāi)發(fā)流程

        AR交互式教學(xué)軟件的實(shí)現(xiàn)流程可以分為三個(gè)階段:識(shí)別現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛實(shí)互動(dòng)[10]。識(shí)別現(xiàn)實(shí)階段的主要任務(wù)是選定識(shí)別圖并提取圖像特征;增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)階段重點(diǎn)是對(duì)不同資源類(lèi)型進(jìn)行設(shè)計(jì)、制作和整合;虛實(shí)互動(dòng)階段主要是為AR資源設(shè)置恰當(dāng)?shù)幕?dòng)形式。基于這一流程,本研究開(kāi)發(fā)的“人體八大系統(tǒng)”AR交互式教學(xué)軟件具體流程如圖2所示。

        3.1.1" 開(kāi)發(fā)環(huán)境配置

        注冊(cè)賬號(hào)并登錄官方網(wǎng)站下載Unity Hub安裝包,選擇合適的版本進(jìn)行安裝并獲取個(gè)人Unity Hub許可證。

        打開(kāi)Vuforia官網(wǎng)下載Vuforia AR引擎插件,將AR引擎導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D,在Unity3D中新建場(chǎng)景添加AR camera。接著進(jìn)入Vuforia官網(wǎng)注冊(cè)賬號(hào)并登錄,將獲得的個(gè)人Unity Hub許可證粘貼到工程的App License Key里面即可。

        3.1.2" 識(shí)別現(xiàn)實(shí)

        在Vuforia資源管理平臺(tái)中創(chuàng)建數(shù)據(jù)庫(kù),通過(guò)該平臺(tái)將識(shí)別圖等素材文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫(kù)中,并調(diào)整相關(guān)數(shù)值增強(qiáng)識(shí)別效果。

        3.1.3" 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)

        下載Vuforia數(shù)據(jù)包,并將其導(dǎo)入U(xiǎn)nity3D場(chǎng)景中。將準(zhǔn)備好的三維立體模型添加到場(chǎng)景中,并設(shè)置相機(jī)方向、光照系統(tǒng)等一系列初始參數(shù),將模型平行置于AR識(shí)別圖前。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容的需求,通過(guò)添加組件分別為人體系統(tǒng)的各個(gè)組成部分添加相應(yīng)的注釋性文字說(shuō)明。

        3.1.4" 虛實(shí)互動(dòng)

        在Unity3D中通過(guò)添加組件、編寫(xiě)并掛載C#腳本以及設(shè)置參數(shù),實(shí)現(xiàn)模型控制交互功能,如場(chǎng)景跳轉(zhuǎn)、物體的縮放和旋轉(zhuǎn)等。

        3.1.5" 發(fā)布與測(cè)試

        在Unity Hub中勾選Android Build Support并完成安裝,創(chuàng)建Android平臺(tái)并設(shè)置相關(guān)屬性參數(shù)。在發(fā)布時(shí),將工程數(shù)據(jù)封裝并導(dǎo)出為基于Android系統(tǒng)的APK安裝包。使用安卓移動(dòng)設(shè)備運(yùn)行導(dǎo)出的APK安裝包,檢查AR功能是否正常運(yùn)行,確保應(yīng)用程序的穩(wěn)定性和用戶(hù)體驗(yàn)。

        3.2" 關(guān)鍵功能的實(shí)現(xiàn)

        3.2.1" AR識(shí)別功能的實(shí)現(xiàn)

        AR識(shí)別功能主要通過(guò)Vuforia AR引擎實(shí)現(xiàn)。用戶(hù)可以在Vuforia網(wǎng)站上注冊(cè)賬號(hào)、創(chuàng)建云數(shù)據(jù)庫(kù)并管理標(biāo)記。

        該平臺(tái)以圖片作為識(shí)別標(biāo)記,將識(shí)別出的圖像目標(biāo)對(duì)象映射為相應(yīng)的虛擬3D模型。其實(shí)現(xiàn)機(jī)制是:從上傳至Vuforia資源管理平臺(tái)的圖像中提取特征點(diǎn)數(shù)據(jù),并將其存儲(chǔ)到數(shù)據(jù)庫(kù)中。當(dāng)AR應(yīng)用程序運(yùn)行時(shí),實(shí)時(shí)檢測(cè)圖像的特征點(diǎn),并與數(shù)據(jù)庫(kù)中的特征點(diǎn)進(jìn)行匹配。一旦識(shí)別出相應(yīng)結(jié)果,應(yīng)用預(yù)定義的配置調(diào)整模型的大小、位置和光照,并將模型顯示在屏幕上。

        結(jié)合AR的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景,本研究選擇教材插圖作為掃描使用的識(shí)別圖。掃描后生成的三維立體模型與插圖中的人體器官結(jié)構(gòu)及名稱(chēng)相對(duì)應(yīng)。在Vuforia資源管理平臺(tái)上查看上傳的識(shí)別圖評(píng)分,均達(dá)到了四星或五星,這表明插圖的識(shí)別效果良好。

        本研究開(kāi)發(fā)的AR交互式教學(xué)軟件共需要八個(gè)Vuforia數(shù)據(jù)包。按照AR識(shí)別圖的制作步驟,依次完成各插圖的制作,并下載數(shù)據(jù)包導(dǎo)入創(chuàng)建的 Unity 項(xiàng)目中。

        3.2.2" AR場(chǎng)景的創(chuàng)建

        本研究利用Unity3D構(gòu)建了AR交互式教學(xué)軟件的AR掃描識(shí)別場(chǎng)景,該場(chǎng)景包含知識(shí)點(diǎn)演示區(qū)和知識(shí)拓展區(qū),通過(guò)AR Camera識(shí)別圖片實(shí)現(xiàn)模型的交互展示,如圖3所示。在Unity中新建場(chǎng)景,選擇Vuforia Augmented Reality來(lái)搭建AR場(chǎng)景,拖入AR Camera,并將相應(yīng)的三維模型添加到場(chǎng)景中,使其與識(shí)別圖建立關(guān)聯(lián)。修改相關(guān)參數(shù)后,通過(guò)添加面板和文字來(lái)制作知識(shí)點(diǎn),從而完成一個(gè)簡(jiǎn)單的AR場(chǎng)景構(gòu)建。

        知識(shí)拓展區(qū)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(gè)Canvas組件,用于添加代碼腳本。在Canvas組件下再添加一個(gè)Image組件用于展示文字,調(diào)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(nèi)容。同時(shí),采用觸屏雙擊的交互方式來(lái)打開(kāi)或關(guān)閉該模塊。通過(guò)在字幕和卡通人物模型上掛載同一代碼腳本,并設(shè)置其可見(jiàn)性狀態(tài)為顯示或隱藏,進(jìn)而編寫(xiě)并調(diào)用腳本代碼函數(shù)來(lái)控制卡通人物解說(shuō)音頻的播放。

        3.2.3" 旋轉(zhuǎn)、縮放等交互功能的實(shí)現(xiàn)

        與PPT和三維動(dòng)畫(huà)視頻教學(xué)資源不同,AR教學(xué)資源能夠在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中添加虛擬物體對(duì)象,實(shí)現(xiàn)學(xué)生與教學(xué)場(chǎng)景的交互。為了讓學(xué)生能夠在移動(dòng)設(shè)備上更清晰地觀察模型并進(jìn)行交互操作,需要為模型添加相應(yīng)的代碼。模型的旋轉(zhuǎn)和縮放等手勢(shì)交互功能主要通過(guò)在Unity3D平臺(tái)中編寫(xiě)代碼來(lái)實(shí)現(xiàn)。在腳本文件夾中新建一個(gè)C#腳本文件,其中旋轉(zhuǎn)功能通過(guò)Rotate()函數(shù)實(shí)現(xiàn),可以設(shè)置參數(shù)使模型繞自身x軸、y軸或z軸旋轉(zhuǎn);縮放功能通過(guò)localScale()函數(shù)實(shí)現(xiàn),主要通過(guò)比較手指停留的起始位置和結(jié)束位置之間的距離來(lái)放大或縮小模型。

        4" 結(jié)束語(yǔ)

        AR技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)虛擬增強(qiáng)信息和真實(shí)場(chǎng)景信息的疊加和補(bǔ)充,為當(dāng)前生物課程教學(xué)資源的開(kāi)發(fā)提供了新的途徑。針對(duì)生物傳統(tǒng)多媒體教學(xué)方式的局限性與現(xiàn)有AR教學(xué)應(yīng)用軟件的不足,本研究通過(guò)AR技術(shù)與多媒體課件相融合,實(shí)現(xiàn)在生物課堂實(shí)際教學(xué)環(huán)境中虛擬人體系統(tǒng)的3D可視化和交互操作,從而達(dá)到多元化、高效的課程教學(xué)目的。AR教學(xué)軟件的設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)仍有很大的發(fā)展空間,下一步可以在多學(xué)科融合與交互功能的拓展方面進(jìn)行更深入的研究。

        5" 參考文獻(xiàn)

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