基于增强现实技术的初中地理教学软件设计与开发

童 强,洪 益

(湖北师范大学 计算机与信息工程学院,湖北 黄石 435002)

0 引言

2019年国家出台以教育现代化为核心的战略性文件《中国教育现代化2035》,提出要加快信息化时代教育变革,建设智能化校园,利用现代信息技术加快人才培养模式改革,实现规模化教育与个性化教育培养的有机结合[1]。近年来,信息技术的发展,增强现实技术也是发展讨论当中的热潮。越来越多的教育学者将增强现实技术应用到教育领域当中,运用增强现实技术来解决教学中的难点。

基于此,本研究设计开发一款基于增强现实的初中地理教学软件,实现增强现实技术与课本内容的虚实深度融合。学习者通过使用AR地理教学软件扫描课本上的图片,手机上会呈现与课本内容相关的AR模型,同时具有交互功能,对激发学生兴趣和增强教学效果有一定的促进作用。

1 初中地理教学现状及问题

1.1 初中生地理学习的现状

地理学科涉及天文、地质地貌、植被等领域,跨度较大,信息量复杂多样。若只用传统的教学方法是难以达到理想的效果。金阿宁[2]指出初中生由于认知发展的能力,在学习地理空间关系知识的时候,其空间感受能力较弱;初中生的地理学科思维还处在形象思维阶段,抽象思维较弱。所以这对学生来说,因为缺乏现实生活经验,缺少抽象思维能力和学习感知能力,只能理解记住概念性知识,无法真正领会难点。因此在设计与开发过程中,要结合学习者的特征,使教学内容符合初中生学习的水平,来培养学生地理学科思维,锻炼想象力。

1.2 初中地理教学存在的问题

在当前的初中教育当中,地理学科素养并没有得到足够的重视,一方面,多数学校缺乏培养地理学科思维的技术工具,教学仍然以传统的教学方法和学习方式,只注重对学生进行知识点的灌输,较少关注学生的理解能力和应用能力的培养,只按照本身的讲课思路走,缺乏真正的去探索课堂问题,学生变成了被动接受者,忽视了学生的主体性[3]。另一方面,大部分教师只是利用传统平面二维的多媒体技术,仅重视利用纸笔、图片、视频等“二维可视化”的呈现形式,缺少类似于增强现实技术这种动态可视化表征能够获得观察、操作、分析、验证等丰富的切身经验[4]。无法有针对性的对抽象的教学难点内容进行阐述,使学生难以理解,降低了课堂的教学效果。并且缺少创造性、启发性的课堂互动,学生不能对课堂内容形成充分情感体验和价值认识,造成地理学习兴趣的减弱,影响学生对学习的自主投入和知识获取。

对于上述存在的问题,国内外研究从不同的方面进行了研究,但是相关的案例还是较少。在教学学具开发方面,作为技术工具为教学提供条件,全希等[5]以初中地理“多民族国家”为例,模拟出可视化的知识脉络,加强学生对复杂事物的理解;学科教学领域,利用增强现实技术应用到地理、物理、化学等多种学科领域,周琴等[6]将增强现实技术和地理教学资源整合,结合课本中适用于增强现实技术的知识点,从而开发了AR教学资源,有利于提升课堂的教学质量和提升学生的地理学科素养;AR教育游戏方面,Chiang[7]等开发了生物学科的增强现实教育游戏,学生之间能通过设备进行游戏化的学习生物知识。通过游戏化学习的方式与教学内容相融合,不仅体现出教育性,还能展现出娱乐性,从而达到趣味性学习的效果。

基于此,本文利用Unity增强现实开发工具进行探索,开发出增强现实地理教学软件,为提高初中地理教学效果提供新的思路。借助增强现实技术创设教学环境,能更好弥补传统教学中存在的缺陷问题,帮助学生培养观察能力、地理空间思维能力,将复杂的地理表象分解成易懂的动态效果,加深学生对知识点的记忆。随着增强现实技术的发展,增强现实教学辅助软件将会越来越普及到课堂当中。

2 增强现实技术的引入

2.1 增强现实技术的概念

增强现实技术是基于计算机实时计算和多传感器融合,将现实世界与虚拟信息结合起来的技术。该技术通过人的视觉、听觉、嗅觉、触觉等感受进行模拟和再输出,并将虚拟信息叠加到真实信息上,给人们提供超越真实世界感受的体验[8]。而AR在其他领域的成功应用,让其逐渐应用到教育中来,不仅将书本上原本的抽象知识展示出来,更是增加了课堂的生动性,充分调动学生的积极性,进而提高课堂教学效果[9]。

2.2 增强现实软件的工作原理

增强现实软件的工作原理如图1所示,当学习者通过打开手机端教学软件,利用手机端摄像头对课本进行扫描,应用软件会自动进行识别图像特征,一旦识别成功,会获取虚拟模型并叠加在课本内容上,经过软件的处理,在手机端上显示输出。

图1 增强现实软件的工作原理图

3 AR地理教学软件的框架设计

本文以初中地理七年级上册第一章“认识地球”为例开发了基于增强现实的地理教学软件,介绍如何将AR技术应用到教学中来。此款AR地理软件是基于增强现实技术,通过手机摄像头识别目标图片时,将呈现出设计好的模型、动画、视频,与现实世界相叠加[11]。通过手机扫描阅读材料部分,给学生展示课本知识从平面转向AR立体动画视频;在地球部分,课本的平面图片呈现出立体地球的模型,让学生能够近距离观察生动形象的地球模型并可以进行交互操作,如图2所示,其功能模块主要包括:1)进入AR模式,扫描识别图,显示AR视频动画和三维立体教学模型;2)点击暂停播放;3)模型之间可进行移动、缩放、旋转。

图2 AR模式操作流程图

根据一般开发流程,结合增强现实技术,将软件总体的设计开发分为开发环境的搭建、素材资源的设计、场景界面的设计、交互功能的设计四个环节,依据每个环节进行详细的实现,如图3所示。

图3 开发流程图

4 AR地理教学软件的开发

4.1 开发环境的搭建

1)Unity的安装。开发一款增强现实技术的地理学科教学软件需要在Unity3D引擎的支持下。首先需要在Unity3D官网下载安装包并进行安装,在新版Unity中可以下载UnityHub客户端,在安装编辑器的选择中找到自己所需的版本并进行安装,为了能让程序能打包到手机设备上来,需勾选Android Build Support或者可以勾选IOS BuildSupport选项 ,根据自己的手机平台,保证计算机能正常运行Unity3D,并且有打包发布apk功能。

2)Vuforia环境配置。目前世界上主流的AR SDK提供厂商,国外的主要是Vuforia、Metaio,国内的主要是EasyAR。本文使用的是Vuforia增强现实开发sdk,它是利用计算机视觉技术实时识别和跟踪平面图像和3D图像。在Vuforia官网下载Vuforia sdk,并导入到Unity项目中,然后在Vuforia官网获取ARCamera许可密钥,如果没有这个密钥,在发布应用的时候是无法使用AR功能,并且会报错。

3)JDK的配置。在安装好Android Build Support之后,需要搭建Android jdk。没有安装jdk,安卓端的功能就无法正常运行已经发布apk软件。在Android官网下载jdk版本,可以选择多版本,本文选择的是jdk8,尽量选择中高版的jdk,最后检查一下是否安装成功。

4.2 素材资源的准备

1)识别图的制作。本文根据教材内容的分析,对相应的知识模块制作AR教学资源的识别图。根据七年级上册地理教材第一章地球和地图中的内容,选取麦哲伦环球航行路线图以及阅读材料、地球的大小等等这些图片作为识别图。采用的是Vuforia环境,需要将教材知识点的电子档图片上传到Vuforia官网中,进入官网点击Target Manager,创建新的Database,点击Add Target将图片素材上传到新建的Database中,上传成功之后,图片右侧会出现星级的划分,代表着图片的识别几率,星级越高Vuforia识别的成功率越高,如图4所示。下载此数据库包并导入Unity项目中,在Unity项目中右键新建Image Target,并在右侧面板中选择对应的Database和对应的识别图即可。

图4 识别图的上传

2)模型的制作。建模对象主要对应的是地理知识中的关键内容,使用blender、Maya为建模工具,也可以使用Unity开发工具,使这些工具能够相辅相成,对所需的地球模型进行建模设计、贴图的渲染,如图5所示,再将这些制作好的渲染出来的地球模型导入到Unity中,并放置在ImageTarget识别图之上,最后将制作好的教学资源地球模型,呈现在学生的书本上。

图5 地球模型

4.3 场景界面的制作

1)主界面的设计。首先新建一个3D项目,会自动出现一个场景改名字为Main Menu作为主页面。创建Canvas画布,所有创建的UI控件会放在画布之上,调整画布大小为1 920*1 080能够更好的与手机适配。然后在Canvas下创建Image用来添加背景图。再创建几个Button按钮并在Button中添加脚本,用来场景之间的跳转。

2)AR场景的制作。在这个场景中首先是新建Canvas,做一个返回的Button按钮,来切换到主界面。创建第一个目标组件Image Target,选择阅读材料识别图进行匹配,在Image Target下新建cube调整大小成面板形状立在识别图之上,将视频素材拖入到cube上,面板上会自动生成Video Player组件,再新建两个Button按钮命名为Play和Pause,添加脚本给两个按钮,达到识别之后按钮来控制视频的播放和暂停的效果。

新建第二个目标组件Image Target,选择地球大小这部分内容的识别图进行匹配,然后配置地球内核的模型,也同样选择UI面板,放在模型右侧,显示地球内核的相关知识点,如图6所示。通过导入Unity自带的插件Lean Touch,将这个组件中的三种脚本分别是Lean Pinch Scale、Lean Twist Rotate Axis、Lean Drag Translate加载到需要被控制的模型上,就能够实现移动、放大、缩小、旋转的交互功能。

图6 “地球大小”内容的制作场景

新建第三个目标组件Image Target,选择地球仪的识别图进行匹配,配置地球模型,也同样地设置UI面板,放在模型指定位置,标记地球的关键知识点,并且用工具将地球的地轴用线标记出来,让学习者能够了解地球其实是倾斜的,并且知道地球的最上端是北极,最下端是南极,如图7所示。

图7 地球仪的制作场景

4.4 应用的打包发布

在Unity中以package包的方式导出,切换成安卓平台,并在Player Setting中更改发布配置,最后生成为apk文件,将apk文件发送到手机进行安装测试。

在手机端安装好之后,打开应用,会首先出现主界面,点击AR模式,进入AR场景,手机摄像头的调用之后,对课本麦哲伦环球航行阅读材料的部分进行扫描,软件会识别到对应的识别图片时,屏幕中会出现与课本叠加的面板状的视频动画,在左下角有两个按钮,学习者可以通过点击播放、暂停,如图8所示。在课本另一页,通过扫描地球的大小知识点图片时,地球的内核模型会与之叠加,并且相关的知识点标记在地球内核模型的右侧,可以通过触摸屏幕对模型进行交互体验,如图9所示。在地球的模型这部分内容,同样扫描课本,对应的地球模型呈现出来,地轴的标记也显示出来,让学生更好地理解地轴与地球的表面相交的两点,叫两极。通过触控屏幕可以进行放大缩小旋转,来观察北极的位置,南极的位置,加深学生学习的印象,如图10所示。

图8 扫描阅读材料后的效果图

图9 扫描地球的大小内容后的效果图

图10 扫描地球仪内容后的效果图

5 结束语

增强现实技术在教育领域的跨界融合,实现了虚实结合的教学情境,给学生带来直观性、互动性的体验,极大地增强了初中学生的参与感、满足感。对于增强现实技术与教学的融合,并不是所有的教材中的内容都适合用AR技术来展示出来,要根据学习内容的分析,达到内容与技术之间的融合。本文通过Unity和Vuforia开发一款简易版的AR地理教学软件,将初中地理课本教材与虚拟教学资源相衔接,提高了课堂的效率和学生的兴趣,还能培养学生的地理学科素养,提高地理知识的立体化思维,使学生学习思路更加清晰,但其应用尚处于初级阶段。未来,仍需要深入研究。