AR技術在小學科學教育中的應用研究

黃鍵 卓皓 董湛

摘? 要：小學科學作為培養人才科學素養的啟蒙課程，發揮著十分重要的作用。在傳統的小學科學課堂中，由于條件限制，一些科學知識無法直觀地進行呈現。近年來，隨著AR技術的普及應用，使得AR技術在科學課堂的應用成為可能。文章介紹了小學科學課堂的現狀，以及AR技術的應用情況，并針對一節小學科學課的案例，分析了AR技術在課堂上的應用，還針對應用中出現的問題，提出了解決思路。

關鍵詞：小學科學;AR技術;AR教育

Abstract：Primary school science plays a very important role as an enlightenment course for cultivating talentsscientific literacy. In the traditional primary school science classroom，some scientific knowledge can not be directly presented due to the constraints of conditions. In recent years，with the popularization and application of AR technology，the application of AR technology in science classroom becomes possible. This paper introduces the current situation of science classroom in primary school，and the application of AR technology. According to a case of elementary school science class，the application of AR technology in the classroom is analyzed，and solutions to problems in the application are also proposed.

Keywords：primary school science;AR technology;AR education

0? 引? 言

小學科學課程是培養科學素養的基礎課程，教學內容涵蓋物質科學，生命科學，地球與宇宙科學，技術與工程等四個領域[1]。通過科學課程教學，不僅能讓學生能學到知識，而且在探究的過程中，可以激發學生的學習興趣，培養探究科學的精神[2]。

目前，全國各地的小學基本都已經開設了科學課，但受到經濟發展水平，以及師資水平等因素的影響，不同地區的科學課開展情況也不一樣。對于發達地區，小學科學課開展情況相對較好，而在一些偏遠地區和農村小學，情況就不夠理想，主要存在的問題有：重要性認識不足，軟硬件設施欠缺，師資綜合素質不高等。近年來，隨著VR、AR技術的興起和應用，也給科學課開展實施帶來更多的思路。為了研究AR技術在小學科學課堂的應用，本校與作為科學教育專業校外實踐基地的福州市紅霞小學等幾所學校開展了積極地合作。通過制作AR科學小實驗教學資源，將這些資源運用到小學科學課堂的教學中，探討AR技術對于提升課堂教學質量的影響。

1? AR技術

AR技術，即增強現實技術，是一種實時地計算攝影機影像的位置角度和各個參數，并加上相應圖像的技術，綜合運用了多媒體、三維建模、智能交互、傳感等技術手段，將虛擬的信息內容融合到真實世界中，實現了現實與虛擬世界之間的互動[3]。

1.1? AR技術在教育領域應用

隨著AR技術的發展，相關的應用也越來越多。目前，AR技術已應用到商品銷售，教育、健康醫療、企業培訓、室內設計等領域，改變著人們學習，工作生活的方式。

在教育領域中，AR技術的應用也帶來了教學手段的變革。AR技術可以幫助學生打造生動、逼真的學習環境，使學生通過真實感受來增強記憶，激發學生的學習興趣。此外，由于不少AR產品對于硬件的要求較低，只要一個帶攝像頭的移動終端，以及配套的教學資源卡片等，大大降低了成本，這也有利于普及應用。

圖1展示的是一個本校學生開發的AR識物APP軟件，通過手機掃描印著魚的紙質卡片，呈現出一條魚的三維造型。

1.2? AR教育產品設計流程

目前，主要的AR開發引擎有Unity、Unreal Engine、CryEngine等。其中，Unity是由Unity Technologies開發的一個能創建三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內容的綜合型游戲開發工具[4]。因其具有跨平臺的特點，且支持主流的VR、AR設備，成為目前最流行的VR、AR產品開發工具。Unreal是Unreal Engine（虛幻引擎）的簡寫，由Epic開發，是世界知名、授權最廣的游戲引擎之一。通過在Unreal Engine中引入ARToolkit插件，可以進行AR產品的開發。

要完成一個AR產品的開發，首先要制作三維模型，然后導出為OBJ或者FBX格式，然后再導入Unity或Unreal Engine工具中，通過編寫程序或者藍圖來完成功能設計，最后根據需求發布產品。AR教育產品的開發基本流程如圖2所示。

2? AR科學實驗在課堂的應用

在傳統的科學課堂教學中，主要是通過圖片文字講解，實驗演示及互動來開展。對于現實中能接觸到的實驗內容，如光電物理實驗、認識植物等，比較容易開展。而對于地球與宇宙科學領域的知識，或者一些已經不存在的動植物，則只能通過圖片視頻進行展示，不容易進行實驗展示。通過AR技術，則可以虛擬出世界萬物，如宇宙中的星球、動植物，物理實驗的道具、化學實驗的現象等。這些仿真內容制作出來后，可以讓學生在課堂上進行觀摩學習，并進行互動操作，給他們帶來不一樣的觀感體驗，提升了學習效果[5]。而且，AR技術的應用也在一定程度上彌補了科學教師個人綜合素質方面的不足，提升了教學質量。

2.1? AR實驗設計

實驗對于科學知識是非常重要的，是驗證和探索知識的重要環節。幾乎所有的科學知識實驗都可以通過AR技術模擬出來，尤其是對于一些平常見不到的事物，更適合用AR技術進行演示。下面以蘇教版五年級上冊小學科學“晝夜交替”這一課的AR資源制作為例，簡要說明其設計步驟。

“晝夜交替”這節課主要是介紹太陽，地球，以及自轉公轉的知識，主要設計的內容及步驟如下：

（1）利用3ds max制作太陽，地球的模型，設計地球靜止和轉動的動畫，并設計對應的材質和相關的系列貼圖。

（2）將太陽和地球的模型材質及相關動畫導出為FBX文件，所有材質的貼圖也單獨保存到一個文件夾中。

（3）創建一個Unity項目，依次導入EasyAR SDK，模型材質的FBX文件，及其對應的貼圖，并將貼圖賦予對應模型的材質。

（4）將模型拖入場景，設計場景UI，如功能按鈕菜單等，并保存。

（5）新建一個Animator Controller，添加地球自轉，停止狀態，依次添加狀態連線，創建一個觸發變量isrotate，設置不同狀態間轉換條件，完成的動畫狀態機如圖3所示。

（5）將一張太陽系平面圖tyx.jpg導入到項目中，找到EasyAR的識圖目標圖像對象ImageTarget，設置要識別的對象圖片為tyx.jpg。

（6）新建腳本play.cs，編程實現界面中各個按鈕菜單的功能。以旋轉功能為例，主要是設置變量isrotate的值為true。

完成的運行效果圖如圖4所示。

2.2? AR實驗在課堂中的運用

在AR演示軟件制作完成后，就可以用在課堂教學中了。為了驗證AR實驗在小學科學課的實施效果，本文以本?？茖W教育專業學生教育實習的福州市臺江區某小學五年級三班來開展教學。在“晝夜交替”這節課的教學中，教師首先會提出問題，讓學生探討晝夜變化的規律，然后再介紹歷史上人類對于此類現象的觀點。接下來，需要驗證晝夜交替與地球自轉的關系。在模擬實驗環節，涉及地球自轉，公轉等場景演示的時候，可以利用AR技術來實現。

上完這堂課后，讓班上的學生填寫一份問卷，問卷內容包含一個多選題及一個單選題，題目如下：

（1）這節課讓你印象最深刻的地方在哪？（多選題）

A.歷史上關于晝夜交替的現象的認識? ?B.地球自轉知識介紹? ?C.地球公轉知識介紹? ?D.手電筒地球儀模擬實驗? ?E.晝夜交替的AR實驗演示

（2）這樣的科學課堂你喜歡嗎？（單選題）

A.很喜歡? ?B.喜歡? ?C.還行? ?D.不喜歡

本次授課的班級，學生人數為53人。通過整理收回的53份問卷，發現學生印象最深刻的地方主要是在手電筒地球儀模擬實驗以及晝夜交替的AR實驗演示，選擇的人數分別為48人和51人。而在選擇是否喜歡這樣的科學課堂時，有51人選擇了很喜歡，剩下2人選擇了喜歡。再通過對授課過程中學生表現狀態的觀察以及課后思考題的完成情況的統計，整理出課堂教學情況表，如表1所示。

從表1可以看出，通過模擬的情景展示，學生基本都掌握了自轉在晝夜交替中的作用。在授課過程中，學生還會向教師提出問題，進行互動探討，本節課取得了較好的效果。

2.3? 存在的問題

從前面的介紹中可以看出，AR技術的合理運用，提升了課堂體驗的效果，學生也能更好地理解和記憶所學的知識。但是也要看到，目前AR技術在教育教學中的運用還不夠成熟，主要存在以下幾個問題：

（1）新技術如何與傳統課堂更好地融合。一方面，AR等新技術的普及應用為教師的教學提供了新的助力;另一方面，這也對教師提出了更高的要求，作為科學教師，應當不斷提高自身綜合素質，主動學習新知識新技術，并將它們融入課堂教學中，以促進學生更好地掌握知識;還應當看到，AR等新技術的運用，絕不是簡單地替代傳統的教學方式，而是需要合理恰當地運用，才能取得最佳的效果。

（2）AR教育資源還不夠豐富完善。目前，隨著AR技術的發展成熟，已應用到各個領域，但是在教育領域中的應用，還處于起步階段?，F階段，對于小學科學課來說，還沒有配套的，比較系統完整的科學課AR教育資源，這也影響了使用效果。未來，如果能開發出配套的AR資源，也能更好地進行推廣使用，進一步提高科學教育的質量。

3? 結? 論

近年來，隨著信息技術的發展，尤其是VR、AR技術的發展應用，給小學科學課的實施帶來了良好的機遇。文章分析了小學科學課堂教學的現狀，并詳細介紹了AR技術在教育領域，尤其是科學課堂的應用情況。文章中還結合蘇教版小學科學五年級上冊“晝夜交替”這一課的教學內容，利用Unity等工具制作了其中模擬實驗的AR軟件，并將其應用到小學科學課的教學中。課堂實踐表明，合理運用AR技術進行教學活動能夠產生良好的效果，讓學生更好地掌握知識，培養主動探究思考的能力。

參考文獻：

[1] 周乾莉，張麗燕，李新暉.VR技術小學科學教育應用研究 [J].軟件導刊（教育技術），2019，18（9）：64-66.

[2] 張影.基于VR體驗的小學科學課教學設計與實踐研究 [D].新鄉：河南師范大學，2019.

[3] 孟晨，李利，沈曉茜.增強現實課堂的學習活動與動機激發策略研究——基于小學科學課的視頻分析 [J].中國教育信息化，2019（10）：36-41.

[4] 沈倩.基于AR技術的小學《科學》教育游戲設計與開發 [D].南昌：江西科技師范大學，2019.

[5] 邱雅慧，叢文彥.VR/AR技術在教育領域的應用探索 [J].數字通信世界，2019（6）：193.

作者簡介：黃鍵（1983—），男，漢族，福建莆田人，講師，碩士研究生，研究方向：軟件工程，虛擬現實應用、科學教育;卓皓（1983—），男，漢族，福建福州人，講師，碩士研究生，研究方向：軟件工程、數字媒體技術;董湛（1987—），女，漢族，福建福州人，助教，碩士研究生，研究方向：戲劇影視、數字媒體技術。