基于AR技術(shù)的初中生物教學(xué)應(yīng)用研究

況 揚，曾 嬪

（江西科技師范大學(xué)研究生院，南昌 330038）

0 引言

數(shù)字化轉(zhuǎn)型的大背景下，新課改強調(diào)課堂教學(xué)要培養(yǎng)學(xué)生的核心素養(yǎng)，突出學(xué)生主體地位，滿足學(xué)生多樣化需求。因此，先進的科技手段與教育相結(jié)合，優(yōu)化教學(xué)方法和教學(xué)手段，堅持與時俱進，是當(dāng)今課堂教學(xué)發(fā)展必然趨勢。隨著信息科技的迅速發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)和增強現(xiàn)實技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用逐漸多樣化。增強現(xiàn)實技術(shù)（augmented reality, AR），是通過電腦等技術(shù)手段，將視覺、聽覺、觸覺等信息進行模擬仿真，應(yīng)用到真實世界，將真實世界和虛擬實物疊加到同一畫面的空間中，實現(xiàn)“虛實結(jié)合”達到超越現(xiàn)實的感官體驗［1］。增強現(xiàn)實是對現(xiàn)實的補充，而不是通過將虛擬世界的一部分與現(xiàn)實世界的三維（3D）相結(jié)合來完全替代現(xiàn)實［2］。增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到生物教學(xué)中，學(xué)生觀摩和操作3D 模型了解萬事萬物的外表和內(nèi)在特征，有助于初中生形象思維過渡到抽象思維。初中生物教學(xué)中，從傳統(tǒng)圖片轉(zhuǎn)化成3D 模型，比如人體、動物、植物、細胞等。學(xué)生可以360°觀看模型，拓展學(xué)生空間思維，豐富想象力，體驗沉浸感。因此，本文選用初中生物《鳥》的例子開發(fā)增強現(xiàn)實技術(shù)教學(xué)資源。

1 AR教學(xué)資源設(shè)計

本文的AR 教學(xué)案例總體框架設(shè)計如圖1 所示。

圖1 AR教學(xué)案例總體框架設(shè)計

2 AR教學(xué)資源設(shè)計

Unity3D 是由Unity Technologies 開發(fā)的一個能創(chuàng)建諸如實時三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺開發(fā)工具。它跨平臺性較好，支持Windows、Mac、網(wǎng)頁端、蘋果和安卓移動端運行，是AR 和VR 主要的開發(fā)工具。Unity 中較受大眾歡迎的AR 插件有Vuforia，因其性能好、交互性強、免費面向用戶等優(yōu)點而廣受開發(fā)者喜愛。AR 技術(shù)將虛擬世界與現(xiàn)實世界結(jié)合起來，為教育提供更豐富的呈現(xiàn)方式，增強了學(xué)習(xí)的交互感和參與感，使知識、信息能夠更有效地被學(xué)習(xí)者接受和吸收，正成為信息技術(shù)教育新熱點［3］?！傍B三維展示”AR移動應(yīng)用開發(fā)包括環(huán)境配置、圖片識別制作、UI 界面設(shè)計、交互邏輯控制、打包使用等環(huán)節(jié)，具體步驟如下：

（1）安裝3D MAX軟件，制作幾款鳥的模型，并設(shè)計材質(zhì)和對應(yīng)貼圖，一起導(dǎo)出FBX文件。

（2）安裝Unity3D 軟件，下載JDK 和SDK 插件；新建Unity3D 項目，命名為3D Display of Birds；導(dǎo)入XDreamer，再勾選Vuforia插件。

（3）注冊登錄Vuforia 官網(wǎng)，申請License Key，將證書復(fù)制添加到Unity3D 的AR Camera下。準(zhǔn)備好幾張鳥的圖片制作圖像識別訓(xùn)練數(shù)據(jù)。在Target Manager 中創(chuàng)建數(shù)據(jù)，逐個添加圖片并英文命名，添加完成后選中所有數(shù)據(jù)進行下載，最后將圖片識別包導(dǎo)入Unity中。

（4）在Unity3D 中導(dǎo)入鳥的FBX 資源包，新建音頻文件，準(zhǔn)備好鳥的介紹信息文本。

（5）先在Vuforia 中添加一個圖像目標(biāo)，選中一張訓(xùn)練數(shù)據(jù)圖片，再將相應(yīng)鳥的三維模型添加到場景中；設(shè)計UI 界面，UI 界面包括介紹信息和音頻播放按鈕。

（6）打開狀態(tài)機和狀態(tài)庫，制作鳥的模型旋轉(zhuǎn)功能，沿著Y軸旋轉(zhuǎn)360度。

（7）制作UI 的顯示介紹信息，先在狀態(tài)庫中添加碰撞體點擊，目標(biāo)選擇按鈕點擊；添加游戲?qū)ο蠹せ睿繕?biāo)選擇介紹信息，初始化改成否，進入改成切換；添加音頻源屬性設(shè)置，目標(biāo)選擇鳥的音頻，功能選擇不播放。

（8）制作播放音頻按鈕，添加按鈕點擊，拖入音頻按鈕，選擇播放；添加音頻源屬性設(shè)置，選擇鳥的音頻。

（9）制作圖像消失時，音頻和介紹信息也停止的控制功能。添加默認觀察者時間處理器事件，選擇當(dāng)目標(biāo)丟失；添加音頻源屬性設(shè)置，目標(biāo)選擇鳥的音頻，功能選擇不播放；添加游戲?qū)ο蠹せ睿繕?biāo)選擇介紹信息。最后依次連接各狀態(tài)組件，在Game面板中測試。

（10）調(diào)整UI 界面的位置和大小，移動端掃描圖片識別3D 模型，掃描圖片與彈出的3D 模型是否對應(yīng)，點擊音頻圖標(biāo)能否播放和暫停，點擊介紹信息能否彈出UI 界面，識別正確模型后是否能按設(shè)定好的方向、角度以及頻率旋轉(zhuǎn)，當(dāng)目標(biāo)消失時3D模型是否停止顯示。

最終“鳥”的AR展示運行效果如圖2所示。

圖2 “鳥”AR展示運行效果

3 在課堂教學(xué)中的應(yīng)用

一方面，傳統(tǒng)的課堂教學(xué)主要用到圖片和實物模型等教學(xué)工具。教師將知識內(nèi)容以口頭方式傳授給學(xué)生，對于一些實驗內(nèi)容學(xué)生主要是觀察教師操作步驟，還不能真正體現(xiàn)學(xué)生的主體地位。一些不常見但又特別重要的教學(xué)資源容易受到各種各樣的條件限制，比如生物教學(xué)中人體器官、動物、植物等受時間和空間的限制，只能通過圖片的形式展示給學(xué)生，學(xué)生只能根據(jù)原有經(jīng)驗展開想象，視覺、聽覺、觸覺等達不到感官刺激。一些周期性較長或有危險的生物觀察實驗也不能在實踐中完成，導(dǎo)致課堂枯燥乏味，學(xué)生的課外知識和觀察能力也得不到更好的發(fā)展。另一方面，因各地區(qū)教學(xué)條件不同，教師水平參差不齊，導(dǎo)致偏遠地區(qū)學(xué)校無法享受和大城市學(xué)校一樣的教學(xué)水平，無法進一步促進教育公平。信息科技發(fā)展的大背景下，先進的科技手段不斷顯現(xiàn)，比如增強現(xiàn)實技術(shù)引入教育教學(xué)中，就很好地彌補了這一方面的差距。從長遠來看，增強現(xiàn)實技術(shù)設(shè)計的教學(xué)產(chǎn)品成本低、可以反復(fù)使用，平板或手機就可以實現(xiàn)。通過增強現(xiàn)實技術(shù)，學(xué)生可根據(jù)需要對學(xué)習(xí)對象的三維模型進行旋轉(zhuǎn)、放大、縮小、移動、觀看模型的各個角度，對其部分進行操作分離，每個學(xué)生都可以動手參與其中，如同置身真實的場景中，畫面感強。增強現(xiàn)實技術(shù)用最貼近真實環(huán)境的交互演示為學(xué)習(xí)者搭建一個真實學(xué)習(xí)體驗的平臺，讓學(xué)習(xí)者在虛擬與現(xiàn)實之間自由遨游穿梭，AR 技術(shù)讓學(xué)習(xí)者的思維動力提升，視野開闊，從而提高自主動手能力［4］，能讓學(xué)生體會到身臨其境的感覺，從而激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，主動構(gòu)建知識體系，提高學(xué)習(xí)效果［5］。最后，為了證明AR 技術(shù)在生物教學(xué)課堂中的應(yīng)用效果，本研究選取了南昌市某中學(xué)初二三班來展開教學(xué)。

3.1 教學(xué)設(shè)計依據(jù)

《鳥》是初中生物《動物的主要種群》一章中的內(nèi)容，本設(shè)計從學(xué)生為主體、教師為主導(dǎo)、教學(xué)的實際需要三個角度出發(fā)：

3.1.1 以人為本的教學(xué)理念

促進學(xué)生的德智體美勞全面發(fā)展，培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力。學(xué)生是發(fā)展中的人、學(xué)生是獨特的人、學(xué)生是具有獨立意義的人。強調(diào)在教學(xué)設(shè)計的過程中要注重學(xué)生的多樣化需求。引導(dǎo)學(xué)生主動觀察，通過小組合作、交流討論等方法掌握知識、解決實際問題，逐漸培養(yǎng)科學(xué)探究精神。

3.1.2 教學(xué)的實際需要

陶行知先生曾指出“凡做一事，要用最簡單、最省力、最省錢、最省時的法子，去收獲最大的效果”。在生物教學(xué)過程中，教師必須與時俱進，應(yīng)用新技術(shù)、新手段、新方法、新教具為課堂教學(xué)注入活力，吸引學(xué)生注意力，學(xué)生體驗玩中學(xué)的快樂。

3.1.3 教師教學(xué)經(jīng)驗

根據(jù)以往的教學(xué)經(jīng)驗適當(dāng)調(diào)整教學(xué)手段和教學(xué)方法，以提高教學(xué)效果，為課堂注入活力。

3.2 教學(xué)目標(biāo)

依據(jù)核心素養(yǎng)下的課程理念、課程目標(biāo)、課程內(nèi)容、學(xué)業(yè)質(zhì)量和學(xué)業(yè)要求制定教學(xué)目標(biāo)：

3.2.1 知識與技能目標(biāo)

學(xué)生能夠說出鳥的主要特征以及鳥與人類生活的關(guān)系。

3.2.2 過程與方法

通過觀察鳥的三維模型，比較不同鳥的形態(tài)結(jié)構(gòu)特征和生理功能特征，培養(yǎng)學(xué)生概括能力以及運用生物學(xué)知識解決實際問題的能力。

3.2.3 情感態(tài)度與價值觀

通過鳥的知識的學(xué)習(xí)，感受生物與環(huán)境相適應(yīng)，形態(tài)與功能相適應(yīng)的生物學(xué)觀點，培養(yǎng)學(xué)生對生物學(xué)的興趣。

3.3 教學(xué)過程

3.3.1 導(dǎo)入新課

教師多媒體展示幾種“鳥”的圖片，并提示，我們在生活中遇到不愉快時，經(jīng)常感嘆：“要是我能像鳥兒在天空自由自在地翱翔，那該有多好啊！”是啊，有些鳥兒能夠在南北方之間遷徙，有些鳥兒能攀登珠峰！那你知道它們?yōu)槭裁磿腥绱藦姷娘w行技能嗎？本節(jié)課呢，我們一起來學(xué)習(xí)動物的主要種群中的第六節(jié)《鳥》。

3.3.2 新課講授

活動一：探討鳥的特征

教師通過AR 技術(shù)展現(xiàn)不同鳥的模型，學(xué)生運用手機或者平板掃描素材圖片，并點擊旋轉(zhuǎn)、放大、縮小、介紹信息和音頻播放等功能，學(xué)生操作練習(xí)后用表格總結(jié)出鳥在喙、足、食性和生活環(huán)境的特征，見表1。

表1 鳥的有關(guān)特征

活動二：探討鳥的形態(tài)結(jié)構(gòu)特點

教師運用AR 技術(shù)展示鳥的具體部位，如鳥的翼和羽毛，鳥的胸肌，鳥的骨骼和鳥的運動系統(tǒng)、消化系統(tǒng)、呼吸系統(tǒng)、循環(huán)系統(tǒng)等。向?qū)W生提問：鳥的形態(tài)結(jié)構(gòu)有什么特點？鳥的形態(tài)結(jié)構(gòu)有哪些適于飛行？

學(xué)生對“鳥”AR 三維展示具體部位放大、縮小和介紹按鈕等操作進行仔細觀察，最后學(xué)生總結(jié)出：鳥的身體呈流線型，可減少飛行中空氣的阻力；前肢變翼，翼上附著大型的羽毛，翼搏擊空氣，使鳥能蓬勃展翅飛翔，或平穩(wěn)滑翔；鳥骨內(nèi)部中空，骨骼輕、薄且堅固，雖然無牙齒食量大，但消化能力強，食物經(jīng)過消化吸收后形成的殘渣很快就隨糞便排出體內(nèi)，可減輕體重；鳥的呼吸器官發(fā)達，具有與肺相通的氣囊，可以輔助呼吸，提高了氣體交換的效率；心跳頻率加快，體溫高而恒定能夠增強對環(huán)境的適應(yīng)能力，擴大鳥分布范圍。

3.3.3 鞏固提高

活動三：鳥與人類生活的關(guān)系

教師依據(jù)組間同質(zhì)，組內(nèi)異質(zhì)的原則將學(xué)生分為4 人一組進行討論，時間為8 分鐘，同學(xué)展開激烈討論，教師巡視引導(dǎo)學(xué)生結(jié)合日常生活經(jīng)驗思考鳥與人類生活的關(guān)系，最后請小組代表回答。

學(xué)生針對鳥與人類的關(guān)系總結(jié)出以下幾點：首先，鳥具有很高的觀賞價值，觀鳥增進了人與鳥之前的情感，也為人類提供休閑、娛樂、旅游價值，比如白鴿。其次，鳥為人類食物提供動物蛋白，比如雞、鴨、鵝等家禽。最后，鳥能幫助人類捕捉農(nóng)業(yè)、森林、草原等方面的害蟲，比如貓頭鷹、大山雀、灰喜鵲、啄木鳥等。鳥是生物圈中必不可少的動物，它能夠維持生態(tài)系統(tǒng)穩(wěn)定。

3.3.4 小結(jié)作業(yè)

教師引導(dǎo)學(xué)生總結(jié)本堂課所學(xué)內(nèi)容，發(fā)表心得體會，并完成課后練習(xí)。本堂課結(jié)束后，發(fā)放問卷，讓學(xué)生如實填寫，紙質(zhì)問卷設(shè)計如下：

第一題：你喜歡本堂課的教學(xué)方式嗎？（）單選題

A.非常喜歡B.喜歡

C.一般D.不喜歡

第二題：與傳統(tǒng)課堂相比你認為AR 課堂更能激發(fā)自己的學(xué)習(xí)興趣嗎？（）單選題

A.是B.不是

第三題：你認為本堂課哪些地方讓你印象最深刻？（）單選題

A.課堂展示的鳥的圖片

B.操作“鳥”AR三維展示APP

C.課本上的介紹內(nèi)容

本堂課通過調(diào)查問卷的方式驗證AR 技術(shù)在初中生物課堂的教學(xué)效果。課堂結(jié)束后，發(fā)放給學(xué)生58 份問卷，回收58 份問卷，有效回收率達100%。通過整理問卷發(fā)現(xiàn)本堂課的教學(xué)方式有55 人選擇非常喜歡，3 人選擇喜歡。認為AR課堂更能激發(fā)自己的學(xué)習(xí)興趣的有57 人。有56人認為本堂課印象最深的是操作“鳥”AR 三維展示APP。最后統(tǒng)計了學(xué)生課后練習(xí)的完成情況，90 分以上的有48 人。數(shù)據(jù)表明，AR 課堂確實能引起學(xué)生的注意，達到更好的教學(xué)效果，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)效率。增強教學(xué)的直觀性、生動性和豐富性。如教師可以運用互聯(lián)網(wǎng)和數(shù)字設(shè)備，設(shè)計完成模擬實驗，進行虛擬仿真實驗，突破實驗材料、實驗時間和實驗設(shè)備的限制，減少學(xué)習(xí)活動對材料、場地和設(shè)備等條件的依賴。增強現(xiàn)實技術(shù)的交互性和沉浸性不受時間和空間的限制，學(xué)生隨時隨地能夠打開移動端鞏固復(fù)習(xí)知識，經(jīng)過反復(fù)練習(xí)、操作，強化學(xué)生記憶。新穎的學(xué)習(xí)方式提高學(xué)生的積極性，拓展學(xué)生的思維空間，充分發(fā)揮想象力，有利于培養(yǎng)學(xué)生的操作能力、分析判斷能力、設(shè)計能力和創(chuàng)新意識。教學(xué)方面向數(shù)字化學(xué)習(xí)轉(zhuǎn)變，能夠建構(gòu)更加高效的課堂體系，與時俱進。

3.4 教學(xué)反思

增強現(xiàn)實技術(shù)應(yīng)用到實際的教學(xué)過程中的優(yōu)勢如下：

3.4.1 AR突破時空限制，促進教育公平

一方面，在初中生物教材中大量的人體器官、動植物均以圖片的形式呈現(xiàn)，學(xué)生也只能片面觀察，無法從各個角度仔細觀摩，無法滿足學(xué)生對事物的好奇心。另一方面，受疫情、各地區(qū)時間、氣候、經(jīng)費、教學(xué)設(shè)備等因素影響，很多生物學(xué)實驗無法進行，動植物模型無法獲得。增強現(xiàn)實技術(shù)的出現(xiàn)則很好地解決了以上存在的實際問題。比如《鳥》這一堂課，制作各種鳥的3D 模型后通過Unity 完成導(dǎo)出發(fā)布后運用移動端加以實現(xiàn)的案例，既節(jié)省了購買實物模型和昂貴教學(xué)設(shè)備的開支，突破季節(jié)、空間限制，學(xué)生能夠觀看各地區(qū)的鳥，AR 資源還可以重復(fù)使用，不會像實物模型用久后產(chǎn)生磨損破損。AR 技術(shù)可以簡單方便實現(xiàn)，對教學(xué)設(shè)備要求低，所需成本低。彌補了一些學(xué)校資源短缺的現(xiàn)狀，進一步促進了教育公平。

3.4.2 AR與生物課堂結(jié)合，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

傳統(tǒng)的教學(xué)方式是通過多媒體呈現(xiàn)視頻、圖片、聲音，雖然一定程度上能夠吸引學(xué)生的注意，但還不夠深入。隨著虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實等信息科技的發(fā)展，社會智能化加快，教學(xué)手段多元化。VR 技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)方式相比較，它能夠360 度全景觀看，使用者的聽覺、視覺、觸覺等感官進行模擬，讓人產(chǎn)生身臨其境的感覺。AR 技術(shù)與生物課堂教學(xué)相結(jié)合，將學(xué)生的注意力帶入，學(xué)生自主進入沉浸性學(xué)習(xí)狀態(tài)。像《鳥》一節(jié)的教學(xué)過程中，逼真的3D 模型展示讓學(xué)生眼前一亮，瞬間進入課堂狀態(tài)，課堂不再枯燥乏味，而是在感到愉快的同時收獲了很多知識，逐漸喜歡上AR 生物課堂，提高了成績，學(xué)習(xí)更加自信，身心得到健康全面發(fā)展。

3.4.3 AR技術(shù)推動學(xué)生核心素養(yǎng)的形成

AR 技術(shù)課堂充分展現(xiàn)了教師為主導(dǎo)，學(xué)生為主體。構(gòu)建學(xué)習(xí)情境引導(dǎo)每位學(xué)生主動參與，在信息環(huán)境下獲取生物學(xué)科知識和技能的新型學(xué)習(xí)方式，幫助學(xué)生在宏觀和微觀兩個角度去觀摩內(nèi)在結(jié)構(gòu)特征，開拓視野，解決了人與人之間認知上的差距，滿足全體學(xué)生的個性化需求。在觀察模型過程中，增強學(xué)生的好奇心和求知欲，培養(yǎng)學(xué)生在實踐中發(fā)現(xiàn)問題和解決問題的能力。學(xué)生主動參與、勤于動手，從而在學(xué)習(xí)過程中獲得終身發(fā)展的必備品格和關(guān)鍵能力。

4 結(jié)語

增強現(xiàn)實技術(shù)是信息時代的產(chǎn)物，它在教育領(lǐng)域具有廣闊的運用前景，繼續(xù)普及將促進教學(xué)手段的變革。增強現(xiàn)實是一種刺激學(xué)生通過AR 技術(shù)實現(xiàn)所需教育目標(biāo)的方式，這給學(xué)生帶來了積極的影響［6］。當(dāng)然，教學(xué)中運用新科技手段的同時對教師技能要求有所提高，并且在教學(xué)內(nèi)容和教學(xué)素材的選擇上需謹(jǐn)慎，把好的技術(shù)用在刀刃上，需要從宏觀和微觀角度觀察的、難以在現(xiàn)實生活中獲得的、危險的動物模型、人體器官結(jié)構(gòu)、細胞結(jié)構(gòu)等通過三維方式展現(xiàn)，學(xué)生可從中感性認識，理解知識內(nèi)容，彌補直接經(jīng)驗的不足。就目前而言，AR 教育資源開發(fā)不足以滿足現(xiàn)代教學(xué)的需要，期待在不久的將來能開發(fā)更多的AR 教育資源以促進教學(xué)手段的變革。