AR技术在小学科学教育中的应用研究

黄键 卓皓 董湛

摘  要：小学科学作为培养人才科学素养的启蒙课程，发挥着十分重要的作用。在传统的小学科学课堂中，由于条件限制，一些科学知识无法直观地进行呈现。近年来，随着AR技术的普及应用，使得AR技术在科学课堂的应用成为可能。文章介绍了小学科学课堂的现状，以及AR技术的应用情况，并针对一节小学科学课的案例，分析了AR技术在课堂上的应用，还针对应用中出现的问题，提出了解决思路。

关键词：小学科学;AR技术;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

小学科学课程是培养科学素养的基础课程，教学内容涵盖物质科学，生命科学，地球与宇宙科学，技术与工程等四个领域[1]。通过科学课程教学，不仅能让学生能学到知识，而且在探究的过程中，可以激发学生的学习兴趣，培养探究科学的精神[2]。

目前，全国各地的小学基本都已经开设了科学课，但受到经济发展水平，以及师资水平等因素的影響，不同地区的科学课开展情况也不一样。对于发达地区，小学科学课开展情况相对较好，而在一些偏远地区和农村小学，情况就不够理想，主要存在的问题有：重要性认识不足，软硬件设施欠缺，师资综合素质不高等。近年来，随着VR、AR技术的兴起和应用，也给科学课开展实施带来更多的思路。为了研究AR技术在小学科学课堂的应用，本校与作为科学教育专业校外实践基地的福州市红霞小学等几所学校开展了积极地合作。通过制作AR科学小实验教学资源，将这些资源运用到小学科学课堂的教学中，探讨AR技术对于提升课堂教学质量的影响。

1  AR技术

AR技术，即增强现实技术，是一种实时地计算摄影机影像的位置角度和各个参数，并加上相应图像的技术，综合运用了多媒体、三维建模、智能交互、传感等技术手段，将虚拟的信息内容融合到真实世界中，实现了现实与虚拟世界之间的互动[3]。

1.1  AR技术在教育领域应用

随着AR技术的发展，相关的应用也越来越多。目前，AR技术已应用到商品销售，教育、健康医疗、企业培训、室内设计等领域，改变着人们学习，工作生活的方式。

在教育领域中，AR技术的应用也带来了教学手段的变革。AR技术可以帮助学生打造生动、逼真的学习环境，使学生通过真实感受来增强记忆，激发学生的学习兴趣。此外，由于不少AR产品对于硬件的要求较低，只要一个带摄像头的移动终端，以及配套的教学资源卡片等，大大降低了成本，这也有利于普及应用。

图1展示的是一个本校学生开发的AR识物APP软件，通过手机扫描印着鱼的纸质卡片，呈现出一条鱼的三维造型。

1.2  AR教育产品设计流程

目前，主要的AR开发引擎有Unity、Unreal Engine、CryEngine等。其中，Unity是由Unity Technologies开发的一个能创建三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的综合型游戏开发工具[4]。因其具有跨平台的特点，且支持主流的VR、AR设备，成为目前最流行的VR、AR产品开发工具。Unreal是Unreal Engine（虚幻引擎）的简写，由Epic开发，是世界知名、授权最广的游戏引擎之一。通过在Unreal Engine中引入ARToolkit插件，可以进行AR产品的开发。

要完成一个AR产品的开发，首先要制作三维模型，然后导出为OBJ或者FBX格式，然后再导入Unity或Unreal Engine工具中，通过编写程序或者蓝图来完成功能设计，最后根据需求发布产品。AR教育产品的开发基本流程如图2所示。

2  AR科学实验在课堂的应用

在传统的科学课堂教学中，主要是通过图片文字讲解，实验演示及互动来开展。对于现实中能接触到的实验内容，如光电物理实验、认识植物等，比较容易开展。而对于地球与宇宙科学领域的知识，或者一些已经不存在的动植物，则只能通过图片视频进行展示，不容易进行实验展示。通过AR技术，则可以虚拟出世界万物，如宇宙中的星球、动植物，物理实验的道具、化学实验的现象等。这些仿真内容制作出来后，可以让学生在课堂上进行观摩学习，并进行互动操作，给他们带来不一样的观感体验，提升了学习效果[5]。而且，AR技术的应用也在一定程度上弥补了科学教师个人综合素质方面的不足，提升了教学质量。

2.1  AR实验设计

实验对于科学知识是非常重要的，是验证和探索知识的重要环节。几乎所有的科学知识实验都可以通过AR技术模拟出来，尤其是对于一些平常见不到的事物，更适合用AR技术进行演示。下面以苏教版五年级上册小学科学“昼夜交替”这一课的AR资源制作为例，简要说明其设计步骤。

“昼夜交替”这节课主要是介绍太阳，地球，以及自转公转的知识，主要设计的内容及步骤如下：

（1）利用3ds max制作太阳，地球的模型，设计地球静止和转动的动画，并设计对应的材质和相关的系列贴图。

（2）将太阳和地球的模型材质及相关动画导出为FBX文件，所有材质的贴图也单独保存到一个文件夹中。

（3）创建一个Unity项目，依次导入EasyAR SDK，模型材质的FBX文件，及其对应的贴图，并将贴图赋予对应模型的材质。

（4）将模型拖入场景，设计场景UI，如功能按钮菜单等，并保存。

（5）新建一个Animator Controller，添加地球自转，停止状态，依次添加状态连线，创建一个触发变量isrotate，设置不同状态间转换条件，完成的动画状态机如图3所示。

（5）将一张太阳系平面图tyx.jpg导入到项目中，找到EasyAR的识图目标图像对象ImageTarget，设置要识别的对象图片为tyx.jpg。

（6）新建脚本play.cs，编程实现界面中各个按钮菜单的功能。以旋转功能为例，主要是设置变量isrotate的值为true。

完成的运行效果图如图4所示。

2.2  AR实验在课堂中的运用

在AR演示软件制作完成后，就可以用在课堂教学中了。为了验证AR实验在小学科学课的实施效果，本文以本校科学教育专业学生教育实习的福州市台江区某小学五年级三班来开展教学。在“昼夜交替”这节课的教学中，教师首先会提出问题，让学生探讨昼夜变化的规律，然后再介绍历史上人类对于此类现象的观点。接下来，需要验证昼夜交替与地球自转的关系。在模拟实验环节，涉及地球自转，公转等场景演示的时候，可以利用AR技术来实现。

上完这堂课后，让班上的学生填写一份问卷，问卷内容包含一个多选题及一个单选题，题目如下：

（1）这节课让你印象最深刻的地方在哪？（多选题）

A.历史上关于昼夜交替的现象的认识   B.地球自转知识介绍   C.地球公转知识介绍   D.手电筒地球仪模拟实验   E.昼夜交替的AR实验演示

（2）这样的科学课堂你喜欢吗？（单选题）

A.很喜欢   B.喜欢   C.还行   D.不喜欢

本次授課的班级，学生人数为53人。通过整理收回的53份问卷，发现学生印象最深刻的地方主要是在手电筒地球仪模拟实验以及昼夜交替的AR实验演示，选择的人数分别为48人和51人。而在选择是否喜欢这样的科学课堂时，有51人选择了很喜欢，剩下2人选择了喜欢。再通过对授课过程中学生表现状态的观察以及课后思考题的完成情况的统计，整理出课堂教学情况表，如表1所示。

从表1可以看出，通过模拟的情景展示，学生基本都掌握了自转在昼夜交替中的作用。在授课过程中，学生还会向教师提出问题，进行互动探讨，本节课取得了较好的效果。

2.3  存在的问题

从前面的介绍中可以看出，AR技术的合理运用，提升了课堂体验的效果，学生也能更好地理解和记忆所学的知识。但是也要看到，目前AR技术在教育教学中的运用还不够成熟，主要存在以下几个问题：

（1）新技术如何与传统课堂更好地融合。一方面，AR等新技术的普及应用为教师的教学提供了新的助力;另一方面，这也对教师提出了更高的要求，作为科学教师，应当不断提高自身综合素质，主动学习新知识新技术，并将它们融入课堂教学中，以促进学生更好地掌握知识;还应当看到，AR等新技术的运用，绝不是简单地替代传统的教学方式，而是需要合理恰当地运用，才能取得最佳的效果。

（2）AR教育资源还不够丰富完善。目前，随着AR技术的发展成熟，已应用到各个领域，但是在教育领域中的应用，还处于起步阶段。现阶段，对于小学科学课来说，还没有配套的，比较系统完整的科学课AR教育资源，这也影响了使用效果。未来，如果能开发出配套的AR资源，也能更好地进行推广使用，进一步提高科学教育的质量。

3  结  论

近年来，随着信息技术的发展，尤其是VR、AR技术的发展应用，给小学科学课的实施带来了良好的机遇。文章分析了小学科学课堂教学的现状，并详细介绍了AR技术在教育领域，尤其是科学课堂的应用情况。文章中还结合苏教版小学科学五年级上册“昼夜交替”这一课的教学内容，利用Unity等工具制作了其中模拟实验的AR软件，并将其应用到小学科学课的教学中。课堂实践表明，合理运用AR技术进行教学活动能够产生良好的效果，让学生更好地掌握知识，培养主动探究思考的能力。

参考文献：

[1] 周乾莉，张丽燕，李新晖.VR技术小学科学教育应用研究 [J].软件导刊（教育技术），2019，18（9）：64-66.

[2] 张影.基于VR体验的小学科学课教学设计与实践研究 [D].新乡：河南师范大学，2019.

[3] 孟晨，李利，沈晓茜.增强现实课堂的学习活动与动机激发策略研究——基于小学科学课的视频分析 [J].中国教育信息化，2019（10）：36-41.

[4] 沈倩.基于AR技术的小学《科学》教育游戏设计与开发 [D].南昌：江西科技师范大学，2019.

[5] 邱雅慧，丛文彦.VR/AR技术在教育领域的应用探索 [J].数字通信世界，2019（6）：193.

作者简介：黄键（1983—），男，汉族，福建莆田人，讲师，硕士研究生，研究方向：软件工程，虚拟现实应用、科学教育;卓皓（1983—），男，汉族，福建福州人，讲师，硕士研究生，研究方向：软件工程、数字媒体技术;董湛（1987—），女，汉族，福建福州人，助教，硕士研究生，研究方向：戏剧影视、数字媒体技术。