基于移动AR的可视化教学案例设计

吴珍珍 朱峰

摘要：为了让学生更好地理解程序设计类课程的重要知识点，将增强现实（AR）技术融入可视化教学，利用Unity结合Vuforia设计了一个基于移动AR应用的教学案例。首先需要依据课程内容设计好案例，完成AR开发环境的安装与配置，最后实现图片识别和音视频添加等功能。实践表明案例的运用可以帮助学生加深对知识点的理解，为知识点解析的可视化提供有益参考。

关键词：增强现实（AR）;可视化教学;Unity;Vuforia

中图分类号：TP311        文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2021）31-0155-02

Visual Teaching Case Design Based on Mobile AR

WU Zhen-zhen1， ZHU Feng2

（1.College of Information Science and Engineering， Hunan Women's University， Changsha 410004， China; 2.CINF Engineering Corporation Limited Changsha， Changsha 410019， China）

Abstract： With the rapid development of augmented reality （AR） technology， it has been widely used in various fields. In this paper， augmented reality technology is integrated into the knowledge points of programming courses， a teaching case based on mobile AR application is designed and implemented by Unity and Vuforia. First， we need to design cases according to the course content， complete the installation and configuration of AR development environment， and finally realize the functions of image recognition and audio and video addition. Practice shows that the application of cases can help students deepen their understanding of knowledge points and provide useful reference for the visualization of knowledge point analysis.

Key words： augmented Reality （AR）; visual teaching; Unity; Vuforia

“可視化”其实已不是一个新名词，其应用由来已久。作为教育领域关注的一个热点，涉及的方向主要有知识可视化、思维可视化和可视化教学设计等。华东师范大学的刘濯源研究员指出只要将可视化技术应用于教学过程中都可称为可视化教学[1]。从传统课堂的黑板、幻灯片到如今的电子白板甚至是基于物联网的智慧教室系统，都属于可视化教学的范畴。增强现实（AR）技术具有独特的呈现方式，与教育相结合将会产生一种特别的个性化教学模式，这种人机互动教学带来的趣味可以提高学生的学习兴趣和自主性，也更符合学生的学习特点，从而实现教育质量的提升[2]。事实上，已经有很多人在这方面做了不少探索，并提出了一些实用的方案，如把移动设备增强现实技术应用到与书本的交互中，基于Unity的教育教辅应用系统等[3-5]，可以为书本带来新的内容呈现方式，为教育教学活动提供全新的互动体验，新媒体新技术的支持为教学案例和内容的开发设计提供了无限可能。

1 相关技术介绍

1.1 增强现实技术

随着各类基础技术的不断突破，人工智能、物联网更加普及，VR、AR成为了当今世界最炙手可热的新兴技术，已经获得了广泛关注和认可，并且已经变得越来越触手可及。AR既能通过将虚拟信息叠加到现实环境来增强人们对现实环境的理解和感知，又能借助现实环境的信息模型来增强用户体验虚拟物体的真实感，在各大领域都有了广泛应用包括交通、教育、医疗、社交等等，其中教育类应用受关注度比较高[6-8]。目前AR技术的教学应用主要体现在利用AR作为教具、增强教学情境或增强课堂教学的知识表达等方面，随着虚拟现实、增强现实时代的到来，课堂也将迎来可视化教学的新篇章。

1.2 AR产品分类

根据运行软件终端类型，AR一般分为PC端的AR产品、移动终端AR产品和AR眼镜几大类。其主要应用场景也分别有所不同，PC端的AR主要用于直播互动，如AR衣橱、直播游泳比赛等;移动终端产品多用于教育、导航之类，典型的如国内起步较早的小熊尼奥系列、AR涂涂乐系列，百度地图的AR实景导航等;AR眼镜的功能比较丰富，更贴合用户视觉举例，但是生活学习还需要单独购买配置设备，由于介入成本较高，市场普及程度较低。AR手机凭借其便捷的使用度和交互性，普及程度较高，我们选择设计的案例也属于移动端AR应用，学生只需要带了手机即可参与使用。

2案例的具体实现

2.1案例策划

对于一些程序设计类课程，如面向对象程序设计、JSP程序设计、移动开发技术等，很多学生反映其中有知识点较难理解，没听懂老师讲课内容，从而逐渐失去了对这些课程的兴趣，或是对这些知识点理解不是十分深刻，等自己实操时不会运用。本文接下来将以讲解输入输出流为例，利用Unity+ Vuforia实现一个移动AR应用案例作为例子介绍其在可视化教学中的应用，它能够让手机在扫描到识别图时在屏幕上显示特定的3D模型，同时播放与之相应的课程内容知识点讲解，甚至播放相关的视频片段，在移开识别图时暂停播放讲解，并且在再次扫描到识别图时从上次暂停的地方继续播放，从而激发学生的学习兴趣以及加深学生对知识的理解。

2.2 素材准备

依据课程教学内容选择合适的案例，再根据案例需求准备相应的素材文件如需要识别的图片文件，识别以后要显示的3D模型，需要播放的背景音乐、音效或视频文件等，因此素材准备主要包括以上几部分内容。为了更贴合教学内容和使用习惯，我们遴选了多种识别图片，包括二维码、文字、理论图及类比实物图，从应用广度及内容广度、系统识别难度等方面比较得出选择类比实物图，另外考虑到输入输出是程序设计类课程中一个重要的知识点且学生对此容易混淆使用，案例选择识别的图片为一幅包含打印机及输入输出字样的平面图，3D模型是在Unity官方资源商店获取的3D打印机，同时录制了音频，也准备了和课程内容相应的视频讲解。

2.3 AR开发环境的安装与配置

首先需要根据自己个人计算机的类型选择性的安装如基于Windows平台的Unity软件。在安装时，建议根据需要选择勾选Android、iOS和Vuforia等组件。第一次运行安装好的Unity需要登录，所以还需到其官网注册一个账号并激活才能使用。Vuforia作为常用的增强现实SDK之一，在移动平台包括安卓和IOS都有非常好的兼容性，要使用Vuforia开发AR应用，也需要一个Vuforia开发者帐号。通过该帐号才可以使用许可证管理器和目标管理器，并且可以下载它的SDK和示例。因为在Unity2018之后对AR开发进行了集成，所以只需要在安装Unity2018及之后的版本时默认勾选AR开发选项即可，不需要像之前版本那样将Vuforia作为插件使用。登录成功的用户，點击develop标签可以看到有两个选项卡，分别为License Manager和Target Manager，其中License Manager用来管理密钥，当点击该选项卡下的Get Development Key按钮，确认接受协议后即可获取密钥Key，然后将密钥复制到本地供后期开发使用。没有正确的key，程序将无法运行。

2.4 图片识别

其主要步骤如下，新建一个Unity项目，设置集成开发环境，需要点击player settings，在右侧的Inspector属性面板找到并勾选Vuforia Argumented复选框。然后再添加ARCamera，即导入vuforia摄像机同时关闭场景中的主摄像机。然后配置Vuforia Configuration，将之前准备好的密钥复制到相应的输入框。接着需要使用Vuforia来生成识别图的特征数据库。继续登录Vuforia官网选择devlelop下的target Manager，可以看到添加数据库的按钮，点击以后填写输入识别图片库名称，类型选择默认即可。数据库加载成功后，就可以点击该数据库名和add target添加识别对象了。添加类型选择单个图片，File选项选择浏览添加本教学案例事先准备好的图片文件，注意只能是jpg和png格式，Width中输入识别图片的宽度，Name中输入图片的名字，最好是英文，默认为图片文件名，之后如果要用代码来控制对象的话就是用这个名字，所以最好取一个有意义的名字。上传完后，就可以看到上传图片的情况。其中图片的星级很重要，有5个星级，从五颗星依次向下排序，如小于3颗星的图片，识别可能会比较困难，如下图所示。

上图中单击download database按钮可以下载识别图的资源包文件。此时再切换到Unity工作窗口，单击菜单栏Asset中的Import可将刚下载的资源包文件导入，将图片目标对象及以后要显示的3D对象添加到场景，调整对象大小和位置，并将图片对象数据库设置好，就可以调整ARCamera摄像机进行测试了，如图2所示。之后，就可以发布到安卓或者IOS平台。

2.5音视频的添加

相对于简单的3D模型，炫酷的视频和动人的音乐播放展示更加能吸引人。Unity支持不同类型的音视频格式，常见的如MOV、MPG、MP4、ASF等类型的文件都可以。在之前步骤的基础上，包括先把Unity AR开发环境配置好，导入图片和数据，取消主摄像机的使用等，同时调整AR摄像机使其照射全景。接下来再将事先准备好的音视频文件导入，导入机制和导入其他素材文件一样，只要把文件由所在计算机中的位置将其拖拽进来即可。如果添加的是音频文件，即播放相应的知识点讲解的话，还需要单击组件component下的Audio，同时添加音频侦听器和音频源。对于视频文件，我们采取了先添加一个游戏对象如plane创建平面作为目标对象的子物体，然后将视频资源挂在视频播放器Video Player上，注意不要勾选Loop设置视频循环播放，同时利用官网默认实例脚本稍作简单修改并将新脚本挂载在plane上即可由程序代码控制视频的播放。

3 结束语

本文主要以程序设计类课程的知识点讲解为例，利用增强现实技术实现了一个基于unity+vuforia的移动AR应用教学案例，学生通过移动设备手机扫描平面图片即可看到相应的3D模型图，同时可查收到课程知识点的分析讲解甚至播放相关的视频片段。学生扫描的图片可以是纯文字可以是纯图，也可以是文字加图片的形式，扫描后出现的知识点的多元化解读方式，任课教师都可根据教学内容自行选择和随时调整，应用此案例不仅可以帮助学生加深对知识点的理解，提高学生的学习兴趣和主动性，也延伸和拓展了传统平面媒体的知识承载形式，提供了一种新型的学习交互方式，为知识点解析的可视化提供有益参考。

参考文献：

[1] 刘濯源.思维可视化与教育教学的有效整合[J].中国信息技术教育，2015（21）：5-7.

[2] 李婷婷，等.Unity AR增强现实开发实战[M].北京：清华大学出版社，2020.

[3] 邹优嘉.移动设备增强现实技术与书本交互的应用[J].计算机技术与发展，2013，23（8）：227-229，233.

[4] 张栌月.基于Unity3D的教育教辅应用系统设计与实现[D].北京：北京印刷学院，2020.

[5] 陈豪，张先增.基于增强现实的教育应用设计与制作[J].长春师范大学学报，2021（40）：52-59. [6] 陈向东，张茜. 基于增强现实的教学演示[J].中国电化教育，2012（9）：102-105，123.

[7] 冯建平，王军.虚拟现实和增强现实技术及其教育应用研究[J].无线互联科技，2018，15（7）：89-90.

[8]胡家诚.基于增强现实技术的高中地理可视化教学实践研究[D].沈阳：沈阳师范大学，2021.

【通联编辑：梁书】

收稿日期：2021-07-12

基金项目：湖南省教育厅科学研究资助项目“基于AR的高校数字校园应用研究”（编号：17C0797）;教育部高教司产学合作协同育人项目“移动开发技术课程中CBL教学模式的应用与实践”（编号：201901050007）

作者简介：吴珍珍（1981—），女，主要研究方向为计算机应用;朱峰（1978—），男，主要研究方向为企业信息化。