基于AR技术的初中生物教学应用研究

况 扬，曾 嫔

（江西科技师范大学研究生院，南昌 330038）

0 引言

数字化转型的大背景下，新课改强调课堂教学要培养学生的核心素养，突出学生主体地位，满足学生多样化需求。因此，先进的科技手段与教育相结合，优化教学方法和教学手段，坚持与时俱进，是当今课堂教学发展必然趋势。随着信息科技的迅速发展，虚拟现实技术和增强现实技术在教学中的应用逐渐多样化。增强现实技术（augmented reality, AR），是通过电脑等技术手段，将视觉、听觉、触觉等信息进行模拟仿真，应用到真实世界，将真实世界和虚拟实物叠加到同一画面的空间中，实现“虚实结合”达到超越现实的感官体验［1］。增强现实是对现实的补充，而不是通过将虚拟世界的一部分与现实世界的三维（3D）相结合来完全替代现实［2］。增强现实技术应用到生物教学中，学生观摩和操作3D 模型了解万事万物的外表和内在特征，有助于初中生形象思维过渡到抽象思维。初中生物教学中，从传统图片转化成3D 模型，比如人体、动物、植物、细胞等。学生可以360°观看模型，拓展学生空间思维，丰富想象力，体验沉浸感。因此，本文选用初中生物《鸟》的例子开发增强现实技术教学资源。

1 AR教学资源设计

本文的AR 教学案例总体框架设计如图1 所示。

图1 AR教学案例总体框架设计

2 AR教学资源设计

Unity3D 是由Unity Technologies 开发的一个能创建诸如实时三维动画等类型互动内容的多平台开发工具。它跨平台性较好，支持Windows、Mac、网页端、苹果和安卓移动端运行，是AR 和VR 主要的开发工具。Unity 中较受大众欢迎的AR 插件有Vuforia，因其性能好、交互性强、免费面向用户等优点而广受开发者喜爱。AR 技术将虚拟世界与现实世界结合起来，为教育提供更丰富的呈现方式，增强了学习的交互感和参与感，使知识、信息能够更有效地被学习者接受和吸收，正成为信息技术教育新热点［3］。“鸟三维展示”AR移动应用开发包括环境配置、图片识别制作、UI 界面设计、交互逻辑控制、打包使用等环节，具体步骤如下：

（1）安装3D MAX软件，制作几款鸟的模型，并设计材质和对应贴图，一起导出FBX文件。

（2）安装Unity3D 软件，下载JDK 和SDK 插件；新建Unity3D 项目，命名为3D Display of Birds；导入XDreamer，再勾选Vuforia插件。

（3）注册登录Vuforia 官网，申请License Key，将证书复制添加到Unity3D 的AR Camera下。准备好几张鸟的图片制作图像识别训练数据。在Target Manager 中创建数据，逐个添加图片并英文命名，添加完成后选中所有数据进行下载，最后将图片识别包导入Unity中。

（4）在Unity3D 中导入鸟的FBX 资源包，新建音频文件，准备好鸟的介绍信息文本。

（5）先在Vuforia 中添加一个图像目标，选中一张训练数据图片，再将相应鸟的三维模型添加到场景中；设计UI 界面，UI 界面包括介绍信息和音频播放按钮。

（6）打开状态机和状态库，制作鸟的模型旋转功能，沿着Y轴旋转360度。

（7）制作UI 的显示介绍信息，先在状态库中添加碰撞体点击，目标选择按钮点击；添加游戏对象激活，目标选择介绍信息，初始化改成否，进入改成切换；添加音频源属性设置，目标选择鸟的音频，功能选择不播放。

（8）制作播放音频按钮，添加按钮点击，拖入音频按钮，选择播放；添加音频源属性设置，选择鸟的音频。

（9）制作图像消失时，音频和介绍信息也停止的控制功能。添加默认观察者时间处理器事件，选择当目标丢失；添加音频源属性设置，目标选择鸟的音频，功能选择不播放；添加游戏对象激活，目标选择介绍信息。最后依次连接各状态组件，在Game面板中测试。

（10）调整UI 界面的位置和大小，移动端扫描图片识别3D 模型，扫描图片与弹出的3D 模型是否对应，点击音频图标能否播放和暂停，点击介绍信息能否弹出UI 界面，识别正确模型后是否能按设定好的方向、角度以及频率旋转，当目标消失时3D模型是否停止显示。

最终“鸟”的AR展示运行效果如图2所示。

图2 “鸟”AR展示运行效果

3 在课堂教学中的应用

一方面，传统的课堂教学主要用到图片和实物模型等教学工具。教师将知识内容以口头方式传授给学生，对于一些实验内容学生主要是观察教师操作步骤，还不能真正体现学生的主体地位。一些不常见但又特别重要的教学资源容易受到各种各样的条件限制，比如生物教学中人体器官、动物、植物等受时间和空间的限制，只能通过图片的形式展示给学生，学生只能根据原有经验展开想象，视觉、听觉、触觉等达不到感官刺激。一些周期性较长或有危险的生物观察实验也不能在实践中完成，导致课堂枯燥乏味，学生的课外知识和观察能力也得不到更好的发展。另一方面，因各地区教学条件不同，教师水平参差不齐，导致偏远地区学校无法享受和大城市学校一样的教学水平，无法进一步促进教育公平。信息科技发展的大背景下，先进的科技手段不断显现，比如增强现实技术引入教育教学中，就很好地弥补了这一方面的差距。从长远来看，增强现实技术设计的教学产品成本低、可以反复使用，平板或手机就可以实现。通过增强现实技术，学生可根据需要对学习对象的三维模型进行旋转、放大、缩小、移动、观看模型的各个角度，对其部分进行操作分离，每个学生都可以动手参与其中，如同置身真实的场景中，画面感强。增强现实技术用最贴近真实环境的交互演示为学习者搭建一个真实学习体验的平台，让学习者在虚拟与现实之间自由遨游穿梭，AR 技术让学习者的思维动力提升，视野开阔，从而提高自主动手能力［4］，能让学生体会到身临其境的感觉，从而激发学习兴趣，主动构建知识体系，提高学习效果［5］。最后，为了证明AR 技术在生物教学课堂中的应用效果，本研究选取了南昌市某中学初二三班来展开教学。

3.1 教学设计依据

《鸟》是初中生物《动物的主要种群》一章中的内容，本设计从学生为主体、教师为主导、教学的实际需要三个角度出发：

3.1.1 以人为本的教学理念

促进学生的德智体美劳全面发展，培养学生的创新精神和实践能力。学生是发展中的人、学生是独特的人、学生是具有独立意义的人。强调在教学设计的过程中要注重学生的多样化需求。引导学生主动观察，通过小组合作、交流讨论等方法掌握知识、解决实际问题，逐渐培养科学探究精神。

3.1.2 教学的实际需要

陶行知先生曾指出“凡做一事，要用最简单、最省力、最省钱、最省时的法子，去收获最大的效果”。在生物教学过程中，教师必须与时俱进，应用新技术、新手段、新方法、新教具为课堂教学注入活力，吸引学生注意力，学生体验玩中学的快乐。

3.1.3 教师教学经验

根据以往的教学经验适当调整教学手段和教学方法，以提高教学效果，为课堂注入活力。

3.2 教学目标

依据核心素养下的课程理念、课程目标、课程内容、学业质量和学业要求制定教学目标：

3.2.1 知识与技能目标

学生能够说出鸟的主要特征以及鸟与人类生活的关系。

3.2.2 过程与方法

通过观察鸟的三维模型，比较不同鸟的形态结构特征和生理功能特征，培养学生概括能力以及运用生物学知识解决实际问题的能力。

3.2.3 情感态度与价值观

通过鸟的知识的学习，感受生物与环境相适应，形态与功能相适应的生物学观点，培养学生对生物学的兴趣。

3.3 教学过程

3.3.1 导入新课

教师多媒体展示几种“鸟”的图片，并提示，我们在生活中遇到不愉快时，经常感叹：“要是我能像鸟儿在天空自由自在地翱翔，那该有多好啊！”是啊，有些鸟儿能够在南北方之间迁徙，有些鸟儿能攀登珠峰！那你知道它们为什么会有如此强的飞行技能吗？本节课呢，我们一起来学习动物的主要种群中的第六节《鸟》。

3.3.2 新课讲授

活动一：探讨鸟的特征

教师通过AR 技术展现不同鸟的模型，学生运用手机或者平板扫描素材图片，并点击旋转、放大、缩小、介绍信息和音频播放等功能，学生操作练习后用表格总结出鸟在喙、足、食性和生活环境的特征，见表1。

表1 鸟的有关特征

活动二：探讨鸟的形态结构特点

教师运用AR 技术展示鸟的具体部位，如鸟的翼和羽毛，鸟的胸肌，鸟的骨骼和鸟的运动系统、消化系统、呼吸系统、循环系统等。向学生提问：鸟的形态结构有什么特点？鸟的形态结构有哪些适于飞行？

学生对“鸟”AR 三维展示具体部位放大、缩小和介绍按钮等操作进行仔细观察，最后学生总结出：鸟的身体呈流线型，可减少飞行中空气的阻力；前肢变翼，翼上附着大型的羽毛，翼搏击空气，使鸟能蓬勃展翅飞翔，或平稳滑翔；鸟骨内部中空，骨骼轻、薄且坚固，虽然无牙齿食量大，但消化能力强，食物经过消化吸收后形成的残渣很快就随粪便排出体内，可减轻体重；鸟的呼吸器官发达，具有与肺相通的气囊，可以辅助呼吸，提高了气体交换的效率；心跳频率加快，体温高而恒定能够增强对环境的适应能力，扩大鸟分布范围。

3.3.3 巩固提高

活动三：鸟与人类生活的关系

教师依据组间同质，组内异质的原则将学生分为4 人一组进行讨论，时间为8 分钟，同学展开激烈讨论，教师巡视引导学生结合日常生活经验思考鸟与人类生活的关系，最后请小组代表回答。

学生针对鸟与人类的关系总结出以下几点：首先，鸟具有很高的观赏价值，观鸟增进了人与鸟之前的情感，也为人类提供休闲、娱乐、旅游价值，比如白鸽。其次，鸟为人类食物提供动物蛋白，比如鸡、鸭、鹅等家禽。最后，鸟能帮助人类捕捉农业、森林、草原等方面的害虫，比如猫头鹰、大山雀、灰喜鹊、啄木鸟等。鸟是生物圈中必不可少的动物，它能够维持生态系统稳定。

3.3.4 小结作业

教师引导学生总结本堂课所学内容，发表心得体会，并完成课后练习。本堂课结束后，发放问卷，让学生如实填写，纸质问卷设计如下：

第一题：你喜欢本堂课的教学方式吗？（）单选题

A.非常喜欢B.喜欢

C.一般D.不喜欢

第二题：与传统课堂相比你认为AR 课堂更能激发自己的学习兴趣吗？（）单选题

A.是B.不是

第三题：你认为本堂课哪些地方让你印象最深刻？（）单选题

A.课堂展示的鸟的图片

B.操作“鸟”AR三维展示APP

C.课本上的介绍内容

本堂课通过调查问卷的方式验证AR 技术在初中生物课堂的教学效果。课堂结束后，发放给学生58 份问卷，回收58 份问卷，有效回收率达100%。通过整理问卷发现本堂课的教学方式有55 人选择非常喜欢，3 人选择喜欢。认为AR课堂更能激发自己的学习兴趣的有57 人。有56人认为本堂课印象最深的是操作“鸟”AR 三维展示APP。最后统计了学生课后练习的完成情况，90 分以上的有48 人。数据表明，AR 课堂确实能引起学生的注意，达到更好的教学效果，提高学生的学习效率。增强教学的直观性、生动性和丰富性。如教师可以运用互联网和数字设备，设计完成模拟实验，进行虚拟仿真实验，突破实验材料、实验时间和实验设备的限制，减少学习活动对材料、场地和设备等条件的依赖。增强现实技术的交互性和沉浸性不受时间和空间的限制，学生随时随地能够打开移动端巩固复习知识，经过反复练习、操作，强化学生记忆。新颖的学习方式提高学生的积极性，拓展学生的思维空间，充分发挥想象力，有利于培养学生的操作能力、分析判断能力、设计能力和创新意识。教学方面向数字化学习转变，能够建构更加高效的课堂体系，与时俱进。

3.4 教学反思

增强现实技术应用到实际的教学过程中的优势如下：

3.4.1 AR突破时空限制，促进教育公平

一方面，在初中生物教材中大量的人体器官、动植物均以图片的形式呈现，学生也只能片面观察，无法从各个角度仔细观摩，无法满足学生对事物的好奇心。另一方面，受疫情、各地区时间、气候、经费、教学设备等因素影响，很多生物学实验无法进行，动植物模型无法获得。增强现实技术的出现则很好地解决了以上存在的实际问题。比如《鸟》这一堂课，制作各种鸟的3D 模型后通过Unity 完成导出发布后运用移动端加以实现的案例，既节省了购买实物模型和昂贵教学设备的开支，突破季节、空间限制，学生能够观看各地区的鸟，AR 资源还可以重复使用，不会像实物模型用久后产生磨损破损。AR 技术可以简单方便实现，对教学设备要求低，所需成本低。弥补了一些学校资源短缺的现状，进一步促进了教育公平。

3.4.2 AR与生物课堂结合，激发学习兴趣

传统的教学方式是通过多媒体呈现视频、图片、声音，虽然一定程度上能够吸引学生的注意，但还不够深入。随着虚拟现实、增强现实等信息科技的发展，社会智能化加快，教学手段多元化。VR 技术与传统教学方式相比较，它能够360 度全景观看，使用者的听觉、视觉、触觉等感官进行模拟，让人产生身临其境的感觉。AR 技术与生物课堂教学相结合，将学生的注意力带入，学生自主进入沉浸性学习状态。像《鸟》一节的教学过程中，逼真的3D 模型展示让学生眼前一亮，瞬间进入课堂状态，课堂不再枯燥乏味，而是在感到愉快的同时收获了很多知识，逐渐喜欢上AR 生物课堂，提高了成绩，学习更加自信，身心得到健康全面发展。

3.4.3 AR技术推动学生核心素养的形成

AR 技术课堂充分展现了教师为主导，学生为主体。构建学习情境引导每位学生主动参与，在信息环境下获取生物学科知识和技能的新型学习方式，帮助学生在宏观和微观两个角度去观摩内在结构特征，开拓视野，解决了人与人之间认知上的差距，满足全体学生的个性化需求。在观察模型过程中，增强学生的好奇心和求知欲，培养学生在实践中发现问题和解决问题的能力。学生主动参与、勤于动手，从而在学习过程中获得终身发展的必备品格和关键能力。

4 结语

增强现实技术是信息时代的产物，它在教育领域具有广阔的运用前景，继续普及将促进教学手段的变革。增强现实是一种刺激学生通过AR 技术实现所需教育目标的方式，这给学生带来了积极的影响［6］。当然，教学中运用新科技手段的同时对教师技能要求有所提高，并且在教学内容和教学素材的选择上需谨慎，把好的技术用在刀刃上，需要从宏观和微观角度观察的、难以在现实生活中获得的、危险的动物模型、人体器官结构、细胞结构等通过三维方式展现，学生可从中感性认识，理解知识内容，弥补直接经验的不足。就目前而言，AR 教育资源开发不足以满足现代教学的需要，期待在不久的将来能开发更多的AR 教育资源以促进教学手段的变革。