基于移動AR的可視化教學(xué)案例設(shè)計

吳珍珍 朱峰

摘要：為了讓學(xué)生更好地理解程序設(shè)計類課程的重要知識點(diǎn)，將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)融入可視化教學(xué)，利用Unity結(jié)合Vuforia設(shè)計了一個基于移動AR應(yīng)用的教學(xué)案例。首先需要依據(jù)課程內(nèi)容設(shè)計好案例，完成AR開發(fā)環(huán)境的安裝與配置，最后實(shí)現(xiàn)圖片識別和音視頻添加等功能。實(shí)踐表明案例的運(yùn)用可以幫助學(xué)生加深對知識點(diǎn)的理解，為知識點(diǎn)解析的可視化提供有益參考。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）;可視化教學(xué);Unity;Vuforia

中圖分類號：TP311 ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：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”其實(shí)已不是一個新名詞，其應(yīng)用由來已久。作為教育領(lǐng)域關(guān)注的一個熱點(diǎn)，涉及的方向主要有知識可視化、思維可視化和可視化教學(xué)設(shè)計等。華東師范大學(xué)的劉濯源研究員指出只要將可視化技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)過程中都可稱為可視化教學(xué)[1]。從傳統(tǒng)課堂的黑板、幻燈片到如今的電子白板甚至是基于物聯(lián)網(wǎng)的智慧教室系統(tǒng)，都屬于可視化教學(xué)的范疇。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)具有獨(dú)特的呈現(xiàn)方式，與教育相結(jié)合將會產(chǎn)生一種特別的個性化教學(xué)模式，這種人機(jī)互動教學(xué)帶來的趣味可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和自主性，也更符合學(xué)生的學(xué)習(xí)特點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)教育質(zhì)量的提升[2]。事實(shí)上，已經(jīng)有很多人在這方面做了不少探索，并提出了一些實(shí)用的方案，如把移動設(shè)備增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到與書本的交互中，基于Unity的教育教輔應(yīng)用系統(tǒng)等[3-5]，可以為書本帶來新的內(nèi)容呈現(xiàn)方式，為教育教學(xué)活動提供全新的互動體驗，新媒體新技術(shù)的支持為教學(xué)案例和內(nèi)容的開發(fā)設(shè)計提供了無限可能。

1 相關(guān)技術(shù)介紹

1.1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)

隨著各類基礎(chǔ)技術(shù)的不斷突破，人工智能、物聯(lián)網(wǎng)更加普及，VR、AR成為了當(dāng)今世界最炙手可熱的新興技術(shù)，已經(jīng)獲得了廣泛關(guān)注和認(rèn)可，并且已經(jīng)變得越來越觸手可及。AR既能通過將虛擬信息疊加到現(xiàn)實(shí)環(huán)境來增強(qiáng)人們對現(xiàn)實(shí)環(huán)境的理解和感知，又能借助現(xiàn)實(shí)環(huán)境的信息模型來增強(qiáng)用戶體驗虛擬物體的真實(shí)感，在各大領(lǐng)域都有了廣泛應(yīng)用包括交通、教育、醫(yī)療、社交等等，其中教育類應(yīng)用受關(guān)注度比較高[6-8]。目前AR技術(shù)的教學(xué)應(yīng)用主要體現(xiàn)在利用AR作為教具、增強(qiáng)教學(xué)情境或增強(qiáng)課堂教學(xué)的知識表達(dá)等方面，隨著虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)時代的到來，課堂也將迎來可視化教學(xué)的新篇章。

1.2 AR產(chǎn)品分類

根據(jù)運(yùn)行軟件終端類型，AR一般分為PC端的AR產(chǎn)品、移動終端AR產(chǎn)品和AR眼鏡幾大類。其主要應(yīng)用場景也分別有所不同，PC端的AR主要用于直播互動，如AR衣櫥、直播游泳比賽等;移動終端產(chǎn)品多用于教育、導(dǎo)航之類，典型的如國內(nèi)起步較早的小熊尼奧系列、AR涂涂樂系列，百度地圖的AR實(shí)景導(dǎo)航等;AR眼鏡的功能比較豐富，更貼合用戶視覺舉例，但是生活學(xué)習(xí)還需要單獨(dú)購買配置設(shè)備，由于介入成本較高，市場普及程度較低。AR手機(jī)憑借其便捷的使用度和交互性，普及程度較高，我們選擇設(shè)計的案例也屬于移動端AR應(yīng)用，學(xué)生只需要帶了手機(jī)即可參與使用。

2案例的具體實(shí)現(xiàn)

2.1案例策劃

對于一些程序設(shè)計類課程，如面向?qū)ο蟪绦蛟O(shè)計、JSP程序設(shè)計、移動開發(fā)技術(shù)等，很多學(xué)生反映其中有知識點(diǎn)較難理解，沒聽懂老師講課內(nèi)容，從而逐漸失去了對這些課程的興趣，或是對這些知識點(diǎn)理解不是十分深刻，等自己實(shí)操時不會運(yùn)用。本文接下來將以講解輸入輸出流為例，利用Unity+ Vuforia實(shí)現(xiàn)一個移動AR應(yīng)用案例作為例子介紹其在可視化教學(xué)中的應(yīng)用，它能夠讓手機(jī)在掃描到識別圖時在屏幕上顯示特定的3D模型，同時播放與之相應(yīng)的課程內(nèi)容知識點(diǎn)講解，甚至播放相關(guān)的視頻片段，在移開識別圖時暫停播放講解，并且在再次掃描到識別圖時從上次暫停的地方繼續(xù)播放，從而激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣以及加深學(xué)生對知識的理解。

2.2 素材準(zhǔn)備

依據(jù)課程教學(xué)內(nèi)容選擇合適的案例，再根據(jù)案例需求準(zhǔn)備相應(yīng)的素材文件如需要識別的圖片文件，識別以后要顯示的3D模型，需要播放的背景音樂、音效或視頻文件等，因此素材準(zhǔn)備主要包括以上幾部分內(nèi)容。為了更貼合教學(xué)內(nèi)容和使用習(xí)慣，我們遴選了多種識別圖片，包括二維碼、文字、理論圖及類比實(shí)物圖，從應(yīng)用廣度及內(nèi)容廣度、系統(tǒng)識別難度等方面比較得出選擇類比實(shí)物圖，另外考慮到輸入輸出是程序設(shè)計類課程中一個重要的知識點(diǎn)且學(xué)生對此容易混淆使用，案例選擇識別的圖片為一幅包含打印機(jī)及輸入輸出字樣的平面圖，3D模型是在Unity官方資源商店獲取的3D打印機(jī)，同時錄制了音頻，也準(zhǔn)備了和課程內(nèi)容相應(yīng)的視頻講解。

2.3 AR開發(fā)環(huán)境的安裝與配置

首先需要根據(jù)自己個人計算機(jī)的類型選擇性的安裝如基于Windows平臺的Unity軟件。在安裝時，建議根據(jù)需要選擇勾選Android、iOS和Vuforia等組件。第一次運(yùn)行安裝好的Unity需要登錄，所以還需到其官網(wǎng)注冊一個賬號并激活才能使用。Vuforia作為常用的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)SDK之一，在移動平臺包括安卓和IOS都有非常好的兼容性，要使用Vuforia開發(fā)AR應(yīng)用，也需要一個Vuforia開發(fā)者帳號。通過該帳號才可以使用許可證管理器和目標(biāo)管理器，并且可以下載它的SDK和示例。因為在Unity2018之后對AR開發(fā)進(jìn)行了集成，所以只需要在安裝Unity2018及之后的版本時默認(rèn)勾選AR開發(fā)選項即可，不需要像之前版本那樣將Vuforia作為插件使用。登錄成功的用戶，點(diǎn)擊develop標(biāo)簽可以看到有兩個選項卡，分別為License Manager和Target Manager，其中License Manager用來管理密鑰，當(dāng)點(diǎn)擊該選項卡下的Get Development Key按鈕，確認(rèn)接受協(xié)議后即可獲取密鑰Key，然后將密鑰復(fù)制到本地供后期開發(fā)使用。沒有正確的key，程序?qū)o法運(yùn)行。

2.4 圖片識別

其主要步驟如下，新建一個Unity項目，設(shè)置集成開發(fā)環(huán)境，需要點(diǎn)擊player settings，在右側(cè)的Inspector屬性面板找到并勾選Vuforia Argumented復(fù)選框。然后再添加ARCamera，即導(dǎo)入vuforia攝像機(jī)同時關(guān)閉場景中的主攝像機(jī)。然后配置Vuforia Configuration，將之前準(zhǔn)備好的密鑰復(fù)制到相應(yīng)的輸入框。接著需要使用Vuforia來生成識別圖的特征數(shù)據(jù)庫。繼續(xù)登錄Vuforia官網(wǎng)選擇devlelop下的target Manager，可以看到添加數(shù)據(jù)庫的按鈕，點(diǎn)擊以后填寫輸入識別圖片庫名稱，類型選擇默認(rèn)即可。數(shù)據(jù)庫加載成功后，就可以點(diǎn)擊該數(shù)據(jù)庫名和add target添加識別對象了。添加類型選擇單個圖片，F(xiàn)ile選項選擇瀏覽添加本教學(xué)案例事先準(zhǔn)備好的圖片文件，注意只能是jpg和png格式，Width中輸入識別圖片的寬度，Name中輸入圖片的名字，最好是英文，默認(rèn)為圖片文件名，之后如果要用代碼來控制對象的話就是用這個名字，所以最好取一個有意義的名字。上傳完后，就可以看到上傳圖片的情況。其中圖片的星級很重要，有5個星級，從五顆星依次向下排序，如小于3顆星的圖片，識別可能會比較困難，如下圖所示。

上圖中單擊download database按鈕可以下載識別圖的資源包文件。此時再切換到Unity工作窗口，單擊菜單欄Asset中的Import可將剛下載的資源包文件導(dǎo)入，將圖片目標(biāo)對象及以后要顯示的3D對象添加到場景，調(diào)整對象大小和位置，并將圖片對象數(shù)據(jù)庫設(shè)置好，就可以調(diào)整ARCamera攝像機(jī)進(jìn)行測試了，如圖2所示。之后，就可以發(fā)布到安卓或者IOS平臺。

2.5音視頻的添加

相對于簡單的3D模型，炫酷的視頻和動人的音樂播放展示更加能吸引人。Unity支持不同類型的音視頻格式，常見的如MOV、MPG、MP4、ASF等類型的文件都可以。在之前步驟的基礎(chǔ)上，包括先把Unity AR開發(fā)環(huán)境配置好，導(dǎo)入圖片和數(shù)據(jù)，取消主攝像機(jī)的使用等，同時調(diào)整AR攝像機(jī)使其照射全景。接下來再將事先準(zhǔn)備好的音視頻文件導(dǎo)入，導(dǎo)入機(jī)制和導(dǎo)入其他素材文件一樣，只要把文件由所在計算機(jī)中的位置將其拖拽進(jìn)來即可。如果添加的是音頻文件，即播放相應(yīng)的知識點(diǎn)講解的話，還需要單擊組件component下的Audio，同時添加音頻偵聽器和音頻源。對于視頻文件，我們采取了先添加一個游戲?qū)ο笕鏿lane創(chuàng)建平面作為目標(biāo)對象的子物體，然后將視頻資源掛在視頻播放器Video Player上，注意不要勾選Loop設(shè)置視頻循環(huán)播放，同時利用官網(wǎng)默認(rèn)實(shí)例腳本稍作簡單修改并將新腳本掛載在plane上即可由程序代碼控制視頻的播放。

3 結(jié)束語

本文主要以程序設(shè)計類課程的知識點(diǎn)講解為例，利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一個基于unity+vuforia的移動AR應(yīng)用教學(xué)案例，學(xué)生通過移動設(shè)備手機(jī)掃描平面圖片即可看到相應(yīng)的3D模型圖，同時可查收到課程知識點(diǎn)的分析講解甚至播放相關(guān)的視頻片段。學(xué)生掃描的圖片可以是純文字可以是純圖，也可以是文字加圖片的形式，掃描后出現(xiàn)的知識點(diǎn)的多元化解讀方式，任課教師都可根據(jù)教學(xué)內(nèi)容自行選擇和隨時調(diào)整，應(yīng)用此案例不僅可以幫助學(xué)生加深對知識點(diǎn)的理解，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和主動性，也延伸和拓展了傳統(tǒng)平面媒體的知識承載形式，提供了一種新型的學(xué)習(xí)交互方式，為知識點(diǎn)解析的可視化提供有益參考。

參考文獻(xiàn)：

[1] 劉濯源.思維可視化與教育教學(xué)的有效整合[J].中國信息技術(shù)教育，2015（21）：5-7.

[2] 李婷婷，等.Unity AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開發(fā)實(shí)戰(zhàn)[M].北京：清華大學(xué)出版社，2020.

[3] 鄒優(yōu)嘉.移動設(shè)備增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與書本交互的應(yīng)用[J].計算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2013，23（8）：227-229，233.

[4] 張櫨月.基于Unity3D的教育教輔應(yīng)用系統(tǒng)設(shè)計與實(shí)現(xiàn)[D].北京：北京印刷學(xué)院，2020.

[5] 陳豪，張先增.基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的教育應(yīng)用設(shè)計與制作[J].長春師范大學(xué)學(xué)報，2021（40）：52-59. [6] 陳向東，張茜. 基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的教學(xué)演示[J].中國電化教育，2012（9）：102-105，123.

[7] 馮建平，王軍.虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其教育應(yīng)用研究[J].無線互聯(lián)科技，2018，15（7）：89-90.

[8]胡家誠.基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的高中地理可視化教學(xué)實(shí)踐研究[D].沈陽：沈陽師范大學(xué)，2021.

【通聯(lián)編輯：梁書】

收稿日期：2021-07-12

基金項目：湖南省教育廳科學(xué)研究資助項目“基于AR的高校數(shù)字校園應(yīng)用研究”（編號：17C0797）;教育部高教司產(chǎn)學(xué)合作協(xié)同育人項目“移動開發(fā)技術(shù)課程中CBL教學(xué)模式的應(yīng)用與實(shí)踐”（編號：201901050007）

作者簡介：吳珍珍（1981—），女，主要研究方向為計算機(jī)應(yīng)用;朱峰（1978—），男，主要研究方向為企業(yè)信息化。