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基于Unity3D的初中生物AR交互式教学软件的设计与实现

摘要：增强现实（AR）技术凭借其独特的实时交互能力和在3D视频空间中添加虚拟物体的优势，已成为众多研究领域的热点。深入分析当前中小学生物教学中多媒体教学方式的局限性，将AR技术引入生物教学。依据教学媒体的教育性、交互性和易用性等设计理念，基于Unity3D开发平台，设计并实现了一款名为“人体八大系统”的AR交互式教学软件，让学生在虚实融合的学习情境中主动建构知识，促进AR技术在生物课程教学中的应用。

关键词：AR技术；Unity3D；AR交互式教学软件

0引言

教学媒体的开发利用在塑造学生与教师的学习和教学体验方面发挥着关键作用，包含各种数字学习资源、互动平台和教学内容的教学应用软件已成为数字化教育转型的关键参与者[1]。生物学科中存在很多难以想象却又缺乏直接经验支持的微观现象和无法直接观察的抽象模型[2]，在传统生物教学过程中，教师通常借助多媒体展示帮助学生更好地理解复杂、抽象的知识内容，但基于PPT的文本、图像等二维平面教育环境，无法建构出三维交互的场景，难以给予学生直观且真实的感知体验。增强现实（AR）技术可以将复杂、抽象的教学内容可视化呈现，以三维模型或动画方式叠加到真实场景中进行展示，从而改进传统教学资源在传达信息方面参与度和有效性的不足，帮助学生准确理解所学内容。

为探索AR技术与生物教学结合的思路，拓展和补充数字化教学手段，本文运用Unity3D开发引擎，以人教版初中七年级生物人体八大系统教学内容为例，设计和实现AR交互式教学软件，并总结提炼设计与开发原理，为今后AR教学资源的开发提供可参考的意见与方向。

1AR教学软件及AR技术在生物教学中的应用

1.1AR教学软件

增强现实（AR）技术通过在现实环境添加虚拟信息来构建虚实融合的场景。它不仅可以添加3D对象、文本、图像等虚拟信息，还能嵌入流媒体视频和游戏元素，并提供简单的交互功能[3]。这种技术通过虚实结合的方式，显著改善了学生的学习体验。因此，AR技术具有真实与虚拟相结合、实时交互和可三维执行三个主要特点[4]。目前，基于智能移动设备的AR技术因其易于普及和良好的交互性脱颖而出，成为AR最普遍的展现方式[5]，主流的AR识别应用包括苹果的ARKit、谷歌的ARCore和高通的Vuforia等，这些工具为移动AR系统软件的开发提供了便捷的平台。AR教学软件是指利用AR技术开发的、用于教学活动的数字化应用程序。它能够扩展学生的感知范围、提升学习体验，并且可以在多种设备上灵活使用。AR教学软件在促进教学和学习方面展现出巨大潜力，正逐渐成为下一代人机交互技术发展的主要方向[6]。

1.2AR技术在生物教学中的应用

AR技术因其独特的沉浸式和变革性学习体验，吸引了众多教育研究者的关注。研究表明，AR技术在生物学实验模拟、三维生物结构展示等方面具有显著优势。例如，通过AR技术将人体器官转化为3D模型，学生可以近距离观察并交互操作，从而更深入地理解复杂人体器官的结构与功能；借助细胞结构的AR教学软件，可以突破传统课堂探究实验客观条件的局限[7]；此外，AR技术可以将数字图像叠加到纸质教科书中，使教材内容更生动有趣[8]。实践研究也验证了基于AR技术的交互式学习媒体在生物教学活动中具有多方面的积极影响，包括降低认知负荷、增强抽象概念可视化效果、提升学习动机和提供引人入胜的学习体验[9]，从而证实了AR教学软件作为一种有效学习工具的可行性。

然而，尽管已有研究对AR技术在生物教学中的应用潜力进行了探索，但其在一线教学实践中的应用仍较为有限。一方面，面向中小学生物教学的AR应用相对较少；另一方面，现有的AR产品在内容质量与用户体验方面仍存在不足，如部分媒体展示型AR教学软件的交互性不强而导致无效使用等，值得进一步研究和探索。

2AR交互式教学软件的设计

2.1需求分析

本研究面向七年级学生。该阶段的学生刚刚开始接触生物课程，经过一个学期的学习，已具备一定的生物基础知识。然而，学生之间的学习能力存在差异，尤其在逻辑思维和抽象思维能力方面仍显不足。因此，本研究选取人体八大系统知识作为案例对象。这一知识体系复杂，涵盖诸多人体内部器官的结构和功能特点。基于此，本研究开发的AR教学软件由运动系统、消化系统、呼吸系统、泌尿系统、生殖系统、循环系统、内分泌系统和神经系统八个模块组成。

在对现有AR平台的适用性、设备需求等多方面进行比较后，本研究选择Unity3D作为开发平台，并以Vuforia插件作为AR识别的技术支撑。在教学过程中的实验探究环节，开展AR应用实践。通过将多媒体课件与虚拟教学资源相结合，学生可以在手机或平板终端扫描课件，实现屏幕显示的3D模型与触摸指令之间的交互。将生成的虚拟模型可视化地应用于