本项目的研究以有机化学课程中的分子结构教学为应用背景，设计并实现一个基于Android平台的，采用增强现实和3D技术的教学软件系统。该软件系统包括服务器端、移动客户端和PC客户端三部分，采用增强现实SDK——Vofuria、Unity 3D引擎和其他软件框架、技术开发。

本辅助教学软件系统的功能包括：

（1）能提供多种形式的教学资源，如分子的空间结构模型、反应机理动画、视频、讲解音频、文字和图片；

（2）在资源和信息的组织方面，依托经典教材，按照章、节和知识点三级目录组织各类资源，并提供客观测试题；

（3）具有AR效果，学生可通过扫描教材中分子式图片，在客户端呈现分子的空间模型；

（4）具有多种交互手段，如点选、拖动旋转、扫描识别等，演示可控性强，可以从多角度、清晰得观察到化合物的分子结构；

（5）教师专用的PC客户端，可供教师自行编辑教材知识体系，上传以相关模型和多媒体资源；

（6）具有事件收集和事件信息可视化功能，供教师收集和分析学生在使用该系统客户端时产生的相关操作的数据信息，如点击次数、持续时长等信息，并进一步得出学生的关注点和学习偏好。

移动客户端的用户为学生，主要采用StrangIOC框架并基于Unity 3D引擎和Vuforia SDK设计和实现。移动端与各类服务器组成的分系统架构如图1所示。

图1 系统架构设计图

PC客户端的用户为课程教师，由于其功能单一，仅供教师编辑教材知识体系、上传各类资源；不涉及任何模型或动画的显示，UI为单纯的Web界面。故不包含任何Unity3D引擎或其他引擎的模块，只采用SpringMVC框架设计和实现。其与各类服务器组成的子系统架构如图2所示。

图2 PC客户端架构图

系统的应用服务器、数据库服务器与文件服务器部署在同一处云服务器上。移动客户端采用C／S结构，同时内嵌B／S结构；PC客户端采用单纯的B／S结构。系统的硬件部署如图3所示。

图3  系统硬件部署图

本项目的创新点在于：

（1）将游戏引擎Unity3D以及移动Web技术用于移动终端的教学演示软件开发，使具有复杂空间结构的有机物分子以及相关反应机理动画等微观的内容得以在“掌中”呈现；

（2）将增强现实SDK应用于教学软件开发，可使虚实结合、生动直观，学习者能够自主选择学习的内容并与教材内容方便交互；

（3）通过用户行为收集功能，采集学习者的操作信息，进一步分析得出每个知识点的掌握情况和每名学生对知识体系的掌握情况，以及学习习惯，为改进教学方法、调整课上教学内容、优化移动学习系统的内容提供依据；

（4）设计并实现了PC客户端，可供教师编辑供移动客户端显示的课程内容、上传分子模型、动画、音视频等各类教学资源。