增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在幼兒早期教育中的應(yīng)用

摘 要增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡稱AR），是一種通過實(shí)時(shí)計(jì)算攝像機(jī)方位后結(jié)合計(jì)算機(jī)圖像技術(shù)，將現(xiàn)實(shí)世界的信息與虛擬世界信息集成后進(jìn)行互動(dòng)的技術(shù)。它有著虛實(shí)融合、實(shí)時(shí)互動(dòng)、三維跟蹤等特點(diǎn)。目前，這種技術(shù)在我國幼兒早期教育中的應(yīng)用尚處于起步階段，筆者結(jié)合自身在AR行業(yè)的從業(yè)經(jīng)驗(yàn)和對市場上同類產(chǎn)品的比較研究，介紹了當(dāng)前AR技術(shù)在幼兒早期教育中的應(yīng)用形式、實(shí)現(xiàn)的基本原理，并闡述了當(dāng)前AR產(chǎn)品應(yīng)用在兒童早期教育中的問題，最后展望了AR技術(shù)在幼教市場的應(yīng)用前景，以供讀者參考。

【關(guān)鍵詞】增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù) 幼兒早期教育 應(yīng)用

1 AR技術(shù)在幼兒早期教育中的應(yīng)用形式

1.1 基于AR技術(shù)的教育方式與傳統(tǒng)教育的比較

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)是一種利用計(jì)算機(jī)圖像、計(jì)算機(jī)視覺、模式識別等技術(shù)，識別特定標(biāo)記或進(jìn)行無標(biāo)記識別，從而在真實(shí)物體之上疊加各種虛擬信息（包括圖片、音視頻、文字等）的一種技術(shù)方式。它不僅能呈現(xiàn)真實(shí)世界的信息，還能用計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)產(chǎn)生的三維信息來增強(qiáng)人對真實(shí)世界的感知，所以稱為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)。

在AR游戲?qū)櫸锞`Pokemon Go和支付寶AR紅包、QQ AR紅包出現(xiàn)之前，一般用戶很少聽說過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，在此之后，越來越多的人開始了解AR技術(shù)，并逐步發(fā)掘AR技術(shù)在幼兒教育領(lǐng)域的潛力。AR技術(shù)可以將信息直觀化、可視化地呈現(xiàn)，因而非常適合在地理、生物、醫(yī)學(xué)等有很多具象內(nèi)容的學(xué)科中應(yīng)用；此外，AR在使用過程中，人們依然在現(xiàn)實(shí)世界中，只是在現(xiàn)實(shí)物體上疊加了一層虛擬的信息，與傳統(tǒng)教育方式類似，授課時(shí)教師可以很好地和學(xué)生互動(dòng)。與傳統(tǒng)教育方式相比，在幼兒教育領(lǐng)域，AR技術(shù)有如下一些突出的特點(diǎn)和優(yōu)勢：

1.1.1 三維直觀的教學(xué)內(nèi)容與形式

AR技術(shù)仿真和交互的特性，能將抽象、晦澀難懂的知識以更生動(dòng)、直觀、全面的方式呈現(xiàn)，用沉浸式體驗(yàn)增強(qiáng)學(xué)生的代入感。依托AR技術(shù)，學(xué)生的課堂體驗(yàn)從2D躍升到3D，對動(dòng)植物、日常用品等現(xiàn)實(shí)中可見的三維物體，學(xué)生不再需要從平面2D形象腦補(bǔ)3D形象；對分子、原子、幾何體、漢字拼讀認(rèn)知等那些抽象或不可見的內(nèi)容，AR技術(shù)可以可視化地展現(xiàn)出來，如此可加深學(xué)生對所學(xué)內(nèi)容的認(rèn)知。

1.1.2 強(qiáng)的互動(dòng)性

與其他多媒體教學(xué)方式類似，AR技術(shù)可以將平時(shí)死板生硬的學(xué)習(xí)內(nèi)容轉(zhuǎn)換為栩栩如生、活靈活現(xiàn)的角色形象，甚至可以讓幼兒與感興趣的角色進(jìn)行互動(dòng)。比如，對火箭發(fā)射過程的講解，除開文字與圖片的介紹，AR技術(shù)可以在識別火箭標(biāo)記后，一步步呈現(xiàn)發(fā)射的完整過程，并且每一步都可以讓學(xué)生實(shí)時(shí)交互，從而讓學(xué)生加深了印象。

1.1.3 游戲化教學(xué)

基于AR的可視化、互動(dòng)性，可以設(shè)計(jì)出非常吸引幼兒的游戲化教學(xué)內(nèi)容，這樣，一方面適應(yīng)了幼兒愛玩的天性，同時(shí)，也大幅提升了幼兒對教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)意愿、激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，提高了學(xué)習(xí)效果。

1.2 AR技術(shù)在幼兒早期教育的應(yīng)用場景

基于AR技術(shù)的特點(diǎn)和幼兒早期教育的現(xiàn)實(shí)需求，部分幼兒園、早教機(jī)構(gòu)等，都紛紛在教學(xué)和培訓(xùn)中采用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，激發(fā)幼兒的學(xué)習(xí)興趣，讓幼兒有參與感，從而讓幼兒寓學(xué)于樂，快速有效掌握教學(xué)內(nèi)容。目前，AR技術(shù)在國內(nèi)幼教市場主要有如下幾種落腳點(diǎn)：

1.2.1 AR辨識卡片系列

包括AR早教卡、識字卡、掛圖、地墊、拼圖等。AR技術(shù)可以將兒童在生活中常見的二維圖像，如掛畫、地墊、拼圖等，通過手機(jī)、平板等工具立體、以三維形象動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)出來。幼兒在完成拼圖，或者選擇了感興趣的標(biāo)記之后，用AR App對著掃描，識別之后就出現(xiàn)各種可愛的立體卡通形象，幼兒可以和這些形象互動(dòng)合影。

1.2.2 AR書籍類

包括涂色類繪本、AR智能書籍等。幼兒普遍有喜歡涂色的習(xí)慣，在涂色中，培養(yǎng)了他們認(rèn)知各種顏色和辨識的能力。在涂色的過程中，他們一般會(huì)選擇自己熟悉的卡通形象，如《大頭兒子小頭爸爸》、《熊出沒》、《愛探險(xiǎn)的朵拉》等，作為涂色對象，涂色完成之后，用AR App對準(zhǔn)掃描，就可以看見復(fù)活的卡通形象，再配以動(dòng)畫、音效等效果，讓幼兒樂在其中。在一些AR智能書籍中，打開書冊后，借由AR App，可以識別紙面上的文字或卡通圖像，從而展現(xiàn)出文字的讀音、拼寫規(guī)則、書寫筆畫、釋義或卡通圖像的故事等。

1.2.3 智能AR硬件類

包括AR眼鏡、AR放大鏡（MAGNEO）等。目前AR眼鏡多用于一些展示交互的方面，比如畫廊的油畫，在畫廊中欣賞名作時(shí)，戴上AR眼鏡后觀察，即可看到栩栩如生的角色，它們會(huì)走出油畫，與幼兒進(jìn)行互動(dòng)。AR放大鏡是國產(chǎn)兒童智能設(shè)備的代表作，也是筆者親身參與過的項(xiàng)目之一。當(dāng)兒童手持一個(gè)如放大鏡的圓形屏幕設(shè)備，對著實(shí)體物體掃描，攝像頭采集圖像并識別之后，放大鏡上會(huì)播放相應(yīng)的語音，顯示對應(yīng)的視頻；它還可以輔助兒童識別漢字，指導(dǎo)兒童寫字筆畫等。

1.2.4 AR教具類

包括AR地球儀等。地球儀作為一種教學(xué)中常用的教具，兒童對其比較熟悉，但由于大多數(shù)兒童并未去過地球儀上的大部分國家，所以難以有直觀的認(rèn)知。針對這個(gè)需求，國內(nèi)外許多AR廠商制作了各式各樣的AR地球儀產(chǎn)品，如小熊尼奧AR地球儀、i-Wow Atlas World等。在這類產(chǎn)品中，幼兒拿著智能設(shè)備對著實(shí)體地球儀掃描，屏幕上緊貼在實(shí)體地球儀表面會(huì)呈現(xiàn)出各個(gè)地區(qū)的風(fēng)土人情、特有的動(dòng)植物介紹等，如此兒童就會(huì)對地球儀上的地理位置和相應(yīng)地區(qū)的特色文化有比較深刻的認(rèn)識了。

1.2.5 AR玩具類

包括智能恐龍、智能機(jī)器人、智能汽車等。隨著互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，許多幼兒玩具制造商的產(chǎn)品遭受電商的沖擊，實(shí)體銷售情況不太理想。有些玩具廠商在此基礎(chǔ)上大膽創(chuàng)新，對一些恐龍類、機(jī)器人類、汽車類等玩具，結(jié)合各式的IP，制作了包含配套AR App的智能玩具。幼兒在玩這些玩具的同時(shí)，用手持設(shè)備掃描到玩具上后，就會(huì)出現(xiàn)對應(yīng)的各式卡通形象，配合一些聲光的效果，對幼兒有極大的吸引力。

1.2.6 AR卡牌游戲等

這一類是在傳統(tǒng)紙質(zhì)卡牌游戲的基礎(chǔ)上，融合AR技術(shù)讓卡牌上的卡通形象“活”起來并進(jìn)行交互。幼兒在把玩卡牌的過程中，在收集了若干同系列的各種卡牌后，就可能萌生出與同伴交流、切磋各自積累卡牌的想法。幼兒將這些卡牌放在一起，經(jīng)由AR App識別出來后，AR場景中出現(xiàn)的角色，可以在兒童的操作下，相互交互，如攻擊、防守等等。除了以上幾種，還有一些如AR投影儀、AR手推車等創(chuàng)新兒童產(chǎn)品。

2 AR技術(shù)應(yīng)用到幼兒早期教育的基本原理

2.1 AR系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)

如圖1所示，一個(gè)典型的AR系統(tǒng)由以下結(jié)構(gòu)組成。

AR系統(tǒng)通過攝像頭等傳感器采集到真實(shí)世界的圖像信息，利用圖像識別的算法進(jìn)行識別之后，結(jié)合三維跟蹤算法，實(shí)時(shí)獲取識別標(biāo)記的位置，在特定位置處渲染出虛擬場景后，在顯示單元中與真實(shí)世界的圖像進(jìn)行融合，從而產(chǎn)生出“增強(qiáng)”過的現(xiàn)實(shí)世界的場景。

2.2 在幼兒教育領(lǐng)域應(yīng)用的AR技術(shù)

AR系統(tǒng)開發(fā)的三大關(guān)鍵技術(shù)可總結(jié)為三維跟蹤技術(shù)、虛擬融合技術(shù)以及人機(jī)交互技術(shù)，其中三維跟蹤（也稱為三維注冊）是最重要的技術(shù)，它是實(shí)現(xiàn)AR系統(tǒng)的基礎(chǔ)技術(shù)，也是確定AR應(yīng)用系統(tǒng)性能優(yōu)劣的關(guān)鍵。三維跟蹤的主要任務(wù)是實(shí)時(shí)檢測出攝像頭相對于真實(shí)場景的位置狀態(tài)，確定待疊加虛擬信息在投影平面的位置，并將這些虛擬信息實(shí)時(shí)顯示在屏幕上的正確方位。

如前所述，AR技術(shù)在幼兒教育領(lǐng)域的各種應(yīng)用中，不管是AR卡片、教具、游戲等，基于計(jì)算機(jī)視覺的跟蹤定位，即圖1中的真實(shí)環(huán)境識別與三維交互跟蹤，是最關(guān)鍵的步驟。

從技術(shù)上，基于計(jì)算機(jī)視覺的三維跟蹤技術(shù)，依據(jù)識別時(shí)標(biāo)記物的不同，可分為基于標(biāo)記物的識別和無標(biāo)記物識別。

2.2.1 基于標(biāo)記物的識別（Marker based recognization）

在這種識別方式中，可以分為圖像識別、多張圖像識別、立方體識別、圓柱體識別和對象（實(shí)體）識別等類型。其基本原理都是一致的，在識別前先對標(biāo)記進(jìn)行預(yù)處理，運(yùn)用圖像識別技術(shù)，從圖像中提取出特征點(diǎn)，然后生成一個(gè)數(shù)據(jù)集文件；識別時(shí)，識別引擎對圖像識別時(shí)，匹配圖像信息和特征集中的數(shù)據(jù)，若匹配則識別成功，反之亦然。

2.2.2 無標(biāo)記物識別（Markless recognization）

這種識別技術(shù)是AR技術(shù)中的前沿技術(shù)，與前者不同的是，它的識別不需要預(yù)先指定標(biāo)記物，在識別時(shí)它可以使用真實(shí)圖像和目標(biāo)在3D空間定位相機(jī)以在真實(shí)圖片上呈現(xiàn)引人注目的效果。無標(biāo)記物識別AR的核心是圖像識別和目標(biāo)檢測算法。

一些使用無標(biāo)記物識別增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的例子包括雜志封面、公司logo、玩具等?？偟膩碚f，任何對象，擁有關(guān)于場景的足夠的描述性和可分性的信息，都可以作為無標(biāo)記物識別AR技術(shù)應(yīng)用的對象。

3 AR技術(shù)在幼兒早期教育應(yīng)用中的問題

隨著AR技術(shù)逐步進(jìn)入幼兒教育市場，各式各樣的AR App紛紛出現(xiàn)在幼教領(lǐng)域，根據(jù)幼兒家長與教育機(jī)構(gòu)教師的反饋，目前AR應(yīng)用主要存在的問題和對應(yīng)的解決方法有：

3.1 防沉迷設(shè)計(jì)

對手機(jī)、平板等移動(dòng)設(shè)備的過度依賴，容易讓幼兒形成對這些智能設(shè)備的依賴，容易造成幼兒變成低齡的“低頭族”，時(shí)間過久之后，會(huì)對兒童的視力造成傷害。

由于長期擺弄電子設(shè)備，疏于鍛煉和與同齡兒童的溝通，也會(huì)影響兒童的身心健康。在App中加入防沉迷的設(shè)計(jì)和家長鎖有助于解決這個(gè)問題。

3.2 防扣費(fèi)設(shè)計(jì)

部分AR App在應(yīng)用中加入了應(yīng)用內(nèi)購買的功能，造成兒童在玩的過程中，誤點(diǎn)后造成扣費(fèi)。為了避免這類問題，在App實(shí)現(xiàn)時(shí)，需要加入家長控制的兒童鎖等，防止未經(jīng)家長授權(quán)的購買行為。

3.3 內(nèi)容選擇與過濾

與一般手機(jī)游戲著重于游戲邏輯與畫面表現(xiàn)不同的是，AR幼教類App偏重于App內(nèi)容，主要通過內(nèi)容中的益智音視頻、動(dòng)畫、圖片等對兒童進(jìn)行引導(dǎo)、啟發(fā)，所以對內(nèi)容的遴選就尤為重要。

由于兒童具有非常強(qiáng)的模仿能力，兒童App中的內(nèi)容，應(yīng)考慮兒童的接受能力，如恐龍、怪獸等，內(nèi)容方面不可出現(xiàn)一些過于暴露、血腥的畫面。為了避免這類問題，在制作這類場景時(shí)，需要考慮到兒童的接受能力，最好是聘請一些專業(yè)的兒童心理學(xué)、幼教方面的專業(yè)人士制作適應(yīng)兒童年齡與心智的內(nèi)容。

4 AR技術(shù)在幼兒早期教育中的發(fā)展前景

業(yè)界普遍將2016年視作AR發(fā)展元年，各式各樣AR類App紛紛出現(xiàn)，在幼兒教育這一特定的細(xì)分市場，涌現(xiàn)了一些市場效益不錯(cuò)的App，如央數(shù)文化的《口袋動(dòng)物園》、《口袋交通》，新銳天地的《AR涂涂樂》，武漢秀寶軟件的《秀寶盒子》等。國內(nèi)的AR SDK平臺(tái)也打破了國外同類型平臺(tái)獨(dú)占市場的局面，涌現(xiàn)出如視辰科技的EasyAR SDK、亮風(fēng)臺(tái)的HiAR SDK等有代表性的SDK平臺(tái)，而且這些SDK開發(fā)商都瞄準(zhǔn)AR全平臺(tái)、SLAM、物體識別等方面進(jìn)行發(fā)力，讓人對包括幼兒教育市場的AR產(chǎn)業(yè)的后續(xù)發(fā)展充滿期待。

隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和智能手機(jī)的發(fā)展，一些傳統(tǒng)的教育機(jī)構(gòu)，如新東方、瑞思教育等，紛紛試水“AR+教育”，使其成為在線教育的下一個(gè)風(fēng)口。2016年9月，新東方打造了AR智能學(xué)拼音神器《和多納小趣一起學(xué)拼音》，在市場上引起不錯(cuò)反響。在傳統(tǒng)教育模式下，教育培訓(xùn)機(jī)構(gòu)需要大量的師資資源，模式比較重，AR技術(shù)的加入，讓一種更輕的模式成為可能，市場的接受程度和機(jī)構(gòu)的盈利能力也會(huì)相應(yīng)提高。

一些業(yè)內(nèi)人士認(rèn)為，隨著市場的普及，尤其是一些用戶數(shù)量巨大的App，如QQ AR紅包、支付寶AR紅包等對用戶普及之后，大眾對AR的認(rèn)知度越來越高，出于好奇購買產(chǎn)品的可能性會(huì)降低。隨之而來，前期依靠簡單的三維立體形象已經(jīng)不能滿足家長的需求，相關(guān)企業(yè)必須進(jìn)行品牌和內(nèi)容的優(yōu)化才能長期占得市場先機(jī)。

與此同時(shí)，AR資本周期剛剛起步，AR成為載有教學(xué)內(nèi)容的產(chǎn)品往學(xué)校輸出，這對于幼兒教育市場來說是個(gè)機(jī)會(huì)。筆者看來，AR給了多元化教育更多的想象空間，在線教育與AR的結(jié)合也剛剛開始，AR技術(shù)在幼兒教育領(lǐng)域?qū)⒋笥锌蔀椤?/p>

5 小結(jié)

在本文中，筆者介紹了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的基本概念和基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教育方式與傳統(tǒng)教育方式相比的優(yōu)勢，然后結(jié)合筆者的業(yè)內(nèi)經(jīng)驗(yàn)，介紹了目前市面上已經(jīng)有的AR技術(shù)應(yīng)用到幼兒教育中的場景，之后介紹了AR系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)和目前主流的基于計(jì)算機(jī)視覺三維物體識別的技術(shù)，再總結(jié)了目前AR系統(tǒng)在幼兒教育中應(yīng)用的問題，最后對AR技術(shù)在幼兒教育中發(fā)展前景進(jìn)行了展望。

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作者簡介

孫文濤（1985-），男，湖北省天門市人。大學(xué)本科學(xué)歷。現(xiàn)央數(shù)文化（上海）股份有限公司高級工程師。研究方向?yàn)樵鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、跨平臺(tái)移動(dòng)開發(fā)技術(shù)。

作者單位

央數(shù)文化（上海）股份有限公司 上海市 200062