AR技術(shù)在幼兒教育領(lǐng)域中的應(yīng)用
——以幼兒識(shí)字為例

朱必熙,卓 皓

(1.福建幼兒師范高等專(zhuān)科學(xué)校人文科學(xué)系，福建福州 350007；2.福建幼兒師范高等專(zhuān)科學(xué)?，F(xiàn)代教育技術(shù)中心，福建福州 350007)

繼2016年任天堂《Pokémon Go》火爆全球后，2017年初，騰訊和阿里的紅包大戰(zhàn)又一次將AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))技術(shù)推到眾人眼前。隨著AR技術(shù)升溫，許多領(lǐng)域都在探討其在行業(yè)的應(yīng)用及影響。作為一名幼兒教育工作者，筆者注意到，年輕人特別是90后、00后是AR技術(shù)的最大受眾，或許在不久的將來(lái)，AR技術(shù)將是幼兒教育領(lǐng)域的有力工具，因此，結(jié)合職能對(duì)AR技術(shù)進(jìn)行系統(tǒng)研究和探討。

一、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)Augmented Reality

AR是Augmented Reality(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí) )的簡(jiǎn)稱(chēng)，又叫擴(kuò)增現(xiàn)實(shí)，基于Virtual Reality(虛擬現(xiàn)實(shí)，簡(jiǎn)稱(chēng)VR)發(fā)展而來(lái)。VR技術(shù)利用計(jì)算機(jī)生成模擬環(huán)境，通過(guò)沉浸式交互設(shè)備提供三維動(dòng)態(tài)視景，并可和用戶(hù)實(shí)體行為在虛擬空間中進(jìn)行互動(dòng)，是可創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)。[1]VR技術(shù)自上世紀(jì)60年代萌芽，經(jīng)過(guò)多年發(fā)展取得階段性成果，在醫(yī)學(xué)、航天航空等多個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域成熟應(yīng)用。和AR相比，VR有幾個(gè)特點(diǎn)：一是需制作獨(dú)立于現(xiàn)實(shí)環(huán)境的虛擬環(huán)境；二是需特制設(shè)備；三是提供沉浸式互動(dòng)體驗(yàn)。而AR不需要獨(dú)立制作虛擬環(huán)境，只需將現(xiàn)實(shí)世界與計(jì)算機(jī)模擬仿真產(chǎn)生的虛擬3D模型、視頻或場(chǎng)景進(jìn)行疊加，通過(guò)AR技術(shù)在虛擬環(huán)境和真實(shí)環(huán)境之間搭起一個(gè)可互動(dòng)的橋梁，實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界信息的增強(qiáng)，提高用戶(hù)對(duì)真實(shí)世界的感知能力，如圖1所示。

圖1 AR的作用

目前AR/VR的定義主要有兩種：一是1994年P(guān)aul Milgram和Fumio Kishino定義的“現(xiàn)實(shí)——虛擬連續(xù)體”，[2]將AR/VR定義為從真實(shí)環(huán)境到虛擬環(huán)境的連續(xù)體，真實(shí)場(chǎng)景和虛擬場(chǎng)景分布在兩端，在這兩者之間接近真實(shí)環(huán)境的是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，即AR；接近虛擬場(chǎng)景的是增強(qiáng)虛擬(擴(kuò)增虛境)，即VR；位于中間的部分叫做混合實(shí)境，見(jiàn)圖2。

二是1997年北卡大學(xué)的Ronald Azuma提出的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的定義[3]以及實(shí)時(shí)交互。

圖2 現(xiàn)實(shí)-虛擬連續(xù)體Fig. Reality-Virtuality Continuum

(一)三維注冊(cè)

三維注冊(cè)主要解決是虛擬空間(物體)和現(xiàn)實(shí)空間(物體)的坐標(biāo)定位對(duì)應(yīng)，是AR/VR視覺(jué)呈現(xiàn)和互動(dòng)的基礎(chǔ)，在應(yīng)用章節(jié)將作具體介紹。

(二)虛實(shí)結(jié)合

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)不取代現(xiàn)實(shí)環(huán)境，而是基于現(xiàn)實(shí)世界提供虛擬物體的呈現(xiàn)和互動(dòng)，在不改變真實(shí)世界本質(zhì)的基礎(chǔ)上增強(qiáng)了真實(shí)世界的信息，以此為基礎(chǔ)來(lái)提供服務(wù)的。圖3所示為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的一個(gè)典型應(yīng)用，用AR設(shè)備攝像頭掃描卡片，設(shè)備顯示屏?xí)@示配套定制的內(nèi)容，可以是2D/3D虛擬畫(huà)面，虛擬畫(huà)面和現(xiàn)實(shí)卡片疊加，并錨定現(xiàn)實(shí)卡片坐標(biāo)，隨卡片移動(dòng)、縮放，就像卡片的一部分，只是這部分在現(xiàn)實(shí)中是不存在的，這種將真實(shí)世界和虛擬信息同時(shí)呈現(xiàn)并互動(dòng)，即典型的AR虛實(shí)結(jié)合。

圖3 虛實(shí)結(jié)合

(三)實(shí)時(shí)交互

實(shí)時(shí)交互是指用戶(hù)能夠通過(guò)在現(xiàn)實(shí)世界中的動(dòng)作與虛擬環(huán)境(物體)進(jìn)行互動(dòng)，如，手指在空中虛點(diǎn)，能觸發(fā)虛擬環(huán)境(物體)中的按鈕。因?yàn)樵鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)需要迅速識(shí)別現(xiàn)實(shí)世界的事物，在設(shè)備中進(jìn)行迅速合成，并通過(guò)傳感技術(shù)將混合信息傳達(dá)給用戶(hù)，這樣才能實(shí)現(xiàn)所見(jiàn)即能所知的效果[4]。2016年廣為使用的3D美顏APP，能自動(dòng)識(shí)別人臉，智能添加虛擬頭箍、眼鏡、面具等物，并可隨頭部轉(zhuǎn)動(dòng)而轉(zhuǎn)動(dòng)，增添很大互動(dòng)樂(lè)趣，便是典型的實(shí)時(shí)交互應(yīng)用。

二、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在幼兒教育[5]中的應(yīng)用

AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))作為VR(虛擬現(xiàn)實(shí))的一個(gè)補(bǔ)充發(fā)展，綜合了計(jì)算機(jī)圖形、多媒體、實(shí)時(shí)跟蹤、跟蹤顯示等多門(mén)學(xué)科，在醫(yī)學(xué)、軍事、文化、工業(yè)維修、娛樂(lè)等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景，是近年來(lái)的一個(gè)研究熱點(diǎn)。作為一個(gè)教育工作者，筆者一直關(guān)注VR/AR技術(shù)發(fā)展，也在深思該技術(shù)在兒童教育領(lǐng)域可能的應(yīng)用與影響，由于VR體驗(yàn)需特制設(shè)備，且沉浸式體驗(yàn)對(duì)兒童大腦發(fā)育影響尚未明確，因此，將AR作為主要方向重點(diǎn)研究。

兒童時(shí)期是大腦發(fā)育的最佳時(shí)間，也是機(jī)械記憶力最強(qiáng)的階段。3-6歲是兒童培養(yǎng)閱讀能力的最佳年齡段，讓孩子盡早開(kāi)始閱讀，對(duì)培養(yǎng)孩子的學(xué)習(xí)興趣有益無(wú)害。對(duì)學(xué)前兒童而言，所有與閱讀活動(dòng)有關(guān)的行為都是閱讀，文字、符號(hào)、標(biāo)記、圖片、影像等其它材料都是其閱讀的內(nèi)容。[6]而識(shí)字水平是影響孩子閱讀能力和興趣的重要因素之一。在教育部頒布的《3-6歲兒童學(xué)習(xí)與發(fā)展指南》里也明確的對(duì)5-6歲的幼兒提出能在閱讀圖書(shū)和生活情境中對(duì)文字符號(hào)感興趣，知道文字表示一定的意義的要求。[7]而在實(shí)際的教育過(guò)程中，學(xué)校和家長(zhǎng)也越來(lái)越重視幼兒時(shí)期在生活、學(xué)習(xí)環(huán)境里的識(shí)字教育。我們應(yīng)抓住這個(gè)大腦的飛躍期進(jìn)行幼兒識(shí)字教育，同時(shí)，閱讀能力的培養(yǎng)是開(kāi)發(fā)幼兒智力和潛能的重要途徑之一，能有效的刺激腦細(xì)胞的發(fā)育，更好地幫助幼兒調(diào)動(dòng)和訓(xùn)練感覺(jué)器官。根據(jù)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，幼兒識(shí)字受注意力和生活閱歷所限，無(wú)法在文字符號(hào)和其意義之間建立有效的聯(lián)系并深刻理解，因此，在文字的理解和記憶方面存在一定的障礙，AR技術(shù)可以較好解決這個(gè)問(wèn)題。

(一)AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))的技術(shù)特點(diǎn)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛實(shí)疊加并呈現(xiàn)給用戶(hù)，首先，需通過(guò)相機(jī)獲取真實(shí)場(chǎng)景信息，然后，對(duì)真實(shí)場(chǎng)景和相機(jī)相對(duì)位置進(jìn)行分析，最后，將獲得的虛擬信息與真實(shí)場(chǎng)景融合。

1.識(shí)別與跟蹤

為實(shí)現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實(shí)的無(wú)縫疊加，需要在三維空間中對(duì)虛和實(shí)進(jìn)行空間定位匹配，即三維注冊(cè)。首先，需要對(duì)攝像頭收集的畫(huà)面進(jìn)行分析，通過(guò)特定物體特征點(diǎn)及輪廓識(shí)別、判斷畫(huà)面中是否有存在物體，如存在，則跟蹤物體特征點(diǎn)并生成二維或三維坐標(biāo)信息，三維注冊(cè)技術(shù)決定增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的體驗(yàn)感，常用方法有四種：基于硬件的跟蹤注冊(cè)、基于機(jī)器視覺(jué)、基于無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的和混合跟蹤注冊(cè)技術(shù)。

2.生成虛擬物體

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的目標(biāo)是在屏幕上把虛擬世界套在現(xiàn)實(shí)世界并進(jìn)行互動(dòng)，所以，在準(zhǔn)確的跟蹤注冊(cè)技術(shù)的基礎(chǔ)上，要提高增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的效果，還需要保證所生成的虛擬物體真實(shí)感和實(shí)時(shí)性強(qiáng)。如，谷歌眼鏡推出的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)眼鏡，在用戶(hù)觀測(cè)到一個(gè)物體后，鏡片上就能迅速呈現(xiàn)該物體的相關(guān)信息。

3.顯示技術(shù)

與VR一樣，AR也依賴(lài)于設(shè)備顯示生成的虛擬物體，帶有攝像頭的普通手機(jī)、平板就可以實(shí)現(xiàn)，硬件設(shè)備性能越高，體驗(yàn)感越佳。

(二)AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))開(kāi)發(fā)的簡(jiǎn)易性

當(dāng)前，AR技術(shù)的跟蹤注冊(cè)、物體生成和顯示等方面較為成熟，有較成熟的SDK和學(xué)術(shù)文件支持，目前AR技術(shù)SDK比較常用的有EasyAR、太虛AR、HiAR、Vuforia、Metaio、Wikitude、VoidAR等，這幾個(gè)SDK里有收費(fèi)的，也有不收費(fèi)的，選擇面是比較廣闊的，而且，硬件成本低、普及率高，在技術(shù)和設(shè)備上符合兒童教育應(yīng)用研發(fā)環(huán)境需求。

(三)AR(增強(qiáng)現(xiàn)實(shí))在幼兒識(shí)字領(lǐng)域應(yīng)用的可行性

筆者將幼兒識(shí)字分為注意力吸引、認(rèn)知、理解、記憶加深等四個(gè)重要環(huán)節(jié)，如，研發(fā)一套兒童認(rèn)知AR教學(xué)APP，以?xún)和矏?ài)的動(dòng)物系列為例，將文字和圖片結(jié)合，通過(guò)AR技術(shù)呈現(xiàn)3D立體動(dòng)物，并在該動(dòng)物身上直接體現(xiàn)教學(xué)目標(biāo)漢字，如圖4，同時(shí)該動(dòng)物可與小朋友進(jìn)行簡(jiǎn)單的互動(dòng)。利用AR技術(shù)的特色，在愉悅新奇的互動(dòng)體驗(yàn)中教小朋友認(rèn)識(shí)漢字及其中英文發(fā)音，做到了寓教于樂(lè)。而對(duì)于老師或者家長(zhǎng)來(lái)說(shuō)，操作是非常簡(jiǎn)單的，僅僅只需要在手機(jī)等智能設(shè)備上下載安裝該軟件，然后，通過(guò)攝像頭掃描目標(biāo)卡片上的文字即可做到3D立體動(dòng)物的呈現(xiàn)。

為深入研究AR技術(shù)在兒童教育領(lǐng)域中應(yīng)用的可行性和效果，印證AR技術(shù)對(duì)幼兒識(shí)字領(lǐng)域的實(shí)效，筆者在幼兒園老師的幫助下，通過(guò)邀請(qǐng)14名3-5周歲的幼兒就卡片、卡片加圖片、卡片加AR技術(shù)三種情況下進(jìn)行幼兒識(shí)字效率進(jìn)行分析比較，數(shù)據(jù)如下：

1.實(shí)驗(yàn)對(duì)象：3至5周歲幼兒

2.實(shí)驗(yàn)人數(shù)：14人

圖4 AR環(huán)境下的豬

年齡段試驗(yàn)方式初記重復(fù)刺激次數(shù)遺忘率遺忘周期(未復(fù)習(xí))混淆率混淆周期3周歲卡片50.16770.25卡片加圖片80.33450.34卡片加AR40.167150.284周歲卡片40.15110.057卡片加圖片40.1590.154卡片加AR40.15170.0575周歲卡片40.05120.056卡片加圖片40.0590.056卡片加AR40.05190.057

上述數(shù)據(jù)呈幾個(gè)特點(diǎn)：一是初記重復(fù)刺激次數(shù)方面，3周歲和4周歲的幼兒有較大差別，主要原因應(yīng)該是這兩個(gè)階段幼兒的注意力有差別；二是3周歲幼兒面對(duì)文字加圖片的識(shí)字效果不是很理想，主要原因是面對(duì)文字和圖片，其聚焦點(diǎn)容易在圖片，而忽略文字本身；三是不管哪個(gè)階段的幼兒，在AR技術(shù)的刺激下，其記憶力有很明顯的加深。

可見(jiàn)，AR技術(shù)的新奇感、直觀性、互動(dòng)性、娛樂(lè)性是幼兒教育、幼兒識(shí)字很好的一種手段，幼兒的學(xué)習(xí)主動(dòng)性大大增強(qiáng)。同時(shí)，讓以往單純用左腦來(lái)強(qiáng)制性記憶的識(shí)字訓(xùn)練，通過(guò)AR技術(shù)，將圖像和文字緊密地結(jié)合在一起，讓孩子們可以用全腦而不僅僅是左腦去記憶。但由于AR體驗(yàn)需借助手機(jī)、平板等設(shè)備，長(zhǎng)時(shí)間互動(dòng)對(duì)兒童眼睛發(fā)育有一定的負(fù)面影響，應(yīng)在具體應(yīng)用中加以注意并規(guī)避。

AR技術(shù)是幼兒教育領(lǐng)域有效的教學(xué)技術(shù)輔助手段之一，將幼兒教育成體系的AR化，可以通過(guò)AR提升幼兒注意力，增強(qiáng)幼兒學(xué)習(xí)興趣和主動(dòng)性，刺激加深記憶力；AR的信息化固有特性還可在記錄幼兒學(xué)習(xí)成長(zhǎng)曲線、分析幼兒學(xué)習(xí)優(yōu)缺點(diǎn)、提升幼兒學(xué)習(xí)成效的同時(shí)，為教育工作者提供有力的教學(xué)工具。

[參考文獻(xiàn)]

[1] RonaldT.Azuma. A Survey of Augmented Reality[J]. Teleoperators and Virtual Environments， 1997(4)：1-3.

[2] PaulMilgram， Fumio Kishino.A Taxonomy of Mixed Reality Visula Display[J]. IEICE Transactions on Information Systems，1994(12).

[3] Azuma， Ronald T. A Survey of Augmented Reality[J]. Teleoperators and virtual environments， 1997(4)：355-385.

[4] 蔡攀.基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的實(shí)時(shí)交互技術(shù)研究與實(shí)現(xiàn)[D].西安：電子科技大學(xué)，2009.

[5] 熊偉. “學(xué)前教育”、”幼兒教育”與”早期教育”等基本概念內(nèi)涵界定及應(yīng)用——“全國(guó)高校學(xué)前教師微信群”2017新年網(wǎng)絡(luò)主題研討會(huì)筆談綜述[J]. 陜西學(xué)前師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2017(1)：142-146.

[6] 黃曉丹.圖畫(huà)書(shū)與學(xué)前兒童早期閱讀[J].陜西學(xué)前師范學(xué)院學(xué)報(bào),2016(10):93-96.

[7] 中華人民共和國(guó)教育部.3-6歲兒童學(xué)習(xí)與發(fā)展指南[M]. 北京：首都師范大學(xué)出版社,2012.