基于移動增強現(xiàn)實的學(xué)齡前兒童教育游戲研究與設(shè)計

田元 周冪 夏丹 李方迪

[摘? ?要] 教育游戲是一種有效促進學(xué)習(xí)者自身發(fā)展與學(xué)習(xí)體驗的方式，而移動增強現(xiàn)實技術(shù)正以顛覆傳統(tǒng)之姿融入其中，賦予教育游戲新的發(fā)展?jié)摿蛻?yīng)用前景。基于移動增強現(xiàn)實的教育游戲具有激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、強化互動參與、提升學(xué)習(xí)效率、提供沉浸的學(xué)習(xí)環(huán)境以及泛在學(xué)習(xí)條件的特征，但其也面臨著教育學(xué)習(xí)內(nèi)容與游戲娛樂內(nèi)容不平衡、教學(xué)對象和教育內(nèi)容同移動增強現(xiàn)實技術(shù)不匹配等問題和挑戰(zhàn)。本研究在分析移動增強現(xiàn)實技術(shù)支持下的教育游戲特征及其存在問題的基礎(chǔ)上，在相關(guān)教育游戲理論和學(xué)齡前兒童認知發(fā)展理論的指導(dǎo)下，提出了四個層面加一個統(tǒng)一原則的移動增強現(xiàn)實教育游戲分層要素設(shè)計策略模型，分別從對象層、教育層、游戲?qū)?、技術(shù)層四個層面進行分析，并圍繞協(xié)調(diào)統(tǒng)一原則來實現(xiàn)教學(xué)對象、教育內(nèi)容、游戲元素以及移動增強現(xiàn)實技術(shù)的貫穿融合，在此基礎(chǔ)上完成了面向?qū)W齡前兒童的移動增強現(xiàn)實教育游戲——ARTeddyMath的設(shè)計與開發(fā)。研究為完善教育游戲的設(shè)計與開發(fā)提供了新的視角和策略，提出的設(shè)計策略模型具有可擴展性，可以為面向不同對象的教育游戲提供參考。

[關(guān)鍵詞] 增強現(xiàn)實; 移動終端; 學(xué)齡前兒童; 教育游戲; 設(shè)計策略

[中圖分類號] G434? ? ? ? ? ? [文獻標(biāo)志碼] A

一、引? ?言

近年來，隨著游戲化學(xué)習(xí)理念的不斷深入、娛教技術(shù)的泛化以及信息技術(shù)和人工智能的興盛，教育游戲在獲得廣泛關(guān)注的同時，有了規(guī)模性發(fā)展的可能。祝智庭提出教育游戲是“將生命的體驗與樂趣變?yōu)閷W(xué)習(xí)的目的與手段的一套工具和方法論”[1]，其本質(zhì)是激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，挖掘?qū)W習(xí)潛能，實現(xiàn)寓教于樂。《國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中指出，要“積極發(fā)揮人工智能和虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）、增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）等創(chuàng)新技術(shù)的優(yōu)勢，擴展教育形態(tài)，探索未來教學(xué)新模式，為促進個性化學(xué)習(xí)和針對性教育提供支持”[2]，教育+游戲+新型智能技術(shù)的深度融合已成為必然趨勢。

增強現(xiàn)實由虛擬現(xiàn)實技術(shù)發(fā)展而來，使人為構(gòu)建的虛擬信息和現(xiàn)實環(huán)境疊加到同一個畫面或空間，達到“虛實融合”的效果[3]。增強現(xiàn)實技術(shù)的成熟為教育游戲提供了新的支持，利用其構(gòu)建虛實融合的學(xué)習(xí)情境開創(chuàng)了新的教育游戲活動形式。隨著移動智能終端設(shè)備和移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展，增強現(xiàn)實教育游戲越來越多地被應(yīng)用到智能手機、PAD等小型移動設(shè)備上，基于移動智能終端的增強現(xiàn)實為教育游戲的發(fā)展提供了新的助力。

學(xué)齡前兒童涉及的知識內(nèi)容簡單、形象，本身就具有一定的游戲?qū)傩?，十分適合設(shè)計成教育游戲。國內(nèi)現(xiàn)有的面向?qū)W齡前兒童的移動增強現(xiàn)實教育游戲案例較少，增強現(xiàn)實作為一項新技術(shù)，在其支持下的學(xué)齡前兒童教育游戲的設(shè)計開發(fā)理論研究比較匱乏，尚沒有詳細的設(shè)計策略和完整的開發(fā)流程。如何在相關(guān)教育理論和游戲理論的整合指導(dǎo)下，兼顧移動增強現(xiàn)實特性和學(xué)齡前兒童認知特征，完善設(shè)計策略，構(gòu)建出適宜、有效的教育游戲設(shè)計策略模型，并在此基礎(chǔ)上進行完整的開發(fā)，需要我們進行深入的研究和思考。

二、移動增強現(xiàn)實支持下的教育游戲特點

移動增強現(xiàn)實[4-5]是增強現(xiàn)實的一個分支。傳統(tǒng)的增強現(xiàn)實系統(tǒng)主要以PC機和可穿戴裝置等外接設(shè)備為載體，這種架構(gòu)價格昂貴，攜帶不便，且不易維護。近幾年移動智能終端迅猛發(fā)展，以手機、PAD等為主的小型移動智能機極大地推動了移動增強現(xiàn)實的應(yīng)用，為其提供了強有力的平臺。相較于傳統(tǒng)的系統(tǒng)設(shè)備，小型移動智能機的普及度極高，更具便攜性和移動性，內(nèi)部集成了GPS、電子羅盤、重力感應(yīng)器、加速度傳感器以及光線距離感應(yīng)器等各類傳感器[3]，這使得增強現(xiàn)實教育游戲可以有更多的創(chuàng)新模式，應(yīng)用場景更廣泛，交互手段更多樣和人性化。其應(yīng)用無須考慮硬件損壞或維護的問題，只需下載安裝相應(yīng)的軟件即可。移動增強現(xiàn)實為教育游戲提供了有力支持和幫助，主要表現(xiàn)在以下三個方面：

（一）激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、降低認知難度、強化互動參與

在用戶體驗上，移動增強現(xiàn)實技術(shù)作為一種新事物出現(xiàn)在視野中，極易引起學(xué)習(xí)者的興趣，特別是學(xué)齡前兒童，新事物將激發(fā)他們的好奇心和探索欲。AR技術(shù)能將抽象內(nèi)容具象化，通過三維可視化的方式直觀、生動、逼真地呈現(xiàn)出教育知識[6]，降低對學(xué)習(xí)者認知能力和遷移能力的要求，加深理解和記憶。而且AR本身就具有實時交互的特性，結(jié)合移動智能終端能產(chǎn)生多種深度交互方式，有利于加強學(xué)習(xí)參與度，提升學(xué)習(xí)效果[7]。教育游戲在移動增強現(xiàn)實的支持下，能給用戶超現(xiàn)實的體驗，減弱學(xué)生對學(xué)習(xí)的抵觸心理，大幅提升學(xué)生的學(xué)習(xí)意愿，使學(xué)習(xí)過程的體驗更加輕松、自然、順暢。

（二）提供情境增強、沉浸學(xué)習(xí)的環(huán)境

在學(xué)習(xí)情境創(chuàng)設(shè)上，增強現(xiàn)實“虛實結(jié)合”的特性提供了對真實環(huán)境進行虛擬信息擴增的學(xué)習(xí)情境，可以創(chuàng)設(shè)出在現(xiàn)實中難以觀測的情境及事物變化的過程。根據(jù)不同的教育內(nèi)容，可以創(chuàng)建相符合的增強情境，輔助學(xué)習(xí)內(nèi)容在游戲中體現(xiàn)，促進學(xué)習(xí)者進行自主探究，動態(tài)地進行交互式操作與學(xué)習(xí)，進入沉浸式的情境體驗中[6]。AR教育游戲非常符合“學(xué)習(xí)是一種真情實景的體驗”的構(gòu)建主義學(xué)習(xí)理論[8]，可以幫助學(xué)習(xí)者深入觀察、實踐，促進認知構(gòu)建和知識遷移。通過與AR對象的實時互動，以及游戲化、情境化的教學(xué)，可以充分調(diào)動學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)熱情，延長沉浸時間，加深對學(xué)習(xí)內(nèi)容的關(guān)注和理解。教育游戲在移動增強現(xiàn)實的支持下為學(xué)習(xí)者提供直觀、沉浸的學(xué)習(xí)環(huán)境。

（三）創(chuàng)造移動學(xué)習(xí)、泛在學(xué)習(xí)的條件

移動增強現(xiàn)實下的教育游戲以軟件的形式運行，僅通過一部智能移動終端就可以展開學(xué)習(xí)活動，使用場所不再受限，學(xué)習(xí)者可以在任何地方、任何時刻進行學(xué)習(xí)體驗。對于學(xué)習(xí)者，學(xué)習(xí)過程是連續(xù)的、無縫的、自主的，體現(xiàn)了“以人為中心，以學(xué)習(xí)任務(wù)本身為焦點”的泛在學(xué)習(xí)的優(yōu)勢[9]。同時，移動互聯(lián)網(wǎng)為教育游戲提供了社會型的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)習(xí)者可以與現(xiàn)實世界中的教師、同伴或同一應(yīng)用中的其他學(xué)習(xí)者討論交流，實現(xiàn)多人任務(wù)，協(xié)作學(xué)習(xí)，也可以通過社交軟件實現(xiàn)信息交互、學(xué)習(xí)互動，形成游戲社群。教育游戲在移動增強現(xiàn)實的支持下形成了泛在的學(xué)習(xí)資源，為學(xué)習(xí)者創(chuàng)造了個性化的、可復(fù)用的、無處不在的學(xué)習(xí)條件[10]。

三、面向?qū)W齡前兒童的移動增強現(xiàn)實型

教育游戲設(shè)計策略

在已有的教育游戲研究中，被提及最多的問題就是教育學(xué)習(xí)內(nèi)容與游戲娛樂內(nèi)容的不平衡[11-12]。在一些教育游戲案例中，設(shè)計者常常顧此失彼，忽視了教育和游戲的融合。移動增強現(xiàn)實技術(shù)以顛覆傳統(tǒng)之姿為教育游戲帶來新動力的同時，也產(chǎn)生了新的挑戰(zhàn)。以何種形式呈現(xiàn)該技術(shù)特點以及如何自然地融入學(xué)習(xí)情境中，使之與教學(xué)內(nèi)容匹配，都是研究者們需要思考的問題[13]。此外，學(xué)齡前兒童的認知能力、知識層次以及行為習(xí)慣等都有符合其年齡階段的特征和限制，充分考慮這些因素才能真正設(shè)計出有助于兒童認知發(fā)展的教育游戲。因此，本文在相關(guān)教育游戲理論和學(xué)齡前兒童認知發(fā)展理論的指導(dǎo)下，提出四個層面加一個統(tǒng)一原則的移動增強現(xiàn)實教育游戲分層要素設(shè)計策略模型。如圖1所示，分別從對象層、教育層、游戲?qū)雍图夹g(shù)層四個層面進行討論分析，通過協(xié)調(diào)統(tǒng)一性原則將四個層面中的內(nèi)容貫穿融合，并基于此設(shè)計策略描述了面向?qū)W齡前兒童的移動增強現(xiàn)實教育游戲案例開發(fā)的整體框架模型，完成了教育游戲——ARTeddyMath的設(shè)計與開發(fā)。

（一）對象層：符合學(xué)齡前兒童認知發(fā)展特征和成長需求

在皮亞杰的兒童認知發(fā)展理論中，將學(xué)齡前兒童（3～7歲）劃分為前運算階段，這一階段的兒童以自身感知將外界事物內(nèi)化為表象，在感知運動中明白語言、聲音、圖像、數(shù)字等符號的意義[14]。同時，他們的成長在審美、求知、自我實現(xiàn)三方面有著強烈的需求。因此，在設(shè)計過程中，本文根據(jù)這三種成長需求緊密結(jié)合學(xué)齡前兒童的認知發(fā)展特點，從以下三個方面進行具體的分析，以促進學(xué)齡前兒童在教育游戲中愉悅健康的體驗。

（1）學(xué)齡前兒童對視、聽覺上的信息感知尤為敏感，多重復(fù)合感官刺激的情境更有益于其記憶的形成。但他們的視、聽覺系統(tǒng)尚未發(fā)育完全，往往不喜歡單調(diào)清冷的顏色和平緩靜謐的音樂，而容易被一些色彩繽紛、鮮艷明亮的顏色和歡快靈動的聲音吸引，對于形象生動、不斷變化、能活動的物體興趣極高。所以，在UI設(shè)計、音效設(shè)計、三維模型設(shè)計、虛擬情境創(chuàng)建以及交互設(shè)計過程中，都應(yīng)去貼近學(xué)齡前兒童的審美需求。

（2）處于前運算階段的孩子隨著年紀(jì)的增長，感知的意圖性和目的性也會逐漸增強。他們喜歡探索，有旺盛的求知欲。所以在教育游戲設(shè)計中，除了考慮學(xué)齡前兒童的感知特性外，還要意識到感知的差異性，對其進行合理的任務(wù)分配，給予相應(yīng)挑戰(zhàn)的引導(dǎo)和提示，以滿足求知的需求。

（3）他們喜歡被肯定贊許，通過不斷挑戰(zhàn)自我獲得進步會很有成就感。獎勵是有效回應(yīng)這種心理狀態(tài)、促使他們完成某件事情的手段。所以，設(shè)置階段性的目標(biāo)和激勵，給予創(chuàng)造和提升的空間，有助于滿足自我實現(xiàn)的需求。前運算階段兒童的認知能力停留在事物表面，認知活動非常具體，抽象理解能力較弱，以直觀的感受進行判斷[15]，針對此階段兒童的教育游戲應(yīng)該具備鮮明的表現(xiàn)形式和直觀的功能展示。

（二）教育層：明確教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容、提供學(xué)習(xí)反饋和評價

教育層的研究內(nèi)容主要包括教學(xué)目標(biāo)分析、學(xué)習(xí)內(nèi)容分析和學(xué)習(xí)效果反饋及評價功能的設(shè)計。

（1）在教育游戲中，教學(xué)目標(biāo)可分為兩個層次：一是階段性學(xué)習(xí)目標(biāo)，二是最終目標(biāo)。建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論強調(diào)學(xué)習(xí)者在主動探究問題、思考加工知識內(nèi)容的過程中對其意義的建構(gòu)。通過原有的知識經(jīng)驗和新知識的相互作用去發(fā)現(xiàn)事物的本質(zhì)、規(guī)律以及事物之間的內(nèi)在聯(lián)系，更新認知結(jié)構(gòu)[8]。為了幫助學(xué)生對知識的構(gòu)建，需要設(shè)計合理的教學(xué)目標(biāo)，并給予階段性的任務(wù)，將教學(xué)目標(biāo)進行細化分解，通過階段性學(xué)習(xí)目標(biāo)的落實，不斷地將新知識納入已有的認知結(jié)構(gòu)中，以實現(xiàn)最終目標(biāo)。

（2）在學(xué)習(xí)內(nèi)容分析過程中，并非所有的知識內(nèi)容都適合移動增強現(xiàn)實這種形式的教育游戲。對于一些極其抽象復(fù)雜、邏輯性強，需要學(xué)習(xí)者主觀意愿上長時間努力鉆研學(xué)習(xí)后才能理解的內(nèi)容，在游戲體驗中會顯得突兀、生硬，這違背了教育游戲寓教于樂的本質(zhì)。我們需要根據(jù)學(xué)習(xí)者的認知能力和水平、知識內(nèi)容本身的特性，綜合考慮是否適合作為移動增強現(xiàn)實教育游戲的教學(xué)內(nèi)容。沉浸理論指出，影響使用者后續(xù)學(xué)習(xí)的沉浸理論的兩個關(guān)鍵因素是挑戰(zhàn)和技巧[16]，這兩者之間的平衡性牽制決定著人們在參與活動中的態(tài)度、持久度及愉悅度。將學(xué)習(xí)內(nèi)容看作是挑戰(zhàn)，學(xué)習(xí)者的認知能力和水平是技巧，則需要合理設(shè)置學(xué)習(xí)內(nèi)容難度，使之符合學(xué)習(xí)者的“最近發(fā)展區(qū)”的要求和從易到難的學(xué)習(xí)規(guī)律。

（3）在教育游戲中提供學(xué)習(xí)反饋和評價是必不可少的。國內(nèi)的案例中大多忽略對游戲數(shù)據(jù)，即學(xué)習(xí)結(jié)果的分析和利用，缺少對學(xué)習(xí)效果反饋及評價功能的設(shè)計。完善的學(xué)習(xí)反饋機制往往能有效地促進學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效果，給予學(xué)生正確的導(dǎo)向，讓其發(fā)現(xiàn)不足之處并有針對性地調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)活動，及時了解學(xué)習(xí)的進展和成效，強化學(xué)習(xí)積極性。同時，家長和教師能更好地了解孩子的學(xué)習(xí)現(xiàn)狀，對學(xué)習(xí)效果進行評估，并以他人評價的方式反饋給學(xué)習(xí)者，保證學(xué)習(xí)活動進入良性循環(huán)。

（三）游戲?qū)樱涸黾訆蕵啡の缎?，提升游戲體驗

從游戲的特征來看，游戲?qū)有枰w現(xiàn)出趣味性、目的性、規(guī)則性和交互性，并為學(xué)習(xí)者提供及時反饋。Jesse Schell認為，游戲就是人們通過玩樂的形態(tài)解決問題的活動，趣味性就是有趣的決策[17]。因此，可以考慮給游戲賦予有趣的故事情節(jié)、設(shè)置有趣的規(guī)則，讓玩家的每一個操作都跟隨故事的跌宕起伏而具有趣味色彩，或是通過一些形象有趣的元素，如圖片、聲音、虛擬模型等來表現(xiàn)。目的性的存在是為了吸引玩家長時間的參與投入，設(shè)置有挑戰(zhàn)性的目標(biāo)能促進玩家不懈努力，在達成目標(biāo)后獲得十足的成就感。游戲目標(biāo)是教學(xué)目標(biāo)的另一種表現(xiàn)形式，教學(xué)目標(biāo)往往隱藏在游戲?qū)又?。?guī)則是限制玩家達成目標(biāo)的最直接的手段，在設(shè)計游戲規(guī)則時，要注意邏輯清晰，保證公平性和自由度。對于學(xué)齡前兒童，規(guī)則要盡量簡單、直觀，最好通過動畫、圖片、聲音等進行說明。交互貫穿游戲的各個環(huán)節(jié)，友好的交互方式和交互界面是促進玩家融入游戲的關(guān)鍵。在設(shè)計過程中要充分考慮兒童的行為習(xí)慣，從視覺互動、聽覺互動、操作互動等多方面配合設(shè)計，使游戲具有良好的可玩性。新穎的交互方式能有效地吸引兒童的興趣，增強現(xiàn)實技術(shù)就這一點提供了核心競爭力。反饋系統(tǒng)是吸引玩家、營造沉浸感的主要手段，精細、即時的反饋使玩家對游戲行為的有效與否作出判斷，并激勵調(diào)整下一個行為，不斷嘗試，如分數(shù)、等級、裝備、進度條等反饋數(shù)據(jù)，或角色升級、積分獎勵、情節(jié)推動等反饋手段會構(gòu)成一個傳動系統(tǒng)給玩家繼續(xù)玩下去的動力。

此外，在設(shè)計過程中要考慮到學(xué)習(xí)者可能發(fā)生的問題，并制定對應(yīng)措施，給予準(zhǔn)確的響應(yīng)和提示。應(yīng)充分考慮人機交互的靈活性、操作的簡便性，最大限度地滿足學(xué)習(xí)者的人機互動需求。其次，游戲的導(dǎo)航系統(tǒng)、功能布局應(yīng)該清晰明了，使學(xué)習(xí)者一目了然，能夠迅速進入游戲，減少由于游戲本身帶來的教學(xué)障礙。

（四）技術(shù)層：結(jié)合移動終端特性選擇適合的AR技術(shù)支持教學(xué)

增強現(xiàn)實系統(tǒng)中涵蓋了三方面的技術(shù)內(nèi)容，分別是跟蹤注冊技術(shù)、顯示技術(shù)和人機交互技術(shù)，其中跟蹤注冊技術(shù)是關(guān)鍵[18]。目前主流的方法是基于計算機視覺的增強現(xiàn)實技術(shù)，它又可以分為基于人工標(biāo)記的和基于自然特征的兩種方法[19]。

基于人工標(biāo)記的方法需要人為地放置標(biāo)記到真實場景中，通過對攝像頭所采集的真實場景視頻中的標(biāo)記物進行識別跟蹤，獲得標(biāo)記的位置信息，進行虛實配準(zhǔn)，最后通過顯示設(shè)備輸出虛實結(jié)合的場景畫面[19]。這種方法運行較穩(wěn)定，且平臺支持性好。

基于自然特征的跟蹤注冊方法不需要在真實場景中放置標(biāo)記物，而是通過真實環(huán)境中的自然特征點作為參考[19-20]，這種方法更簡單、方便，但計算量巨大，耗能高，在移動終端上難以保證實時性和穩(wěn)定性。

綜合考慮增強現(xiàn)實跟蹤注冊方法的特點和移動終端設(shè)備CPU、GPU性能的不足，基于人工標(biāo)記的方法更適合學(xué)齡前兒童增強現(xiàn)實教育游戲的開發(fā)。目前已有一些較為成熟的開發(fā)包可以直接利用，常見的有Vuforia、EasyAR、Wikitude、ARToolkit等，都支持Android、iOS平臺的開發(fā)。在移動增強現(xiàn)實教育游戲設(shè)計和開發(fā)中，應(yīng)根據(jù)手機、PAD等終端的處理能力，設(shè)計能夠順利支持的功能規(guī)模，確保游戲運行的穩(wěn)定性。應(yīng)根據(jù)移動終端的特性調(diào)節(jié)操作方式，減弱學(xué)習(xí)者對掃描標(biāo)記物后疊加虛擬信息不穩(wěn)定所導(dǎo)致的不適感，以及這種操作方式所帶來的額外的認知負荷。

（五）協(xié)調(diào)統(tǒng)一性原則

在面向?qū)W齡前兒童的增強現(xiàn)實教育游戲設(shè)計中，首先要篩選出屬于學(xué)齡前兒童教育范圍且適宜游戲化的教育內(nèi)容。根據(jù)兒童的認知背景構(gòu)思游戲故事背景，使教學(xué)內(nèi)容與學(xué)齡前兒童認知特點及成長需求相吻合，最大限度地挖掘教育內(nèi)容本身的娛樂屬性。通過游戲目標(biāo)激發(fā)學(xué)習(xí)動機，以游戲化的模式學(xué)習(xí)知識。將學(xué)習(xí)活動以游戲任務(wù)來體現(xiàn)，學(xué)習(xí)結(jié)果的即時反饋以游戲獎懲反饋來體現(xiàn)，使教學(xué)內(nèi)容與游戲任務(wù)相匹配。學(xué)習(xí)內(nèi)容的呈現(xiàn)應(yīng)盡可能地發(fā)揮增強現(xiàn)實技術(shù)的優(yōu)勢，利用增強現(xiàn)實技術(shù)提供給學(xué)習(xí)者逼真、動態(tài)、契合游戲故事背景的教育情境。增強現(xiàn)實交互部分要貼近學(xué)習(xí)活動特點，且考慮到移動終端的交互操作特性。從整體教學(xué)環(huán)節(jié)考慮，本文提供一種思路：將增強現(xiàn)實的標(biāo)記物和生成的虛擬物體以學(xué)具的形式設(shè)計到教學(xué)環(huán)節(jié)中，使之成為學(xué)習(xí)活動中的一部分，實現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容與增強現(xiàn)實技術(shù)的融合。

四、案例開發(fā)：ARTeddyMath

（一）游戲概述

本文所開發(fā)的基于移動增強現(xiàn)實的學(xué)齡前兒童教育游戲——ARTeddyMath是一款數(shù)學(xué)啟蒙游戲，也是一款親子游戲。在移動增強現(xiàn)實技術(shù)的支持下，構(gòu)建了一個虛實結(jié)合的交互環(huán)境。通過新穎趣味的方式呈現(xiàn)數(shù)學(xué)知識，以獨特的交互操作讓兒童體驗數(shù)學(xué)的奧妙。在家長或教師的配合下，讓孩子認識數(shù)字、學(xué)會數(shù)字的讀寫、理解基礎(chǔ)數(shù)學(xué)中大小和順序的概念、進行數(shù)學(xué)基礎(chǔ)加減法運算。游戲場景中形象生動的卡通模型和數(shù)字符號不僅讓孩子輕松積累數(shù)學(xué)知識，還鍛煉了觀察能力。ARTeddyMath案例開發(fā)的整體框架模型如圖2所示。

（二）需求分析

基于前文設(shè)計策略的討論，本文將從四個方面對游戲進行需求分析，分別是學(xué)習(xí)對象分析、教學(xué)目標(biāo)分析、教學(xué)內(nèi)容分析、關(guān)鍵技術(shù)分析。

ARTeddyMath面向的學(xué)習(xí)對象是學(xué)齡前兒童，關(guān)于學(xué)齡前兒童的認知發(fā)展特征和成長需求在對象層已展開了具體分析，這里僅對學(xué)齡前兒童的原有知識基礎(chǔ)進行補充。這個階段早期的兒童對數(shù)概念只有雛形意識，多以實物大小來代替對數(shù)量的認知。到4歲時過渡到圖片表征，5歲基本能夠認知10以內(nèi)的數(shù)量關(guān)系，形成符號表征的認知[21]。階段末期的兒童開始學(xué)習(xí)數(shù)學(xué)加減運算，但并不熟練。所以在設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)兒童的知識基礎(chǔ)設(shè)置不同的學(xué)習(xí)內(nèi)容和具體的游戲任務(wù)。

教學(xué)目標(biāo)是啟蒙兒童數(shù)學(xué)思維，使學(xué)齡前兒童熟練掌握20以內(nèi)數(shù)字及10以內(nèi)加減法運算。

教學(xué)內(nèi)容由淺至深主要包括：0～9的認識和讀寫，10～20的認識和讀寫，判斷數(shù)字大小及順序，10以內(nèi)的加法運算，10以內(nèi)的減法運算。

通過技術(shù)層的分析，結(jié)合教育對象和教學(xué)內(nèi)容的特點，基于標(biāo)記的增強現(xiàn)實方法非常適合本游戲的開發(fā)，標(biāo)記卡片和三維虛擬模型剛好以學(xué)具的形式參與到交互學(xué)習(xí)和游戲體驗中。

（三）總體設(shè)計

根據(jù)一般游戲的開發(fā)流程，結(jié)合增強現(xiàn)實技術(shù)特點和教學(xué)內(nèi)容，將游戲總體階段的設(shè)計分為游戲背景創(chuàng)設(shè)、游戲玩法設(shè)計、游戲功能設(shè)計、運行邏輯設(shè)計、學(xué)習(xí)資源設(shè)計、界面設(shè)計、交互設(shè)計七個方面，依據(jù)每個方面的內(nèi)容進行詳細設(shè)計。

（1）游戲背景創(chuàng)設(shè)。游戲背景發(fā)生在泰迪王國，泰迪公主被灰熊家族關(guān)進了一間密室，這間密室需要三把鑰匙合成才能打開，想要獲得鑰匙需要完成各種數(shù)學(xué)挑戰(zhàn)，于是國王邀請所有來到泰迪王國的小客人們一起開動腦筋，并給了他們神奇的卡片法寶，希望小客人使用法寶趕緊完成任務(wù)，解救出泰迪公主。

（2）游戲玩法設(shè)計。作為一款幼兒益智類游戲，ARTeddyMath的規(guī)則本身較簡單。游戲附帶標(biāo)記卡片的道具，游戲中所涉及的數(shù)學(xué)題目有兩種：第一種是軟件隨機給出題目，用于闖關(guān)挑戰(zhàn);第二種是開放式的，由家長甚至孩子自己來設(shè)計題目，用于正式闖關(guān)前的練習(xí)。根據(jù)教學(xué)內(nèi)容，我們將游戲設(shè)計為三項任務(wù)，在每一項任務(wù)中，兒童可以在家長的配合下先自行練習(xí)，然后根據(jù)學(xué)習(xí)情況進入當(dāng)前任務(wù)的闖關(guān)挑戰(zhàn)，闖關(guān)成功后獲得一把鑰匙，當(dāng)三項任務(wù)中的闖關(guān)都成功后，則集齊三把鑰匙，即可以前往密室營救公主。

（3）游戲功能設(shè)計。主要包括任務(wù)功能、聲音同步功能、反饋評價功能、社會分享功能。①任務(wù)功能，是增強現(xiàn)實的核心功能，也是開展學(xué)習(xí)活動的具體功能，依次由認識數(shù)字、比較大小和加減運算三項難度漸增的主線任務(wù)組成，每項任務(wù)有練習(xí)和闖關(guān)兩種模式。練習(xí)模式下，玩家可自由選擇卡片進行識別觀察或者自行出題;闖關(guān)模式下，會根據(jù)當(dāng)前任務(wù)隨機給出題目。②反饋評價功能，是教育游戲中同時體現(xiàn)游戲特性和教育職能的部分，游戲中將其分為激勵性實時反饋和總結(jié)性評價反饋兩種類型。激勵性實時反饋是任務(wù)進行過程中給出即時的提示和獎勵，而總結(jié)性評價反饋是對學(xué)習(xí)者在整個任務(wù)過程中的學(xué)習(xí)情況進行記錄和分析，以錯題本的形式將答錯的題目以及闖關(guān)模式下的正確率提供給學(xué)習(xí)者和家長，從而有針對性地對薄弱知識點進行強化。③聲音同步功能，在給予兒童多重感官刺激的同時，豐富游戲化元素。本游戲?qū)⒖ㄆ瑑?nèi)容通過童謠的形式在識別成功時同步播放，以強化記憶、優(yōu)化游戲體驗。④社會分享功能，通過游戲截圖、文字以及鏈接的形式，將游戲過程中的精彩時刻或評價反饋結(jié)果等分享到微信、微博、QQ等多個平臺，為游戲參與者提供一個社會型的學(xué)習(xí)環(huán)境，促進學(xué)習(xí)者之間的討論交流。

（4）運行邏輯設(shè)計。即游戲場景的切換機制，是影響游戲體驗效果的重要環(huán)節(jié)。本游戲在啟動場景、任務(wù)場景和總體性評價反饋場景之間進行切換交替。其中任務(wù)場景包括三個AR識別子場景，每個子場景下都有兩種游戲模式可以選擇。本游戲的運行邏輯如圖3所示。游戲打開時呈現(xiàn)首界面，首界面上有認識數(shù)字、比較大小、加減運算、錯題本和幫助說明五個按鈕。選擇前三個分別進入對應(yīng)的AR任務(wù)場景，默認進入練習(xí)模式。在當(dāng)前場景界面中可以選擇切換到闖關(guān)模式，兩種模式下都可以返回到首界面查看錯題本或游戲幫助。

（5）學(xué)習(xí)資源設(shè)計。主要包括三方面內(nèi)容：一是實體標(biāo)記卡片;二是虛擬模型;三是操作方法視頻和模型動畫，都與增強現(xiàn)實聯(lián)系緊密。游戲中，通過掃描標(biāo)記卡片，不僅可以顯示虛擬模型，還可以播放游戲操作方法的小視頻，以及根據(jù)游戲情節(jié)設(shè)計的成功解救泰迪公主的3D動畫。需要注意的是，在資源設(shè)計過程中最好保持所有內(nèi)容主題及視覺上的和諧統(tǒng)一。本游戲中所有資源都根據(jù)游戲背景統(tǒng)一設(shè)計為泰迪系列。

（6）界面設(shè)計。界面是視覺感受的重要構(gòu)成，各個界面應(yīng)風(fēng)格統(tǒng)一、設(shè)計元素一致、舒適美觀。在面向?qū)W齡前兒童的游戲界面設(shè)計中，多采用飽和度高、鮮艷活潑的色彩。每個界面都具有相應(yīng)功能，如交互、指引或展示等，所以保證界面的清晰簡潔、易操作十分必要。同時，盡量突出想讓玩家操作的內(nèi)容，符合目標(biāo)用戶的習(xí)慣，避免產(chǎn)生額外的認知負擔(dān)。游戲首界面效果圖和加減運算練習(xí)模式效果圖如圖4和圖5所示。

（7）交互設(shè)計。為了有效地達成操作行為，交互貫穿整個游戲。本游戲除了采用移動終端設(shè)備最常用的觸屏點擊、拖拽、縮放等操作方式進行交互外，還添加了虛擬按鈕這種特別的交互方式，可以在現(xiàn)實環(huán)境中利用識別圖與虛擬物體進行交互。從圖5可以看到，在標(biāo)記卡片上設(shè)置了放大和旋轉(zhuǎn)兩個按鈕，當(dāng)用手指遮住按鈕時能實現(xiàn)對虛擬物體相應(yīng)的變換。這種新穎的AR交互方式能促進兒童的學(xué)習(xí)興趣，增添游戲樂趣，提升學(xué)習(xí)效果。

（四）開發(fā)制作

游戲在Android平臺上運行，選用Unity3D+Vuforia+Unity for android SDK的技術(shù)方案來搭建本研究的AR教育游戲軟件。Vuforia是針對移動設(shè)備的增強現(xiàn)實軟件開發(fā)工具包，能為開發(fā)人員提供豐富的增強現(xiàn)實服務(wù)，如二維圖片識別、三維物體識別、多目標(biāo)識別、云識別、智能地形創(chuàng)建等。它利用計算機視覺技術(shù)實時識別和捕捉平面圖像或簡單的三維物體等標(biāo)記，通過這些標(biāo)記信息來確定對應(yīng)虛擬信息的位置和內(nèi)容，進而實現(xiàn)實時匹配、虛實疊加的效果。各類資源分別通過圖文聲像的處理工具，如Adobe軟件產(chǎn)品套裝來設(shè)計制作實體標(biāo)記卡片、用戶界面元素和音視頻等;用三維虛擬建模工具如3D Max、模型展UV工具如Unfold3D等，繪制創(chuàng)建虛擬模型以及模型動畫。以Unity游戲引擎作為各類資源最終整合的樞紐進行導(dǎo)入，根據(jù)游戲功能和交互需求布置UI界面，搭建好游戲場景，然后設(shè)計程序算法，編寫代碼實現(xiàn)各種功能并進行程序調(diào)試，最后打包發(fā)布測試版。

五、結(jié)? ?語

移動增強現(xiàn)實跨界到教育游戲，實現(xiàn)了虛實融合的游戲?qū)W習(xí)場景，突破了空間環(huán)境限制，在有效改善學(xué)習(xí)活動的同時，進一步滿足了學(xué)習(xí)者對于即時性、個性化、自然交互以及泛在學(xué)習(xí)的需求。本文所提出的設(shè)計策略，以激發(fā)學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)興趣、優(yōu)化學(xué)習(xí)體驗、促進自主學(xué)習(xí)以及兒童身心和諧發(fā)展為出發(fā)點，力求將學(xué)習(xí)內(nèi)容與游戲元素進行融合，讓孩子在玩中學(xué)，并通過系統(tǒng)化教學(xué)設(shè)計，結(jié)合學(xué)習(xí)理論將學(xué)習(xí)內(nèi)容合理地融入教育游戲的任務(wù)之中，為學(xué)習(xí)者搭建沉浸式學(xué)習(xí)情境，幫助其進行有意義的知識建構(gòu)與探究學(xué)習(xí)。對于新型技術(shù)與教育游戲的融合，我們需要前瞻性的規(guī)劃設(shè)計，要清楚并不是所有的教育內(nèi)容都適合用移動增強現(xiàn)實技術(shù)來表現(xiàn)，而要結(jié)合移動增強現(xiàn)實教育游戲特點和教育知識屬性，甄別出合適的教育內(nèi)容，設(shè)計恰當(dāng)?shù)慕逃繕?biāo)以及平衡的教育規(guī)則，注重學(xué)習(xí)者自身發(fā)展與學(xué)習(xí)體驗的融合以及教育性和游戲性的平衡。目前，移動增強現(xiàn)實技術(shù)在教育游戲領(lǐng)域得到了廣泛的關(guān)注，各種新穎的游戲不斷地被開發(fā)出來，但其應(yīng)用尚處于初級階段，仍面臨著許多挑戰(zhàn)，研究人員還需深入研究，以使移動增強現(xiàn)實技術(shù)同教育游戲達到完美的融合。

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