增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在兒童教育領(lǐng)域中的應(yīng)用研究

李潔 顧鳳梅

摘 ?要： 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是將真實(shí)環(huán)境和虛擬物體實(shí)時(shí)地疊加到同一個(gè)畫(huà)面或空間，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到兒童教育領(lǐng)域可以增加教育的趣味性，豐富教育內(nèi)容，具有對(duì)兒童的吸引力，可以達(dá)到寓教于樂(lè)的目的。文章圍繞增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的概念，研究了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在兒童教育領(lǐng)域中的應(yīng)用形式，并通過(guò)市場(chǎng)上的具體產(chǎn)品對(duì)每種應(yīng)用形式進(jìn)行了說(shuō)明。從實(shí)例出發(fā)對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在兒童教育領(lǐng)域的具體實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了探討，最后以教育游戲?yàn)槔f(shuō)明了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)兒童教育類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程。

關(guān)鍵詞： 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí); 兒童教育; 教育游戲; 應(yīng)用形式

中圖分類(lèi)號(hào)：TP391 ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? 文章編號(hào)：1006-8228（2020）03-47-03

Research on application of augmented reality in children's education

Li Jie， Gu Fengmei

（Dept of Computer Science， College of Information Engineering， Suqian College， Suqian， Jiangsu 223800， China）

Abstract： Augmented reality superimposes real-time environment and virtual objects onto the same picture or space at the same time. The application of augmented reality technology in the field of children's education can increase the interest of education， enrich the content of education， and be more attractive to children. Focusing on the concept of augmented reality， this paper studies the application forms of augmented reality in the field of children's education， explains each application form through specific products on the market， and probes into the specific realization ways of augmented reality in the field of children's education from the perspective of examples. Finally， taking educational games as an example， the design process of educational products for children with augmented reality is illustrated.

Key words： augmented reality; children's education; educational game; application form

0 引言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱(chēng)AR），是一種將真實(shí)世界信息和虛擬世界信息“無(wú)縫”集成的新技術(shù)，是把原本在現(xiàn)實(shí)世界的一定時(shí)間空間范圍內(nèi)很難體驗(yàn)到的實(shí)體信息（視覺(jué)信息，聲音，味道，觸覺(jué)等），通過(guò)電腦等科學(xué)技術(shù)，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)[1]。近年來(lái)，隨著電子產(chǎn)品性能的提高，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)已越來(lái)越廣泛地應(yīng)用于教育、軍事、游戲、旅游等領(lǐng)域，其中最受益的為教育業(yè)。兒童對(duì)新奇事物總是充滿(mǎn)熱情，將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與傳統(tǒng)教育方式結(jié)合，更容易吸引兒童注意力和提高兒童學(xué)習(xí)興趣，并且通過(guò)自己動(dòng)手和記憶的過(guò)程也會(huì)獲得成就感，使學(xué)習(xí)變得簡(jiǎn)單起來(lái)，讓兒童在玩中學(xué)，學(xué)中玩，能達(dá)到寓教于樂(lè)的目的。

1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在兒童教育領(lǐng)域中的應(yīng)用形式

1.1 教育游戲類(lèi)

教育游戲軟件是利用游戲本身的趣味性，來(lái)解決兒童在接受教育過(guò)程中遇到的生硬枯燥的問(wèn)題。AR教育游戲是將AR技術(shù)以適宜教學(xué)內(nèi)容的方式應(yīng)用到游戲環(huán)節(jié)，通過(guò)擴(kuò)增虛擬信息到現(xiàn)實(shí)世界中，拓展了游戲的活動(dòng)形式[2]，將科技性、知識(shí)性、互動(dòng)性、游戲性結(jié)合在一起，具有知識(shí)嚴(yán)謹(jǐn)、寓教于樂(lè)的特點(diǎn)。利用AR體感技術(shù)，結(jié)合兒童教育的內(nèi)容和方式，提供新的游戲化教育互動(dòng)模式，將平時(shí)無(wú)法直接感知、體驗(yàn)、實(shí)踐的知識(shí)，通過(guò)接近真實(shí)的三維場(chǎng)景呈現(xiàn)出來(lái)。目前AR涂色，AR拼圖、AR迷宮游戲、AR數(shù)學(xué)游戲等都深受兒童的喜愛(ài)。

大連新銳天地傳媒有限公司開(kāi)發(fā)的“AR涂涂樂(lè)”，結(jié)合AR技術(shù)，將兒童的繪畫(huà)作品變成躍然紙上的3D動(dòng)畫(huà)，有聲有色能互動(dòng)，“視·聽(tīng)·說(shuō)·觸·想”多感體驗(yàn)，還可以用手指觸動(dòng)、拉近畫(huà)面，跟鮮活的卡通形象進(jìn)行全方位的互動(dòng)，觸發(fā)兒童無(wú)限靈感。

1.2 兒童讀物類(lèi)

把AR技術(shù)應(yīng)用在兒童讀物上，將“神筆馬良”這個(gè)神話(huà)故事變成了現(xiàn)實(shí)，只要通過(guò)智能手機(jī)、平板的攝像頭掃描AR圖書(shū)指定的圖片，即可引發(fā)交互效果，紙面上的形象、文字、故事情節(jié)等內(nèi)容會(huì)逼真、生動(dòng)起來(lái)，同時(shí)還可以點(diǎn)擊屏幕進(jìn)入互動(dòng)，更有助于兒童全方位地了解所觀察的對(duì)象，甚至可以與之發(fā)生對(duì)話(huà)，交互，令閱讀體驗(yàn)超乎想象。因此，相比于傳統(tǒng)紙質(zhì)讀物的閱讀體驗(yàn)，AR技術(shù)的應(yīng)用是多維度的感官體驗(yàn)，其中包括視覺(jué)、聽(tīng)覺(jué)、觸覺(jué)等，將更有利于對(duì)知識(shí)的認(rèn)知和記憶。AR閱讀幫助兒童構(gòu)建更加完整的認(rèn)知體系，從而也培養(yǎng)了兒童的好奇心和探索觀察能力。

AR科普類(lèi)、繪本類(lèi)圖書(shū)的出版數(shù)量日益增多，十一點(diǎn)零五教育科技有限公司2018年出版的航天成就、宇宙探索、飛行奧秘、戰(zhàn)機(jī)故事四大科學(xué)主題的AR圖書(shū)，通過(guò)趣味性的互動(dòng)模式開(kāi)發(fā)，逼真地反映知識(shí)內(nèi)容。可以通過(guò)觸摸、拖拽，旋轉(zhuǎn)、縮放等操作進(jìn)行互動(dòng)，使讀者仿佛置身浩瀚的宇宙，可以玩轉(zhuǎn)紙飛機(jī)，精準(zhǔn)降落熱氣球，近距離觀察三角翼，親自駕駛大飛機(jī)，全方位增強(qiáng)青少年在科普領(lǐng)域的學(xué)習(xí)興趣，真正讓科普教育做到深入淺出，生動(dòng)有趣，重新開(kāi)啟青少年的好奇世界，給小讀者帶來(lái)全新的體驗(yàn)。

1.3 教學(xué)軟件類(lèi)

教學(xué)軟件主要用于輔助課堂學(xué)習(xí)，幫助引導(dǎo)課堂教學(xué)。傳統(tǒng)的多媒體教學(xué)缺乏情境滲透和多感官的視聽(tīng)效果，教學(xué)中應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，將抽象復(fù)雜的知識(shí)和原理通過(guò)三維立體模型或動(dòng)畫(huà)，疊加在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，從學(xué)習(xí)情境、實(shí)物模型、視覺(jué)渲染等多維度對(duì)教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行立體動(dòng)態(tài)的演示，增添了學(xué)習(xí)的趣味性和沉浸性，幫助兒童學(xué)習(xí)構(gòu)建完整的知識(shí)體系。

蘇州的夢(mèng)想人科技基于AR技術(shù)自主開(kāi)發(fā)的4D夢(mèng)想課堂，為中小學(xué)教師提供一個(gè)隨時(shí)隨地創(chuàng)建探究式教學(xué)環(huán)境的虛擬教具平臺(tái)。目前，已經(jīng)推出250+符合國(guó)家課程標(biāo)準(zhǔn)的AR微課件，涵蓋小學(xué)科學(xué)、初中地理、生物、物理、化學(xué)等多門(mén)學(xué)科，1400+高仿真三維立體標(biāo)本模型，140000+高品質(zhì)全景內(nèi)容資源。

2 AR在兒童教育領(lǐng)域的實(shí)現(xiàn)方式

2.1 兒童教育印刷類(lèi)產(chǎn)品+移動(dòng)設(shè)備+APP

兒童教育印刷類(lèi)產(chǎn)品包括認(rèn)知卡片、繪本、期刊、教材、立體的印刷產(chǎn)品比如地球儀、物體模型等，移動(dòng)設(shè)備（手機(jī)、平板等）提供顯示屏、攝像頭、圖像處理、AR技術(shù);通過(guò)下載APP掃描印刷品對(duì)圖像進(jìn)行識(shí)別、定位、合成等進(jìn)行相應(yīng)的人機(jī)交互及信息更新，實(shí)現(xiàn)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的交互操作。

AR認(rèn)知卡及繪本主要用戶(hù)為低齡兒童，內(nèi)容多為文字、動(dòng)物、植物和科普知識(shí)，產(chǎn)品如“口袋動(dòng)物園”、“魔法圖書(shū)館”等;青少兒科普類(lèi)期刊《我們愛(ài)科學(xué)》、《小哥白尼》，通過(guò)掃描相應(yīng)頁(yè)面的二維碼觀看3D科普模型。北京天際微動(dòng)科技有限公司開(kāi)發(fā)的AR“奇幻魔盒”，通過(guò)一個(gè)小小的盒子和手機(jī)軟件將多種知識(shí)訓(xùn)練內(nèi)容呈現(xiàn)在手機(jī)屏幕上，其中“速算英雄”、“AR課堂”、“遨游太陽(yáng)系”、“奇跡鎮(zhèn)的寶石”四大版塊涵蓋了語(yǔ)、數(shù)、英、科學(xué)等多方面的教學(xué)內(nèi)容。

2.2 兒童教育印刷類(lèi)產(chǎn)品印刷品+AR智能硬件

AR智能硬件將硬件和AR技術(shù)直接融合在一起，兒童教育領(lǐng)域應(yīng)用的主要形式有AR投影儀、AR眼鏡、AR頭戴顯示器、手持式AR設(shè)備等。

羅馬尼亞研究者使用TriVision頭戴顯示器作為硬件，運(yùn)用在中學(xué)的機(jī)械運(yùn)動(dòng)教學(xué)中，通過(guò)掃描特定標(biāo)記，讓學(xué)生直觀感受機(jī)械運(yùn)動(dòng)[3]。國(guó)內(nèi)小熊尼奧公司的夢(mèng)境盒子是全球第一款基于AR技術(shù)的3D互動(dòng)早教學(xué)習(xí)機(jī)，屬于手持式硬件，把電腦、電視、投影儀、大屏幕等介質(zhì)變成一個(gè)有魔法的鏡子，將認(rèn)知卡片通過(guò)“ARKIDS夢(mèng)境”識(shí)別系統(tǒng)投射到屏幕上，讓虛幻的3D物體呈現(xiàn)出來(lái)，將顯示內(nèi)容和真人有機(jī)地結(jié)合在一起，營(yíng)造三維空間學(xué)習(xí)場(chǎng)景。

3 AR兒童教育類(lèi)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)過(guò)程-以AR教育游戲?yàn)槔?/p>

3.1 所需軟件及輔助插件

⑴ 開(kāi)發(fā)工具。目前廣泛使用的Unity3D是由Unity Technologies開(kāi)發(fā)的一個(gè)讓玩家輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動(dòng)畫(huà)等類(lèi)型互動(dòng)內(nèi)容的多平臺(tái)的綜合型游戲開(kāi)發(fā)工具，是一個(gè)全面整合的專(zhuān)業(yè)游戲引擎[4]。

⑵ AR軟件開(kāi)發(fā)工具包。常用的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)SDK有EasyAR，Vuforia等;EasyAR是上海視辰信息科技有限公司自主研發(fā)的一款A(yù)R開(kāi)發(fā)工具包，支持使用平面目標(biāo)的AR，支持基于硬解碼的視頻播放、二維碼識(shí)別，多目標(biāo)同時(shí)跟蹤等功能。

⑶ 3D和平面美術(shù)軟件。在目前市場(chǎng)上用來(lái)進(jìn)行數(shù)字和三維制作的工具中，Maya、3D Max都可以提供完美的3D建模、動(dòng)畫(huà)、特效和高效的渲染功能。對(duì)模型貼圖、UI等平面圖片進(jìn)行處理可選用Photoshop。

3.2 基于Unity3D的AR教育游戲總體設(shè)計(jì)思路

⑴ 分析教育游戲背景和用戶(hù)

教育游戲是以游戲作為教育的手段，應(yīng)把教育理論作為設(shè)計(jì)游戲的理論支撐，把教育性和游戲性相結(jié)合，利用游戲，將科學(xué)知識(shí)、傳統(tǒng)文化、社會(huì)常識(shí)等知識(shí)進(jìn)行普及，引導(dǎo)兒童在游戲中學(xué)到知識(shí)[5]。教育游戲的用戶(hù)一般為各個(gè)階段的學(xué)生，設(shè)計(jì)教育游戲要從使用者的年齡段、學(xué)習(xí)習(xí)慣、興趣愛(ài)好以及現(xiàn)有的知識(shí)水平等方面綜合考慮，由此確定游戲的場(chǎng)景、角色、內(nèi)容等。

⑵ 三維識(shí)別物體、平面識(shí)別圖語(yǔ)音文件資源制作

通過(guò)Maya、3D Max等軟件構(gòu)建教育游戲中所需要的的三維數(shù)據(jù)模型，利用Photoshop等軟件繪制模型貼圖和識(shí)別圖，繪制完成后導(dǎo)入建模軟件，對(duì)模型進(jìn)行貼圖[6]。還有相當(dāng)多的模型可以在Unity資源商店中找到。語(yǔ)音文件可以采用Audition軟件進(jìn)行錄制，也可以利用在線(xiàn)文語(yǔ)轉(zhuǎn)換生成所需要的語(yǔ)音資源文件。

⑶ Unity3D整合SDK開(kāi)發(fā)

Unity開(kāi)發(fā)框架包括：游戲場(chǎng)景、游戲?qū)ο?、游戲組件。AR識(shí)別圖掃描場(chǎng)景采用EasyAR或者Vuforia 作為AR引擎。

Unity的使用過(guò)程包括：首先在Unity中新建工程，相應(yīng)資源可以根據(jù)制作過(guò)程隨時(shí)導(dǎo)入。其次將各類(lèi)資源添加到場(chǎng)景中，設(shè)置游戲?qū)ο螅⒏鶕?jù)需要進(jìn)行場(chǎng)景優(yōu)化。然后對(duì)相應(yīng)的游戲?qū)ο筇砑咏M件，進(jìn)行腳本的編寫(xiě)，并對(duì)腳本代碼進(jìn)行調(diào)試和優(yōu)化。最后進(jìn)行編譯發(fā)布，Unity引擎一個(gè)很大的優(yōu)勢(shì)是可以跨平臺(tái)發(fā)布，如PC端、網(wǎng)頁(yè)端、Android、iOS等[7]。

4 結(jié)束語(yǔ)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)讓真實(shí)世界和虛擬物體共存和實(shí)時(shí)同步，滿(mǎn)足用戶(hù)在現(xiàn)實(shí)生活中真實(shí)地感受虛擬空間中模擬的事物，增強(qiáng)使用的互動(dòng)性和趣味性，其豐富的多維感官表達(dá)和人機(jī)交互特點(diǎn)在兒童教育領(lǐng)域中有著廣闊的應(yīng)用前景。本文通過(guò)探討增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在兒童教育領(lǐng)域的應(yīng)用形式，使用方式以及在兒童教育類(lèi)產(chǎn)品中的設(shè)計(jì)過(guò)程，來(lái)說(shuō)明增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在兒童教育領(lǐng)域的應(yīng)用前景勢(shì)必會(huì)越來(lái)越廣泛。同時(shí)隨著屏幕閱讀的普及，交互體驗(yàn)的優(yōu)化，移動(dòng)終端的升級(jí)，媒體技術(shù)的創(chuàng)新，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在教育領(lǐng)域的發(fā)展也必將走入到一個(gè)新的階段。

參考文獻(xiàn)（References）：

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[2] 陳向東，萬(wàn)悅.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教育游戲的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用[J].中國(guó)電化教育.2017.3.

[3] 蔡蘇，王沛文，楊陽(yáng)，劉恩睿.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)的教育應(yīng)用綜述[J].遠(yuǎn)程教育雜志，2016.9.

[4] 宋文凱.基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的孤獨(dú)癥兒童注意力訓(xùn)練系統(tǒng)[D].東南大學(xué)，2018.6.1.

[5] 夏培淞.基于概念圖的英語(yǔ)同義詞記憶教育游戲設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)研究[D].浙江工業(yè)大學(xué).2018.6.1.

[6] 馬玉潔.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在教育領(lǐng)域應(yīng)用研究[D].北京印刷學(xué)院，2016.6.

[7] 劉老師講Unity-CSDN博客.如何開(kāi)發(fā)AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用與產(chǎn)品[EB/OL].http：//blog.csdn.net.2016.11.8.