摘 要增強現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱AR），是一種通過實時計算攝像機方位后結合計算機圖像技術，將現(xiàn)實世界的信息與虛擬世界信息集成后進行互動的技術。它有著虛實融合、實時互動、三維跟蹤等特點。目前，這種技術在我國幼兒早期教育中的應用尚處于起步階段，筆者結合自身在AR行業(yè)的從業(yè)經(jīng)驗和對市場上同類產品的比較研究，介紹了當前AR技術在幼兒早期教育中的應用形式、實現(xiàn)的基本原理，并闡述了當前AR產品應用在兒童早期教育中的問題，最后展望了AR技術在幼教市場的應用前景，以供讀者參考。

【關鍵詞】增強現(xiàn)實技術 幼兒早期教育 應用

1 AR技術在幼兒早期教育中的應用形式

1.1 基于AR技術的教育方式與傳統(tǒng)教育的比較

增強現(xiàn)實（AR）技術是一種利用計算機圖像、計算機視覺、模式識別等技術，識別特定標記或進行無標記識別，從而在真實物體之上疊加各種虛擬信息（包括圖片、音視頻、文字等）的一種技術方式。它不僅能呈現(xiàn)真實世界的信息，還能用計算機實時產生的三維信息來增強人對真實世界的感知，所以稱為增強現(xiàn)實。

在AR游戲寵物精靈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現(xiàn)實，在此之后，越來越多的人開始了解AR技術，并逐步發(fā)掘AR技術在幼兒教育領域的潛力。AR技術可以將信息直觀化、可視化地呈現(xiàn)，因而非常適合在地理、生物、醫(yī)學等有很多具象內容的學科中應用；此外，AR在使用過程中，人們依然在現(xiàn)實世界中，只是在現(xiàn)實物體上疊加了一層虛擬的信息，與傳統(tǒng)教育方式類似，授課時教師可以很好地和學生互動。與傳統(tǒng)教育方式相比，在幼兒教育領域，AR技術有如下一些突出的特點和優(yōu)勢：

1.1.1 三維直觀的教學內容與形式

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

1.1.2 強的互動性

與其他多媒體教學方式類似，AR技術可以將平時死板生硬的學習內容轉換為栩栩如生、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行互動。比如，對火箭發(fā)射過程的講解，除開文字與圖片的介紹，AR技術可以在識別火箭標記后，一步步呈現(xiàn)發(fā)射的完整過程，并且每一步都可以讓學生實時交互，從而讓學生加深了印象。

1.1.3 游戲化教學

基于AR的可視化、互動性，可以設計出非常吸引幼兒的游戲化教學內容，這樣，一方面適應了幼兒愛玩的天性，同時，也大幅提升了幼兒對教學內容的學習意愿、激發(fā)了學習興趣，提高了學習效果。

1.2 AR技術在幼兒早期教育的應用場景

基于AR技術的特點和幼兒早期教育的現(xiàn)實需求，部分幼兒園、早教機構等，都紛紛在教學和培訓中采用增強現(xiàn)實技術，激發(fā)幼兒的學習興趣，讓幼兒有參與感，從而讓幼兒寓學于樂，快速有效掌握教學內容。目前，AR技術在國內幼教市場主要有如下幾種落腳點：

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、平板等工具立體、以三維形象動態(tài)呈現(xiàn)出來。幼兒在完成拼圖，或者選擇了感興趣的標記之后，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慣，在涂色中，培養(yǎng)了他們認知各種顏色和辨識的能力。在涂色的過程中，他們一般會選擇自己熟悉的卡通形象，如《大頭兒子小頭爸爸》、《熊出沒》、《愛探險的朵拉》等，作為涂色對象，涂色完成之后，用AR App對準掃描，就可以看見復活的卡通形象，再配以動畫、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，戴上AR眼鏡后觀察，即可看到栩栩如生的角色，它們會走出油畫，與幼兒進行互動。AR放大鏡是國產兒童智能設備的代表作，也是筆者親身參與過的項目之一。當兒童手持一個如放大鏡的圓形屏幕設備，對著實體物體掃描，攝像頭采集圖像并識別之后，放大鏡上會播放相應的語音，顯示對應的視頻；它還可以輔助兒童識別漢字，指導兒童寫字筆畫等。

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知。針對這個需求，國內外許多AR廠商制作了各式各樣的AR地球儀產品，如小熊尼奧AR地球儀、i-Wow Atlas World等。在這類產品中，幼兒拿著智能設備對著實體地球儀掃描，屏幕上緊貼在實體地球儀表面會呈現(xiàn)出各個地區(qū)的風土人情、特有的動植物介紹等，如此兒童就會對地球儀上的地理位置和相應地區(qū)的特色文化有比較深刻的認識了。

1.2.5 AR玩具類

包括智能恐龍、智能機器人、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品遭受電商的沖擊，實體銷售情況不太理想。有些玩具廠商在此基礎上大膽創(chuàng)新，對一些恐龍類、機器人類、汽車類等玩具，結合各式的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，用手持設備掃描到玩具上后，就會出現(xiàn)對應的各式卡通形象，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)紙質卡牌游戲的基礎上，融合AR技術讓卡牌上的卡通形象“活”起來并進行交互。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)新兒童產品。

2 AR技術應用到幼兒早期教育的基本原理

2.1 AR系統(tǒng)的基本結構

如圖1所示，一個典型的AR系統(tǒng)由以下結構組成。

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

2.2 在幼兒教育領域應用的AR技術

AR系統(tǒng)開發(fā)的三大關鍵技術可總結為三維跟蹤技術、虛擬融合技術以及人機交互技術，其中三維跟蹤（也稱為三維注冊）是最重要的技術，它是實現(xiàn)AR系統(tǒng)的基礎技術，也是確定AR應用系統(tǒng)性能優(yōu)劣的關鍵。三維跟蹤的主要任務是實時檢測出攝像頭相對于真實場景的位置狀態(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時顯示在屏幕上的正確方位。

如前所述，AR技術在幼兒教育領域的各種應用中，不管是AR卡片、教具、游戲等，基于計算機視覺的跟蹤定位，即圖1中的真實環(huán)境識別與三維交互跟蹤，是最關鍵的步驟。

從技術上，基于計算機視覺的三維跟蹤技術，依據(jù)識別時標記物的不同，可分為基于標記物的識別和無標記物識別。

2.2.1 基于標記物的識別（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（實體）識別等類型。其基本原理都是一致的，在識別前先對標記進行預處理，運用圖像識別技術，從圖像中提取出特征點，然后生成一個數(shù)據(jù)集文件；識別時，識別引擎對圖像識別時，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 無標記物識別（Markless recognization）

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

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

3 AR技術在幼兒早期教育應用中的問題

隨著AR技術逐步進入幼兒教育市場，各式各樣的AR App紛紛出現(xiàn)在幼教領域，根據(jù)幼兒家長與教育機構教師的反饋，目前AR應用主要存在的問題和對應的解決方法有：

3.1 防沉迷設計

對手機、平板等移動設備的過度依賴，容易讓幼兒形成對這些智能設備的依賴，容易造成幼兒變成低齡的“低頭族”，時間過久之后，會對兒童的視力造成傷害。

由于長期擺弄電子設備，疏于鍛煉和與同齡兒童的溝通，也會影響兒童的身心健康。在App中加入防沉迷的設計和家長鎖有助于解決這個問題。

3.2 防扣費設計

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

3.3 內容選擇與過濾

與一般手機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內容，主要通過內容中的益智音視頻、動畫、圖片等對兒童進行引導、啟發(fā)，所以對內容的遴選就尤為重要。

由于兒童具有非常強的模仿能力，兒童App中的內容，應考慮兒童的接受能力，如恐龍、怪獸等，內容方面不可出現(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，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、幼教方面的專業(yè)人士制作適應兒童年齡與心智的內容。

4 AR技術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分市場，涌現(xiàn)了一些市場效益不錯的App，如央數(shù)文化的《口袋動物園》、《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。國內的AR SDK平臺也打破了國外同類型平臺獨占市場的局面，涌現(xiàn)出如視辰科技的EasyAR SDK、亮風臺的HiAR SDK等有代表性的SDK平臺，而且這些SDK開發(fā)商都瞄準AR全平臺、SLAM、物體識別等方面進行發(fā)力，讓人對包括幼兒教育市場的AR產業(yè)的后續(xù)發(fā)展充滿期待。

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)和智能手機的發(fā)展，一些傳統(tǒng)的教育機構，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風口。2016年9月，新東方打造了AR智能學拼音神器《和多納小趣一起學拼音》，在市場上引起不錯反響。在傳統(tǒng)教育模式下，教育培訓機構需要大量的師資資源，模式比較重，AR技術的加入，讓一種更輕的模式成為可能，市場的接受程度和機構的盈利能力也會相應提高。

一些業(yè)內人士認為，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的認知度越來越高，出于好奇購買產品的可能性會降低。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，相關企業(yè)必須進行品牌和內容的優(yōu)化才能長期占得市場先機。

與此同時，AR資本周期剛剛起步，AR成為載有教學內容的產品往學校輸出，這對于幼兒教育市場來說是個機會。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的結合也剛剛開始，AR技術在幼兒教育領域將大有可為。

5 小結

在本文中，筆者介紹了增強現(xiàn)實的基本概念和基于增強現(xiàn)實技術的教育方式與傳統(tǒng)教育方式相比的優(yōu)勢，然后結合筆者的業(yè)內經(jīng)驗，介紹了目前市面上已經(jīng)有的AR技術應用到幼兒教育中的場景，之后介紹了AR系統(tǒng)的基本結構和目前主流的基于計算機視覺三維物體識別的技術，再總結了目前AR系統(tǒng)在幼兒教育中應用的問題，最后對AR技術在幼兒教育中發(fā)展前景進行了展望。

參考文獻

[1]騰訊gad，AR的基本原理科普，http：//gad.qq.com/article/detail/7190769.

[2]AR教育，AR（增強現(xiàn)實）在教育行業(yè)的應用，http：//www.vrjiaoyu.com/jiaoyu/ARjiaoyu/254.html.

[3]Daniel Lelis Baggio 等（著），劉波（譯），深入理解OpenCV[M].北京：機械工業(yè)出版社，2014.

[4]Cregory Kipper， Joseph Rampolla（著），鄭毅（譯），增強現(xiàn)實技術導論[M].北京：國防工業(yè)出版社2014.

作者簡介

孫文濤（1985-），男，湖北省天門市人。大學本科學歷?，F(xiàn)央數(shù)文化（上海）股份有限公司高級工程師。研究方向為增強現(xiàn)實技術、跨平臺移動開發(fā)技術。

作者單位

央數(shù)文化（上海）股份有限公司 上海市 200062