李潔 顧鳳梅

摘 ?要： 增強現(xiàn)實是將真實環(huán)境和虛擬物體實時地疊加到同一個畫面或空間，增強現(xiàn)實技術應用到兒童教育領域可以增加教育的趣味性，豐富教育內(nèi)容，具有對兒童的吸引力，可以達到寓教于樂的目的。文章圍繞增強現(xiàn)實的概念，研究了增強現(xiàn)實在兒童教育領域中的應用形式，并通過市場上的具體產(chǎn)品對每種應用形式進行了說明。從實例出發(fā)對增強現(xiàn)實在兒童教育領域的具體實現(xiàn)方式進行了探討，最后以教育游戲為例說明了增強現(xiàn)實兒童教育類產(chǎn)品的設計過程。

關鍵詞： 增強現(xiàn)實; 兒童教育; 教育游戲; 應用形式

中圖分類號：TP391 ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? 文章編號：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

增強現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱AR），是一種將真實世界信息和虛擬世界信息“無縫”集成的新技術，是把原本在現(xiàn)實世界的一定時間空間范圍內(nèi)很難體驗到的實體信息（視覺信息，聲音，味道，觸覺等），通過電腦等科學技術，模擬仿真后再疊加，將虛擬的信息應用到真實世界，從而達到超越現(xiàn)實的感官體驗[1]。近年來，隨著電子產(chǎn)品性能的提高，增強現(xiàn)實已越來越廣泛地應用于教育、軍事、游戲、旅游等領域，其中最受益的為教育業(yè)。兒童對新奇事物總是充滿熱情，將增強現(xiàn)實技術與傳統(tǒng)教育方式結(jié)合，更容易吸引兒童注意力和提高兒童學習興趣，并且通過自己動手和記憶的過程也會獲得成就感，使學習變得簡單起來，讓兒童在玩中學，學中玩，能達到寓教于樂的目的。

1 增強現(xiàn)實在兒童教育領域中的應用形式

1.1 教育游戲類

教育游戲軟件是利用游戲本身的趣味性，來解決兒童在接受教育過程中遇到的生硬枯燥的問題。AR教育游戲是將AR技術以適宜教學內(nèi)容的方式應用到游戲環(huán)節(jié)，通過擴增虛擬信息到現(xiàn)實世界中，拓展了游戲的活動形式[2]，將科技性、知識性、互動性、游戲性結(jié)合在一起，具有知識嚴謹、寓教于樂的特點。利用AR體感技術，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模式，將平時無法直接感知、體驗、實踐的知識，通過接近真實的三維場景呈現(xiàn)出來。目前AR涂色，AR拼圖、AR迷宮游戲、AR數(shù)學游戲等都深受兒童的喜愛。

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

1.2 兒童讀物類

把AR技術應用在兒童讀物上，將“神筆馬良”這個神話故事變成了現(xiàn)實，只要通過智能手機、平板的攝像頭掃描AR圖書指定的圖片，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)容會逼真、生動起來，同時還可以點擊屏幕進入互動，更有助于兒童全方位地了解所觀察的對象，甚至可以與之發(fā)生對話，交互，令閱讀體驗超乎想象。因此，相比于傳統(tǒng)紙質(zhì)讀物的閱讀體驗，AR技術的應用是多維度的感官體驗，其中包括視覺、聽覺、觸覺等，將更有利于對知識的認知和記憶。AR閱讀幫助兒童構建更加完整的認知體系，從而也培養(yǎng)了兒童的好奇心和探索觀察能力。

AR科普類、繪本類圖書的出版數(shù)量日益增多，十一點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)機故事四大科學主題的AR圖書，通過趣味性的互動模式開發(fā)，逼真地反映知識內(nèi)容?？梢酝ㄟ^觸摸、拖拽，旋轉(zhuǎn)、縮放等操作進行互動，使讀者仿佛置身浩瀚的宇宙，可以玩轉(zhuǎn)紙飛機，精準降落熱氣球，近距離觀察三角翼，親自駕駛大飛機，全方位增強青少年在科普領域的學習興趣，真正讓科普教育做到深入淺出，生動有趣，重新開啟青少年的好奇世界，給小讀者帶來全新的體驗。

1.3 教學軟件類

教學軟件主要用于輔助課堂學習，幫助引導課堂教學。傳統(tǒng)的多媒體教學缺乏情境滲透和多感官的視聽效果，教學中應用增強現(xiàn)實技術，將抽象復雜的知識和原理通過三維立體模型或動畫，疊加在現(xiàn)實環(huán)境中，從學習情境、實物模型、視覺渲染等多維度對教學內(nèi)容進行立體動態(tài)的演示，增添了學習的趣味性和沉浸性，幫助兒童學習構建完整的知識體系。

蘇州的夢想人科技基于AR技術自主開發(fā)的4D夢想課堂，為中小學教師提供一個隨時隨地創(chuàng)建探究式教學環(huán)境的虛擬教具平臺。目前，已經(jīng)推出250+符合國家課程標準的AR微課件，涵蓋小學科學、初中地理、生物、物理、化學等多門學科，1400+高仿真三維立體標本模型，140000+高品質(zhì)全景內(nèi)容資源。

2 AR在兒童教育領域的實現(xiàn)方式

2.1 兒童教育印刷類產(chǎn)品+移動設備+APP

兒童教育印刷類產(chǎn)品包括認知卡片、繪本、期刊、教材、立體的印刷產(chǎn)品比如地球儀、物體模型等，移動設備（手機、平板等）提供顯示屏、攝像頭、圖像處理、AR技術;通過下載APP掃描印刷品對圖像進行識別、定位、合成等進行相應的人機交互及信息更新，實現(xiàn)增強現(xiàn)實的交互操作。

AR認知卡及繪本主要用戶為低齡兒童，內(nèi)容多為文字、動物、植物和科普知識，產(chǎn)品如“口袋動物園”、“魔法圖書館”等;青少兒科普類期刊《我們愛科學》、《小哥白尼》，通過掃描相應頁面的二維碼觀看3D科普模型。北京天際微動科技有限公司開發(fā)的AR“奇幻魔盒”，通過一個小小的盒子和手機軟件將多種知識訓練內(nèi)容呈現(xiàn)在手機屏幕上，其中“速算英雄”、“AR課堂”、“遨游太陽系”、“奇跡鎮(zhèn)的寶石”四大版塊涵蓋了語、數(shù)、英、科學等多方面的教學內(nèi)容。

2.2 兒童教育印刷類產(chǎn)品印刷品+AR智能硬件

AR智能硬件將硬件和AR技術直接融合在一起，兒童教育領域應用的主要形式有AR投影儀、AR眼鏡、AR頭戴顯示器、手持式AR設備等。

羅馬尼亞研究者使用TriVision頭戴顯示器作為硬件，運用在中學的機械運動教學中，通過掃描特定標記，讓學生直觀感受機械運動[3]。國內(nèi)小熊尼奧公司的夢境盒子是全球第一款基于AR技術的3D互動早教學習機，屬于手持式硬件，把電腦、電視、投影儀、大屏幕等介質(zhì)變成一個有魔法的鏡子，將認知卡片通過“ARKIDS夢境”識別系統(tǒng)投射到屏幕上，讓虛幻的3D物體呈現(xiàn)出來，將顯示內(nèi)容和真人有機地結(jié)合在一起，營造三維空間學習場景。

3 AR兒童教育類產(chǎn)品的設計過程-以AR教育游戲為例

3.1 所需軟件及輔助插件

⑴ 開發(fā)工具。目前廣泛使用的Unity3D是由Unity Technologies開發(fā)的一個讓玩家輕松創(chuàng)建諸如三維視頻游戲、建筑可視化、實時三維動畫等類型互動內(nèi)容的多平臺的綜合型游戲開發(fā)工具，是一個全面整合的專業(yè)游戲引擎[4]。

⑵ AR軟件開發(fā)工具包。常用的增強現(xiàn)實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AR開發(fā)工具包，支持使用平面目標的AR，支持基于硬解碼的視頻播放、二維碼識別，多目標同時跟蹤等功能。

⑶ 3D和平面美術軟件。在目前市場上用來進行數(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、動畫、特效和高效的渲染功能。對模型貼圖、UI等平面圖片進行處理可選用Photoshop。

3.2 基于Unity3D的AR教育游戲總體設計思路

⑴ 分析教育游戲背景和用戶

教育游戲是以游戲作為教育的手段，應把教育理論作為設計游戲的理論支撐，把教育性和游戲性相結(jié)合，利用游戲，將科學知識、傳統(tǒng)文化、社會常識等知識進行普及，引導兒童在游戲中學到知識[5]。教育游戲的用戶一般為各個階段的學生，設計教育游戲要從使用者的年齡段、學習習慣、興趣愛好以及現(xiàn)有的知識水平等方面綜合考慮，由此確定游戲的場景、角色、內(nèi)容等。

⑵ 三維識別物體、平面識別圖語音文件資源制作

通過Maya、3D Max等軟件構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別圖，繪制完成后導入建模軟件，對模型進行貼圖[6]。還有相當多的模型可以在Unity資源商店中找到。語音文件可以采用Audition軟件進行錄制，也可以利用在線文語轉(zhuǎn)換生成所需要的語音資源文件。

⑶ Unity3D整合SDK開發(fā)

Unity開發(fā)框架包括：游戲場景、游戲?qū)ο?、游戲組件。AR識別圖掃描場景采用EasyAR或者Vuforia 作為AR引擎。

Unity的使用過程包括：首先在Unity中新建工程，相應資源可以根據(jù)制作過程隨時導入。其次將各類資源添加到場景中，設置游戲?qū)ο螅⒏鶕?jù)需要進行場景優(yōu)化。然后對相應的游戲?qū)ο筇砑咏M件，進行腳本的編寫，并對腳本代碼進行調(diào)試和優(yōu)化。最后進行編譯發(fā)布，Unity引擎一個很大的優(yōu)勢是可以跨平臺發(fā)布，如PC端、網(wǎng)頁端、Android、iOS等[7]。

4 結(jié)束語

增強現(xiàn)實技術讓真實世界和虛擬物體共存和實時同步，滿足用戶在現(xiàn)實生活中真實地感受虛擬空間中模擬的事物，增強使用的互動性和趣味性，其豐富的多維感官表達和人機交互特點在兒童教育領域中有著廣闊的應用前景。本文通過探討增強現(xiàn)實在兒童教育領域的應用形式，使用方式以及在兒童教育類產(chǎn)品中的設計過程，來說明增強現(xiàn)實在兒童教育領域的應用前景勢必會越來越廣泛。同時隨著屏幕閱讀的普及，交互體驗的優(yōu)化，移動終端的升級，媒體技術的創(chuàng)新，增強現(xiàn)實在教育領域的發(fā)展也必將走入到一個新的階段。

參考文獻（References）：

[1] 李曄.Unity AR增強現(xiàn)實完全自學教程[M].電子工業(yè)出版社，2017.

[2] 陳向東，萬悅.增強現(xiàn)實教育游戲的開發(fā)與應用[J].中國電化教育.2017.3.

[3] 蔡蘇，王沛文，楊陽，劉恩睿.增強現(xiàn)實（AR）技術的教育應用綜述[J].遠程教育雜志，2016.9.

[4] 宋文凱.基于增強現(xiàn)實技術的孤獨癥兒童注意力訓練系統(tǒng)[D].東南大學，2018.6.1.

[5] 夏培淞.基于概念圖的英語同義詞記憶教育游戲設計實驗研究[D].浙江工業(yè)大學.2018.6.1.

[6] 馬玉潔.增強現(xiàn)實在教育領域應用研究[D].北京印刷學院，2016.6.

[7] 劉老師講Unity-CSDN博客.如何開發(fā)AR增強現(xiàn)實應用與產(chǎn)品[EB/OL].http：//blog.csdn.net.2016.11.8.