魏佳濱，羅立宏，湯曉穎，楊娟

增強現(xiàn)實兒童識字卡片設計研究

魏佳濱，羅立宏，湯曉穎，楊娟

（廣東工業(yè)大學 數(shù)字媒體系，廣州 510090）

研究增強現(xiàn)實（簡稱AR）兒童識字卡片的設計方法，促進兒童識字教育產(chǎn)品的創(chuàng)新發(fā)展。對識字教育產(chǎn)品設計現(xiàn)狀、VR/AR技術在兒童教育領域的研究現(xiàn)狀進行梳理，分析AR技術應用于兒童教育的特性及優(yōu)勢，并結(jié)合兒童群體特征和科學識字早期相關研究對設計策略進行探討，結(jié)合情境學習理論，以“恐龍”主題識字卡片設計為例，研究AR識字卡片的設計方法：通過多維度的功能設計、能渲染情境認知氛圍的卡片設計、逼真有趣的三維模型和動畫，以及情智交融的交互設計，構(gòu)建出有助于兒童學習的AR情境，從而提高兒童的學習興趣，增強學習效果。得到了能融合AR情景的兒童識字卡片設計方法，并使用Unity三維引擎和Vuforia插件進行了設計驗證。設計實例能引導孩子主動學習，可以達到增強其學習效果的目的，不僅為同類兒童教育類產(chǎn)品的設計提供了參考，也為互動媒體技術背景下的兒童教育提供了更多可能。

增強現(xiàn)實；情境學習；AR識字卡片；主動學習

近年來虛擬展示技術發(fā)展迅速，已被應用于工業(yè)、醫(yī)療、軍事、教育、娛樂等領域，在兒童教育領域也發(fā)揮了不俗的作用。相比于傳統(tǒng)的兒童識字教育產(chǎn)品，AR技術產(chǎn)品憑借其身臨其境的沉浸式體驗，在兒童和家長群體中受到廣泛喜愛。然而，其中也存在著一些不可忽視的問題，如設計時對兒童認知水平考慮不周、產(chǎn)品質(zhì)量不佳、本應為兒童教育增色的產(chǎn)品淪為商家搶奪市場的噱頭、出版物技術成本高等。筆者認為，在進行AR兒童教育產(chǎn)品設計時，應符合不同年齡層兒童自身的認知能力，提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低出版成本，使兒童能直觀明了地在游戲娛樂中獲取知識，在真正意義上實現(xiàn)寓教于樂。

1 VR/AR技術在兒童教育領域的研究現(xiàn)狀

1.1 識字教育產(chǎn)品設計現(xiàn)狀

對幼兒識字教育的探討，大多數(shù)學者支持的觀點為：早期幼兒識字教育是必要可行的，但必須遵循幼兒的心理發(fā)展規(guī)律[1]。2001年頒布的《幼兒園教育指導綱要（試行）》提出應通過圖書、繪畫或其他多種方法，增強兒童對閱讀的興趣，進而培養(yǎng)其閱讀和書寫技能[2]。隨著教育界對幼兒教育重視程度不斷增大，市場上出現(xiàn)了種類繁多的兒童識字教育產(chǎn)品，最常見的是識字冊或識字卡片，通過物品圖片結(jié)合漢字和拼音標注的方式，引導兒童在識物過程中識字，其制作成本低，因此，迅速成為兒童識字教育產(chǎn)品市場中占有量最大的產(chǎn)品。在實際使用中，該類識字教育產(chǎn)品對兒童認物的促進作用較大，但從識字教育的角度來看成效卻不盡如人意，最主要的原因是兒童在學習過程中，由于內(nèi)容僅局限于平面紙張，以重復為主的識字方法較為單一、呆板，無法契合兒童的心理特征及學習特點，長時間使用容易使兒童產(chǎn)生枯燥等負面情緒，在長期缺乏興趣的情況下兒童會逐漸產(chǎn)生排斥心理[3]。另外，這類傳統(tǒng)產(chǎn)品形式單一，同質(zhì)化較為嚴重。

隨著多媒體技術的發(fā)展，兒童教育類動畫節(jié)目大量出現(xiàn)，讓人目不暇接。同時，在信息技術的驅(qū)動下，各類識字軟件被大量開發(fā)，其相比出版類產(chǎn)品更具趣味性和可玩性，讓兒童在識字中有了新的體驗。然而，由于多媒體類、軟件類識字產(chǎn)品的使用需依賴電腦或電視，長時間觀看或使用可能會對兒童的視力造成很大傷害，所以引發(fā)了不少爭議。近年來，增強現(xiàn)實技術的發(fā)展給兒童識字教育帶來了新的思路。許多出版商紛紛嘗試，將AR功能與傳統(tǒng)識字類產(chǎn)品相融合，在國內(nèi)教育領域中也有學者開始研究如何將這項技術更好地應用于教學過程，但是相關的成果和案例還較少[4]。

1.2 VR/AR技術在兒童教育領域的應用現(xiàn)狀

兒童教育作為教育領域的重要組成部分，常常成為高新技術進軍教育界的切入點，如早期的點讀機、掌上電腦、朗讀機等新式少兒教育類產(chǎn)品應運而生并不斷迭代。隨著虛擬展示技術的快速發(fā)展，人們開始嘗試將虛擬現(xiàn)實（VR）或增強現(xiàn)實（AR）技術引入教育實踐中。結(jié)合了VR、AR技術的教育類產(chǎn)品能夠賦予使用者區(qū)別于傳統(tǒng)教育類產(chǎn)品的全方位沉浸式體驗，迎合了兒童的喜好，并受到了廣大家長的追捧。

VR技術指通過創(chuàng)造一個完整、全方位、無死角的虛擬場景，讓用戶有身臨其境之感。AR技術指將計算機生成的虛擬物體或文字信息等疊加于現(xiàn)實場景上，從而達到增強信息表達和用戶體驗的目的，但無論是VR還是AR，其最大的優(yōu)勢便是沉浸式。由于得到了市場的積極反饋，越來越多的出版商將數(shù)字化轉(zhuǎn)型作為其發(fā)展的重點內(nèi)容，虛擬展示技術成為了最重要的推手。考慮到VR功能需要配合VR頭盔、眼鏡等設備才能使用，因此，在兒童教育類產(chǎn)品上應用VR技術成本較高且便捷性低。相比之下AR技術可以充分利用移動設備終端的性能，構(gòu)建便捷式、沉浸式的增強世界，與VR技術相比，AR技術更接近真實世界，因此，AR技術更為符合兒童教育出版物數(shù)字化改革的未來趨勢[5]。2008年泰國Larn Gear Technology公司推出了《Earth structure》一書，該書以地球知識為科普主題，利用AR技術給相關知識的學習者帶來了全新體驗[6]。

近幾年，相關產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)，質(zhì)量也參差不齊。縱觀市場，虛擬展示已成為兒童出版物數(shù)字化發(fā)展的一大趨勢，但其也存在著一些問題。第一，現(xiàn)有的部分產(chǎn)品未能充分尊重兒童的認知水平和接受能力，在讀物中設置了過量的內(nèi)容，加上多層次的交互設計，讓兒童應接不暇，分散了兒童的注意力，造成了認知負擔問題；第二，在兒童教育出版物快速轉(zhuǎn)型的背景之下，許多商家為了搶占數(shù)字化兒童讀物市場，將VR、AR功能作為其產(chǎn)品的最終目的，虛擬展示技術淪為商品銷售的噱頭，進而導致技術與內(nèi)容缺少真正意義上的融合，甚至出現(xiàn)粗制濫造的現(xiàn)象，如讀物本身設計草率、三維模型粗糙等[7]；第三，制作成本高，傳統(tǒng)的出版商由于在轉(zhuǎn)型過程中缺乏技術、資本等支持，所以需要尋求與技術公司的合作或?qū)㈨椖康募夹g成分外包，導致產(chǎn)品的技術成分被技術公司所掌握，出版商的介入則受到限制，增加了融合不到位的可能性。

有學者從心理學角度出發(fā)指出，知識與活動是不可分的，情境化活動是知識獲取的部分[8]。情境學習理論提出學習的實質(zhì)是個體參與實踐，并與他人、環(huán)境等相互作用的過程，也是形成參與實踐活動的能力、提高社會化水平的過程[9]。這種理論也早已應用于兒童學習動機研究中，證明了兒童在情境中學習會表現(xiàn)出更大的學習興趣[10]。將抽象的知識或概念放入具體的情境中進行體現(xiàn)，能夠幫助學習者更好地記憶學習內(nèi)容，同時也避免了知識與現(xiàn)實世界之間的孤立；此外，與傳統(tǒng)的學習方式相比，情境學習更能夠引起學習者的學習興趣。因此，本研究應用情境學習理論，利用增強現(xiàn)實技術（AR）所具備的多媒體、互動性、趣味性等特點，對兒童識字卡片進行研究分析和創(chuàng)新設計，使新型識字卡片具有生動有趣的情景互動功能以及更高的知識傳授效率。

2 AR技術應用于兒童教育的特征與優(yōu)勢

情境學習理論認為，有效的學習應該是在特定情境中進行的[11]。優(yōu)化的情境能夠幫助提高兒童的學習興趣，將AR技術應用于兒童教育，能夠構(gòu)建一個更具吸引力、互動性的學習情境，驅(qū)使兒童在情境中主動學習。與傳統(tǒng)兒童讀物相比，AR讀物有著獨特的技術特征及競爭優(yōu)勢[12]。

1）AR兒童讀物有著更大的內(nèi)容承載量。傳統(tǒng)的兒童讀物內(nèi)容承載量往往局限于其載體面積的大小，例如在有限面積的紙張上設置內(nèi)容，需要在顧及內(nèi)容完整性的同時，對排版、字體、色彩搭配等方面進行深入考量，以提升兒童的學習興趣和品質(zhì)，然而，傳統(tǒng)兒童讀物常常因為自身靜態(tài)、單一的缺點無法發(fā)揮最大的教育作用。AR兒童讀物可以在平面內(nèi)容的基礎上進行拓展，通過三維模型、動畫、聲音等多媒體形式向兒童傳達更多的信息，信息承載量相比傳統(tǒng)兒童讀物更大且更具趣味性和多樣性。

2）AR兒童讀物能夠賦予兒童多維度的感官體驗。與形式單一、靜態(tài)的傳統(tǒng)兒童讀物相比，基于AR技術的兒童讀物以其多樣化的形式與動態(tài)體驗受到了兒童的喜愛。研究顯示，在學習過程中充分調(diào)動身體各個器官，能夠全方位地激發(fā)人的學習興趣[13]，兒童也不例外，其對事物的認知不單局限于視覺，結(jié)合聽覺、觸覺等感官體驗能夠幫助兒童更為深入地感知事物，這也是AR技術應用于兒童教育領域的優(yōu)勢之一。

3）AR兒童讀物具有較強的交互性，通過簡單的交互動作便可實現(xiàn)多媒體資源的播放。在實際使用中，兒童可對模型進行旋轉(zhuǎn)、放大、縮小等操作，或通過點擊屏幕觀看模型動畫等，在沉浸式、交互式的學習體驗中，兒童的學習興趣和積極性將得到有效提升，化“被動”為“主動”，從根本上提高學習熱情，進而提高學習品質(zhì)。

總而言之，AR技術應用于兒童教育能創(chuàng)造符合兒童自然天性及心理特征的特定情景，能夠更好地激發(fā)兒童的學習興趣和好奇心，增加其愉悅感和幸福感。隨著興趣的擴展，兒童的學習行為將得到強化，其將真正成為學習的主動者。

3 AR識字卡片設計策略探究

3.1 兒童群體的特征分析

兒童作為一群特殊的用戶群體，身體各項機能正處于迅速發(fā)育狀態(tài)，其心理及認知有著多變性和階段性的特點，對3～7歲的兒童群體進行AR識字卡片設計時，設計師應首先聚焦于兒童心理、生理及認知發(fā)展規(guī)律的探究，在充分考慮兒童群體特征的前提下，進行構(gòu)思和設計，從而產(chǎn)出更加適合兒童使用的增強現(xiàn)實識字卡片。

1）在生理層面，該年齡段的兒童在其感官系統(tǒng)中有著較為獨特的特征表現(xiàn)，在視覺上對形狀、色彩等具備一定程度的辨認能力，對色彩也有著敏銳的感知，容易被一些鮮艷、活潑的顏色所吸引。隨著年齡的增長，兒童的聽覺趨于成熟水平，能夠較為精準地感知聲源、辨別發(fā)聲物體并產(chǎn)生一定的聽覺印象，相比平緩的旋律，歡快的音樂更能夠?qū)ζ洚a(chǎn)生吸引力。觸覺是兒童感知事物的重要方式之一，即通過肢體接觸感受并探索外界的事物，但其行動能力的發(fā)育還不夠成熟，因此在精確操作上存在一定的難度。此外在該年齡段，他們的味覺和嗅覺也較為成熟，可以較準確地判斷出不同的氣味。

2）在心理層面，3～7歲的兒童自我意識日益成熟，情感也更為豐富及細膩，但情緒常常具有不穩(wěn)定性，容易出現(xiàn)過度激動、過度恐懼等現(xiàn)象。他們對現(xiàn)實生活中的各類事物表現(xiàn)出較為濃厚的興趣，愛好也變得廣泛。此外，他們希望得到及時的反饋，渴望得到肯定和贊揚，當獲得正向反饋后會產(chǎn)生一定的成就感。

3）在認知層面，他們對事物的認知往往停留在事物表層，對抽象概念的理解能力也較弱，通常以直觀的感受對事物進行感知和判斷，但隨著年齡的增長，能夠開始掌握部分抽象概念。該年齡段兒童的記憶容量是有限的，有著較大的無意識性和直觀形象性，他們對直觀、感興趣的事物能夠快速理解并產(chǎn)生印象。無意識注意在兒童注意力中占主導，專注水平低且不穩(wěn)定是其最顯著的特點，他們?nèi)菀妆蛔兓?、生動的事物所吸引?/p>

此外，學齡前兒童在認字過程中也有著其階段性特點，通常3～5歲的兒童通過觀察字型中部分零散的特征進行認字，即不注意整個字體的結(jié)構(gòu)，而是通過字體中的一筆或幾筆進行記憶，同時大多數(shù)兒童并不理解每個單獨的漢字只對應漢語口語中的某個音節(jié)。此外，啟蒙階段兒童在識字時表現(xiàn)出的另一個特點為：因識字量小，其對同音字概念的認識較為模糊[14]。

3.2 早期識字教育科學化的探討

識字教育是啟蒙教育的重要組成部分，一直以來，如何根據(jù)兒童的身心發(fā)展特征將識字教育科學化是學者們長期探討的問題?？v觀學術界，針對科學識字研究的相關文獻并不在少數(shù)。如王麗新[15]在《淺談嬰兒階段早期的識字教育》中提到早期識字教育應打破實踐上的“小學化”現(xiàn)象，其目的和形式應區(qū)別于小學的識字活動，表現(xiàn)為該認字活動的最終目的是“再認”而非“重現(xiàn)”，并主張將其作為一種開發(fā)心智的手段。游增良等[16]在《讓識字教學回歸常識》中也提到“再認”是漢字認知的重要特點，其著力點應放在訓練認讀上。此外，《談識字教育的科學化》一文中，周德藩[17]提到兒童對漢字的認識都從整體認讀開始的，因此在引導兒童科學識字時，應當首先幫助兒童做到“整體辨認字形，正確讀出字音”。作者還強調(diào)漢字是一種符號體系，兒童只有將現(xiàn)實中的具體事物與漢字符號相聯(lián)系，認讀才會有意義。由此可見，早期的兒童識字教育應當以啟蒙為主，其目的在于引導兒童進行認讀，開發(fā)兒童心智并培養(yǎng)其識字興趣，為更深層次的識字活動進行鋪墊。識字卡片作為早期識字教育的載體之一，只有符合科學識字的要求，才能為兒童構(gòu)建更有效的早期識字語境。

3.3 AR識字卡片設計原則

AR識字卡片若要充分發(fā)揮其在兒童早期識字中的引導作用，必須要在深入了解兒童的身心發(fā)展規(guī)律、識字特征等前提下，結(jié)合早期識字教育科學化研究的相關理論或成果進行設計。通過前文的相關研究分析，總結(jié)出以下AR識字卡片設計原則：

1）視聽上的吸引性和直觀性。視覺和聽覺是兒童認識事物的重要途徑，AR識字卡片的使用調(diào)動了兒童的視聽覺感受，因此在設計過程中，無論是實體卡片設計，還是AR功能設計，都應該迎合其視聽特點，如在顏色上采用更加吸引兒童的明快顏色、在音樂上選擇更加吸引兒童注意力的歡快旋律、朗讀音頻降低速度以符合兒童認知等；同時考慮到學齡前兒童思維簡單，直觀性較強，因此，在內(nèi)容設置上也應以直觀為主，避免抽象。

2）交互上的易操作性和反饋。AR識字卡片的AR功能建立在兒童的人機交互行為上，交互作為識字過程中的主要情境化活動，應充分考慮到兒童的認知水平及行為特征。兒童注意力集中能力有限，較低層級的交互更不容易影響其專注度；兒童的精確操作能力較低，需要加強其操作的容錯性。此外，及時的反饋能夠避免兒童產(chǎn)生挫敗感，具體包括操作反饋、激勵性反饋機制等。

3）內(nèi)容上的科學性和針對性。在內(nèi)容選擇上，應首先明確AR識字卡片的設計目的在于引導學齡前兒童初步認讀漢字并培養(yǎng)其識字興趣，因此，卡片及AR展示中的內(nèi)容不宜過多，否則容易背離兒童的認知規(guī)律及認字規(guī)律，可考慮利用精簡的文字，通過由詞到字、由句到字等引導兒童整體認讀的方式進行內(nèi)容設置；同時所展示的漢字應選擇兒童熟悉或感興趣的事物并進行關聯(lián)，從而提高內(nèi)容的針對性。

4 AR兒童識字卡片設計

4.1 總體結(jié)構(gòu)設計

AR兒童識字卡片的設計開發(fā)過程一般可分為4個階段，總體結(jié)構(gòu)設計見圖1。第1階段為調(diào)研階段，通過市場調(diào)研、用戶需求分析以及AR技術在教育領域的發(fā)展現(xiàn)狀分析，為產(chǎn)品的設計及開發(fā)提供依據(jù)；第2階段為產(chǎn)品組成要素的設計階段，具體包括卡片模板設計、卡片內(nèi)容設計、三維模型設計、動畫設計以及交互行為設計等；第3階段為產(chǎn)品的開發(fā)階段，具體包括開發(fā)環(huán)境的配置、卡片的平面設計制作、三維模型搭建、模型動畫制作、音頻剪輯等，最后利用Unity3D整合設計素材，實現(xiàn)AR圖像識別和實時交互功能；第4階段將程序?qū)С鰹閼贸绦虬惭b包，并在手機和平板電腦上運行，其次進行程序的檢查調(diào)試，最終進行應用程序的發(fā)布。

4.2 功能設計

AR識字卡片的設計目的是提升學齡兒童的識字興趣和學習品質(zhì)，因此，在功能設計中應以識字為目的，充分尊重學齡兒童自身的認知水平以及生理、心理、學習行為等特征，多維度的感覺認知恰恰是兒童與生俱來的[13]。根據(jù)情境學習理論，學習是一個具備實踐性、以差異資源為中介的參與過程，在此理論基礎上，可利用AR技術在兒童識字卡片中加入AR情境，讓兒童與AR情境進行交互，從而產(chǎn)生更強的學習興趣和動力。由此，以恐龍主題為例在卡片本身功能的基礎上設計以下AR功能，見圖2。

1）模型顯示。當用戶使用搭載AR應用程序的移動終端（例如安卓平臺終端或IOS平臺終端）對識字卡片正反面進行掃描識別時，屏幕中的卡片正上方顯示卡片圖像所對應的恐龍和植物三維模型或立體文字，兒童的思維相較成人更為簡單，利用立體、直觀的物體展示更加符合其接受能力，因而有利于兒童對卡片內(nèi)容的理解。

圖1 總體結(jié)構(gòu)設計

圖2 AR功能設計

2）音效播放。在本研究中，音效主要分為2個部分，第1部分為AR應用程序在運行過程中輕快悅耳的背景音樂，吸引兒童注意力的同時可賦予兒童歡樂的學習情境氣氛；第2部分為點擊屏幕時觸發(fā)的音效，根據(jù)識別卡片正反面的不同，分別觸發(fā)恐龍動畫的音效播放以及朗讀文字或拼音的聲音播放。

3）模型動畫。三維模型的動畫旨在增加學習的趣味性，動態(tài)的模型往往比靜態(tài)模型更具生動性，能夠在更大程度上激發(fā)兒童的學習興趣。此外通過簡單的交互行為觸發(fā)相應的動畫片段播放，可以讓兒童在交互中對恐龍的不同行為特征有更全面的了解，從而進一步達成科普的目的。

4）文字介紹。在上述功能的基礎上加入了文字介紹功能，考慮到兒童的閱讀能力及接受能力有限，因此文字介紹采用了小篇幅的精簡文案。大齡兒童可根據(jù)自身的學習需要點擊虛擬按鈕觸發(fā)顯示文字介紹，學習難度循序漸進，從而進一步鍛煉其閱讀能力。

5）文字朗讀。當文字介紹顯示時，點擊文字介紹將觸發(fā)文字朗讀，慢語速的文字朗讀可幫助兒童更好地進行閱讀理解，讓學習者能夠邊讀邊聽。

4.3 卡片設計

AR識字卡片常需要通過圖文并茂的形式和精美的平面設計來營造良好的學習氛圍，以創(chuàng)造一種更好的學習條件，吸引兒童的注意力，幫助兒童提升識字興趣。例如，若要設計一款以“恐龍樂園”為科普主題的AR識字卡片，可這樣進行設計：恐龍生活在侏羅紀時代的遠古森林，因此卡片的設計元素除恐龍圖像外，還應該選擇恐龍的棲息地——森林作為主要的背景元素，讓兒童對恐龍的相關認知更為全面?？ㄆ捎脠A形模板設計，避免兒童觸碰到尖角，以提高使用的安全性，見圖3。該模板可結(jié)合不同種類的恐龍圖形和文字，形成一套風格統(tǒng)一的識字卡片。此外，考慮到兒童的認知程度有限，卡片內(nèi)容應選取最為核心的幾項內(nèi)容，包括恐龍圖像、恐龍中英文名稱和拼音以及大字號的單個文字，避免造成兒童認知負荷超載[18]。

4.4 模型設計

在模型設計中，為了引導兒童正確認識遠古恐龍的真實外形特征，恐龍三維建模皆為仿真模型，而不是卡通模型，從而避免兒童產(chǎn)生認知偏差，三維模型見圖4。

圖3 平面設計圖

Fig.3 Graphic design

圖4 三維模型

Fig.4 3D model

4.5 動畫設計

考慮到低年齡段兒童的學習特征及操作水平，同時為了讓三維模型的表現(xiàn)更具生動性、直觀性，三維模型動畫可對多個動畫片段進行組合播放。例如在恐龍主題識字卡中，行走、奔跑、跳躍攻擊、覓食等動畫片段可組合形成2個動畫組，動畫邏輯見圖5?！靶凶摺薄耙捠?”“覓食2”“奔跑”“攻擊1”“攻擊2”分別為不同的動畫片段，箭頭代表過渡條件。當應用程序識別到圖像時將即時顯示恐龍模型，此時循環(huán)播放“行走”動畫，直至過渡條件發(fā)生改變時其狀態(tài)才發(fā)生改變。根據(jù)不同的交互操作，將播放不同的動畫組，覓食動畫由2個覓食動作的動畫片段“覓食1”和“覓食2”組成；攻擊動畫由奔跑動畫“奔跑”、2個攻擊動畫片段“攻擊1”和“攻擊2”組成。此外每個動畫片段與初始動畫之間皆設置了過渡條件，當過渡條件變量發(fā)生改變時，無論動畫組是否播放結(jié)束，皆可即時返回原始狀態(tài)，并進入交互動作所對應的動畫狀態(tài)。

圖5 動畫邏輯圖

4.6 交互設計

優(yōu)化的交互認知情境能夠以其“情智交融”的特點，幫助兒童在互動過程中產(chǎn)生愉悅感等正面情緒，使兒童主動進行感知活動，從而感受、收獲情境中的學習內(nèi)容[19]。

根據(jù)前文所總結(jié)的設計原則，兒童AR應用的交互設計應注重兩大問題。從兒童的認知機制來看，由于兒童的注意力分配能力有限且對外界的干擾較為敏感，如在功能設置上交互層次過多，將有較大幾率影響兒童的學習專注度，所以在設計交互行為時，應盡可能設置易于理解的交互功能，并在簡單的交互中為兒童傳遞盡可能多的信息；從兒童的身體發(fā)育來看，兒童發(fā)育尚未完全，其手指較小且無法進行精確操作，因此，在軟件設計中應適當加大點擊的有效區(qū)域，避免點擊無效而產(chǎn)生挫敗感，喪失其學習主動性。

綜合考慮以上問題，通過以下交互設計方案來構(gòu)建合適的AR互動情境，交互行為設計見圖6。AR識字卡在傳統(tǒng)的識物識字功能的基礎上，融合了具有較強互動性的AR識別功能。當攝像頭識別卡片正面（繪制有恐龍圖像的一面）時，將彈出三維恐龍模型，此時通過不同的操作方式將呈現(xiàn)不同的動效：單指或雙指點擊屏幕時，將觸發(fā)攻擊或覓食的動畫和音效；雙指滑動可對恐龍模型進行放大或縮小操作，幫助兒童觀察細節(jié)，從而培養(yǎng)兒童的觀察力；按住屏幕左右滑動時，可對模型進行全方位的旋轉(zhuǎn)；此外還設置了虛擬按鈕，點擊可獲得文字介紹并自動進行朗讀。當識別圖為識字卡反面（文字面）時，兒童可直觀地看到立體化的單個文字模型，點擊屏幕可觸發(fā)字和拼音的朗讀。為了避免恐龍模型和動畫吸引度過高對識字造成干擾，應用提供了隨機模式，并適當提高了漢字展示的概率，家長可根據(jù)需要進行設置。在隨機模式下，卡片正反面所彈出的內(nèi)容是隨機的，即有時顯示模型動畫，有時則是不同字體（如宋體、楷體、隸書等）的立體文字，兒童在探索三維動畫的過程中，會不斷看到卡片漢字，從而通過重復的方式增強兒童對該字的記憶。

圖6 交互行為設計

4.7 使用方法設計

為了獲得最佳的效果，可以對AR識字卡片的使用方法進行設計，并通過說明書建議家長采用如下使用方法：首次使用時可將卡片作為普通識字卡片進行使用，家長分批次利用識字卡片幫助兒童識字，數(shù)量以一天5個生字為宜，直至全部卡片教授完畢。由此，兒童會對一部分生字有所記憶，但另一部分沒有記住，且對識字卡片的興趣或已大減。此時開始使用AR功能，再次分批次進行生字教學（著重教授之前未記住的生字），由于AR功能具有趣味性及交互性，兒童的識字興趣逐漸回升。隨著AR教學完畢，兒童將能再記住一部分生字，同時對AR卡片的使用有所熟悉。最后，家長可將全部卡片都交由兒童，讓其自行通過AR識字APP對識字卡片進行AR識別，從而增強其認識和記憶，達到較佳的識字效果。

5 兒童識字卡片AR程序制作

完成前文的設計之后，就可以進行AR兒童識字卡片的制作。AR識字卡片包含2個部分：紙質(zhì)卡片和AR程序。對于紙質(zhì)卡片，主要工作為設計全套文字和圖像，并印刷到硬質(zhì)卡片上。AR程序可利用Unity游戲引擎及Vuforia插件進行增強現(xiàn)實功能的開發(fā)制作，AR程序的運行平臺通常為安卓系統(tǒng)或IOS系統(tǒng)。下文將以安卓作為終端進行實例研究，并對AR程序的制作過程以及其關鍵技術進行簡單闡述。

5.1 開發(fā)流程

AR程序開發(fā)主要以實現(xiàn)AR識別功能與交互功能，以及導出安卓應用程序安裝包為目的，具體開發(fā)流程見圖7。由于AR程序的運行平臺為安卓系統(tǒng)，所以在Unity中需對開發(fā)環(huán)境進行配置，從而實現(xiàn)安裝包的導出。在Vuforia網(wǎng)站中申請序列號后將設計完成的識別圖導入數(shù)據(jù)庫中，識別圖以資源包形式下載導入項目工程。在Unity場景中添加Vuforia組件并進行設置，從而實現(xiàn)基本的AR圖像識別功能。設置動畫器并添加過渡條件，通過腳本實現(xiàn)過渡條件的變量改變，從而實現(xiàn)點擊觸發(fā)動畫播放功能。通過添加腳本組件，可以實現(xiàn)模型的放大縮小、音效播放等其他互動功能。

圖7 開發(fā)流程圖

5.2 關鍵技術

5.2.1 AR圖像識別功能

在場景中加入Vuforia組件（包括ARCamera及Image Target），分別對應卡片正反面的識別，組件與場景構(gòu)成見圖8。把需要顯示的模型分別置于Image Target的子目錄中，再將Image Target中的識別圖分別選擇為需要識別的圖片，由此，程序在安卓手機中可通過攝像頭識別圖像并顯示相應的三維模型。

5.2.2 動畫播放設置

模型動畫通過動畫器進行播放，對動畫器及過渡條件進行設置，可以確定動畫播放順序和邏輯，同時在模型中添加腳本組件，通過改變過渡條件變量觸發(fā)相應動畫的播放。當單指點擊屏幕時，模型由初始的行走動畫轉(zhuǎn)變?yōu)楣魻顟B(tài)動畫，此時雙指點擊屏幕，變量將發(fā)生改變，無論攻擊狀態(tài)動畫進行到哪一步，皆先回到行走狀態(tài)，再播放覓食動畫。

圖8 組件與場景構(gòu)成

5.2.3 模型的放大或縮小

通過腳本組件可實現(xiàn)三維模型的放大或縮小操作。在程序運行中，對手機屏幕觸摸點進行記錄，再計算原始的兩點距離和操作結(jié)束后兩點間的距離，兩點距離之差為正，表示放大手勢，為負表示縮小手勢，以此判斷交互動作，進一步通過雙指操作來放大或縮小模型。

5.2.4 虛擬按鍵

Vuforia提供虛擬按鈕功能，可實現(xiàn)簡單的控制與交互。選中需要添加虛擬按鍵的Image Target，創(chuàng)建虛擬按鍵，再通過添加腳本組件，判斷虛擬按鈕是否被按下，從而實現(xiàn)不同的交互結(jié)果，如顯示文字介紹等。

5.2.5 Avatar（阿凡達）技術

Avatar是Unity動畫制作中復制動畫動作的技術。Avatar技術可在保證三維模型骨骼結(jié)構(gòu)基本一致的前提下，將未制作動畫的模型A映射至制作完動畫的模型B上，使模型A獲得與模型B一致的動畫。對于不同卡片的幾十只恐龍的動畫動作，不必為每一只都制作動畫，只需為幾個典型的恐龍制作動畫，其他恐龍分成多組，映射到那幾只做好動畫的恐龍上，即可完成所有恐龍的動畫。這樣的制作方式能大大節(jié)省制作時間，節(jié)約成本。

5.3 應用效果

開發(fā)完成后將AR程序?qū)С鰹锳PK格式，在安卓設備上進行安裝測試，應用效果圖見圖9。在運行過程中，可正常對卡片的正反面圖像進行快速識別，識別卡片正面時顯示恐龍的三維模型，此時模型的狀態(tài)為行走動畫，單指點擊手機屏幕中的模型時，模型狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣魻顟B(tài)，同時發(fā)出恐龍音效。雙指點擊手機屏幕時，模型動態(tài)切換進入覓食狀態(tài)。雙指進行放大手勢操作時，模型體積變大，細節(jié)展示更為清晰。

圖9 應用效果圖

6 可用性檢驗

為初步檢驗設計的可用性，本次檢驗以30名幼兒園兒童為實驗對象，分別從興趣、識字效果2個方面進行評判。實驗設置實驗組和對照組，每組各15人。實驗組的兒童根據(jù)上文所建議的使用方式，通過AR識字卡片以及AR應用APP對一批生字進行學習；對照組只使用普通識字卡片對一批生字進行學習。

學習興趣檢驗：通過觀察法對兒童識字過程中的情緒狀態(tài)、專注度、互動積極性進行判斷。

識字效果檢驗：在相同時長內(nèi)，實驗組和對照組的兒童分別進行生字學習，結(jié)束后用問答的方式對2組兒童進行學習效果檢驗，得分標準為：5 s內(nèi)答對得2分，5 s以上答對得1分，答錯不得分。最后對最終得分進行數(shù)據(jù)分析。

通過對2組兒童的學習過程進行全程觀察，發(fā)現(xiàn)實驗組兒童的情緒普遍更為高漲，在學習過程中表現(xiàn)出較強的探索欲望，其在專注度、互動積極性等方面也有較好的表現(xiàn)；而對照組的兒童在情緒表現(xiàn)上基本較為平穩(wěn)，在學習過程中更多的是聽講解，互動積極性不高且容易受到外界的影響。測試證明了AR識字卡片更能提升兒童的學習興趣。

在識字效果的檢驗過程中，實驗組兒童在看到學過的生字時，其反應速度普遍比對照組的兒童快，該現(xiàn)象在測試成績的數(shù)據(jù)分析結(jié)果中也有所體現(xiàn)。將實驗組和對照組的測試成績數(shù)據(jù)進行t檢驗分析[20]，可驗證2組數(shù)據(jù)間是否存在顯著性差異，分析結(jié)果見表1。

表1 測試成績的檢驗分析

Tab.1 T-test analysis of test scores

注：*表示<0.05，即呈現(xiàn)0.05水平顯著性。

可以看出在2組數(shù)據(jù)的t檢驗分析中，其差異呈現(xiàn)出0.05水平顯著性（<0.05），具體對比2組差異可知，實驗組平均值6.13明顯高于對照組的平均值5.20，因此可以證明AR識字卡片能夠帶來更好的識字效果。

7 結(jié)語

兒童處于一個特殊的年齡段，他們對世界充滿好奇，有著特殊的心理特征和學習特點，如今兒童的識字教育方式較為傳統(tǒng)，其手段部分還停留在傳統(tǒng)兒童出版物的基礎上，不能適應兒童的群體特征及學習特點，甚至無法滿足時代的需要。AR技術應用帶來的直觀性、互動性、娛樂性，恰恰符合兒童的學習特點，極大地增強了兒童學習的主動性。然而，由于許多出版商不具備AR開發(fā)技術，項目外包造成出版成本高，進而導致市場上同類產(chǎn)品質(zhì)量差異大。本次設計研究通過使用Unity、Vuforia插件，采用較為簡易的流程設計開發(fā)了一款基于情境學習理論以及兒童心理特征研究的AR兒童識字卡片，在充分考慮兒童認知水平和學習特點的基礎上，為兒童構(gòu)建了一個優(yōu)化的AR互動式學習情境，實現(xiàn)了兒童教育的趣味性、互動性，為教育出版提供了新思路。隨著技術的成熟，AR技術的應用范圍將更加廣泛，在未來，AR出版物將致力于引導兒童的認知發(fā)展和知識的情境構(gòu)建，讓兒童們更好地體驗AR技術帶來的高質(zhì)量、多趣味的學習體驗。

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Design of Children's Literacy Cards with Augmented Reality

WEI Jia-bin, LUO Li-hong, TANG Xiao-ying, YANG Juan

(Digital Media Department, Guangdong University of Technology, Guangzhou 510090, China)

This paper aims to explore the design method of Augmented Reality (AR) children's literacy cards and promote the innovative development of children's literacy education products. This paper firstly sorts out the statusquo of literacy education product design and the research status of VR/AR technology in the field of children's education, secondly analyzes the characteristics and advantages of AR technology when it is applied to children's education. It also discusses design strategies based on the characteristics of the children's group and related research on early scientific literacy. Therefore, this paper takes the design of "dinosaurs" themedliteracy cards as an example to study the design methods of AR literacy cards. The cards are designed through functional design that is multidimensional, card design that can render contextual cognitive atmosphere, realistic and interesting three-dimensional models and animations, as well as the interactive design that considers emotion and intelligence. At last the cards are succeeded in constructing AR situations and it is not beyond their capacity to increase children's learning interest and enhance their learning effects.This paper obtained a design method for children's literacy cards that can integrate AR situations, and used the Unity 3D engine and Vuforia plug-in to verify the design method. In conclusion, this design example can encourage children to learn actively and achieve the purpose of enhancing their learning effects.The article not only provides an example for the design of similar children's education products, but also explores more possibilities for children's education in the context of interactive media technology.

Augmented Reality; situated learning; AR literacy cards; active learning

TB472

A

1001-3563(2022)14-0311-09

10.19554/j.cnki.1001-3563.2022.14.038

2022–02–13

教育部人文社科項目“基于VR/AR的歷史文化展覽沉浸式可視化敘事構(gòu)架研究”（20YJAZH073）；“數(shù)字化背景下博物館交互敘事美學研究”階段成果（20YJA760070）

魏佳濱（1998—），碩士生，主攻數(shù)字媒體技術、計算機輔助教育。

羅立宏（1975—），博士，教授，主要研究方向為數(shù)字媒體技術、計算機輔助教育。

責任編輯：馬夢遙