增强现实在儿童教育领域中的应用研究

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　　摘  要： 增强现实是将真实环境和虚拟物体实时地叠加到同一个画面或空间，增强现实技术应用到儿童教育领域可以增加教育的趣味性，丰富教育内容，具有对儿童的吸引力，可以达到寓教于乐的目的。文章围绕增强现实的概念，研究了增强现实在儿童教育领域中的应用形式，并通过市场上的具体产品对每种应用形式进行了说明。从实例出发对增强现实在儿童教育领域的具体实现方式进行了探讨，最后以教育游戏为例说明了增强现实儿童教育类产品的设计过程。
　　关键词： 增强现实; 儿童教育; 教育游戏; 应用形式
　　中图分类号：TP391          文献标识码：A     文章編号：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
　　增强现实（Augmented Reality，简称AR），是一种将真实世界信息和虚拟世界信息“无缝”集成的新技术，是把原本在现实世界的一定时间空间范围内很难体验到的实体信息（视觉信息，声音，味道，触觉等），通过电脑等科学技术，模拟仿真后再叠加，将虚拟的信息应用到真实世界，从而达到超越现实的感官体验[1]。近年来，随着电子产品性能的提高，增强现实已越来越广泛地应用于教育、军事、游戏、旅游等领域，其中最受益的为教育业。儿童对新奇事物总是充满热情，将增强现实技术与传统教育方式结合，更容易吸引儿童注意力和提高儿童学习兴趣，并且通过自己动手和记忆的过程也会获得成就感，使学习变得简单起来，让儿童在玩中学，学中玩，能达到寓教于乐的目的。
　　1 增强现实在儿童教育领域中的应用形式
　　1.1 教育游戏类
　　教育游戏软件是利用游戏本身的趣味性，来解决儿童在接受教育过程中遇到的生硬枯燥的问题。AR教育游戏是将AR技术以适宜教学内容的方式应用到游戏环节，通过扩增虚拟信息到现实世界中，拓展了游戏的活动形式[2]，将科技性、知识性、互动性、游戏性结合在一起，具有知识严谨、寓教于乐的特点。利用AR体感技术，结合儿童教育的内容和方式，提供新的游戏化教育互动模式，将平时无法直接感知、体验、实践的知识，通过接近真实的三维场景呈现出来。目前AR涂色，AR拼图、AR迷宫游戏、AR数学游戏等都深受儿童的喜爱。
　　大连新锐天地传媒有限公司开发的“AR涂涂乐”，结合AR技术，将儿童的绘画作品变成跃然纸上的3D动画，有声有色能互动，“视·听·说·触·想”多感体验，还可以用手指触动、拉近画面，跟鲜活的卡通形象进行全方位的互动，触发儿童无限灵感。
　　1.2 儿童读物类
　　把AR技术应用在儿童读物上，将“神笔马良”这个神话故事变成了现实，只要通过智能手机、平板的摄像头扫描AR图书指定的图片，即可引发交互效果，纸面上的形象、文字、故事情节等内容会逼真、生动起来，同时还可以点击屏幕进入互动，更有助于儿童全方位地了解所观察的对象，甚至可以与之发生对话，交互，令阅读体验超乎想象。因此，相比于传统纸质读物的阅读体验，AR技术的应用是多维度的感官体验，其中包括视觉、听觉、触觉等，将更有利于对知识的认知和记忆。AR阅读帮助儿童构建更加完整的认知体系，从而也培养了儿童的好奇心和探索观察能力。 　　AR科普类、绘本类图书的出版数量日益增多，十一点零五教育科技有限公司2018年出版的航天成就、宇宙探索、飞行奥秘、战机故事四大科学主题的AR图书，通过趣味性的互动模式开发，逼真地反映知识内容。可以通过触摸、拖拽，旋转、缩放等操作进行互动，使读者仿佛置身浩瀚的宇宙，可以玩转纸飞机，精准降落热气球，近距离观察三角翼，亲自驾驶大飞机，全方位增强青少年在科普领域的学习兴趣，真正让科普教育做到深入浅出，生动有趣，重新开启青少年的好奇世界，给小读者带来全新的体验。
　　1.3 教学软件类
　　教学软件主要用于辅助课堂学习，帮助引导课堂教学。传统的多媒体教学缺乏情境渗透和多感官的视听效果，教学中应用增强现实技术，将抽象复杂的知识和原理通过三维立体模型或动画，叠加在现实环境中，从学习情境、实物模型、视觉渲染等多维度对教学内容进行立体动态的演示，增添了学习的趣味性和沉浸性，帮助儿童学习构建完整的知识体系。
　　苏州的梦想人科技基于AR技术自主开发的4D梦想课堂，为中小学教师提供一个随时随地创建探究式教学环境的虚拟教具平台。目前，已经推出250+符合国家课程标准的AR微课件，涵盖小学科学、初中地理、生物、物理、化学等多门学科，1400+高仿真三维立体标本模型，140000+高品质全景内容资源。
　　2 AR在儿童教育领域的实现方式
　　2.1 儿童教育印刷类产品+移动设备+APP
　　儿童教育印刷类产品包括认知卡片、绘本、期刊、教材、立体的印刷产品比如地球仪、物体模型等，移动设备（手机、平板等）提供显示屏、摄像头、图像处理、AR技术;通过下载APP扫描印刷品对图像进行识别、定位、合成等进行相应的人机交互及信息更新，实现增强现实的交互操作。
　　AR认知卡及绘本主要用户为低龄儿童，内容多为文字、动物、植物和科普知识，产品如“口袋动物园”、“魔法图书馆”等;青少儿科普类期刊《我们爱科学》、《小哥白尼》，通过扫描相应页面的二维码观看3D科普模型。北京天际微动科技有限公司开发的AR“奇幻魔盒”，通过一个小小的盒子和手机软件将多种知识训练内容呈现在手机屏幕上，其中“速算英雄”、“AR课堂”、“遨游太阳系”、“奇迹镇的宝石”四大版块涵盖了语、数、英、科学等多方面的教学内容。
　　2.2 儿童教育印刷類产品印刷品+AR智能硬件
　　AR智能硬件将硬件和AR技术直接融合在一起，儿童教育领域应用的主要形式有AR投影仪、AR眼镜、AR头戴显示器、手持式AR设备等。
　　罗马尼亚研究者使用TriVision头戴显示器作为硬件，运用在中学的机械运动教学中，通过扫描特定标记，让学生直观感受机械运动[3]。国内小熊尼奥公司的梦境盒子是全球第一款基于AR技术的3D互动早教学习机，属于手持式硬件，把电脑、电视、投影仪、大屏幕等介质变成一个有魔法的镜子，将认知卡片通过“ARKIDS梦境”识别系统投射到屏幕上，让虚幻的3D物体呈现出来，将显示内容和真人有机地结合在一起，营造三维空间学习场景。
　　3 AR儿童教育类产品的设计过程-以AR教育游戏为例
　　3.1 所需软件及辅助插件
　　⑴ 开发工具。目前广泛使用的Unity3D是由Unity Technologies开发的一个让玩家轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，是一个全面整合的专业游戏引擎[4]。
　　⑵ AR软件开发工具包。常用的增强现实SDK有EasyAR，Vuforia等;EasyAR是上海视辰信息科技有限公司自主研发的一款AR开发工具包，支持使用平面目标的AR，支持基于硬解码的视频播放、二维码识别，多目标同时跟踪等功能。
　　⑶ 3D和平面美术软件。在目前市场上用来进行数字和三维制作的工具中，Maya、3D Max都可以提供完美的3D建模、动画、特效和高效的渲染功能。对模型贴图、UI等平面图片进行处理可选用Photoshop。
　　3.2 基于Unity3D的AR教育游戏总体设计思路
　　⑴ 分析教育游戏背景和用户
　　教育游戏是以游戏作为教育的手段，应把教育理论作为设计游戏的理论支撑，把教育性和游戏性相结合，利用游戏，将科学知识、传统文化、社会常识等知识进行普及，引导儿童在游戏中学到知识[5]。教育游戏的用户一般为各个阶段的学生，设计教育游戏要从使用者的年龄段、学习习惯、兴趣爱好以及现有的知识水平等方面综合考虑，由此确定游戏的场景、角色、内容等。
　　⑵ 三维识别物体、平面识别图语音文件资源制作
　　通过Maya、3D Max等软件构建教育游戏中所需要的的三维数据模型，利用Photoshop等软件绘制模型贴图和识别图，绘制完成后导入建模软件，对模型进行贴图[6]。还有相当多的模型可以在Unity资源商店中找到。语音文件可以采用Audition软件进行录制，也可以利用在线文语转换生成所需要的语音资源文件。
　　⑶ Unity3D整合SDK开发
　　Unity开发框架包括：游戏场景、游戏对象、游戏组件。AR识别图扫描场景采用EasyAR或者Vuforia 作为AR引擎。
　　Unity的使用过程包括：首先在Unity中新建工程，相应资源可以根据制作过程随时导入。其次将各类资源添加到场景中，设置游戏对象，并根据需要进行场景优化。然后对相应的游戏对象添加组件，进行脚本的编写，并对脚本代码进行调试和优化。最后进行编译发布，Unity引擎一个很大的优势是可以跨平台发布，如PC端、网页端、Android、iOS等[7]。
　　4 结束语
　　增强现实技术让真实世界和虚拟物体共存和实时同步，满足用户在现实生活中真实地感受虚拟空间中模拟的事物，增强使用的互动性和趣味性，其丰富的多维感官表达和人机交互特点在儿童教育领域中有着广阔的应用前景。本文通过探讨增强现实在儿童教育领域的应用形式，使用方式以及在儿童教育类产品中的设计过程，来说明增强现实在儿童教育领域的应用前景势必会越来越广泛。同时随着屏幕阅读的普及，交互体验的优化，移动终端的升级，媒体技术的创新，增强现实在教育领域的发展也必将走入到一个新的阶段。
　　参考文献（References）：
　　[1] 李晔.Unity AR增强现实完全自学教程[M].电子工业出版社，2017.
　　[2] 陈向东，万悦.增强现实教育游戏的开发与应用[J].中国电化教育.2017.3.
　　[3] 蔡苏，王沛文，杨阳，刘恩睿.增强现实（AR）技术的教育应用综述[J].远程教育杂志，2016.9.
　　[4] 宋文凯.基于增强现实技术的孤独症儿童注意力训练系统[D].东南大学，2018.6.1.
　　[5] 夏培淞.基于概念图的英语同义词记忆教育游戏设计实验研究[D].浙江工业大学.2018.6.1.
　　[6] 马玉洁.增强现实在教育领域应用研究[D].北京印刷学院，2016.6.
　　[7] 刘老师讲Unity-CSDN博客.如何开发AR增强现实应用与产品[EB/OL].http：//blog.csdn.net.2016.11.8.
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