AR技术在幼儿教育领域中的应用——以幼儿识字为例

朱必熙,卓 皓

(1.福建幼儿师范高等专科学校人文科学系，福建福州 350007；2.福建幼儿师范高等专科学校现代教育技术中心，福建福州 350007)

继2016年任天堂《Pokémon Go》火爆全球后，2017年初，腾讯和阿里的红包大战又一次将AR(增强现实)技术推到众人眼前。随着AR技术升温，许多领域都在探讨其在行业的应用及影响。作为一名幼儿教育工作者，笔者注意到，年轻人特别是90后、00后是AR技术的最大受众，或许在不久的将来，AR技术将是幼儿教育领域的有力工具，因此，结合职能对AR技术进行系统研究和探讨。

一、增强现实Augmented Reality

AR是Augmented Reality(增强现实 )的简称，又叫扩增现实，基于Virtual Reality(虚拟现实，简称VR)发展而来。VR技术利用计算机生成模拟环境，通过沉浸式交互设备提供三维动态视景，并可和用户实体行为在虚拟空间中进行互动，是可创建和体验虚拟世界的计算机仿真系统。[1]VR技术自上世纪60年代萌芽，经过多年发展取得阶段性成果，在医学、航天航空等多个专业领域成熟应用。和AR相比，VR有几个特点：一是需制作独立于现实环境的虚拟环境；二是需特制设备；三是提供沉浸式互动体验。而AR不需要独立制作虚拟环境，只需将现实世界与计算机模拟仿真产生的虚拟3D模型、视频或场景进行叠加，通过AR技术在虚拟环境和真实环境之间搭起一个可互动的桥梁，实现对现实世界信息的增强，提高用户对真实世界的感知能力，如图1所示。

图1 AR的作用

目前AR/VR的定义主要有两种：一是1994年Paul Milgram和Fumio Kishino定义的“现实——虚拟连续体”，[2]将AR/VR定义为从真实环境到虚拟环境的连续体，真实场景和虚拟场景分布在两端，在这两者之间接近真实环境的是增强现实，即AR；接近虚拟场景的是增强虚拟(扩增虚境)，即VR；位于中间的部分叫做混合实境，见图2。

二是1997年北卡大学的Ronald Azuma提出的增强现实的定义[3]以及实时交互。

图2 现实-虚拟连续体Fig. Reality-Virtuality Continuum

(一)三维注册

三维注册主要解决是虚拟空间(物体)和现实空间(物体)的坐标定位对应，是AR/VR视觉呈现和互动的基础，在应用章节将作具体介绍。

(二)虚实结合

增强现实技术不取代现实环境，而是基于现实世界提供虚拟物体的呈现和互动，在不改变真实世界本质的基础上增强了真实世界的信息，以此为基础来提供服务的。图3所示为增强现实的一个典型应用，用AR设备摄像头扫描卡片，设备显示屏会显示配套定制的内容，可以是2D/3D虚拟画面，虚拟画面和现实卡片叠加，并锚定现实卡片坐标，随卡片移动、缩放，就像卡片的一部分，只是这部分在现实中是不存在的，这种将真实世界和虚拟信息同时呈现并互动，即典型的AR虚实结合。

图3 虚实结合

(三)实时交互

实时交互是指用户能够通过在现实世界中的动作与虚拟环境(物体)进行互动，如，手指在空中虚点，能触发虚拟环境(物体)中的按钮。因为增强现实需要迅速识别现实世界的事物，在设备中进行迅速合成，并通过传感技术将混合信息传达给用户，这样才能实现所见即能所知的效果[4]。2016年广为使用的3D美颜APP，能自动识别人脸，智能添加虚拟头箍、眼镜、面具等物，并可随头部转动而转动，增添很大互动乐趣，便是典型的实时交互应用。

二、增强现实在幼儿教育[5]中的应用

AR(增强现实)作为VR(虚拟现实)的一个补充发展，综合了计算机图形、多媒体、实时跟踪、跟踪显示等多门学科，在医学、军事、文化、工业维修、娱乐等领域都有着广泛的应用前景，是近年来的一个研究热点。作为一个教育工作者，笔者一直关注VR/AR技术发展，也在深思该技术在儿童教育领域可能的应用与影响，由于VR体验需特制设备，且沉浸式体验对儿童大脑发育影响尚未明确，因此，将AR作为主要方向重点研究。

儿童时期是大脑发育的最佳时间，也是机械记忆力最强的阶段。3-6岁是儿童培养阅读能力的最佳年龄段，让孩子尽早开始阅读，对培养孩子的学习兴趣有益无害。对学前儿童而言，所有与阅读活动有关的行为都是阅读，文字、符号、标记、图片、影像等其它材料都是其阅读的内容。[6]而识字水平是影响孩子阅读能力和兴趣的重要因素之一。在教育部颁布的《3-6岁儿童学习与发展指南》里也明确的对5-6岁的幼儿提出能在阅读图书和生活情境中对文字符号感兴趣，知道文字表示一定的意义的要求。[7]而在实际的教育过程中，学校和家长也越来越重视幼儿时期在生活、学习环境里的识字教育。我们应抓住这个大脑的飞跃期进行幼儿识字教育，同时，阅读能力的培养是开发幼儿智力和潜能的重要途径之一，能有效的刺激脑细胞的发育，更好地帮助幼儿调动和训练感觉器官。根据建构主义学习理论，幼儿识字受注意力和生活阅历所限，无法在文字符号和其意义之间建立有效的联系并深刻理解，因此，在文字的理解和记忆方面存在一定的障碍，AR技术可以较好解决这个问题。

(一)AR(增强现实)的技术特点

增强现实技术实现虚实叠加并呈现给用户，首先，需通过相机获取真实场景信息，然后，对真实场景和相机相对位置进行分析，最后，将获得的虚拟信息与真实场景融合。

1.识别与跟踪

为实现虚拟和现实的无缝叠加，需要在三维空间中对虚和实进行空间定位匹配，即三维注册。首先，需要对摄像头收集的画面进行分析，通过特定物体特征点及轮廓识别、判断画面中是否有存在物体，如存在，则跟踪物体特征点并生成二维或三维坐标信息，三维注册技术决定增强现实系统的体验感，常用方法有四种：基于硬件的跟踪注册、基于机器视觉、基于无线网络的和混合跟踪注册技术。

2.生成虚拟物体

增强现实的目标是在屏幕上把虚拟世界套在现实世界并进行互动，所以，在准确的跟踪注册技术的基础上，要提高增强现实系统的效果，还需要保证所生成的虚拟物体真实感和实时性强。如，谷歌眼镜推出的增强现实眼镜，在用户观测到一个物体后，镜片上就能迅速呈现该物体的相关信息。

3.显示技术

与VR一样，AR也依赖于设备显示生成的虚拟物体，带有摄像头的普通手机、平板就可以实现，硬件设备性能越高，体验感越佳。

(二)AR(增强现实)开发的简易性

当前，AR技术的跟踪注册、物体生成和显示等方面较为成熟，有较成熟的SDK和学术文件支持，目前AR技术SDK比较常用的有EasyAR、太虚AR、HiAR、Vuforia、Metaio、Wikitude、VoidAR等，这几个SDK里有收费的，也有不收费的，选择面是比较广阔的，而且，硬件成本低、普及率高，在技术和设备上符合儿童教育应用研发环境需求。

(三)AR(增强现实)在幼儿识字领域应用的可行性

笔者将幼儿识字分为注意力吸引、认知、理解、记忆加深等四个重要环节，如，研发一套儿童认知AR教学APP，以儿童喜爱的动物系列为例，将文字和图片结合，通过AR技术呈现3D立体动物，并在该动物身上直接体现教学目标汉字，如图4，同时该动物可与小朋友进行简单的互动。利用AR技术的特色，在愉悦新奇的互动体验中教小朋友认识汉字及其中英文发音，做到了寓教于乐。而对于老师或者家长来说，操作是非常简单的，仅仅只需要在手机等智能设备上下载安装该软件，然后，通过摄像头扫描目标卡片上的文字即可做到3D立体动物的呈现。

为深入研究AR技术在儿童教育领域中应用的可行性和效果，印证AR技术对幼儿识字领域的实效，笔者在幼儿园老师的帮助下，通过邀请14名3-5周岁的幼儿就卡片、卡片加图片、卡片加AR技术三种情况下进行幼儿识字效率进行分析比较，数据如下：

1.实验对象：3至5周岁幼儿

2.实验人数：14人

图4 AR环境下的猪

年龄段试验方式初记重复刺激次数遗忘率遗忘周期(未复习)混淆率混淆周期3周岁卡片50.16770.25卡片加图片80.33450.34卡片加AR40.167150.284周岁卡片40.15110.057卡片加图片40.1590.154卡片加AR40.15170.0575周岁卡片40.05120.056卡片加图片40.0590.056卡片加AR40.05190.057

上述数据呈几个特点：一是初记重复刺激次数方面，3周岁和4周岁的幼儿有较大差别，主要原因应该是这两个阶段幼儿的注意力有差别；二是3周岁幼儿面对文字加图片的识字效果不是很理想，主要原因是面对文字和图片，其聚焦点容易在图片，而忽略文字本身；三是不管哪个阶段的幼儿，在AR技术的刺激下，其记忆力有很明显的加深。

可见，AR技术的新奇感、直观性、互动性、娱乐性是幼儿教育、幼儿识字很好的一种手段，幼儿的学习主动性大大增强。同时，让以往单纯用左脑来强制性记忆的识字训练，通过AR技术，将图像和文字紧密地结合在一起，让孩子们可以用全脑而不仅仅是左脑去记忆。但由于AR体验需借助手机、平板等设备，长时间互动对儿童眼睛发育有一定的负面影响，应在具体应用中加以注意并规避。

AR技术是幼儿教育领域有效的教学技术辅助手段之一，将幼儿教育成体系的AR化，可以通过AR提升幼儿注意力，增强幼儿学习兴趣和主动性，刺激加深记忆力；AR的信息化固有特性还可在记录幼儿学习成长曲线、分析幼儿学习优缺点、提升幼儿学习成效的同时，为教育工作者提供有力的教学工具。

[参考文献]

[1] RonaldT.Azuma. A Survey of Augmented Reality[J]. Teleoperators and Virtual Environments， 1997(4)：1-3.

[2] PaulMilgram， Fumio Kishino.A Taxonomy of Mixed Reality Visula Display[J]. IEICE Transactions on Information Systems，1994(12).

[3] Azuma， Ronald T. A Survey of Augmented Reality[J]. Teleoperators and virtual environments， 1997(4)：355-385.

[4] 蔡攀.基于增强现实的实时交互技术研究与实现[D].西安：电子科技大学，2009.

[5] 熊伟. “学前教育”、”幼儿教育”与”早期教育”等基本概念内涵界定及应用——“全国高校学前教师微信群”2017新年网络主题研讨会笔谈综述[J]. 陕西学前师范学院学报，2017(1)：142-146.

[6] 黄晓丹.图画书与学前儿童早期阅读[J].陕西学前师范学院学报,2016(10):93-96.

[7] 中华人民共和国教育部.3-6岁儿童学习与发展指南[M]. 北京：首都师范大学出版社,2012.