淺析增強虛擬現實技術在兒童教育中的應用

南陽醫學高等專科學校 王燕軍

0 引言

當今世界，知識成為了十分重要的因素，各國都對教育文化事業的開展引起了重視，中國也不例外，隨著教育體制改革的深入發展，兒童教育得到了國家和社會各界的廣泛關注。利用計算機技術和現實技術，強化兒童教育，讓兒童在愉快的環境氛圍下，提升強化自身能力，為兒童的健康成長奠定良好的基礎。因此可知，必須要強化增強虛擬現實技術的研究，從根本上提高兒童對知識的興趣，推動兒童教育得到全面發展。

1 傳統兒童教育領域的發展現狀和問題

1.1 兒童教育領域發展現狀

隨著教育體制的改革發展，兒童教育已經較為成熟，在傳統領域中形成了繪本、讀物、游戲、玩具、動畫等媒體產品，兒童教育的市場需求會不斷擴大，對產品的要求也會逐漸提高，因此必須要豐富產業鏈，拓展產品形式，充分滿足消費者需求，才能夠推動產品得到全面的發展。但是，縱觀現階段市面上的兒童教育產品，教育模式較為單一、落后，對兒童的吸引力較差，沒有調動兒童的主觀能動性，沒有取得良好的教學效果，教學產品的作用也沒有得到實質性的發揮。此外，家長在使用教學產品時，沒有融入到教育環節中，無法和孩子間進行有效的交互，家長枯燥的講解故事，孩子被動的傾聽，在這樣的情況下，教學效率無法得到真正的提升，學習效率也會相應降低，嚴重的情況下，還會讓兒童喪失學習興趣。新時期倡導的是主動學習，要讓兒童的主觀能動性和學習熱情得到充分的調動，讓兒童教育活動得到良好的開展，才是最佳的教育方式[1]。

1.2 新時期兒童教育領域中存在的問題

信息技術的發展，讓移動電子設備不斷普及，越來越多的家長選擇教育類APP取代傳統的紙質圖書和應用動畫，雖然這種手機程序和電子設備在一定程度上，融入了先進的教育方式和教學理念，但是也會讓部分兒童對電子產品產生依賴。兒童在認識世界的過程中，更多的是通過視覺、聽覺、觸覺等方面，APP程序雖然能夠解決視聽方面的要求，但是智力開發上還不能夠滿足兒童教育的需求，不僅如此，如果在教育過程中長時間應用這種單一化的的教學APP，會不斷弱化、限制兒童能力的發展，對兒童的學習和成長造成嚴重的打擊。

2 虛擬現實技術在現代兒童教育中的優勢

2.1 交互性

將增強現實技術應用在現代兒童教育中能夠有效提高交互性，通過計算機技術，用戶可以和虛擬角色進行互動交流，充分的融入到了教學活動中，體驗教學活動的樂趣[2]。以增強現實立體書為例，兒童在閱讀的過程中，通過旋轉紙質圖書，就能夠看到虛擬角色或者圖形的角度變化，全方位的了解到角色的不同部位，比如《Fairy-land Magic》這本增強現實立體書，當用戶轉動圖書時，書中的花仙子也會隨之轉動，而當用戶按下相應的操作鍵后，花仙子就會做出跳舞、演奏等動作。

2.2 趣味性

閱讀是教育的核心方式之一，在閱讀過程中，兒童能夠增長和知識，認識新事物，趣味性濃厚的圖書，能夠調動兒童的積極性，在閱讀過程中體驗到學習的樂趣，獲取大量的知識。和傳統紙質圖書相比，增強現實立體書的趣味性和藝術形式更強，因此教育作用也就相對較大。比如，某公司利用增強現實技術開發出來的增強現實立體書，讓書中的動物、角色可以跟著音樂節奏扭動，這種生動、有趣的手法能夠讓人難以忘懷。

2.3 逼真性

增強現實技術在現代兒童教育中應用，能夠有效提高逼真性，傳統的兒童教學活動，過于抽象化，兒童無法對空間、物體產生真實的理解，但是利用增強現實技術能夠給兒童構建一個生動、真實的情景，有效激發兒童的學習興趣。以《Dinosaurs Alive》為例，這本增強現實立體書將已經滅絕的恐龍形象逼真的的呈現在兒童面前，并且通過動畫展現出了恐龍的生活狀態、斗爭場景，給兒童留下深刻印象的同時，也讓兒童充分理解了恐龍的習性[3]。

2.4 創造性

創造性是兒童成長發展的重要條件，因此在兒童教育中必須要得到重視，一個創造性的圖書，能夠有效激發兒童的創造力，賦予兒童無限的想象力，在增強現實技術中，讓虛實相融合，構建形成三維虛擬物體，從而調動兒童的好奇心，激發拓展兒童的探索創造欲望，依舊是以《Fairy-land Magic》這本增強現實立體書為例，在閱讀的過程中，花仙子從花蕾之中出現，隨著花仙子和兒童的交互，利用增強現實技術，在無形之中就會開啟兒童的想象力和創造力。

2.5 沉浸性

除了上述幾點內容以外，增強現實技術構造出了一個虛擬的場景、人物和用戶進行互動，讓用戶在真實的環境中體驗到虛擬角色，能夠提高沉浸性，尤其是在增強現實立體書中，利用三維動畫構造出來的動態化、立體化的故事，讓用戶體沉浸在故事情節中，體驗到奇妙的感情經歷，并且強化了視覺、聽覺、觸覺等感官，在閱讀過程中全方位的接收到了知識。

3 增強虛擬現實技術在兒童教育產品中的應用

3.1 具體應用方案

由上可知，在兒童教育領域中，利用增強現實技術是新時期一種全新的教育形式，在這個過程中增強現實技術創造出了一個虛擬化、數字化的學習環境，在這個學習環境中，兒童能夠從視聽觸等角度和周圍環境進行交互，和知識建立起相應的鏈接性。在兒童教育中最為常見的就是繪本教育，將繪本和虛擬學習場景相結合，能夠讓增強現實技術和繪本教育發揮出更大的作用，在互動中將知識傳授給兒童。想要在這個過程中正確的應用增強現實技術，首先，要從兒童的閱讀興趣出發，以滿足兒童閱讀興趣為根本目的，優化傳播途徑?？梢宰寖和蕾p動畫版的科學講解，讓兒童愿意接受科普知識[4]。以某博物館為例，開展了兒童科普讀物專欄活動，并且在活動中加入了增強現實技術，運用這種技術讓兒童欣賞到不同的海洋生物，并且加以注解，比如解析“珊瑚”時，運用3D動畫技術，將珊瑚的標本和虛擬海洋技相結合，以此讓兒童對海底生物有著具象化的認知，從根本上調動兒童的閱讀興趣。其次，在實現增強現實技術的過程中，應該充分發揮該技術的交互性，逐步的展示科普知識體系和虛擬內容，逐層深入，引導兒童去認識知識、了解知識，形成知識滿足感。最后，就要強化只適合兒童的互動，實現交互效果，發揮出虛實結合的作用，將紙質書籍和虛擬技術進行完美的就傲虎，為兒童提供和頁面相符合的光影動畫技術。

3.2 案例設計分析

由上可知，兒童教育中引用增強現實技術，可以使用數字腳本編程語言、交互動畫技術和3D建模等技術，為兒童提供生動形象的立體圖書，在這種應用方案的基礎上，能夠全面的實現交互效果，滿足兒童教育的需求。因此可知，在具體設計實現增強現實技術時，可以分為三個部分，分別為：美術設計、程序設計、標記設計，根據調查顯示，兒童在上學初期會產生一定的心理壓力，因此要讓兒童閱讀一些和學校、上學相關的知識，以此降低兒童的心理壓力，本文選擇了《上學去》兒童教育繪本，展開具體的互動立體書設計。

（1）美術設計

首先是美術設計方面，在這個過程中包括了三維模型設計、音頻錄制以及紙質圖書設計這三個部分，首先要考慮到圖書的排版印刷情況，確定圖書的尺寸、效果、頁數、裝訂方式等。其次，考慮到兒童的認知特點，要保證色彩明亮、圖形真實、故事簡單。最后，圖書還要和增強現實技術相結合，形成立體書，因此在這個過程中還需要加入虛擬三維模型標記，并且對文字、圖形的編排形成具體的方案。比如，本文設計的圖書尺寸為210mm×240mm，整本書一共20P，選擇的裝訂方式為騎馬訂，版面則采用了左右結構，左邊圖片、右邊文字以及虛擬三維模型[5]。采用了Maya三維軟件進行建模和動畫制作，這種軟件本身就常用于動畫、電影、游戲等方面的制作，在制作過程中還要注意角色模型的面數，保證模型逼真的同時，要將模型控制數量在2000-3000個范圍。想要實現交互效果，還需要進行音頻錄制，不僅如此，學齡前兒童還有很多文字不認識，因此聲音的錄制尤為重要，要保證發音標準，音質清晰，有效強化閱讀的感情。

（2）程序設計

在完成基礎的美術設計后，還要進行現實程序設計，在這個部分主要是利用計算機技術獲取紙質圖書中的標記圖形，并且根據標準圖形，實現出虛擬圖形，并且融合到真實環境之中，最終呈獻給讀者一個逼真生動的三維圖像，完成交互溝通，因此可知這是增強現實技術立體書成敗的關鍵問題。這就意味著，要保證設計的合理性和真實性，在這個設計部分，利用了Action Script3.0語言在軟件Flash Develop中開發形成，其中標記制作的軟件為：ARToolKit Marker Generator，而跟蹤類庫使用的則是FlarManager，此外，在這個過程中還需要利用到三維框架，框架軟件為Papervision3D。具體的程序設計原理圖如圖1所示。

（3）標記設計

程序設計完成后是標記設計，在這個環節中，是要實現所需要的標記圖形，一般情況下，這種標記圖形的設計工作是要在軟件中繪制使用，應用的軟件為：Illustrator。需要注意的是，在設計過程中必須要遵守相應的識別要求。因為本文應用的標記制作軟件為ARToolKit Marker Generator，因此在設計就要遵守軟件中的識別原則，這種軟件要求有50%的黑色識別框，不同頁面上出現虛擬物體不同，繪制的標記圖形也就各不相同，因此在這個過程中，要降低標記圖案的復雜程度，強化識別效果的同時，提高設計效率。在完成了基本的設計工作后，還要采用相應的技術實現程序，在增強虛擬現實技術中，需要對配置文件進行設計、將運行環境實例化、標記識別管理、實現聲音交互和三維展示，這些都是利用代碼形成，最終形成全面的發展。

圖1 程序設計原理圖

3.3 具體使用效果

虛擬現實（Virtual Reality），簡稱AR，是近年來出現的一種高新技術，在上文對兒童繪本互動立體書的制作過程進行詳細的分析后，以某科技產品的兒童教育產品為例進行具體的使用效果分析。該兒童教育產品中不只包括了實體繪本，還有卡通徽章、外套、手機APP程序，在產品中既包含實體物品，也包含了相應的AR程序，通過兩者共同配合，完成對兒童的教育。該教育產品的繪本通過圖形、文字、動畫、語音等內容，讓兒童了解不同的動物習性和性格，在娛樂中學習知識。此外，該產品只需要通過手機攝像頭，就能夠聽到、看到三維動畫的形象和聲音，操作模式簡單，在游戲過程中可以提高親子互動。這款AR兒童教育產品，讓兒童全方位的體驗到了學習的樂趣，也讓家長能夠積極參與其中，在家長和兒童之間建立起為相應的紐帶，從根本上完善家庭教育。此外迪士尼公司使用增強現實技術為書籍《動畫世界》設計出來的立體交互模型，交互效果極佳，不僅加強了互動性，在數據和虛擬技術的基礎上還形成了和書籍內容相符合的光影動畫，讓兒童更好的認知動物，同時也會激發兒童保護動物的意識。不僅如此，迪士尼公司創新引入了筆記和點贊功能，利用書籍頁面和手指彩圖，配合增強現實和攝影技術，讓兒童和屏幕書籍也能夠進行交互，從根本上提高了兒童的學習興趣。

4 總結

綜上所述，增強現實是新時期的一種計算機技術，這種技術的使用能夠讓使用者全身心的投入到獲取信息的過程之中，將這種技術應用到兒童教育之中，有效提高兒童的興趣和好奇心，讓兒童的注意力能夠得到長時間的集中，因此可知，增強現實技術在兒童教育上有著較大的市場前景。這種通過虛擬化技術將知識傳遞給兒童的方式，不僅是對傳統教學方式的豐富，也是讓兒童從不一樣的角度去學習，形成了互動化教學。

[1]劉德建,劉曉琳,張琰,等．虛擬現實技術教育應用的潛力、進展與挑戰[J]．開放教育研究,2016,22(4)∶25-31．

[2]馮麗,張宏．虛擬現實技術在教育領域中的應用[J]．信息與電腦∶理論版,2016(13)∶249-250．

[3]趙一鳴,郝建江,王海燕,等．虛擬現實技術教育應用研究演進的可視化分析[J]．電化教育研究,2016(12)∶26-33．

[4]王琳．3D虛擬現實技術在教育教學中的應用策略探析[J]．中國教育技術裝備,2016(6)∶3-5．

[5]況揚,汪欣．虛擬現實技術在教育教學中的應用[J]．中國成人教育,2016(10)∶110-112．