AR技術在教育類游戲中的交互優勢

錢音旋

（南京藝術學院工業設計學院,江蘇南京 210013）

近年來，隨著科學技術的迭代更新與眾多從業人員的創新與努力，新媒體交互設計的相關應用已經遍布多個學科領域，教育領域同樣對新興技術的應用進行了多方探索。其中，增強現實技術憑借其獨特的交互優勢成為近幾年新興教育模式的領軍探索者。增強現實（Augmented Reality），簡稱AR。其發展歷程與虛擬現實（VR）技術密不可分，虛擬現實技術由計算機模擬搭建虛擬場景，用戶在進行體驗時會完全沉浸于虛擬環境中，硬件設備上則需要借助頭戴式等設備進行交互體驗。增強現實則是在真實環境基礎上疊加虛擬元素，計算機生成的虛擬圖像信息會實時疊加到真實環境中。用戶借助硬件設備對真實環境進行掃描，便能夠在定點標記處獲取三維圖像、聲音、視頻、圖像界面等多種信息。教育類AR游戲應用情境可大致分為課堂教育、職業技能教育、博物館藝術展等帶有科普性質的展覽展項。其中針對學齡前兒童教育、中小學學科教育的AR游戲應用作品最為常見。AR之所以能夠快速應用于教育類游戲開發，得益于其交互模式在教育領域具有極大優勢，以下將從幾個主要特點進行解析。

一、虛實結合與實時跟蹤

增強現實技術是借助于三維顯示技術、交互技術、多種傳感技術、計算機視覺技術以及多媒體技術把計算機生成的二維或三維的虛擬信息融合到用戶所要體驗的真實環境中的一種技術。AR技術虛實結合的核心特征是其超越VR，被廣大教育領域探索采用的主要因素。AR系統的運行一般包含以下4個基本步驟：獲取真實場景信息；對真實場景和相機位置信息進行分析；生成虛擬景物；合并視頻或直接顯示。更通俗地對AR應用設計開發流程進行拆分詳解可以分為以下幾個核心模塊：（1）確定目標識別物。業界往往選用二維圖像作為被識別目標，且目標應當具備邊緣清晰、色彩對比度強烈等具有較高被識別度的特征。（2）攝像頭掃描現實場景，尋找已設定好的被識別目標。（3）觸發識別目標后在實景中實時疊加生成特定內容，如三維模型（可含動畫）、視頻、交互界面、文字語音信息等內容。虛實結合的交互特點決定了用戶不會完全脫離實際教育場景，教學效果相對可控，而生成的虛擬內容能夠進行實時跟蹤則大大增強了用戶臨場體驗感，為進一步設計交互流程提供了基礎支撐。

二、抽象概念可視化

增強現實技術之所以在教育領域有著巨大的潛力和應用前景，除了虛實結合的核心特征以外，與它能夠將抽象的知識概念形象化、可視化，使信息獲取方式更加直觀也有關。將抽象的知識概念進行視覺化演示，有助于受教育者更好地理解和吸收新知識，尤其在低學齡兒童與青少年教育中能夠發揮極好的引導和輔助作用。

Bhadra、Brown、Ke、Liu為學齡前兒童開發了一款識字游戲“ABC3D”。這是一款增強現實手機游戲，旨在引導學齡前兒童學習認字。這個AR游戲分為兩個模塊：字母識別和物體收集游戲模塊，團隊用Unity 3D開發了這個AR游戲，然后使用Vuforia SDK進行圖像處理。兒童通過用移動設備掃描學習卡，設備屏幕中就會呈現相應的3d模型和畫外音，幫助孩子們學習詞匯、拼寫和發音。例如，當用戶正確寫入大寫字母T時，T將被識別，一棵樹的3D模型會出現，與此同時，系統將給出正確拼寫來加深兒童的學習記憶。這種AR游戲設計可以顯著提高學習興趣和學習效果，操作界面也相對簡單明了。由于目標用戶是幼兒，如何教孩子使用應用程序引入值得思考，這款應用程序總體交互流程相對簡便。由于增強現實游戲應用能夠將兒童難以理解的詞匯直觀的疊加呈現可觀看的三維模型，并且游戲式教學相比傳統模式更加具有趣味性，故而教學效果能夠獲得大幅提升。

三、多標記點識別互動

AR技術能夠支持多個標記點同時進行識別，被識別內容將會實時、同步出現在掃描設備中。以此為基礎，AR游戲設計者可以進行多模塊、所組件的交互流程設計。

蔡蘇團隊針對初中化學教育設計過一個AR應用游戲，團隊利用Java、NyARToolkit、Java3D和JMF開發了這個原型。它的目的是教學生兩個氫原子和一個氧原子如何通過相互作用組成一個水分子。三張卡片分別被設置為2個氫原子和1個氧原子的目標識別標記，在手持移動設備相機識別出目標后，相應的3d模型就會出現在畫面中。當學生將三張卡片組合在一起時，氫原子和氧原子會自動組合成并水分子。學生們可以近距離的觀察水分子結構。當他們進一步舉起卡片時，水分子就會轉變成水滴。這個AR原型非常簡單，省去了煩瑣的界面，通過簡單的交互直接學習化學分子知識。分子、原子等概念過于抽象，初中學生在進行學習時很容易引起困惑。而團隊利用增強現實技術將抽象等概念進行可視化設計，有利于學生學習復雜的物理知識。同時基于多標記點識別技術，學生能夠觀察到生動的三維模型并對其進行組合和創造，這將會極大地提高學生學習興趣和對物理知識的理解。

四、擴增內容提供學習情境

AR的應用開發早期主要由理工學科從業者進行探索，得益于AR技術多年的發展演變，各大主流設計軟件公司介入了AR開發平臺的建設，AR應用開發門檻相比從前已經降低許多，并關聯了更多功能模塊，這對于新媒體藝術設計從業者來說無疑是利好消息。視覺傳達藝術、交互設計、數字媒體藝術等學科內容現如今都可以疊加至增強現實應用模塊中，對于新媒體設計者來說，了解AR應用開發流程與平臺將對后續創作起到至關重要的作用。常見增強現實開發平臺主要有Vuforia、Wikitude、ARToolKit、Kudan、XZIMG等。對于交互設計師來說，Vuforia與功能強大的游戲開發引擎Unity進行協同創作是目前最為常見的選擇方式。除了簡單的掃描標記點出現虛擬三維模型以外，AR應用還能夠作為大體量擴增內容的載體，為用戶提供強大的情境和現場學習體驗。這些擴增內容包涵三維動畫、視頻、聲音、文字信息與UI交互界面等。只需要提前將標記點巧妙的融合進書本、卡片等教學用品中，用戶就能夠通過移動終端中交互界面的引導獲取無窮盡的學習擴展內容。

一家初創公司小河馬書（Little Hippo Book）針對家喻戶曉的故事“小紅帽”開發了一款增強現實兒童繪本應用。這家公司用Vuforia SDK和Unity 3D為常見的兒童繪本開發了這款AR游戲應用。它是為學齡前和小學年齡的兒童設計的。小紅帽兒童繪本需要搭配免費的Hippo Magic應用程序一同使用。購買小紅帽繪本后根據書中指南下載免費Hippo Magic應用程序至智能設備。兒童在翻閱故事繪本的過程中，可以掃描書中設置好的標記點，3D動畫和音頻就會出現在屏幕中。動聽的畫外獨白和生動的3d動畫將出現在真實的繪本上方，向孩子進一步講解故事。這款AR應用程序有著十分精美的藝術設計，應用程序的使用也極其便利。用AR交互和冒險故事重新構思傳統的兒童書籍，AR所提供的擴增內容提供了有趣生動的學習情境，吸引和激發孩子們的閱讀興趣，進一步強化了教育效果。

五、結語

AR既依托于科學技術的支撐，也能夠融合藝術設計學科的美學理念與用戶體驗設計，對AR應用的探索是跨學科、跨媒介、藝術與科技的通力合作。增強現實技術因其虛實結合、可視化、實時交互等獨特優勢受到了新興教育模式的青睞。增強現實技術在教育中有著廣泛的應用。它既適用于各年齡層次的學科教育，也適用于專項職業技能的學習和培訓。增強現實交互游戲可以顯著提高學生的課堂參與度，有利于學生集中精力與注意力，隨著開發平臺的技術發展，設計理念的推陳出新，增強現實技術在教育類游戲中的應用將會有更加廣闊的發展前景。此外，教育類應用的設計還背負著社會使命，AR游戲具有引導用戶自主學習、承載信息體量巨大的獨特優勢，AR交互游戲在教育領域的推廣還有助于促進社會教育公平。在這種新的環境下，如何設計AR游戲的教學流程，如何在學習過程中進行互動環節設置，并評價其學習引導效果，是當前增強現實游戲設計的難點。歸根結底，技術只是一種工具，合適的教學方法決定著教育的最終質量。

然而，盡管AR技術在各個領域都有著優異的發展潛力，但AR技術的應用實現仍然存在許多問題亟待解決。例如，課堂教學中教師很難控制AR教學的總體進度。AR教學設備的購置費用與后續管理成本高昂。此外，如何確保用戶使用移動設備進行有效學習而不分散注意力也是一種挑戰。AR帶給我們的不僅僅是單純的技術或開發工具，也是一種新興教學模式的探索。將增強現實技術應用于教育領域是一種新的嘗試，也是一個具有廣闊發展前景的課題。未來，隨著5G數據傳輸和移動設備的技術改造,以及創作開發平臺的普及化，AR技術的平臺局限性將逐漸降低。AR在教育領域的應用將深入到日常生活的方方面面，新媒體技術帶來的沉浸式體驗將更加真實。在大數據時代，教學模式與科技、設計的結合將具有廣闊的發展前景。