基于增強現實技術的兒童識字系統的設計

摘要：本文基于3～6歲兒童的認知發展特點，將增強現實技術（AR）與兒童識字相結合，設計了一個基于增強現實技術的兒童識字系統原型。該系統符合學齡前兒童的認知發展特點，同時加入了多樣化的交互方式，為兒童營造了真實生動、充滿趣味的學習氛圍，有助于提高兒童的學習積極性，促進兒童的漢字學習。

關鍵詞：兒童識字系統；增強現實；兒童認知特點

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 論文編號：1674-2117（2024）15-0092-05

研究目標

社會心理學家阿伯特·班杜拉認為，對已經具有使用象征符號能力的3～6歲兒童而言，記憶是一種生理需要，兒童識字更是兒童身心發展的必然需求。但在學前階段，兒童僅具有區分漢字和線條圖的基本能力，位置意識和部件意識還未能完全發展。[1]而增強現實技術（AR）可以將計算機生成的虛擬物品疊加在真實環境上，增加學習的沉浸感。所以，本研究結合3～6歲兒童的認知特點，將增強現實技術和識字系統相結合，通過在識字過程中融入動畫、增加交互功能、設計講故事的環節等，從多個方面促進兒童認識漢字、使用漢字，實現寓教于樂。

相關理論

1.增強現實技術與識字系統

增強現實（Augmented Reality，簡稱AR）是虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）技術的延伸，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。[2]

筆者發現，識字系統利用AR技術，能夠將計算機生成的圖片或文字疊加在現實物體上，增強信息表達，而兒童與系統交互能獲得語音、動畫等反饋，從而將實體物品和文字連接起來，實現整體記憶。

2.兒童認知特點

根據皮亞杰認知發展理論，3～6歲的兒童處于前期運算發展階段，他們的思維是具體形象的。3～6歲兒童對漢字的字形的認識是逐漸發展的，對漢字與似字符號的辨別能力隨著年齡的增長而提高，6歲兒童已經具備較好的辨別能力。他們對漢字的筆畫特征和組合模式的意識，也是隨著年齡的增長而增強。[3]另外，兒童對色彩是極為敏感的，色彩不僅能造成視覺上的沖擊，還能給心靈造成一定的觸動，影響兒童情緒，引發兒童的想象力。

3.AR技術在兒童學習的應用現狀

在促進兒童學習方面，AR技術大多與繪本相結合，利用AR的交互性來提升兒童學習意愿。在識字應用上，目前的產品大多是通過圖片和反復練習來幫助兒童識字。而利用AR技術將識字放入具體的環境中，可以更好地幫助兒童將知識與現實相聯系，利用生動有趣的交互功能提高知識的傳授效率。

系統設計流程（如圖1）

1.進行用戶調研

筆者邀請了部分幼兒園老師和學齡前兒童的家長進行訪談，了解兒童的行為特征和心理習慣。通過整理訪談結果，筆者對兒童的識字情況以及行為特點有了初步的了解，讓后續的設計有了依據。

2.確定理論基礎

通過訪談以及對國內外相關文獻的閱讀，筆者在本研究的設計中確定了以情感化設計為理論基礎，在滿足兒童識字功能需求的基礎上，更加關注兒童的情感需求，將情感融入設計中，在交互過程中實現情感共鳴。[4]

3.繪制用戶體驗地圖

用戶體驗地圖可以進一步了解用戶的使用感受和行為，并發現設計的機會點和痛點，優化設計流程，提高用戶體驗感，如圖2所示。

4.交互原型迭代

在實現數字原型之前，繪制紙質原型進行模擬，并不斷迭代確定數字原型。在數字原型制作的過程中，加入用戶可用性測試，以即時發現設計中存在的問題并及時修改。通過不斷地迭代和修改，確定最終設計的交互原型。

設計策略

1.鮮艷明亮的頁面顏色

色彩對兒童十分重要，針對處于前運算思維階段的兒童，色彩設計應選用濃烈、鮮艷的顏色，這樣可以引起他們強烈的興趣。[5]3～6歲的兒童已經具有一定的色彩靈敏度，他們更加偏愛明亮鮮艷、活潑亮麗的顏色。但是，如果一味追求鮮艷的顏色，效果會適得其反，所以畫面中可以加入一些中性色或者降低色彩的飽和度來進行調和。[6]在本研究的設計中應充分考慮3～6歲兒童的色彩心理，頁面設計選用鮮艷明亮的顏色，既符合兒童的色彩心理，也能很好地激發兒童的學習興趣。同時，還應注意加入一定的中性色或低飽和色，使頁面更加柔和。

2.虛實結合的內容呈現

在兒童識字的過程中結合AR技術，用虛實結合的方式呈現學習的內容，讓識字過程充滿更多的趣味性和互動性，能更好地提高兒童注意力。同時，兒童還可以與內容實時互動，這樣能激發兒童的興趣，提升兒童的學習效率和積極性。

3.簡單有趣的交互方式

學齡前兒童喜愛互動、游戲，因此，在設計中筆者加入了簡單且有趣的交互方式，給兒童營造一個沉浸式的交互氛圍，提升兒童的學習趣味性和積極性。

具體設計與關鍵技術

本研究旨在設計一個基于移動設備的AR交互兒童識字系統，使用戶可以通過掃描文字和實物學習對應漢字的字音字形，建立思維聯結從而達到學習的目的。除此之外，用戶可以將多個單字以編故事的形式進行串聯來學習抽象漢字的實際用法，或以識字游戲的形式將抽象文字和具體實物結合來加深記憶。

1.頁面整體設計

系統的邏輯結構主要分為四個部分，分別是掃描、練習、識字游戲和識字編故事，以掃描頁面為主頁面，通過點擊邏輯按鈕實現不同功能板塊之間的跳轉。系統邏輯框架如上頁圖3所示。

本系統在界面的色彩設計方面以功能風格為依據，將飽和度和明度雙高作為選色標準，掃描和練習板塊選用紅色和橙色兩種暖色作為主體色，針對識字游戲和識字編故事這兩個對邏輯性要求較高的板塊，選擇綠色和藍色兩種冷色作為主體色。系統主頁與功能跳轉如上頁圖4所示。

用戶打開系統即進入掃描頁面，通過手機攝像頭等硬件對文字、實景物品進行掃描或從儲存中調用圖片進行掃描，將文字與實際場景進行匹配，通過語音交互、雙指縮放旋轉、錄音跟讀等交互功能來實現漢字學習的體驗真實化，進而實現內容可視化。掃描文字、掃描實景和語音交互與錄音識別效果，分別如上頁圖5、上頁圖6和上頁圖7所示。

練習板塊設置了定時插件，通過語音識別來判斷用戶的文字掌握情況，在一定時間內通過答對題目的比例來檢驗學習效果，達到復習和鞏固記憶的目的。學習者學習動機的維持與學習反饋密不可分，系統將特別注意不同類別學習反饋的有效利用—根據習題的正確率高低分別給予正負反饋。[7]練習板塊的實現效果如圖8和圖9所示。

識字游戲板塊利用掃描功能使繪本中的圖案以3D效果形象展示，且可以選擇不同的聲音特效，進而增加了用戶的體驗感。游戲掃描頁面和結果反饋分別如圖10和圖11所示。

為了培養兒童的想象力，系統增設了識字編故事的功能。用戶可以自行選擇故事，在故事節點進行文字匹配以完善故事情節，不同的選擇將引導故事不同的走向，以此鍛煉學習者的詞匯運用和語句組織能力。

2.交互系統分析

系統設計中加入的交互主要有兩種：一是通過增強現實技術實現交互；二是用戶與系統頁面元素之間的交互。

用戶和界面元素之間的交互主要涉及手勢和語音兩個方面。通過對用戶的手勢進行監測可以實現不同的操作效果，如雙指合攏擴大實現三維實體的縮小和放大、單指滑動實現三維實體的旋轉立體展示和動畫互動等。掃描和練習板塊對麥克風收錄到的用戶語音進行識別，和數據庫中的標準語音進行比較，衡量用戶的學習效果。點擊交互、語音交互、手勢交互的融合給兒童帶來了多感官體驗，在這些交互設計的基礎上衍生的兩個游戲化輔助識字功能不僅能滿足兒童玩游戲的需求，還有助于增加系統趣味性體驗，激發兒童識字興趣，提升兒童的學習積極性。

3.關鍵技術

（1）3D實體的設計與實現

虛擬三維實體模型分為文字和物體兩類，其建立主要選擇了3Ds MAX軟件進行搭建。對于文字和簡單物體的建模，結合三視圖，通過“建模—貼圖—燈光—渲染”一系列操作進行模型的搭建。對于較為復雜的物體，采用分組建模，將各部分完成優化之后進行組裝、調整，最終構成模型。

（2）原型實現

本系統的開發充分運用了敏捷開發的思想，追求快速響應、迭代優化以及時間成本最低，因此設計階段選擇即時設計這一輕量級原型設計網站進行原型的設計與開發。同時，即時設計還支持共享創作實現溝通可視化，能夠顯著提高團隊協作效率。以即時設計為創作平臺，結合色彩選擇、邏輯結構和已搭建完成的3D實體模型實現原型設計和交互效果初步呈現。

（3）交互實現

在圖像識別方面選擇基于標記的追蹤方法，在Unity 3D中導入SDK，利用掃描圖片的特征點來進行圖像的識別。選用操作相對簡單的Play Mark插件進行可視化編程，結合Unity 3D中的Touchscript手勢識別插件來實現手勢操控三維實體的旋轉伸縮等。

將文字的發音和音效通過Adobe Audition進行剪輯處理，然后導入Audio Clip，結合Audio Source組件和Image Target，在監測到指定目標物后用腳本控制Audio Source在實體展示時對特定內容進行播放，移開自動停止。

（4）用戶數據庫的自動生成

漢字數據庫和用戶個人數據庫的建立運用SQL Server2008進行搭建，通過問卷和訪談對3～6歲兒童最需掌握的漢字進行收集，然后進行資源整合，將各漢字的文字、圖片、音頻和制作的3D模型錄入漢字數據庫。基于建立的漢字數據庫，結合掃描工具自動調取該漢字的有關數據，學習后錄入用戶個人數據庫以保障練習功能的使用。

結語

兒童識字系統的設計應符合兒童的認知特點，同時，AR技術可以構建具有真實感的學習氛圍。所以，將AR技術和識字系統結合，可以更好地提高兒童學習的主動性。

參考文獻：

[1]李虹，彭虹，舒華.漢語兒童正字法意識的萌芽與發展[J].心理發展與教育，2006（01）：35-38.

[2]蔡蘇，宋倩，唐瑤.增強現實學習環境的架構與實踐[J].中國電化教育，2011（08）：114-119+133.

[3]趙靜，李甦.3～6歲兒童漢字字形認知的發展[J].心理科學，2014，37（02）：357-362.

[4]李盧一，許蓉，鄭燕林.ARCS模型視角下網絡學習反饋設計[J].現代遠距離教育，2013（03）：66-71.

[5]羅碧娟.探析兒童產品的色彩設計[J].包裝工程，2008（01）：177-178+186.

[6]朱吉虹，趙越超.基于兒童認知發展的學齡前兒童APP界面交互設計研究[J].包裝工程，2020，41（10）：42-48.

[7]張枝實.虛擬現實和增強現實的教育應用及融合現實展望[J].現代教育技術，2017，27（01）：21-27.

基金項目：2023年江蘇省高校大學生創新創業訓練計劃項目“基于增強現實技術的兒童識字系統的設計與開發”（項目編號：202310293141Y）。