基于增强现实技术的幼儿教育平台研究

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摘要

  随着互联网+教育地全面推进，利用Vuforia和Unity3D软件，根据幼儿教育的教学内容，提出一种针对幼儿教育的增强现实技术平台的有效解决方案，并以实际测试的案例做详细说明。

Abstract

With developing of Internet plus education,according to teaching contents of preschool education,we present an effective solution for preschool education based on augmented reality technology platform with Vuforia and Unity3D software.In the last part ,we explicate a real testing example in details.

关键词： 增强现实;幼儿教育;图像识别

Keywords: augmented reality;preschool education;image recognition

中图分类号：G434  文献表示码：A

0 前言

  处于生理、心理、情智急速发育阶段的学龄前儿童，具有活泼、爱玩、好动、渴望交流等特质。对于幼儿而言，这一特定年龄段的心理特点，决定了他们对丰富多彩的外部世界都有特别新奇的感觉，对知识的认知和积累都非常迅速。美国脑科专家戴蒙德提出，开发幼儿潜能、创设良好环境要给予幼儿稳定的情感支持、刺激多种感觉器官、创设宽松氛围、提出新奇的任务挑战、注意培养幼儿社会交往能力、促进幼儿全面发展以及让幼儿积极参与^【1】。随着互联网的飞速发展和富媒体技术手段的普及，如何在现有幼儿教育环境中，搭建具有富媒体化和富信息化的平台，帮助幼儿在轻松、协调的氛围当中，高效、快乐地促进对语言、艺术、健康、社会、科学等方面知识的学习，成为新兴的课题。

1 幼儿教育环境现状分析

有研究者将幼儿教育环境划分为校园环境、教室环境、社会信息和人际关系四大类，根据这四类环境因素，有调查数据显示，家长在选择幼儿园时，最注重的三个方面依次为：幼儿园的教育理念（有65%的家长选择此项）、幼儿园环境（有62.5%的家长选择此项）、离家近方便接送（有50%的家长选择此项），幼儿园的收费与性质排在最后， 分别有22.5%和22.4%的家长选择此项。可见， 幼儿园的精神环境与物质环境已成为家长选择幼儿园的最重要的两项指标， 而幼儿园性质与收费反而不是家长考虑的首要问题， 这与大众的常规印象有较大差距， 也一定程度上反映了我国民办幼儿园在发展与资费控制上取得了一定的成效，得到了家长的认可。在对幼儿园信息技术环境的调查中发现，大多数城市幼儿园配备了触摸屏液晶电视、多媒体教学设备或交互式电子白板。幼儿教师对于目前信息技术硬件条件满意度也达到90%以上，但是在教育软件和课程开发与使用上，83%的教师表示课程内容主要来自于自己备课与网上资源，77%的人希望能够有优质课程资源库，67%的教师希望提供培训， 提升自己的信息技术教育技能^【2】。

2 增强现实技术对幼儿教育的作用

增强现实技术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，可以把原本在现实中很难体验到的实体信息（视觉信息、声音、味道、触觉等），通过计算机模拟仿真后再叠加到现实中去，从而达到超越现实的感官体验。以具有幼儿科普书籍为例，儿童科普读物的目的是通过通俗易懂的语言、清晰明了的图画、生动有趣的案例，向儿童传播科学知识、阐释科学原理。然而传统科普读物的“文字+图片”的方式在介绍静态信息时尚能胜任，但当面对动态特征信息时就显得力有未逮了。例如，需要演示发动机的结构以及它是如何工作的，图片可以把发动机的结构展示得非常清楚，但却难以演示发动机工作时的过程与状态，而增强现实科普读物却可以通过动画、交互的形式清楚地加以演示。尤其是增强现实的实景交互功能可以极大地提升使用体验，增加获得知识的满足感，并进一步增进儿童阅读科普读物的兴趣^【3】。

3 增强现实平台结构和实现途径

   在幼教专家的指导下，针对幼儿故事等具体内容，连接幼儿教师和增强现实技术人员，在故事内容选取、知识点设计、表现形式、交互设计等方面，进行细致地课程设计，结合增强现实软硬件平台实验室（功能室），最终形成完整幼儿教育的课程内容。增强现实理论模型具体结构如图1。

图1 增强现实（AR）幼儿教育理论模型示意图

   近几年来，新一代的移动智能设备完整的硬件配置和广大的用户群让移动增强现实（ Mobile Augmented Ｒeality，MAR） 成为AR 技术未来发展的主要方向^【4】。其应用场景也是逐渐多样化，Shatte^[5]等提出了一个基于场景感知的MAR图书馆管理系统; Jin^[6]等使用触觉震动垫实现了一个交互式增强现实系统。本系统采用Vuforia SDK、AR定制器、AR观察器和AR服务器。其中Vuforia 是一个基于人工标志的平面增强现实开发SDK，它包含稳定的图像识别技术和图像追踪技术，可识别图片、文字等，用户将目标图像上传至Vuforia 数据库“注册”后会得到目标图像的识别文件，任何使用Vuforia SDK开发的AR应用只要加载指定图像的识别文件就可识别追踪该目标图像，用户无需考虑图像识别与追踪的实现技术。AR定制器通过配置需要识别的目标图像所支持的用户交互事件与执行相应操作及操作所需要的资源来生成XML配置文件。它把经过Vuforia图像识别处理过的图像进行二次加工，开发者可在目标图像上添加热点，设置该热点的触发类型与虚拟效果，并将设置内容生成可在AR观察器被解析的XML文件。热点类型有区域热点（ rectangle Hotlink），点热点（pointHotlink），模型热点（modeHotlink），每种热点可由某些触发动作（ 单击、双击、长按、滑动等）来引发相应的事件（打开网页、播放普通视频、播放AR视频、打开全景图、渲染3D模型等）。每个XML文件包含多个热点的配置信息，每个热点可以有多个事件以引发不同的操作。AR观察器是运行于移动智能设备，如手机、平板电脑等设备上的一个移动应用软件，适用于支持IOS、Android等移动操作系统的设备。它可以下载AR应用开发工具导出的配置及资源文件，并在观察器内读取XML配置文件以在指定的位置显示指定的资源。AR服务器包含了ftp服务。AR观察器通过文件下载的方式获取服务器数据，这样在下载过程中就无需进行格式转化，对服务器的使用和管理更加简单。AR服务器中对应每一个目标图像都包含以下三部分内容: 图像识别文件（.dat文件与.xml文件Vuforia生成） 、图像XML配置文件（AR应用开发工具生成）和图像资源文件（包括3D模型、视频等AR定制器设置）^[7]。增强现实系统基本功能结构如图2。

图2 增强现实系统基本功能结构图

4 增强现实平台案例

   目前，幼儿教育类增强现实产品大多以图书、填涂卡片为主。我们采用幼儿日常使用频率较高的喝水杯为例，通过增强现实技术，表达更为有趣和生动的画面和声音。本案例以马克杯花口做为识别图，最终在移动端呈现动态虚拟模型。识别图的制作过程依次为平面图识别点测试，平面识别图根据杯子的外部性状进行畸变，生成符合实际外观识别图，过程分别如图3—图5。

 

图3 马克杯图案识别点测试

 

图4 符合实际杯子外观的识别图

 

图5 马克杯外观识别图

根据马克杯实物，进行测试的效果如图6。

 

图6 马克杯AR测试效果

5 结论

从上面实现的例子里面，我们看到无论在AR系统平台建设可行性，还是实际教学效果都得到了预期的结果，采用Vuforia SDK和Unity3D，根据幼儿教学的具体内容，以增强现实的方式呈现传统知识点，这种移动互, 联网+幼儿教育的方式，在将来少儿创客教育（STEAM<, /SPAN>）当中，也将会有爆发式的增长。

参考文献

[1] 张俊燕.幼儿园课程教学论[M].郑州：郑州大学出版社，2008：57－58.

[2] 康帆. 增强现实技术支持的幼儿教育环境研究——基于武汉市某幼儿园的调查与实验[J]. 电化教育研究，2015，（7）：61－65.

[3] 萧冰,王茜. 增强现实技术在儿童科普读物中的应用研究[J]. 科技与出版，2014，（12）：108－111.

[4] de SAM,CHURCHILL E F,LSBISTER K. Mobile augmented reality:design issues and opportunities［C］// Proceedings of the 13th International Conference on Human Computer Interaction with Mobile Devices and Services． New York: ACM， 2011: 749 － 752．

[5] SHATTE A， HOLDSWOＲTH J， LEE I． Mobile augmented reality based context-aware library management system［J］． Expert Systems

with Applications， 2014， 41（ 5） : 2174 － 2185．

[6] JIN M S， PAＲK J I． Interactive mobile augmented reality system using a vibro-tactile pad［C］// Proceedings of the 2011 IEEE International Symposium on VR Innovation． Piscataway: IEEE， 2011: 329 －330．

[7] 褚伟龙，柯程远，纪昌红，李雅妹，张庆丰. 移动增强现实框架系统[J]. 计算机应用，2015，（35） : 214 － 216.