浅析增强虚拟现实技术在儿童教育中的应用

南阳医学高等专科学校 王燕军

0 引言

当今世界，知识成为了十分重要的因素，各国都对教育文化事业的开展引起了重视，中国也不例外，随着教育体制改革的深入发展，儿童教育得到了国家和社会各界的广泛关注。利用计算机技术和现实技术，强化儿童教育，让儿童在愉快的环境氛围下，提升强化自身能力，为儿童的健康成长奠定良好的基础。因此可知，必须要强化增强虚拟现实技术的研究，从根本上提高儿童对知识的兴趣，推动儿童教育得到全面发展。

1 传统儿童教育领域的发展现状和问题

1.1 儿童教育领域发展现状

随着教育体制的改革发展，儿童教育已经较为成熟，在传统领域中形成了绘本、读物、游戏、玩具、动画等媒体产品，儿童教育的市场需求会不断扩大，对产品的要求也会逐渐提高，因此必须要丰富产业链，拓展产品形式，充分满足消费者需求，才能够推动产品得到全面的发展。但是，纵观现阶段市面上的儿童教育产品，教育模式较为单一、落后，对儿童的吸引力较差，没有调动儿童的主观能动性，没有取得良好的教学效果，教学产品的作用也没有得到实质性的发挥。此外，家长在使用教学产品时，没有融入到教育环节中，无法和孩子间进行有效的交互，家长枯燥的讲解故事，孩子被动的倾听，在这样的情况下，教学效率无法得到真正的提升，学习效率也会相应降低，严重的情况下，还会让儿童丧失学习兴趣。新时期倡导的是主动学习，要让儿童的主观能动性和学习热情得到充分的调动，让儿童教育活动得到良好的开展，才是最佳的教育方式[1]。

1.2 新时期儿童教育领域中存在的问题

信息技术的发展，让移动电子设备不断普及，越来越多的家长选择教育类APP取代传统的纸质图书和应用动画，虽然这种手机程序和电子设备在一定程度上，融入了先进的教育方式和教学理念，但是也会让部分儿童对电子产品产生依赖。儿童在认识世界的过程中，更多的是通过视觉、听觉、触觉等方面，APP程序虽然能够解决视听方面的要求，但是智力开发上还不能够满足儿童教育的需求，不仅如此，如果在教育过程中长时间应用这种单一化的的教学APP，会不断弱化、限制儿童能力的发展，对儿童的学习和成长造成严重的打击。

2 虚拟现实技术在现代儿童教育中的优势

2.1 交互性

将增强现实技术应用在现代儿童教育中能够有效提高交互性，通过计算机技术，用户可以和虚拟角色进行互动交流，充分的融入到了教学活动中，体验教学活动的乐趣[2]。以增强现实立体书为例，儿童在阅读的过程中，通过旋转纸质图书，就能够看到虚拟角色或者图形的角度变化，全方位的了解到角色的不同部位，比如《Fairy-land Magic》这本增强现实立体书，当用户转动图书时，书中的花仙子也会随之转动，而当用户按下相应的操作键后，花仙子就会做出跳舞、演奏等动作。

2.2 趣味性

阅读是教育的核心方式之一，在阅读过程中，儿童能够增长和知识，认识新事物，趣味性浓厚的图书，能够调动儿童的积极性，在阅读过程中体验到学习的乐趣，获取大量的知识。和传统纸质图书相比，增强现实立体书的趣味性和艺术形式更强，因此教育作用也就相对较大。比如，某公司利用增强现实技术开发出来的增强现实立体书，让书中的动物、角色可以跟着音乐节奏扭动，这种生动、有趣的手法能够让人难以忘怀。

2.3 逼真性

增强现实技术在现代儿童教育中应用，能够有效提高逼真性，传统的儿童教学活动，过于抽象化，儿童无法对空间、物体产生真实的理解，但是利用增强现实技术能够给儿童构建一个生动、真实的情景，有效激发儿童的学习兴趣。以《Dinosaurs Alive》为例，这本增强现实立体书将已经灭绝的恐龙形象逼真的的呈现在儿童面前，并且通过动画展现出了恐龙的生活状态、斗争场景，给儿童留下深刻印象的同时，也让儿童充分理解了恐龙的习性[3]。

2.4 创造性

创造性是儿童成长发展的重要条件，因此在儿童教育中必须要得到重视，一个创造性的图书，能够有效激发儿童的创造力，赋予儿童无限的想象力，在增强现实技术中，让虚实相融合，构建形成三维虚拟物体，从而调动儿童的好奇心，激发拓展儿童的探索创造欲望，依旧是以《Fairy-land Magic》这本增强现实立体书为例，在阅读的过程中，花仙子从花蕾之中出现，随着花仙子和儿童的交互，利用增强现实技术，在无形之中就会开启儿童的想象力和创造力。

2.5 沉浸性

除了上述几点内容以外，增强现实技术构造出了一个虚拟的场景、人物和用户进行互动，让用户在真实的环境中体验到虚拟角色，能够提高沉浸性，尤其是在增强现实立体书中，利用三维动画构造出来的动态化、立体化的故事，让用户体沉浸在故事情节中，体验到奇妙的感情经历，并且强化了视觉、听觉、触觉等感官，在阅读过程中全方位的接收到了知识。

3 增强虚拟现实技术在儿童教育产品中的应用

3.1 具体应用方案

由上可知，在儿童教育领域中，利用增强现实技术是新时期一种全新的教育形式，在这个过程中增强现实技术创造出了一个虚拟化、数字化的学习环境，在这个学习环境中，儿童能够从视听触等角度和周围环境进行交互，和知识建立起相应的链接性。在儿童教育中最为常见的就是绘本教育，将绘本和虚拟学习场景相结合，能够让增强现实技术和绘本教育发挥出更大的作用，在互动中将知识传授给儿童。想要在这个过程中正确的应用增强现实技术，首先，要从儿童的阅读兴趣出发，以满足儿童阅读兴趣为根本目的，优化传播途径。可以让儿童欣赏动画版的科学讲解，让儿童愿意接受科普知识[4]。以某博物馆为例，开展了儿童科普读物专栏活动，并且在活动中加入了增强现实技术，运用这种技术让儿童欣赏到不同的海洋生物，并且加以注解，比如解析“珊瑚”时，运用3D动画技术，将珊瑚的标本和虚拟海洋技相结合，以此让儿童对海底生物有着具象化的认知，从根本上调动儿童的阅读兴趣。其次，在实现增强现实技术的过程中，应该充分发挥该技术的交互性，逐步的展示科普知识体系和虚拟内容，逐层深入，引导儿童去认识知识、了解知识，形成知识满足感。最后，就要强化只适合儿童的互动，实现交互效果，发挥出虚实结合的作用，将纸质书籍和虚拟技术进行完美的就傲虎，为儿童提供和页面相符合的光影动画技术。

3.2 案例设计分析

由上可知，儿童教育中引用增强现实技术，可以使用数字脚本编程语言、交互动画技术和3D建模等技术，为儿童提供生动形象的立体图书，在这种应用方案的基础上，能够全面的实现交互效果，满足儿童教育的需求。因此可知，在具体设计实现增强现实技术时，可以分为三个部分，分别为：美术设计、程序设计、标记设计，根据调查显示，儿童在上学初期会产生一定的心理压力，因此要让儿童阅读一些和学校、上学相关的知识，以此降低儿童的心理压力，本文选择了《上学去》儿童教育绘本，展开具体的互动立体书设计。

（1）美术设计

首先是美术设计方面，在这个过程中包括了三维模型设计、音频录制以及纸质图书设计这三个部分，首先要考虑到图书的排版印刷情况，确定图书的尺寸、效果、页数、装订方式等。其次，考虑到儿童的认知特点，要保证色彩明亮、图形真实、故事简单。最后，图书还要和增强现实技术相结合，形成立体书，因此在这个过程中还需要加入虚拟三维模型标记，并且对文字、图形的编排形成具体的方案。比如，本文设计的图书尺寸为210mm×240mm，整本书一共20P，选择的装订方式为骑马订，版面则采用了左右结构，左边图片、右边文字以及虚拟三维模型[5]。采用了Maya三维软件进行建模和动画制作，这种软件本身就常用于动画、电影、游戏等方面的制作，在制作过程中还要注意角色模型的面数，保证模型逼真的同时，要将模型控制数量在2000-3000个范围。想要实现交互效果，还需要进行音频录制，不仅如此，学龄前儿童还有很多文字不认识，因此声音的录制尤为重要，要保证发音标准，音质清晰，有效强化阅读的感情。

（2）程序设计

在完成基础的美术设计后，还要进行现实程序设计，在这个部分主要是利用计算机技术获取纸质图书中的标记图形，并且根据标准图形，实现出虚拟图形，并且融合到真实环境之中，最终呈献给读者一个逼真生动的三维图像，完成交互沟通，因此可知这是增强现实技术立体书成败的关键问题。这就意味着，要保证设计的合理性和真实性，在这个设计部分，利用了Action Script3.0语言在软件Flash Develop中开发形成，其中标记制作的软件为：ARToolKit Marker Generator，而跟踪类库使用的则是FlarManager，此外，在这个过程中还需要利用到三维框架，框架软件为Papervision3D。具体的程序设计原理图如图1所示。

（3）标记设计

程序设计完成后是标记设计，在这个环节中，是要实现所需要的标记图形，一般情况下，这种标记图形的设计工作是要在软件中绘制使用，应用的软件为：Illustrator。需要注意的是，在设计过程中必须要遵守相应的识别要求。因为本文应用的标记制作软件为ARToolKit Marker Generator，因此在设计就要遵守软件中的识别原则，这种软件要求有50%的黑色识别框，不同页面上出现虚拟物体不同，绘制的标记图形也就各不相同，因此在这个过程中，要降低标记图案的复杂程度，强化识别效果的同时，提高设计效率。在完成了基本的设计工作后，还要采用相应的技术实现程序，在增强虚拟现实技术中，需要对配置文件进行设计、将运行环境实例化、标记识别管理、实现声音交互和三维展示，这些都是利用代码形成，最终形成全面的发展。

图1 程序设计原理图

3.3 具体使用效果

虚拟现实（Virtual Reality），简称AR，是近年来出现的一种高新技术，在上文对儿童绘本互动立体书的制作过程进行详细的分析后，以某科技产品的儿童教育产品为例进行具体的使用效果分析。该儿童教育产品中不只包括了实体绘本，还有卡通徽章、外套、手机APP程序，在产品中既包含实体物品，也包含了相应的AR程序，通过两者共同配合，完成对儿童的教育。该教育产品的绘本通过图形、文字、动画、语音等内容，让儿童了解不同的动物习性和性格，在娱乐中学习知识。此外，该产品只需要通过手机摄像头，就能够听到、看到三维动画的形象和声音，操作模式简单，在游戏过程中可以提高亲子互动。这款AR儿童教育产品，让儿童全方位的体验到了学习的乐趣，也让家长能够积极参与其中，在家长和儿童之间建立起为相应的纽带，从根本上完善家庭教育。此外迪士尼公司使用增强现实技术为书籍《动画世界》设计出来的立体交互模型，交互效果极佳，不仅加强了互动性，在数据和虚拟技术的基础上还形成了和书籍内容相符合的光影动画，让儿童更好的认知动物，同时也会激发儿童保护动物的意识。不仅如此，迪士尼公司创新引入了笔记和点赞功能，利用书籍页面和手指彩图，配合增强现实和摄影技术，让儿童和屏幕书籍也能够进行交互，从根本上提高了儿童的学习兴趣。

4 总结

综上所述，增强现实是新时期的一种计算机技术，这种技术的使用能够让使用者全身心的投入到获取信息的过程之中，将这种技术应用到儿童教育之中，有效提高儿童的兴趣和好奇心，让儿童的注意力能够得到长时间的集中，因此可知，增强现实技术在儿童教育上有着较大的市场前景。这种通过虚拟化技术将知识传递给儿童的方式，不仅是对传统教学方式的丰富，也是让儿童从不一样的角度去学习，形成了互动化教学。

[1]刘德建,刘晓琳,张琰,等．虚拟现实技术教育应用的潜力、进展与挑战[J]．开放教育研究,2016,22(4)∶25-31．

[2]冯丽,张宏．虚拟现实技术在教育领域中的应用[J]．信息与电脑∶理论版,2016(13)∶249-250．

[3]赵一鸣,郝建江,王海燕,等．虚拟现实技术教育应用研究演进的可视化分析[J]．电化教育研究,2016(12)∶26-33．

[4]王琳．3D虚拟现实技术在教育教学中的应用策略探析[J]．中国教育技术装备,2016(6)∶3-5．

[5]况扬,汪欣．虚拟现实技术在教育教学中的应用[J]．中国成人教育,2016(10)∶110-112．