增强现实技术在基础教育教材领域的应用现状及发展策略

赵晓嬿

[摘 要] 增强现实技术由于具有立体化、交互性、关联方式安全、使用便捷等特性，在基础教育阶段具有很强的应用性。然而目前AR技术在基础教育领域的应用仍存在开发成本高、内容维护难度大、潜在影响青少年视力、盈利模型不清晰等问题。因此现阶段国内出版社在开发基础教育阶段AR立体化教材时，应结合自身定位和学科需求策略性地选择开发方式，确定模型的精细度、必要性以及技术的应用形式和融合形式，并积极推进技术标准实施、探索盈利模式和商业模型，让AR技术成为出版社数字化升级的新支点，为教育出版注入新动力。

[关键词] 增强现实 基础教育 教材 标准

[中图分类号] G239[文献标识码] A[文章编号] 1009-5853 （2019） 06-0093-05

[Abstract] The applicability of augmented reality technology in the preliminary education stage is highly strong due to its three-dimensional， interactive， safe and convenient use. However， there are still some problems of the application of AR technology in the field of preliminary education， such as high development cost， difficult to maintain the content， potential impact on teenagers vision， unclear profit model and so on. Therefore， when developing AR three-dimensional textbooks for preliminary education， domestic publishing houses should strategically choose the development mode， determine the precision and necessity of the model， and the application form and integration form of technology according to their own positioning and the requirements of disciplines， as well as actively promote the implementation of technical standards， and explore the profit model and business model， so as to make AR technology a new fulcrum for the digital upgrade of publishing houses， and inject new impetus into Educational Publishing.

[Key words] Augmented reality technology Preliminary education Textbook Standard

增強现实（Augmented Reality，AR）技术，是一种借助计算机图形、可视化等技术，将虚拟信息叠加到真实环境中，从而达到超越现实的感官体验的数字化技术。随着移动终端的普及，近几年AR技术快速发展，在医疗、建筑、游戏、新闻等多个领域均有广泛应用，并为这些行业带来了重大影响和变革。2018年教育部等5部门印发《教师教育振兴行动计划（2018—2022年）》，明确提出：“充分利用云计算、大数据、虚拟现实、人工智能等技术，推进教师教育信息化教学服务平台建设和应用，推动以自主、合作、探究为主要特征的教学方式变革。”

与虚拟现实技术相比，增强现实技术既具有立体化、交互性的特性，又无需佩戴沉重的头盔，在基础教育阶段具有更强的便捷性和应用性。在基础教育教材中引入AR技术，不仅可将音频、视频、动画、游戏、全景图片等多媒体资源与教材“无缝”链接，而且可将抽象的文字或平面图片立体、形象地呈现出来，并可实时互动，从而为学生带来浸入式、交互式的学习体验，为教师提供多层次的信息化教学资源，也为教育类出版社数字化转型和知识服务升级提供新的探索方向。

1 AR技术在教育出版领域的应用现状

由于技术上先行一步，国外教育类出版社早在2012年就开始涉足和布局AR出版。而国内出版社近几年在各分支教育领域多有尝试，陆续推出了一些较具代表性的AR出版物，尤其在基础教育领域进行了多种有益尝试。

1.1 国外应用现状

国外知名教育出版社，如麦格劳-希尔教育集团（McGraw Hill Education）、培生（Pearson）等，在AR出版领域早有尝试与布局。麦格劳-希尔教育集团早在2012年就与韩国互动媒体集团蜻蜓公司合作，开发针对亚洲儿童的英文教材。培生则在2013年与莱尔公司（Layar）推出手机应用“跳跃的页面（Bounce Pages）”，并将其应用到德克萨斯州学生的教科书中。使用者打开应用摄像头扫描页面，就可以在屏幕上看到人物、风景和对书本内容的生动解释;使用的教材都有120页内容可以产生AR效果。2012年，专注教科书的日本“东京书籍株式会社”（Tokyo Shoseki）也发布了AR系列教科书，涵盖物理、天文、化学、数学等学科。其通过AR技术将教科书和数字内容相连接，提高学习者对教科书内容的理解。

1.2 国内应用现状

在近年一份较多被引用的关于AR技术在出版业应用情况的报告显示 ：截至2017年，京东、当当、亚马逊三大电商平台可统计的AR图书共275种，其中科普类为168种，动漫动画类56种，占比分别为61%和20%;教育类为46种，占比17%。在AR教材类出版物中，高等教育、职业教育、基础教育类几乎齐头并进。其中，高等教育、职业教育类AR教材主要来自国内几家大型教育类出版社，如人民卫生出版社、北京大学出版社、人民邮电出版社等，内容主要集中在医学、机械、汽修等。基础教育类AR教材起步较晚，还处于发展初期;但是近几年陆续推出了一些在创新性和品质上都具有较高认可度的代表性教材。如青岛出版社在2016年推出的新版《快乐足球》教材，人民教育出版社在2017年与梦想人科技合作推出的《校园足球（跨媒体3D版）》。这些产品通过AR视频技术，对足球技战术进行立体化展示，学生可以从各个角度反复观看动作细节，切实解决了足球教学中的痛点。

考虑到教材严格的审核机制，一些教育出版社选择以AR教辅类图书、课外读物作为试水AR技术的切入点。如北京师范大学出版社在2018年推出的《AR学化学：高中化学物质结构与性质》，将计算机动画制作成优选的增强现实内容，学生可在屏幕上任意转动结构模型，观察微观细节;在部分交互过程中，使用者还可自主点选元素，生成对应的结构，获得更加个性化、深层次的交互体验。江苏凤凰教育出版社推出的《小学科学活起来》依据义务教育小学科学课程标准编写，以4D形式呈现知识性动画，并具备交互功能。此外，山东教育出版社出版的《暑假生活指导》、龙门书局出版的《黄冈小状元》等，对AR技术也有不同程度的应用。

由于教材出版的特殊性、开发成本、技术结合度等因素，现阶段国内基础教育领域AR出版物在数量上仍较为有限;品种也有一定局限性，主要集中在小学科学、体育等学科上;AR教辅图书多是试水行为，单点开花，尚未形成体系规模。在技术应用层面，多为浅层的图像识别，建模、交互等技术虽有涉猎，但仍处于初级阶段。AR教材类出版物还有很大的探索和发展空间。

2 基于AR技术的基础教育教材的优势

相对于传统出版形式，基于AR技术的基础教育教材优势显著，主要体现在以下几个方面。

一是可具象呈现文字和二维图片难以解释的抽象概念，以及现实中难以直接观察的对象，创建立体、形象、直观的学习内容，如分子结构、人体内部结构、磁感线、等高线等，解决纸质教材无法攻克的教学痛点。

二是AR技术可以将音频、视频、动画、游戏等多媒体资源与纸质图书有机融合。同时还支持新型的360゜全景资源，极大地突破了纸质图书承载信息的约束，给学生带来更加丰富、有趣的学习体验。

三是支持实时交互和多种交互形式。学生可以根据个人需求对3D模型进行实时的旋转、缩放、透视等操作，并可自主选择播放多媒体资源，满足自主化、个性化的学习需求，使传统的静态、单向、被动式学习方式转变为浸入式、互動式、探索式的学习体验。同时，有些交互操作基于手势，摒弃了鼠标、键盘，让学生以一种更为自然的方式与虚拟对象和场景进行交互。

四是可以实现图书内容的动态更新。纸质图书内容的更新和补充只能通过教材再版来实现。AR技术可在纸本内容不变的情况下，通过后台迭代及时更新关联内容，赋予图书动态的生命力。

五是保障教材使用的安全性。教育部在《关于2017年中小学教学用书有关事项的通知》中明确提出：“中小学教材中一律不得出现提供额外教学辅助资料的各类链接网址、二维码等信息”。这让中小学教师和学生查找资源增加了难度。AR技术基于图像识别算法，不需要对页面做任何更改，就可以将多媒体资源与图书相关联。

3 基础教育领域AR出版物面临的问题

虽然AR技术对于基础教育教材优化升级推动作用显著，但现阶段出于出版社自身基因、技术应用成熟度、用户特点等原因，基础教育领域AR出版物开发面临的问题也不容忽视，主要包含以下5个方面。

开发成本高，技术人员缺乏，自主研发难度大。相较于传统图书，AR类图书涉及三维数字内容的制作和程序的编写，技术开发成本较高。1个AR模型的制作成本一般在3000—20000万元不等;1本包含10个左右AR模型的图书，仅模型制作费用就可高达数十万元。而教材在出版和审核上都更为严格，对3D模型的精细度、交互操作、增强效果等的要求也就相应更高，进一步加大了AR教材的开发成本和开发难度。

此外，AR出版具有一定的技术壁垒，需要专业技术人员;而出版行业技术人员缺乏，如果自建团队，技术人员薪资较高，人力成本会大幅上升，这限制了出版社自主研发的步伐。

合作开发、引进版权模式下，内容维护难度大。出于开发成本、周期和人员的多重考虑，现阶段多数出版社还是选择委托开发或合作开发的形式。这两种情况下，存储AR内容的后台服务器通常不在出版社，而在技术公司手中，内容维护难度较大。一些引进版权的AR教材，也存在类似情况。

资源关联和存储依托网络，使用安全性上存在一定风险。AR内容的存储、关联和使用都需要网络环境，有可能出现识别无效、关联失效、关联错误、显示滞后等问题。因此，出于安全性考虑，不少出版社对AR教材、教辅仍持观望态度。

内容呈现依赖电子设备，青少年长时间使用影响视力水平。AR出版物大多需借助手机、平板电脑等电子设备进行阅读，基础教育教材的使用主体是青少年，视力正在发育期，长时间观看电子屏可能会对视力造成影响。

盈利模式尚不清晰，财政资金支持力度有限。教材定价相对固定，教辅类图书定价虽有一定自主性，但使用者对AR体验的需求弹性很大。因此，高昂的开发成本，很难从价格和销量上得到弥补，盈利模式仍有待探索。同时，虽然国家相继出台鼓励增强现实和虚拟现实技术应用的政策性文件，但关于人才培养、项目支持方面的财政性政策和扶持基金仍然缺乏，资金层面支持力度有限。

4 基础教育领域AR立体化教材的发展策略

通过对AR技术在基础教育领域应用的问题分析，以及国内外AR立体化教材和教育应用成功案例的比较，现阶段教育类出版社可以从以下几方面有策略地进行基础教育阶段AR立体化教材的开发。

4.1 结合自身定位和能力，策略性选择开发方式

现阶段，出于开发成本和开发难度方面的考虑，多数出版社更倾向于也更适合以合作开发的形式推出AR教材。国内已有中国科技大学先进技术研究院、梦想人科技等科研机构和技术企业研发了专门针对新闻出版行业的AR数字出版系统。选择合作机构时，对AR数字出版系统的考量需从以下3个方面进行评估：一是系统执行“三审三较”制度，可进行关键点把控，保障AR出版内容的政治性、科学性和逻辑性;二是平台符合AR数字出版规范和ISLI标准体系，保证编码规则的一致性，提高不同终端的兼容性，以减少多版本开发费用;三是具有应急处理功能，当发现不当内容时，管理员可及时登录应急账号，对存在问题的内容、出版物进行删除或下架处理。

当然，技术决定发展。待时机和条件成熟时，部分出版社还是应自建研发团队，开发符合自身需求的AR数字出版系统，从源头保证AR内容的规范性、维护的便捷性，以及在发行、管理、运营上的自主性。

4.2 建立自有3D模型库，注重模型的精细度、区分度和必要性

一些技术企业立足AR技术优势开发了3D模型库，但内容质量参差不齐。而教育类出版社基于多年的知识服务建设，积累了大量内容资源，而且相当一部分建立了自己的知识元库和知识体系，在3D模型库的建设上有着天然优势。所以，有条件的出版社建立3D模型库是一种自然和必然的选择。在模型库建设过程中，有以下几点需要注意。

首先，模型的精细度既关乎师生的使用体验，也体现着AR教材的品质水准。所以，应适度提升模型的精细度，丰富交互操作，为师生创造更好的使用体验。

其次，同一模型出现在不同阶段教材中时，应根据具体教学要求，确定呈现结构和标注内容。以细胞模型为例，在初中生物教材中只需呈现细胞膜、细胞质、细胞核等基础结构，而在高中教材中则需呈现内质网、高尔基体、核糖体等亚细胞结构。

再次，3D模型不应只是图像的叠加或立体化再现，而应能展现文字和平面图片无法呈现的内容。因此在构建3D模型库时，要选择适于也有必要以三维形式展示的知识点进行建模。如地理学科中地壳的结构这一知识点，虽然很适于以三维形式呈现，但在实际教学中只需一张挂图就可以清楚解释;所以，从教学价值的角度来看，此知识点建模的意义并不大。

模型库建立后，应及时将模型与教材教辅图书内容相匹配，实现一次开发、多次复用，进一步降低开发成本。

4.3 根据学科特点和内容，选择合适的技术应用形式和技术融合形式

AR技术对不同知识的呈现效果存在一定差异性，在具体应用时，应根据学科特点选择合适的应用形式。如物理、化学学科，特别是其中的实验内容，借助AR虚拟交互技术，能以一种自然交互的形式对程序性知识进行识记，如用原子搭建化学分子结构，不仅可以增强学生对化学规律、现象的理解，也能通过模拟实操过程提升实验技能。而小学语文、英语等学科，则适于采用AR识别技术，关联音频、视频、动画、游戏等多媒体资源，并可设计基于手势的匹配游戏，吸引学生注意力，提升学习兴趣。

此外，AR技术具有较高的技术融合度，可通过将AR技术与不同信息化技术相融合，创造更多有趣的应用体验。如将AR技术与地理定位技术结合，将虚拟的地理景观与真实世界相融合，使参与者在虚拟环境中进行直观的探索;将AR技术与大数据技术相结合，实时记录学生的实验结果，并在后台自动生成大样本实验次数的统计、分析结果;将AR技术与体感交互技术结合，帮助学生更好地理解磁场和磁感线等抽象概念，提升学习兴趣，等等。

4.4 推动AR技术应用标准的实施和完善

國家新闻出版署于2019年5月正式发布《出版业AR技术应用规范》。在基础教育出版领域有一定规模和影响力的出版社，应有意识地联合科研院所和技术企业，推进AR技术应用规范和标准的实施与完善。一方面，借以解决AR教材兼容性差、网络出版安全、使用安全等问题，如规定在教材配套应用（App）中必须有护眼功能定时提醒阅读时间，保护青少年视力;另一方面，在实施过程中也能推进自身转型升级和融合发展的进程，同时也为AR出版产业健康发展履行自己的社会责任。

4.5 积极探索盈利模式和商业模式

在确定开发策略的同时，出版社也应积极展开AR数字化出版盈利模式的探讨，推动AR出版业务健康、可持续地发展。教材类AR出版物，可参考人卫出版社“增值服务”的形式，教材定价不变，如想体验AR内容，则需线上支付费用;教辅类AR出版物，既可采用与教材相同的“在线付费”方式，也可适当提高定价，AR数字内容和增值服务则免费提供。

有条件的出版企业可以在资本层面，以投资、参股、并购等多种方式，探索新的AR数字化出版商业模式和运营模式。

5 结 语

我国基础教育出版领域对AR技术的应用虽然还处于简单呈现、交互不深、种类有限的发展初期，在具体应用层面也存在一些问题，但其对教材出版和教学、学习方式的影响和改变，却是不容置疑的。

教育类出版社在AR技术应用方面既要保持开放、宽容的心态，积极探索既能体现AR技术优势，又符合教材出版要求的应用方式和出版形式，也要加强AR技术应用标准的实施和完善，推动基础教育领域AR数字化出版高质量、健康、快速地发展。

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（收稿日期： 2019-07-08）