AR识字辅助教学系统的开发与应用

郝凤涛 翟红英 马思佳

摘  要：AR技术与语言学习的融合已经成为当前的一个研究热点。该文针对传统纸面识字书的局限性，通过运用增强现实技术与多媒体技术相结合，完成了基于AR技术的识字辅助教学系统的设计开发，实现了对纸面识字书的虚拟效果。从立体实物形象、汉字形象、汉字发音3个方面学习汉字，打破了传统识字书的单一性和乏味性，弥补了传统识字书的不足，使学习汉字变得生动起来，提高了幼儿学习兴趣。

关键词：AR技术  识字   辅助教学  系统开发

中图分类号：G431                          文献标识码：A文章编号：1672-3791（2021）05（b）-0036-04

Abstract： AR technology and language learning has become a research hotspot. In view of the limitations of the traditional paper literacy book for children， through the combination of augmented reality technology and multimedia technology， this paper completes the design and development of literacy assistant teaching system based on AR technology， and realizes the virtual effect of paper literacy book. Learning Chinese characters from three aspects of three-dimensional physical image， Chinese character image and Chinese character pronunciation breaks the monotony and boredom of traditional literacy books， makes up for the shortcomings of traditional literacy books， makes learning Chinese characters vivid， and improves children's interest in learning.

Key Words： AR technology; Literacy; Assisted Instruction; System development

1  研究背景

随着AR增强现实发展的不断成熟，AR增强现实+教育是未来热门的一个领域。AR在教育领域中的应用源于AR技术拥有探究式的教育理念，可以从表现形式上吸引小朋友加入到教学中，增加学生们的学习兴趣，从而通过交互的方式进一步探索和研究更深层次的内容，使教学更加逼真、直观，实现多元化教学。AR技术作为一种教学手段融入传统教育将开拓出教育领域的新活力。

2017年9月，全国小学推行了教育部统编的新版语文教材，要先从认字开始，之后再学拼音，遵循汉字构形的原理，以形析义。在课堂上，学生面对教材中的文字和图片等言语符号时，仍需要具备较强的迁移学习能力，才能将抽象的符号信息与现实经验联系起来。因此，传统识字教学方式很难让学生达到音形义统一的水平[1]。

通过研究幼儿的心理发展特点可知：幼儿的记忆以不随意的形象记忆为主，记忆内容和效果很大程度上依赖于记忆对象的外部特征和幼儿对事物的兴趣。凡是直观的、形象的、具体鲜明的事物容易引起幼儿的无意识记忆，而抽象的字词很难被记住。能激起幼儿强烈情绪体验的事物易被幼儿记住并且能保持很长时间。AR技术恰恰具有直观、形象、鲜明性的特点，将AR技术有效地应用于幼儿学习认知过程，必将会弥补传统教学的劣势，能够改善幼儿学习记忆效果。

2  文献综述

通过在CNKI、万方等国内数据库检索“识字教学”“AR识字”“AR+教育”等关键词，研究发现已有不少学者对幼儿AR语言学习资源的教学有效性进行了研究。在理论研究与实践层面，刘潇等研究者应用增强现实技术助力幼儿汉字学习的效果及策略，通过实验和访谈对AR技术助力幼儿汉字学习的有效性进行了验证;喻春阳等学者比较了增强现实与传统方式在幼儿英语识词效果的差异，发现采用AR教学方式相对于传统教学方式在幼兒识记单词的平均个数上更有优势，识字的遗忘周期和混淆周期均较长。在AR系统设计与开发层面，国内也有学者尝试开发了AR互动软件作为教学辅助工具，尝试改变传统的学习方式，例如：2017年，武汉大学国际教育学院的曾丹、吉晖开发了一款基于AR的混合式汉语听说教学软件，可以在课堂上为学生提供AR汉语学习资源;2020年高晓晓等研究者基于移动终端的AR技术开发，通过手持式显示设备呈现信息，完成了AR识字教学辅助小学语文识字辅助教学App的设计与开发，等等，AR技术已经在语文教学识字环节发挥了重要作用。

综上所述，目前已有的AR识字辅助系统对硬件设备的依赖性较强，不方便教师课堂教学推广应用，因此应采用3D建模软件所呈现三维立体图形的方式，通过计算机处理的虚拟立体模型叠加在真实场景上，并借助电子设备的显示，将虚实信息融合为一体，从而实现虚拟立体景象的教学效果，该辅助系统方便教师在有多媒体的教室中进行应用。

3  AR识字辅助教学系统的开发

3.1 设计意图

目前增强现实技术被广泛应用到了教育领域，尤其是在幼儿教育方面影响是巨大的。增强现实技术具备的立体感不仅可以吸引幼儿的注意力，为幼儿提供逼真的情景学习环境，调动幼儿的探索和求知欲，而且可以提高孩子对现实的理解能力，让孩子能更加主动并且清晰地感受和认知生活环境，增强学习能力[2]。

3.2 总体功能

考虑到儿童的特点和小学语文课程教学的需要，从注意力吸引、认知、理解、记忆巩固4个环节研发设计识字辅助教学系统，开发过程中力求软件的简洁、明快，便于操作。对于软件界面设计简单，功能菜单中分别开设了普通模块、AR模块，功能模块具体见图1，该软件辅助语文课程中教师讲授生字的教学环节，帮助学生快速理解记忆新字词。软件中的普通模式，将汉字的学习设置为不同的主题，可以任选一个主题进行学习，通过汉字的发音、组词示例、笔画顺序的动画演示，提升学习效果。软件的AR模式，呈现汉字的动物立体模型，使对汉字的认知由抽象变具体，同时具备汉字的中文发音、英文发音、笔画顺序的动画演示。

3.3 开发流程

参考AR系统的一般开发过程，结合小学语文实际教学环节的设置和需求，设计开发AR识字辅助教学系统分为4个阶段，流程见图2。

3.3.1 需求分析阶段

根据小学一年级语文课堂的教学需要，对新汉字教学内容和教学环节进行分析，探求AR技术在教学方面最佳的表现方法。形成若干模块和单元。

3.3.2 整体设计阶段

根据需求分析的结果，对增强现实辅助教学系统的结构进行整体设计，包括三维模型、交互平台以及其他多媒体素材等进行设计。

3.3.3 开发实现阶段

这个阶段主要完成编辑制作图形、声音素材、选择开发工具、3D建模、交互程序实现等环节，是整个开发环节最重要的阶段，是对前面工作的整合，也是对前一阶段的工作进行调整和反馈[3]。

3.3.4 测试阶段

这一阶段针对整个系统进行调试，针对需求分析进行测试，完成设计目标。

3.4 设计实现

3.4.1 平台的选择

该文采用Unity 3D的插件Vuforia完成AR识字电子书的制作。识别部分是基于Android平台开发，发布在Android的客户端上，在Android手机及平板下载安装App软件后，便可直接使用。

3.4.2 识别图的绘制及制作

识别图制作主要是通过Photoshop软件进行绘制，需要分别制作正反两面。下面以猪的识别图的制作为例，具体来说明制作的步骤与方法。

（1）新建像素为900×900，分辨率为72的文档，开始绘制动物简笔画，把猪的样子通过简笔画的形式描绘出来，具体见图3。

（2）绘制识别图的背景，在刚才新建的文档中，利用圆角矩形工具和油漆桶工具，绘制出识别图背景，利用魔术棒工具提取得到事先准备好的简易动物造型，放在识别图背景图的外围，具体见图4。将第一步画好的猪的简笔画合成在识别图背景上，保存为JPG格式图像文件，这样识别图的正面就制作完成了。用同样的方法，完成识别背景图的背面制作，具体见图5。

3.4.3 模型建立

动物模型利用网络上已有资源，具体见图6，但是这种模型并不能够直接用于Unity 3ds，在此借助3ds Max软件导出适用于Unity 3D格式的文件，存放在模型文件夹中作为备用。通过3dsMax进行三维建模和纹理、模型渲染、模型动画等实现手段为虚拟现实增强技术提供形象逼真的动物模型，同时增强该应用的互动感。

3.4.4 笔顺动画的制作

png格式的好处是支持间隔渐进显示，而且是一种无损耗的图像格式，对.png格式的图片进行切分、导入等操作，都不会影响图像质量。将查找到的素材和收集的笔顺动画，存放在笔顺动画版文件夹中，以作备用。

3.4.5 录制声音

Unity 3D支持MP3声音格式，通过手机录制的声音不能满足需要，采用狸窝格式转化器进行转换。

3.4.6 动态图形显示技术

针对应用当中文字笔画的动画效果的实现，由于Unity软件本身不提供具备实现这种效果的控件，所以采用一种折中的实现方案，使用Unity提供的图片显示控件，通过脚本代码控制按顺序规则读取本地笔画图片，然后作为Unity的图片显示控件内容，按顺序连续不间断显示图片来达到文字笔画的动画效果[4]。

3.4.7 进行代码编写

进入char_detail.cs的代码编写界面，将图片存放在resources文件夹中，并存放在anim数组中，通过读取命名来调取图片，核心代码具体见图7。

在图7中，int index = （int）（Time.frameCount * _mSpeed） % animCount表示根据当前实时的系统时间计算当前图形控件需要显示的图片内容所处的位;anim[index]表示根据计算的位置取到图片资源对象，GUI.DrawTexture表示将图片内容绘制到界面，new Rect（wide3，height3，width，width）表示设置图片显示的位置和宽高。

3.4.8 功能实现

在AR模式中，识别图正面的功能实现效果，背面的功能实现效果，具体内容见图8、图9。

3.4.9 普通模式

汉字是中国文化的一大瑰宝，很多汉字都是由象形字演化过来的，但并不是所有汉字都能与实物产生形象化的联系，所以设计了一个普通模式[5]。对于那些不能用立体模型形象化的汉字，将它们收录在普通模式中，这些字虽然不如用立体模型形象化汉字能吸引幼儿的注意力，但是通过反复的观看与学习，加深印象，可以为以后汉字学习打下坚实的基础。识字系统的普通模式中，主要是進行主题式学习，幼儿可以通过选择不同的主题来进行汉字的学习。以“全”字学习为例，具体见图10。

4  AR識字辅助教学系统的应用

AR识字辅助教学系统将文字和实物图片结合，通过AR技术呈现3D立体图像，并在该图像上直接体现教学目标汉字，同时实现图像与小学生进行简单的互动。利用AR技术的特色，在愉悦新奇的互动体验中教小学生认识汉字及其中英文发音，寓教于乐。为深入研究AR技术在儿童教育领域中应用的可行性和效果，验证AR技术对小学语文教学的实效，在海淀第三小学一年级语文课堂识字环节教学过程中进行了运用并进行了对比研究。两个班近70名小学生在语文课识字环节中，一个班的识字教学环节采用AR识字辅助教学系统进行，另一个班的识字教学环节采取传统板书教学进行对比研究[6]。从学习注意力、初记重复次数、混淆率、遗忘率等方面进行了比较，实践证明采用AR识字系统进行教学的课堂效果更好，更受学生欢迎。

5  结语

AR技术的新奇感、直观性、互动性、娱乐性是幼儿教育很好的一种手段，AR识字辅助教学系统应用在小学语文识字教学环节中，学生学习的积极性和愉悦情绪得到了显著提升，学生更加愿意参与到教学环节中去。笔者开发的识字辅助系统是根据《幼儿园教育指导纲要》编写幼儿入学必识的常用字要求进行内容设定的，课堂教学实践证明：在识字效率和初识重复次数上，采用AR识字辅助教学系统教学有着明显优势，结合图像和实物情景记忆，启发学生的联想记忆，使记忆更持久不易遗忘。

参考文献

[1] 高晓晓，魏本宏，倪清，等.AR识字教学辅助APP的设计与开发研究[J].教育现代化，2020，7（35）：9-13.

[2] 刘潇，王志军，李芬，等.增强现实技术助力幼儿汉字学习的效果及策略研究[J].中国教育信息化，2019（2）：13-18.

[3] 郑紫涵.多媒体技术在对外汉语字理教学中的应用研究[D].西安石油大学，2018.

[4] 高伟，王昱霖，郭瑾.国外虚拟现实与增强现实技术教育研究热点及启示[J].开放学习研究，2020，25（2）：47-54，62.

[5] 钟伟仪.借助电子白板改进识字教学的实践研究[D].广州大学，2018.

[6] 朱必熙，卓皓.AR技术在幼儿教育领域中的应用——以幼儿识字为例[J].陕西学前师范学院学报，2018，34（4）：63-66.