AR技术在教育类游戏中的交互优势

钱音旋

（南京艺术学院工业设计学院,江苏南京 210013）

近年来，随着科学技术的迭代更新与众多从业人员的创新与努力，新媒体交互设计的相关应用已经遍布多个学科领域，教育领域同样对新兴技术的应用进行了多方探索。其中，增强现实技术凭借其独特的交互优势成为近几年新兴教育模式的领军探索者。增强现实（Augmented Reality），简称AR。其发展历程与虚拟现实（VR）技术密不可分，虚拟现实技术由计算机模拟搭建虚拟场景，用户在进行体验时会完全沉浸于虚拟环境中，硬件设备上则需要借助头戴式等设备进行交互体验。增强现实则是在真实环境基础上叠加虚拟元素，计算机生成的虚拟图像信息会实时叠加到真实环境中。用户借助硬件设备对真实环境进行扫描，便能够在定点标记处获取三维图像、声音、视频、图像界面等多种信息。教育类AR游戏应用情境可大致分为课堂教育、职业技能教育、博物馆艺术展等带有科普性质的展览展项。其中针对学龄前儿童教育、中小学学科教育的AR游戏应用作品最为常见。AR之所以能够快速应用于教育类游戏开发，得益于其交互模式在教育领域具有极大优势，以下将从几个主要特点进行解析。

一、虚实结合与实时跟踪

增强现实技术是借助于三维显示技术、交互技术、多种传感技术、计算机视觉技术以及多媒体技术把计算机生成的二维或三维的虚拟信息融合到用户所要体验的真实环境中的一种技术。AR技术虚实结合的核心特征是其超越VR，被广大教育领域探索采用的主要因素。AR系统的运行一般包含以下4个基本步骤：获取真实场景信息；对真实场景和相机位置信息进行分析；生成虚拟景物；合并视频或直接显示。更通俗地对AR应用设计开发流程进行拆分详解可以分为以下几个核心模块：（1）确定目标识别物。业界往往选用二维图像作为被识别目标，且目标应当具备边缘清晰、色彩对比度强烈等具有较高被识别度的特征。（2）摄像头扫描现实场景，寻找已设定好的被识别目标。（3）触发识别目标后在实景中实时叠加生成特定内容，如三维模型（可含动画）、视频、交互界面、文字语音信息等内容。虚实结合的交互特点决定了用户不会完全脱离实际教育场景，教学效果相对可控，而生成的虚拟内容能够进行实时跟踪则大大增强了用户临场体验感，为进一步设计交互流程提供了基础支撑。

二、抽象概念可视化

增强现实技术之所以在教育领域有着巨大的潜力和应用前景，除了虚实结合的核心特征以外，与它能够将抽象的知识概念形象化、可视化，使信息获取方式更加直观也有关。将抽象的知识概念进行视觉化演示，有助于受教育者更好地理解和吸收新知识，尤其在低学龄儿童与青少年教育中能够发挥极好的引导和辅助作用。

Bhadra、Brown、Ke、Liu为学龄前儿童开发了一款识字游戏“ABC3D”。这是一款增强现实手机游戏，旨在引导学龄前儿童学习认字。这个AR游戏分为两个模块：字母识别和物体收集游戏模块，团队用Unity 3D开发了这个AR游戏，然后使用Vuforia SDK进行图像处理。儿童通过用移动设备扫描学习卡，设备屏幕中就会呈现相应的3d模型和画外音，帮助孩子们学习词汇、拼写和发音。例如，当用户正确写入大写字母T时，T将被识别，一棵树的3D模型会出现，与此同时，系统将给出正确拼写来加深儿童的学习记忆。这种AR游戏设计可以显著提高学习兴趣和学习效果，操作界面也相对简单明了。由于目标用户是幼儿，如何教孩子使用应用程序引入值得思考，这款应用程序总体交互流程相对简便。由于增强现实游戏应用能够将儿童难以理解的词汇直观的叠加呈现可观看的三维模型，并且游戏式教学相比传统模式更加具有趣味性，故而教学效果能够获得大幅提升。

三、多标记点识别互动

AR技术能够支持多个标记点同时进行识别，被识别内容将会实时、同步出现在扫描设备中。以此为基础，AR游戏设计者可以进行多模块、所组件的交互流程设计。

蔡苏团队针对初中化学教育设计过一个AR应用游戏，团队利用Java、NyARToolkit、Java3D和JMF开发了这个原型。它的目的是教学生两个氢原子和一个氧原子如何通过相互作用组成一个水分子。三张卡片分别被设置为2个氢原子和1个氧原子的目标识别标记，在手持移动设备相机识别出目标后，相应的3d模型就会出现在画面中。当学生将三张卡片组合在一起时，氢原子和氧原子会自动组合成并水分子。学生们可以近距离的观察水分子结构。当他们进一步举起卡片时，水分子就会转变成水滴。这个AR原型非常简单，省去了烦琐的界面，通过简单的交互直接学习化学分子知识。分子、原子等概念过于抽象，初中学生在进行学习时很容易引起困惑。而团队利用增强现实技术将抽象等概念进行可视化设计，有利于学生学习复杂的物理知识。同时基于多标记点识别技术，学生能够观察到生动的三维模型并对其进行组合和创造，这将会极大地提高学生学习兴趣和对物理知识的理解。

四、扩增内容提供学习情境

AR的应用开发早期主要由理工学科从业者进行探索，得益于AR技术多年的发展演变，各大主流设计软件公司介入了AR开发平台的建设，AR应用开发门槛相比从前已经降低许多，并关联了更多功能模块，这对于新媒体艺术设计从业者来说无疑是利好消息。视觉传达艺术、交互设计、数字媒体艺术等学科内容现如今都可以叠加至增强现实应用模块中，对于新媒体设计者来说，了解AR应用开发流程与平台将对后续创作起到至关重要的作用。常见增强现实开发平台主要有Vuforia、Wikitude、ARToolKit、Kudan、XZIMG等。对于交互设计师来说，Vuforia与功能强大的游戏开发引擎Unity进行协同创作是目前最为常见的选择方式。除了简单的扫描标记点出现虚拟三维模型以外，AR应用还能够作为大体量扩增内容的载体，为用户提供强大的情境和现场学习体验。这些扩增内容包涵三维动画、视频、声音、文字信息与UI交互界面等。只需要提前将标记点巧妙的融合进书本、卡片等教学用品中，用户就能够通过移动终端中交互界面的引导获取无穷尽的学习扩展内容。

一家初创公司小河马书（Little Hippo Book）针对家喻户晓的故事“小红帽”开发了一款增强现实儿童绘本应用。这家公司用Vuforia SDK和Unity 3D为常见的儿童绘本开发了这款AR游戏应用。它是为学龄前和小学年龄的儿童设计的。小红帽儿童绘本需要搭配免费的Hippo Magic应用程序一同使用。购买小红帽绘本后根据书中指南下载免费Hippo Magic应用程序至智能设备。儿童在翻阅故事绘本的过程中，可以扫描书中设置好的标记点，3D动画和音频就会出现在屏幕中。动听的画外独白和生动的3d动画将出现在真实的绘本上方，向孩子进一步讲解故事。这款AR应用程序有着十分精美的艺术设计，应用程序的使用也极其便利。用AR交互和冒险故事重新构思传统的儿童书籍，AR所提供的扩增内容提供了有趣生动的学习情境，吸引和激发孩子们的阅读兴趣，进一步强化了教育效果。

五、结语

AR既依托于科学技术的支撑，也能够融合艺术设计学科的美学理念与用户体验设计，对AR应用的探索是跨学科、跨媒介、艺术与科技的通力合作。增强现实技术因其虚实结合、可视化、实时交互等独特优势受到了新兴教育模式的青睐。增强现实技术在教育中有着广泛的应用。它既适用于各年龄层次的学科教育，也适用于专项职业技能的学习和培训。增强现实交互游戏可以显著提高学生的课堂参与度，有利于学生集中精力与注意力，随着开发平台的技术发展，设计理念的推陈出新，增强现实技术在教育类游戏中的应用将会有更加广阔的发展前景。此外，教育类应用的设计还背负着社会使命，AR游戏具有引导用户自主学习、承载信息体量巨大的独特优势，AR交互游戏在教育领域的推广还有助于促进社会教育公平。在这种新的环境下，如何设计AR游戏的教学流程，如何在学习过程中进行互动环节设置，并评价其学习引导效果，是当前增强现实游戏设计的难点。归根结底，技术只是一种工具，合适的教学方法决定着教育的最终质量。

然而，尽管AR技术在各个领域都有着优异的发展潜力，但AR技术的应用实现仍然存在许多问题亟待解决。例如，课堂教学中教师很难控制AR教学的总体进度。AR教学设备的购置费用与后续管理成本高昂。此外，如何确保用户使用移动设备进行有效学习而不分散注意力也是一种挑战。AR带给我们的不仅仅是单纯的技术或开发工具，也是一种新兴教学模式的探索。将增强现实技术应用于教育领域是一种新的尝试，也是一个具有广阔发展前景的课题。未来，随着5G数据传输和移动设备的技术改造,以及创作开发平台的普及化，AR技术的平台局限性将逐渐降低。AR在教育领域的应用将深入到日常生活的方方面面，新媒体技术带来的沉浸式体验将更加真实。在大数据时代，教学模式与科技、设计的结合将具有广阔的发展前景。