增强现实技术在幼儿早期教育中的应用

摘 要增强现实（Augmented Reality，简称AR），是一种通过实时计算摄像机方位后结合计算机图像技术，将现实世界的信息与虚拟世界信息集成后进行互动的技术。它有着虚实融合、实时互动、三维跟踪等特点。目前，这种技术在我国幼儿早期教育中的应用尚处于起步阶段，笔者结合自身在AR行业的从业经验和对市场上同类产品的比较研究，介绍了当前AR技术在幼儿早期教育中的应用形式、实现的基本原理，并阐述了当前AR产品应用在儿童早期教育中的问题，最后展望了AR技术在幼教市场的应用前景，以供读者参考。

【关键词】增强现实技术 幼儿早期教育 应用

1 AR技术在幼儿早期教育中的应用形式

1.1 基于AR技术的教育方式与传统教育的比较

增強现实（AR）技术是一种利用计算机图像、计算机视觉、模式识别等技术，识别特定标记或进行无标记识别，从而在真实物体之上叠加各种虚拟信息（包括图片、音视频、文字等）的一种技术方式。它不仅能呈现真实世界的信息，还能用计算机实时产生的三维信息来增强人对真实世界的感知，所以称为增强现实。

在AR游戏宠物精灵Pokemon Go和支付宝AR红包、QQ AR红包出现之前，一般用户很少听说过增强现实，在此之后，越来越多的人开始了解AR技术，并逐步发掘AR技术在幼儿教育领域的潜力。AR技术可以将信息直观化、可视化地呈现，因而非常适合在地理、生物、医学等有很多具象内容的学科中应用；此外，AR在使用过程中，人们依然在现实世界中，只是在现实物体上叠加了一层虚拟的信息，与传统教育方式类似，授课时教师可以很好地和学生互动。与传统教育方式相比，在幼儿教育领域，AR技术有如下一些突出的特点和优势：

1.1.1 三维直观的教学内容与形式

AR技术仿真和交互的特性，能将抽象、晦涩难懂的知识以更生动、直观、全面的方式呈现，用沉浸式体验增强学生的代入感。依托AR技术，学生的课堂体验从2D跃升到3D，对动植物、日常用品等现实中可见的三维物体，学生不再需要从平面2D形象脑补3D形象；对分子、原子、几何体、汉字拼读认知等那些抽象或不可见的内容，AR技术可以可视化地展现出来，如此可加深学生对所学内容的认知。

1.1.2 强的互动性

与其他多媒体教学方式类似，AR技术可以将平时死板生硬的学习内容转换为栩栩如生、活灵活现的角色形象，甚至可以让幼儿与感兴趣的角色进行互动。比如，对火箭发射过程的讲解，除开文字与图片的介绍，AR技术可以在识别火箭标记后，一步步呈现发射的完整过程，并且每一步都可以让学生实时交互，从而让学生加深了印象。

1.1.3 游戏化教学

基于AR的可视化、互动性，可以设计出非常吸引幼儿的游戏化教学内容，这样，一方面适应了幼儿爱玩的天性，同时，也大幅提升了幼儿对教学内容的学习意愿、激发了学习兴趣，提高了学习效果。

1.2 AR技术在幼儿早期教育的应用场景

基于AR技术的特点和幼儿早期教育的现实需求，部分幼儿园、早教机构等，都纷纷在教学和培训中采用增强现实技术，激发幼儿的学习兴趣，让幼儿有参与感，从而让幼儿寓学于乐，快速有效掌握教学内容。目前，AR技术在国内幼教市场主要有如下几种落脚点：

1.2.1 AR辨识卡片系列

包括AR早教卡、识字卡、挂图、地垫、拼图等。AR技术可以将儿童在生活中常见的二维图像，如挂画、地垫、拼图等，通过手机、平板等工具立体、以三维形象动态呈现出来。幼儿在完成拼图，或者选择了感兴趣的标记之后，用AR App对着扫描，识别之后就出现各种可爱的立体卡通形象，幼儿可以和这些形象互动合影。

1.2.2 AR书籍类

包括涂色类绘本、AR智能书籍等。幼儿普遍有喜欢涂色的习惯，在涂色中，培养了他们认知各种颜色和辨识的能力。在涂色的过程中，他们一般会选择自己熟悉的卡通形象，如《大头儿子小头爸爸》、《熊出没》、《爱探险的朵拉》等，作为涂色对象，涂色完成之后，用AR App对准扫描，就可以看见复活的卡通形象，再配以动画、音效等效果，让幼儿乐在其中。在一些AR智能书籍中，打开书册后，借由AR App，可以识别纸面上的文字或卡通图像，从而展现出文字的读音、拼写规则、书写笔画、释义或卡通图像的故事等。

1.2.3 智能AR硬件类

包括AR眼镜、AR放大镜（MAGNEO）等。目前AR眼镜多用于一些展示交互的方面，比如画廊的油画，在画廊中欣赏名作时，戴上AR眼镜后观察，即可看到栩栩如生的角色，它们会走出油画，与幼儿进行互动。AR放大镜是国产儿童智能设备的代表作，也是笔者亲身参与过的项目之一。当儿童手持一个如放大镜的圆形屏幕设备，对着实体物体扫描，摄像头采集图像并识别之后，放大镜上会播放相应的语音，显示对应的视频；它还可以辅助儿童识别汉字，指导儿童写字笔画等。

1.2.4 AR教具类

包括AR地球仪等。地球仪作为一种教学中常用的教具，儿童对其比较熟悉，但由于大多数儿童并未去过地球仪上的大部分国家，所以难以有直观的认知。针对这个需求，国内外许多AR厂商制作了各式各样的AR地球仪产品，如小熊尼奥AR地球仪、i-Wow Atlas World等。在这类产品中，幼儿拿着智能设备对着实体地球仪扫描，屏幕上紧贴在实体地球仪表面会呈现出各个地区的风土人情、特有的动植物介绍等，如此儿童就会对地球仪上的地理位置和相应地区的特色文化有比较深刻的认识了。

1.2.5 AR玩具类

包括智能恐龙、智能机器人、智能汽车等。随着互联网的发展，许多幼儿玩具制造商的产品遭受电商的冲击，实体销售情况不太理想。有些玩具厂商在此基础上大胆创新，对一些恐龙类、机器人类、汽车类等玩具，结合各式的IP，制作了包含配套AR App的智能玩具。幼儿在玩这些玩具的同时，用手持设备扫描到玩具上后，就会出现对应的各式卡通形象，配合一些声光的效果，对幼儿有极大的吸引力。

1.2.6 AR卡牌游戏等

这一类是在传统纸质卡牌游戏的基础上，融合AR技术让卡牌上的卡通形象“活”起来并进行交互。幼儿在把玩卡牌的过程中，在收集了若干同系列的各种卡牌后，就可能萌生出与同伴交流、切磋各自积累卡牌的想法。幼儿将这些卡牌放在一起，经由AR App识别出来后，AR场景中出现的角色，可以在儿童的操作下，相互交互，如攻击、防守等等。除了以上几种，还有一些如AR投影仪、AR手推车等创新儿童产品。

2 AR技术应用到幼儿早期教育的基本原理

2.1 AR系统的基本结构

如图1所示，一个典型的AR系统由以下结构组成。

AR系统通过摄像头等传感器采集到真实世界的图像信息，利用图像识别的算法进行识别之后，结合三维跟踪算法，实时获取识别标记的位置，在特定位置处渲染出虚拟场景后，在显示单元中与真实世界的图像进行融合，从而产生出“增强”过的现实世界的场景。

2.2 在幼儿教育領域应用的AR技术

AR系统开发的三大关键技术可总结为三维跟踪技术、虚拟融合技术以及人机交互技术，其中三维跟踪（也称为三维注册）是最重要的技术，它是实现AR系统的基础技术，也是确定AR应用系统性能优劣的关键。三维跟踪的主要任务是实时检测出摄像头相对于真实场景的位置状态，确定待叠加虚拟信息在投影平面的位置，并将这些虚拟信息实时显示在屏幕上的正确方位。

如前所述，AR技术在幼儿教育领域的各种应用中，不管是AR卡片、教具、游戏等，基于计算机视觉的跟踪定位，即图1中的真实环境识别与三维交互跟踪，是最关键的步骤。

从技术上，基于计算机视觉的三维跟踪技术，依据识别时标记物的不同，可分为基于标记物的识别和无标记物识别。

2.2.1 基于标记物的识别（Marker based recognization）

在这种识别方式中，可以分为图像识别、多张图像识别、立方体识别、圆柱体识别和对象（实体）识别等类型。其基本原理都是一致的，在识别前先对标记进行预处理，运用图像识别技术，从图像中提取出特征点，然后生成一个数据集文件；识别时，识别引擎对图像识别时，匹配图像信息和特征集中的数据，若匹配则识别成功，反之亦然。

2.2.2 无标记物识别（Markless recognization）

这种识别技术是AR技术中的前沿技术，与前者不同的是，它的识别不需要预先指定标记物，在识别时它可以使用真实图像和目标在3D空间定位相机以在真实图片上呈现引人注目的效果。无标记物识别AR的核心是图像识别和目标检测算法。

一些使用无标记物识别增强现实的例子包括杂志封面、公司logo、玩具等。总的来说，任何对象，拥有关于场景的足够的描述性和可分性的信息，都可以作为无标记物识别AR技术应用的对象。

3 AR技术在幼儿早期教育应用中的问题

随着AR技术逐步进入幼儿教育市场，各式各样的AR App纷纷出现在幼教领域，根据幼儿家长与教育机构教师的反馈，目前AR应用主要存在的问题和对应的解决方法有：

3.1 防沉迷设计

对手机、平板等移动设备的过度依赖，容易让幼儿形成对这些智能设备的依赖，容易造成幼儿变成低龄的“低头族”，时间过久之后，会对儿童的视力造成伤害。

由于长期摆弄电子设备，疏于锻炼和与同龄儿童的沟通，也会影响儿童的身心健康。在App中加入防沉迷的设计和家长锁有助于解决这个问题。

3.2 防扣费设计

部分AR App在应用中加入了应用内购买的功能，造成儿童在玩的过程中，误点后造成扣费。为了避免这类问题，在App实现时，需要加入家长控制的儿童锁等，防止未经家长授权的购买行为。

3.3 内容选择与过滤

与一般手机游戏着重于游戏逻辑与画面表现不同的是，AR幼教类App偏重于App内容，主要通过内容中的益智音视频、动画、图片等对儿童进行引导、启发，所以对内容的遴选就尤为重要。

由于儿童具有非常强的模仿能力，儿童App中的内容，应考虑儿童的接受能力，如恐龙、怪兽等，内容方面不可出现一些过于暴露、血腥的画面。为了避免这类问题，在制作这类场景时，需要考虑到儿童的接受能力，最好是聘请一些专业的儿童心理学、幼教方面的专业人士制作适应儿童年龄与心智的内容。

4 AR技术在幼儿早期教育中的发展前景

业界普遍将2016年视作AR发展元年，各式各样AR类App纷纷出现，在幼儿教育这一特定的细分市场，涌现了一些市场效益不错的App，如央数文化的《口袋动物园》、《口袋交通》，新锐天地的《AR涂涂乐》，武汉秀宝软件的《秀宝盒子》等。国内的AR SDK平台也打破了国外同类型平台独占市场的局面，涌现出如视辰科技的EasyAR SDK、亮风台的HiAR SDK等有代表性的SDK平台，而且这些SDK开发商都瞄准AR全平台、SLAM、物体识别等方面进行发力，让人对包括幼儿教育市场的AR产业的后续发展充满期待。

随着移动互联网和智能手机的发展，一些传统的教育机构，如新东方、瑞思教育等，纷纷试水“AR+教育”，使其成为在线教育的下一个风口。2016年9月，新东方打造了AR智能学拼音神器《和多纳小趣一起学拼音》，在市场上引起不错反响。在传统教育模式下，教育培训机构需要大量的师资资源，模式比较重，AR技术的加入，让一种更轻的模式成为可能，市场的接受程度和机构的盈利能力也会相应提高。

一些业内人士认为，随着市场的普及，尤其是一些用户数量巨大的App，如QQ AR红包、支付宝AR红包等对用户普及之后，大众对AR的认知度越来越高，出于好奇购买产品的可能性会降低。随之而来，前期依靠简单的三维立体形象已经不能满足家长的需求，相关企业必须进行品牌和内容的优化才能长期占得市场先机。

与此同时，AR资本周期刚刚起步，AR成为载有教学内容的产品往学校输出，这对于幼儿教育市场来说是个机会。笔者看来，AR给了多元化教育更多的想象空间，在线教育与AR的结合也刚刚开始，AR技术在幼儿教育领域将大有可为。

5 小结

在本文中，笔者介绍了增强现实的基本概念和基于增强现实技术的教育方式与传统教育方式相比的优势，然后结合笔者的业内经验，介绍了目前市面上已经有的AR技术应用到幼儿教育中的场景，之后介绍了AR系统的基本结构和目前主流的基于计算机视觉三维物体识别的技术，再总结了目前AR系统在幼儿教育中应用的问题，最后对AR技术在幼儿教育中发展前景进行了展望。

参考文献

[1]腾讯gad，AR的基本原理科普，http：//gad.qq.com/article/detail/7190769.

[2]AR教育，AR（增强现实）在教育行业的应用，http：//www.vrjiaoyu.com/jiaoyu/ARjiaoyu/254.html.

[3]Daniel Lelis Baggio 等（著），刘波（译），深入理解OpenCV[M].北京：机械工业出版社，2014.

[4]Cregory Kipper， Joseph Rampolla（著），郑毅（译），增强现实技术导论[M].北京：国防工业出版社2014.

作者简介

孙文涛（1985-），男，湖北省天门市人。大学本科学历。现央数文化（上海）股份有限公司高级工程师。研究方向为增强现实技术、跨平台移动开发技术。

作者单位

央数文化（上海）股份有限公司 上海市 200062