胡建平 黃國政

（江蘇師范大學，江蘇連云港，222006）

Leap Motion體感技術(shù)在教育中的應用現(xiàn)狀及問題分析

胡建平 黃國政

（江蘇師范大學，江蘇連云港，222006）

體感技術(shù)在教育應用領(lǐng)域已經(jīng)有了很多的實驗與探索，Leap Motion由于價格便宜、體積小、精度高和延時低等特點，在短短幾年間已經(jīng)擁有了不少體驗用戶。它在幼兒教育游戲、初等教育、高等教育及創(chuàng)客教育領(lǐng)域都有了典型應用。Leap Motion體感技術(shù)應用在教育中具有可以激發(fā)學生學習興趣、學習沉浸感強、學習體驗好等優(yōu)勢，但現(xiàn)階段無論是在技術(shù)層面還是教育層面，Leap Motion在教學中都還存在一些問題需要解決。

Leap Motion；體感技術(shù)；Kinect；教育

一、引言

在計算機輔助教學的發(fā)展過程中，計算機硬件、軟件及現(xiàn)代教育理論都得到了快速的發(fā)展，對教育信息化帶來了廣泛而深刻的影響。但是作為信息技術(shù)的重要內(nèi)容，學習者與機器之間的交互方式相對來說卻發(fā)展緩慢，甚至成為人類運用信息技術(shù)進行教育教學變革的瓶頸。隨著人們對認知科學和人工智能的進一步研究，人機交互在最近幾年得到了快速的發(fā)展。人的感受已經(jīng)成了當代人機交互設計需要考慮的重要問題，隨著人們生活水平的不斷發(fā)展提高，人們對人機交互的要求也越來越高，希望計算機與人的交互越發(fā)自然與方便。[1]在這樣的背景下，人機交互的發(fā)展也從原來的命令行到現(xiàn)在的圖形化界面，正逐步向更高一層的自然用戶界面發(fā)展。體感技術(shù)是繼鍵盤、鼠標和觸摸屏之后最新的自然用戶界面交互方式，讓人們無需使用復雜的控制設備，就可以直接使用肢體動作與周邊的數(shù)字設備和環(huán)境互動，并根據(jù)人的動作來完成各種指令。目前使用最廣泛的體感技術(shù)是微軟公司開發(fā)的Kinect技術(shù)，Kinect使得人機互動不再局限于掌上控制器，利用人體結(jié)構(gòu)的探測以及人臉識別就能實現(xiàn)人機交互，但是Kinect對近距離及高精度識別方面還比較欠缺，而且使用需要占用一定的空間，而Leap Motion的出現(xiàn)，正好填補了這個領(lǐng)域，對于體感技術(shù)領(lǐng)域來說，是一個很好的補充。

二、Leap Motion體感技術(shù)

Leap Motion是Leap公司在2013年發(fā)布的用于電腦平臺的體感控制器，中文名為“厲動”，包括一個控制器硬件以及一套復雜的軟件平臺。Leap Motion采用獨特的軟硬件結(jié)合技術(shù)，利用紅外成像原理，追蹤雙手、手指及手持小工具等的活動，使用雙手就能實現(xiàn)虛擬實境和擴增實境，就像在真實世界中那樣與數(shù)字內(nèi)容進行互動，具有高精度和超低延時等特點，誤差在0.01毫米以內(nèi)，延時為5-10ms，能夠以超過200幀/秒的速度追蹤雙手，這樣的精準程度足夠保證用戶順利完成人機互動所需的操作。

Leap Motion控制器是一個比一般U盤略大的USB控制器設備（如圖1所示[2]），主要核心部件有兩個紅外線攝像頭、三個紅外線LED光源、一片窄帶濾光片和USB高速芯片。Leap Motion是一個基于雙目立體視覺的光學跟蹤系統(tǒng)，如同人眼一樣，利用雙攝像頭可以對空間物體進行坐標定位，利用視差產(chǎn)生空間縱深感覺。[3]Leap Motion控制器通過紅外線LED燈提供背光源，當有諸如手指這樣的目標物體運動時，紅外光就會被反射過來，窄帶濾光片可以過濾掉其它可見光和紫外線，保證紅外光能以高透過率通過。[4]在此同時，雙攝像頭對目標對象進行立體拍攝，從不同角度捕捉畫面，經(jīng)過計算重建目標對象在真實三維空間的各項數(shù)據(jù)信息。

Leap Motion檢測范圍大體是一個距離控制器上方25-600毫米的空間，識別范圍基本上是一個倒四棱錐體。首先，Leap Motion會建立一個以控制器中心為原點、單位為毫米的右手笛卡爾坐標系，X與Z軸水平，Y軸豎直，如圖2所示。[5]當手指等目標對象進入檢測范圍后，Leap Motion軟件為它分配一個在視野范圍內(nèi)不會改變的唯一ID指示符（重新進入檢測區(qū)域的對象會重新分配ID），為方便查詢運動對象的信息，還會附加以Leap Motion提供的相關(guān)函數(shù)?？刂破鞫ㄆ诎l(fā)送目標對象的運動信息（稱作幀），一個幀對象Frame包含了Hands、Fingers、Pointables以及Tools等屬性，[6]負責提供追蹤數(shù)據(jù)、手勢和在可視范圍內(nèi)整體運動因素的列表?？刂破鞲鶕?jù)每幀和前幀檢測到的數(shù)據(jù)，將動作翻譯成平移、旋轉(zhuǎn)、縮放等動作因子，利用復雜的算法，生成運動信息，識別、判斷目標對象的運動軌跡，最終與顯示屏實現(xiàn)交互反饋。

Leap Motion體感控制器支持Windows 7、Windows 8和Mac OS X 10.7及10.8，可以在PC及Mac上通過手勢控制電腦。為了便于用戶體驗Leap Motion的魅力，Leap公司發(fā)布了一個名為Airspace的應用程序商店，可以讓用戶發(fā)現(xiàn)、購買、下載支持Leap Motion的應用程序。應用程序分為免費和收費兩種，包括計算機控制、實驗、教育、科學、游戲、音樂和娛樂等分類，大部分應用都同時支持PC和Mac。Leap Motion還支持第三方應用開發(fā)，提供了可以進行二次開發(fā)的SDK，包含多個示例，支持許多開發(fā)語言，比如C++、C#、Python、 Java and Javascript等。目前，已經(jīng)有包括迪斯尼、Autodesk、Corel、Google及ZeptoLab在內(nèi)的公司均已宣稱部分旗下游戲軟件支持Leap Motion。Leap Motion還與華碩和HP開展合作，將來會與華碩的一體機和高端筆記本捆綁銷售。配備Leap Motion技術(shù)的Leap Motion鍵盤是HP的首發(fā)產(chǎn)品，為客戶帶來與使用Leap Motion控制器完全相同的絕佳體驗，另外，在HP的部分設備中也將會預裝Airspace應用。

三、Leap Motion在教育中的應用現(xiàn)狀

Leap Motion體感控制器給了用戶一個與電腦交互的全新方式，在傳統(tǒng)的鼠標、鍵盤及觸摸屏之外，加入了手勢操作與3D動作。Leap Motion的應用程序商店中應用最廣泛的app是游戲，但是隨著越來越多的熱心教育的人參與其中，教育app也在不斷增加。利用這些app，Leap Motion體感控制器為用戶探尋3D世界提供了一個直觀的、身臨其境的學習體驗。同時，國內(nèi)外也有不少教育工作者利用Leap Motion和其他工具融合，開發(fā)了一些教育軟件，進行了教學實踐，為Leap Motion在教育中的應用提供了很好的思路。

（一）在兒童教育游戲中的應用

對兒童來說，早期學習經(jīng)驗是至關(guān)重要的，為他們習得知識和技能建立基礎，并對他們未來的學習行為產(chǎn)生很大的影響。由于孩子們很容易分散注意力，所以利用傳統(tǒng)的教學方法教孩子們比較困難。在設計教學活動時，很重要的方面就是吸引孩子的興趣和關(guān)注。美國的高級研究員蘇珊·皮特曼提到，“教育游戲涉及信息技術(shù)、學術(shù)內(nèi)容和解決問題的過程，可有有效的加速兒童的學習認知過程，它對化解孩子們正在面臨的學習困難也是很有幫助的?！盵6]當前，專為兒童開發(fā)的教育游戲數(shù)量正呈爆炸性增長的態(tài)勢，越來越多的游戲開發(fā)商都將目光從娛樂業(yè)轉(zhuǎn)到教育業(yè)，將參與性極強的游戲與教學結(jié)合起來。為創(chuàng)建一個自然的用戶界面，將體感技術(shù)應用于教育游戲中，對兒童來說可能意味著一個有趣、新穎的實踐方式，有助于提高兒童的手眼協(xié)調(diào)能力，這類游戲可能更具有吸引力和挑戰(zhàn)性，可以充分激發(fā)他們的學習興趣并保持更強的注意力。2015年，美國卡內(nèi)基梅隆大學人機交互研究所發(fā)布了一項針對兒童學習方式的研究報告，報告中說體感技術(shù)和體感游戲是一種更有效果的學習方式，比簡單通過移動平臺游戲來的更好，利用體感裝置進行學習的兒童學習效率更高。[7]Leap Motion的應用程序商店有很多教育游戲類app，比如Sortee，它是一款快節(jié)奏的益智游戲，主要是教孩子對生活中的常見物品進行分類，測試他們對日常物品的感知。當電腦屏幕上出現(xiàn)每件物品時，兒童玩家只有幾秒鐘時間進行思考，將物品分類，然后在空中滑動手指，輕輕將物品彈入相應的垃圾桶中。孩子們通過Leap Motion控制物品并將其放入分類垃圾桶中，相比鍵盤和鼠標操作，具有更自然的生活體驗。游戲設置的51個逐步具有挑戰(zhàn)性的難度級別及過關(guān)獎勵設置，讓孩子們有過關(guān)后的成就感，也培養(yǎng)了孩子們垃圾分類的環(huán)保意識。

斯里蘭卡信息技術(shù)學院的K.G.M.P.Nandasiri等人根據(jù)學前教育孩子的學習特點，設計開發(fā)了名為“Leap Mania”的教育游戲，基于Leap Motion控制器，構(gòu)建了一個積極和愉快的學習環(huán)境，幫助小朋友們學會不同的顏色、不同的形狀、英語字母和數(shù)字。[8]東南大學兒童發(fā)展與學習科學教育部重點實驗室的李楊韜等針對當前兒童認知訓練系統(tǒng)缺乏自然的人機交互手段的缺陷，使用Leap Motion設備獲得手部實時數(shù)據(jù)，利用Unity3D設計3D游戲場景，[9]開發(fā)了一款兒童認知訓練系統(tǒng)，增強了兒童的游戲沉浸感，經(jīng)過一段時間的認知訓練，兒童在智力水平等方面都得到了有效的提高。

（二）在基礎教育中的應用

科技有能力改變中小學生認識世界的方法，通過Leap Motion技術(shù)，可以讓學生進入下一代虛擬世界，激發(fā)他們對天文、地理、幾何、生物、藝術(shù)等學科的學習熱情。比如在講解天文知識時，教孩子們認識星系對許多地理教師來說是一個極具挑戰(zhàn)性的任務，利用抽象的概念解釋行星、恒星、星系等知識很有難度。但是，利用Leap Motion可以很好的解決這個教學難點。Leap Motion的應用程序商店的收費應用程序Solar Walk是一個很好地天文軟件，這款3D太陽系模型讓學生在時間與空間中遨游，近距離觀察所有行星，學習它們的運動軌跡、內(nèi)部構(gòu)造、探索歷史、興趣點以及更多內(nèi)容。學生能夠使用Leap Motion控制器，通過手勢來放大或遠離太陽、行星和衛(wèi)星，或者通過手指使用索引圖，他們就能夠了解每顆星球的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、大小、表面溫度以及科考任務等。利用手指滑動時間滑塊，天空會做出相應運動。孩子們戴上一副青紅3D眼鏡，利用Leap Motion，可以任意在3D環(huán)境里遨游，近距離觀察所有行星，探尋星球知識的奧秘。

由于小學生年齡小，對事物往往只關(guān)注表面特征，缺乏空間想象力，所以在教學過程中，教師要盡量將抽象的幾何圖形形象化，逐步培養(yǎng)學生的抽象思維能力。3D Geometry是一個為在三維空間觀察和操縱幾何圖形而設計的應用程序。在教學過程中，教師通過Leap Motion控制器，用手調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)和定位，幫助學生觀察棱柱、棱錐、棱錐臺等幾何圖形。通過打圈旋轉(zhuǎn)手指來展開幾何圖形，查看它們在二維空間是什么樣子，并通過手指懸停為每個面涂上顏色，如圖3所示。通過手勢運動拆分幾何體，可以幫助學生很好的理解幾何體中的點、線、面，以及學習幾何體表面面積和體積的計算。

（三）在高等教育中的應用

Leap Motion的出現(xiàn)，為高校各專業(yè)學生同樣也開拓了一個全新的學習方法，無論是計算機、設計、醫(yī)藥、音樂或自然科學專業(yè)，學生們都可以通過前沿的3D互動來學習、實驗、探索虛擬環(huán)境，用新的方法去解決原來的問題。CrystalViewer是一款用于幫助高?；瘜W相關(guān)專業(yè)學生觀察晶體和分子內(nèi)部原子排列的免費應用程序，學生配戴一副紅/藍（或紅/綠）立體眼鏡，配合Leap Motion控制器，通過雙手的運動獲得非常逼真的3D晶體與分子旋轉(zhuǎn)、縮放的完全交互式體驗，方便學生直觀地觀察化學鍵，觀看原子如何聚集在一起。此外，屏幕工具使學生還能夠利用手的運動測量原子間的距離和角度，充分享受身臨其境的“屏幕外”3D體驗。

華南師范大學的華子荀針對目前高校交互式數(shù)字電視節(jié)目缺乏合適的體感技術(shù)支持問題，采用Leap Motion控制器，配合電腦和投影儀，利用FLASH軟件對《電視攝像構(gòu)圖》教學內(nèi)容進行交互式數(shù)字電視節(jié)目的設計與開發(fā)，并以華南師范大學新聞傳播專業(yè)的大學生為研究對象，采用單組前測后測對比實驗的方法，[10]得出了學生利用Leap Motion體感技術(shù)可以提高學習興趣和學習質(zhì)量的結(jié)論。中國航天員科研訓練中心的胡弘等針對我國載人航天地面虛擬訓練中采用數(shù)據(jù)手套采集手勢的不足，根據(jù)虛擬手構(gòu)建的需求，利用Leap Motion手勢采集設備，對獲取的信息建模，構(gòu)建出符合人手生理學結(jié)構(gòu)的虛擬手，并在設備組裝的虛擬操作訓練中進行了實驗，采用主觀評價的方法，得出了該方法構(gòu)建虛擬手速度快，交互性好，能夠很好的應用于航天員虛擬訓練中，[11]可以增強虛擬訓練的沉浸感和真實感，提高訓練效果。

（四）在創(chuàng)客教育中的應用

創(chuàng)客教育是將創(chuàng)客文化與教育結(jié)合，以學生興趣愛好為出發(fā)點，依托實際項目，利用新的數(shù)字技術(shù)和方法鼓勵學生進行創(chuàng)造和分享，培養(yǎng)學生創(chuàng)新能力、團隊協(xié)作精神和跨學科解決問題的能力一種教學模式?；ヂ?lián)網(wǎng)、開源軟件、3D打印等新技術(shù)的應用，為創(chuàng)客教育的普及降低了邊際成本。體感技術(shù)的發(fā)展，為3D打印帶了新的生機，可以解決以往通過鼠標在二維環(huán)境下建立三維模型時很不方便的難題，Leap Motion傳感器提供了橋梁，創(chuàng)造了一個可以用手操縱三維虛擬對象的環(huán)境，有助于STEAM學習。國外很多創(chuàng)客空間使用Leap Motion控制器和3D打印機，通過新興的開源計算機語言Processing進行少兒手繪創(chuàng)作，如圖4所示。手繪者在電腦前進行三維繪畫創(chuàng)作，Processing sketch通過Leap Motion控制器收集到手指的笛卡爾坐標信息，并利用處理器將這些值轉(zhuǎn)換成3D打印機需要的笛卡爾坐標，然后封裝成G-code命令發(fā)送到3D打印機將3D作品打印出來。小朋友們通過十個手指，可以隨心所欲地進行創(chuàng)作，在空氣中根據(jù)自己的想象就能創(chuàng)造出自己喜歡的3D作品，這是鼠標無法做到的事情。同樣，在機器人領(lǐng)域，也有不少國外的創(chuàng)客空間使用Leap Motion控制器進行了研究，通過一雙手就能控制機器人進行一些細微的操作，如圖5所示。

溫州中學是國內(nèi)較早開展創(chuàng)客教育的中學，該校信息中心主任謝作如老師是開展創(chuàng)客教育的專家，他認為用面向兒童的簡易編程工具Scratch開發(fā)各種創(chuàng)客作品，是非常好的選擇。[12]謝老師在教學實踐中，引入Leap Motion體感控制器技術(shù)，利用用于Leap Motion的Scratch 2.0插件程序，指導學生編寫出了許多很酷的手勢控制方面的游戲，同時，他還指出了“Scratch 2.0 Plug-in for Leap Motion”插件在體感游戲制作方面存在的不足。[13]

四、在教學應用中的問題分析

相對于微軟的Kinect體感技術(shù)來說，Leap Motion在教育中的應用還處于起步階段，Kinect更側(cè)重于肢體的整體運動，在增強現(xiàn)實領(lǐng)域應用更為廣泛，但空間占用較大、對識別距離有一定的要求、識別精度遠不如Leap Motion。Leap Motion定位則更偏向于“桌面”操作，[14]價格較低、占用空間小、識別精度高、延遲低。在教育教學中，如前面的應用案例所述，在某些教育領(lǐng)域，Leap Motion確實具有明顯的優(yōu)勢，為信息化教學提供了一個創(chuàng)新的學習方式，可以激發(fā)學生學習興趣、學習沉浸感強、學習體驗好，能有效提升學習效果。但是客觀來說，由于Leap Motion還處于完善階段，無論是在技術(shù)層面還是教育層面，Leap Motion在教學中都還存在一些問題，在短期內(nèi)還不可能完全代替鼠標、鍵盤和觸摸屏等傳統(tǒng)人機交互設備。

（一）技術(shù)層面

1.由于攝像頭是自下朝上的，所以在進行雙手運動時，設備不能很好的識別上面的手運動，比如我們?nèi)S建模雙手上下進行運動的時候，往往不能很好的對上面的手進行識別，而且當兩個手指靠近時，其中的一個手指也不能很好的識別。2.識別范圍不如Kinect，而且存在一定的死角，比如當教師演示PPT文稿時，一旦講的興起，揮舞的雙手幅度過大，可能會存在離開掃描范圍而出現(xiàn)無法控制演示文稿的情況。3. Leap Motion主要識別手部運動，不同于Kinect的肢體識別，所以在構(gòu)建具備增強現(xiàn)實功能的教學環(huán)境方面遠遠不及Kinect，而只能作為其中的一個有益補充。4.由于Leap Motion應用推廣時間不長，無論是Airspace中的應用還是教師自主開發(fā)的教育游戲或教學軟件都還有限，遠遠不能滿足日益發(fā)展的教育需要，而且開發(fā)應用軟件需要一定的編程基礎，對普通老師來說還有一定的難度。5.最重要的是，由于在操作時手一指處于懸空狀態(tài)，所以長時間使用，手臂會有點疲勞，這樣無疑會對學習者，特別是低齡兒童在長時間使用時會產(chǎn)生一定的抵觸情緒。當然，隨著計算機硬件設備的不斷創(chuàng)新、算法的不斷優(yōu)化以及更多的技術(shù)研發(fā)機構(gòu)和教育技術(shù)從業(yè)者加入到教育應用軟件的開發(fā)，一些不足之處和學習資源的匱乏現(xiàn)象肯定會逐步得到改進，從而更好的為現(xiàn)代化教育服務。

（二）教育層面

1.隨著Kinect、Leap Motion等體感技術(shù)與教育的不斷融合，信息化教學環(huán)境和學習方式也受到了一定的沖擊，如果將體感技術(shù)大規(guī)模應用于信息化教學，還缺少相應的理論支撐，需要教育技術(shù)研究者在現(xiàn)有理論的基礎上通過不斷實踐、修正，形成一套操作性強的學習指導方法，這是一個漫長的探索過程。[15]2.將Leap Motion應用于教學，在教學模式上需要有所創(chuàng)新和突破，目前來說，還沒有完整的教學案例和方案可供參考，需要先行者不斷摸索，形成較為成熟的教學模式，然后對教師進行培訓，逐步推廣，如同微課、翻轉(zhuǎn)課堂的發(fā)展壯大一樣。3.Leap Motion應用于幼兒游戲教育時，由于幼兒自控能力較弱，如果教師不加以正確的引導，很難達到應有的學習效果。需要教師充分考慮學習者的年齡特點和學習風格，[16]選擇合適的教育游戲，設置明確的、可度量的教學目標和評價指標，切實提高教學效果。4.Leap Motion在教學中只是一種全新的輔助工具，不能將其作用絕對化，在教育教學中，不能“盲目化，絕對化”，不是所有的教學內(nèi)容都適合采用體感技術(shù)開展教學，更不能忽略教師與學生之間的情感互動。5.雖然HP已經(jīng)研發(fā)出了配備Leap Motion技術(shù)的鍵盤，但是目前來說，絕大多數(shù)用戶還是購買的USB接口的Leap Motion控制器，如果要在多媒體機房使用，需要建立完善的規(guī)章制度，加強教育和管理，確保教學的順利進行。

五、結(jié)語

客觀來說，無論是已經(jīng)較為成熟的Kinect，還是處于推廣階段的Leap Motion，目前都不足以威脅到鼠標、鍵盤及觸摸屏作為主要人機交互方式的地位。但是，Leap Motion無疑是一個足以改變?nèi)藗児逃杏^念的產(chǎn)品，為未來人機交互的發(fā)展方向指明了目標。相信不久的將來，隨著Leap Motion的不斷成熟和教育應用的不斷發(fā)展，Leap Motion會在教育教學中獲得更為廣泛的應用。

[1]馬秀娟.基于自然用戶界面的人機交互模式研究[D].西安:西安理工大學，2013.

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[3]Leap Motion控制器工作原理詳解[EB/OL].http://blog.sina.com.cn/s/blog_a46bafbf0101bnc7.html.

[4]Leap Motion引爆人機互動革命[EB/OL].http://blog.sina.com.cn/s/blog_4d66b9090101d814.html.

[5]Leap Motion的開發(fā)者文檔[EB/OL].https://developer.leapmotion.com/documentation/guide/Leap_Overview.

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[11]胡弘,晁建剛,林萬洪等.Leap Motion虛擬手構(gòu)建方法及其在航天訓練中的應用[J].載人航天，2015，(5):257-262.

[12]蔣莘,謝作如.中小學的創(chuàng)客課程掃描[J].當代教育家，2015，(6):48-49.

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[14]馬若飛.Kinect與Leap Motion，不存在的戰(zhàn)斗[EB/OL].http://www.ifanr.com/271316.

[15]李青，王青.體感交互技術(shù)在教育中的應用現(xiàn)狀述評[J].遠程教育雜志，2015，(1):48-56.

[16]李玲，胡衛(wèi)星,趙苗苗等.手勢計算技術(shù)教學應用的現(xiàn)狀及問題分析[J].遠程教育雜志，2015，(1):34-38.

[責任編輯：鐘 晴]

TP391.4

A

1008-7346（2016）05-0023-06

2016-08-04

本文系江蘇省教育廳2013年度高校哲學社會科學研究基金項目 （2013SJD760031）的階段性成果。

胡建平，男，湖南常德人，江蘇師范大學連云港校區(qū)數(shù)信學院副教授。

黃國政，男，寧夏銀川人，江蘇師范大學連云港校區(qū)數(shù)信學院副教授。