王雅蕓 陳勇

摘 要：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)能夠?yàn)榻逃w驗(yàn)者提供新的媒介，為傳統(tǒng)的教與學(xué)提供多樣化傳授知識的手段。移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（MAR）作為AR的分支，在顯示設(shè)備方面更小型、更輕便，促進(jìn)了AR的普及。使用MAR技術(shù)輔助小學(xué)英語學(xué)科的學(xué)習(xí)，在提升學(xué)生英語學(xué)識能力的同時(shí)，又賦予教育過程娛樂性。本文探討基于MAR技術(shù)的小英語輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)，描繪了該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則與整體架構(gòu)，分析實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的硬件、軟件及媒體資源。最后，以小學(xué)英語人教版三年級下冊第三單元課文《At the zoo》為例，具體說明了該系統(tǒng)設(shè)計(jì)與開發(fā)的整個(gè)過程。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）；移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（MAR）；小學(xué)英語；智能手機(jī)；Unity；VOIDAR

中圖分類號：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號：1673-8454（2018）19-0080-05

一、引言

移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Mobile Augmented Reality，簡稱MAR）是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡稱AR）的分支，目前主要有兩種：傳統(tǒng)MAR技術(shù)和基于移動終端的MAR技術(shù)。傳統(tǒng)MAR技術(shù)主要依靠PC機(jī)、頭盔顯示器或者GPS、磁傳感器等一些外接設(shè)備來完成系統(tǒng)。[1]基于移動終端的MAR技術(shù)指在iPad、智能手機(jī)、便攜式計(jì)算機(jī)等移動終端上實(shí)現(xiàn)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)。[2]尤其是智能手機(jī)，已經(jīng)配備了相機(jī)和多種傳感器，擁有足夠的處理能力，具有輕便、便攜、易用、可負(fù)擔(dān)等優(yōu)勢，能更好地支持AR學(xué)習(xí)。

從平面化的書本中獲取知識，盡管是有效的，但它們?nèi)匀皇怯邢薜?。[3]以PEP小學(xué)英語教材為例，于越[4]在調(diào)研中指出：小學(xué)生認(rèn)為該課本學(xué)習(xí)起來困難與一般的占49.7%。小學(xué)英語課本中的文字、插圖呈現(xiàn)的2D信息對小學(xué)階段部分學(xué)生的認(rèn)知具有局限性和挑戰(zhàn)性，且經(jīng)常令他們困惑和難以識記。AR技術(shù)的出現(xiàn)很大程度上打破了這種認(rèn)知維度的局限，提供疊加的3D信息并與環(huán)境正確對齊?！皩W(xué)習(xí)金字塔”[5]理論提出：以語言學(xué)習(xí)為例，初次學(xué)習(xí)的兩個(gè)星期后，閱讀和聆聽分別能夠記住學(xué)習(xí)內(nèi)容的10%和20%；看圖能夠記住30%；看影像、展覽、演示和現(xiàn)場觀摩能夠記住50%。說明“視覺化”可以使語言類的學(xué)習(xí)更有效。以可視化的方式呈現(xiàn)抽象的概念，在提高教學(xué)效率同時(shí)也能幫助學(xué)生理解和記住這些概念。[6]利用MAR技術(shù)，以更簡便的方式將小學(xué)英語課文內(nèi)容“可視化”呈現(xiàn)，幫助創(chuàng)設(shè)情境、增強(qiáng)個(gè)體體驗(yàn)，從而學(xué)習(xí)和獲得經(jīng)驗(yàn)。目前，支持小學(xué)英語學(xué)習(xí)的相關(guān)AR產(chǎn)品已經(jīng)得到了應(yīng)用，例如：Orilnbar[7]公司發(fā)布了一款支持7歲左右兒童隨時(shí)隨地學(xué)習(xí)英語拼寫的AR游戲；廈門榮趣網(wǎng)絡(luò)科技有限公司開發(fā)了一款名為“AR英語”的APP，涵蓋了小學(xué)三年級英語課本中大部分英文詞匯。本研究旨在圍繞小學(xué)英語課文內(nèi)容，設(shè)計(jì)開發(fā)MAR技術(shù)支持的虛擬動態(tài)景物環(huán)境，將視頻、模型、音頻等實(shí)時(shí)“寫入”英語課文，補(bǔ)充標(biāo)準(zhǔn)課程，并在擬真場景進(jìn)行簡單互動拓展，通過個(gè)體體驗(yàn)建構(gòu)知識體系，最終達(dá)到知識的理解與內(nèi)化。

二、設(shè)計(jì)原則與整體架構(gòu)

1.設(shè)計(jì)原則

基于MAR的小學(xué)英語輔助學(xué)習(xí)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原則應(yīng)考慮如何在發(fā)揮AR技術(shù)優(yōu)勢的同時(shí)保證教學(xué)內(nèi)容貫穿始終，需要遵循以下4個(gè)要素：

學(xué)習(xí)目標(biāo)明確。在明確課文學(xué)習(xí)目標(biāo)、知識重難點(diǎn)的基礎(chǔ)上進(jìn)行AR功能的編導(dǎo)，融合學(xué)習(xí)目標(biāo)創(chuàng)設(shè)擬真學(xué)習(xí)環(huán)境和直觀學(xué)習(xí)資源，達(dá)到較高層次的知識建構(gòu)。

學(xué)習(xí)內(nèi)容緊貼課文。AR呈現(xiàn)的內(nèi)容應(yīng)緊緊圍繞課文學(xué)習(xí)內(nèi)容展開，通過掃描課文中標(biāo)記圖片可以看到配合課文情境的圖像、模型、文字、聲音等信息。將抽象信息與直觀信息相結(jié)合體現(xiàn)了它們之間的內(nèi)在聯(lián)系，讓學(xué)習(xí)者更加直觀全面地理解詞匯及語法加深記憶。[8]

簡單交互?！皩W(xué)習(xí)金字塔”[9]理論提出：學(xué)習(xí)效果在50%以上的，都是團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)、主動學(xué)習(xí)和參與式學(xué)習(xí)。系統(tǒng)交互功能可以提高學(xué)生的學(xué)習(xí)熱情與學(xué)習(xí)主觀能動性。針對小學(xué)學(xué)科的AR系統(tǒng)交互設(shè)計(jì)要具備操作簡易且能調(diào)動學(xué)生感官的特點(diǎn)。針對英語學(xué)科應(yīng)實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)參與式對話的簡單交互方式，既能增加趣味性，又能培養(yǎng)英語交際能力。

良好感官體驗(yàn)。質(zhì)量較高的視覺、聽覺與交互體驗(yàn)，可以獲得更好的學(xué)習(xí)情境沉浸感，較長時(shí)間抓住學(xué)生的注意力，提升用戶體驗(yàn)。

2.系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)整體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，均以以上幾個(gè)設(shè)計(jì)原則要素為基礎(chǔ)進(jìn)行拓展。選擇小學(xué)英語課文單元，對小學(xué)階段學(xué)習(xí)該課文單元的對象進(jìn)行特征分析，目的主要是了解學(xué)習(xí)對象，選擇適當(dāng)?shù)母泄俅碳?，為后續(xù)的系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)提供依據(jù)；對課文單元學(xué)習(xí)目標(biāo)分析，包括以單詞語法識記為中心的知識目標(biāo)、以語言交際能力為中心的能力目標(biāo)、協(xié)作自主學(xué)習(xí)目標(biāo)、情感文化目標(biāo)及重難點(diǎn)等，融合學(xué)習(xí)目標(biāo)創(chuàng)設(shè)情境。根據(jù)學(xué)習(xí)對象的特征和需要達(dá)到的不同學(xué)習(xí)目標(biāo)，編導(dǎo)設(shè)計(jì)相應(yīng)情節(jié)的功能模塊，采集和創(chuàng)作課本中的標(biāo)記圖與需要展示的模型、視頻、音頻等開發(fā)資源，進(jìn)行落地化開發(fā)。

系統(tǒng)應(yīng)用安裝成功后，學(xué)習(xí)者手持智能手機(jī)掃描需要學(xué)習(xí)的相應(yīng)單元課本標(biāo)記圖，根據(jù)顯示出的3D虛擬圖像，學(xué)習(xí)者可以變換手機(jī)攝像頭的距離或者移動書本來完成對虛擬圖像的觀看或觀察。

三、資源方案

實(shí)現(xiàn)該系統(tǒng)的開發(fā)資源主要有硬件資源、軟件資源、媒體資源。體驗(yàn)者所需資源主要有：智能手機(jī)、網(wǎng)絡(luò)、小學(xué)通用英語課本。

1.系統(tǒng)硬件資源分析

AR硬件從較高的層面上來說，主要分為兩個(gè)種類：可穿戴和不可穿戴（便攜式和固定式設(shè)備）?？纱┐靼ǎ侯^盔、耳機(jī)及未來會出現(xiàn)的隱形眼鏡。不可穿戴設(shè)備包括移動設(shè)備（智能手機(jī)、平板電腦、筆記本電腦、武器等）、固定式設(shè)備（電視機(jī)、個(gè)人電腦、播放器等）和平視顯示器（集成式或后置式）。[10]如今，智能手機(jī)設(shè)備處理速度迅速，攝像頭像素高清，具備電子羅盤、GPS、陀螺儀，可實(shí)現(xiàn)重力加速度計(jì)算、光線和距離感應(yīng)等功能，已完全滿足了AR的硬件要求，其輕便、便攜、易用、普及等優(yōu)勢更是實(shí)現(xiàn)MAR技術(shù)應(yīng)用的理想平臺。本系統(tǒng)采用的MAR硬件平臺是具有網(wǎng)絡(luò)和攝像頭的PC及Android系統(tǒng)的智能手機(jī)。

2.系統(tǒng)軟件資源分析

（1）開發(fā)環(huán)境

Unity是一個(gè)層級式的開發(fā)環(huán)境，用于創(chuàng)建三維視頻游戲、建筑可視化、實(shí)時(shí)三維動畫等類型互動內(nèi)容的綜合性創(chuàng)作工具，其編輯器運(yùn)行在Windows和Mac OS X下，可發(fā)布游戲至Windows、Mac、iPhone、Android等平臺。在2107年國際混合與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)研討會（ISMAR）中，Vinh Nguyen與Tommy Dan提出了在Unity中建立虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境。Unity是目前優(yōu)秀且常用的開發(fā)AR和VR學(xué)習(xí)環(huán)境的引擎。本系統(tǒng)采用的是Unity 2017.1.0版本，其腳本環(huán)境是Untiy自帶的MonoDevelop工具。

（2）軟件開發(fā)工具包（SDK）

現(xiàn)階段AR的SDK已經(jīng)非常多了，例如國外Metaio公司的Metaio SDK、高通公司的Vuforia SDK、Total Immersion公司的D Fusion SDK，且都在與Unity和Html5結(jié)合。前兩者雖然分別已被蘋果公司和PTC公司收購，但目前并不會對使用者造成太大影響。值得一提的是，Unity發(fā)布的2017.2及以上版本中集成了Vuforia SDK，為用戶提供了更方便的AR開發(fā)環(huán)境。國內(nèi)AR SDK雖然起步較晚，但是發(fā)展迅速，已經(jīng)能為開發(fā)者提供良好的用戶體驗(yàn)，例如視辰的EasyAR SDK、亮風(fēng)臺的HiAR SDK、米有的太虛VOIDAR SDK等。表1[11-15]對比了現(xiàn)階段幾款國內(nèi)常用開發(fā)AR的SDK插件。本系統(tǒng)采用的是VOIDAR SDK，其優(yōu)勢主要有：免費(fèi)云識別、無水印、不使用云識別開發(fā)時(shí)無需將識別圖上傳至后臺數(shù)據(jù)庫、免費(fèi)的錄屏功能。

（3）媒體資源

要進(jìn)行精確的圖像識別，就需要用細(xì)節(jié)特征豐富的平面靜態(tài)圖像作為識別圖?？紤]到系統(tǒng)遵循學(xué)習(xí)內(nèi)容緊貼課文的原則，將小學(xué)通用英語課本中的圖片作為通用識別圖，方便學(xué)生手持課本就可以體驗(yàn)AR內(nèi)容。系統(tǒng)中用到的3D模型制作完成后需導(dǎo)出為fbx格式。VOIDAR SDK視頻支持PC端為mov、mpg、mpeg、mp4、avi格式；Android端為3gp、mp4格式；iOS端為3gp、mp4、avi格式；音頻為mp3格式。

四、開發(fā)與應(yīng)用

本研究以英語人教版3年級下冊第三單元課文《At the zoo》為例，依托于智能手機(jī)、Unity與DVOIDAR SDK，開發(fā)小學(xué)英語輔助學(xué)習(xí)的MAR應(yīng)用。

1.學(xué)習(xí)者特征與學(xué)習(xí)目標(biāo)分析

（1）學(xué)習(xí)者特征分析

小學(xué)三年級（8-9歲）是具體形象思維向抽象思維為主要形式的過渡期中的轉(zhuǎn)折期。他們開始學(xué)會掌握初步的科學(xué)定義，同時(shí)還離不開直接經(jīng)驗(yàn)和感性知識，思維仍具有很大成分的具體形象性。[16]同時(shí)，Lin和Hsiao[17]研究了靜止圖像與簡單動畫對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)詞匯的影響，結(jié)果表明，動畫組的學(xué)習(xí)者在詞匯表現(xiàn)上明顯好于圖片組。所以在模塊設(shè)計(jì)時(shí)需盡可能將抽象概念具像化，運(yùn)用生動的視頻和模型代替文字和圖片。小學(xué)三年級階段的學(xué)生感知力和觀察力較片面，起點(diǎn)水平較低，因此要選擇相對簡單的交互內(nèi)容和交互方式，抓住非智力因素有關(guān)特征，提高學(xué)習(xí)過程的注意力，調(diào)動學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)豐富的情感意識。

（2）學(xué)習(xí)目標(biāo)分析

該單元的學(xué)習(xí)目標(biāo)主要劃分為知識目標(biāo)、能力目標(biāo)、情感文化目標(biāo)與重難點(diǎn)。知識目標(biāo)：學(xué)生能識記一些簡單的形容詞和器官名詞，例如：thin、fat、eyes、nose；能力目標(biāo)：能在對話中運(yùn)用所學(xué)形容詞描述動物特征；情感文化目標(biāo)：愛護(hù)動物，懂得動物是世界不可缺少的一部分；重難點(diǎn)：能以單詞和句型為依托靈活交流拓展。

2.功能模塊

根據(jù)學(xué)習(xí)者特征與學(xué)習(xí)目標(biāo)分析，系統(tǒng)將單元課文《At the zoo》的AR功能劃分為四個(gè)模塊：視頻模塊、課文重點(diǎn)單詞識學(xué)模塊、情景互動對話模塊、錄屏模塊。

視頻模塊：在該模塊中當(dāng)學(xué)習(xí)者掃描《At the zoo》單元封面圖片時(shí)出現(xiàn)與該單元相關(guān)的動畫視頻并播放，視頻內(nèi)容包括該單元的詞匯、兒歌、課文對話等。這類視頻資源通常與課本配套出版，獲取較為便捷。

課文重點(diǎn)單詞識學(xué)模塊：該單元需要學(xué)習(xí)的英文單詞側(cè)重于簡單形容詞及器官名詞，單詞的學(xué)習(xí)方式是在動物園觀察動物的情境下，使用所學(xué)單詞對動物特征進(jìn)行描述。該模塊實(shí)現(xiàn)顯示課文中擬真動物模型，并在模型上綁定相應(yīng)單詞，以生動、形象化的方式幫助學(xué)生識記單詞，了解動物，愛護(hù)動物。

情境互動對話模塊：交流是學(xué)習(xí)語言的重要特征之一，該模塊為學(xué)生提供可進(jìn)行簡單觀察、模仿和交流的一個(gè)對話環(huán)境。兩張或兩張以上的書本圖片在掃描后出現(xiàn)相應(yīng)的動物模型，當(dāng)書本圖片靠近到一定距離后，模型開始進(jìn)行簡單的互動并播放與課文內(nèi)容相關(guān)的英文對話，學(xué)生可以通過按鈕關(guān)閉對話聲音，模仿或者創(chuàng)造自己的對話內(nèi)容。這一簡單交互功能可以實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊(duì)學(xué)習(xí)與參與式學(xué)習(xí)。

錄屏模塊：通過錄屏技術(shù)記錄當(dāng)前操作手機(jī)時(shí)所看到的畫面并將這些畫面存儲，既能分享輸出，又能方便對AR展示的學(xué)習(xí)內(nèi)容快速瀏覽。

3.開發(fā)過程

（1）AR環(huán)境布置

第一步，登錄Unity官網(wǎng)（https：//unity3d.com/cn/），下載Unity 2017.1.0，按照提示安裝，需要注意的是，在Unity的安裝路徑中不能出現(xiàn)中文字符，否則運(yùn)行會報(bào)錯(cuò)。第二步，登錄VOIDAR官網(wǎng)（https：//www.voidar.net/index.php），在下載界面下載0.1.h patch1 beta版本SDK。注冊并登錄云平臺（http：//cloud.voidar.net），創(chuàng)建云數(shù)據(jù)庫，完成后獲得Accsess Key和Secret Key。第三步，將SDK導(dǎo)入U(xiǎn)nity中。第四步，刪除Scene自帶的Main Camera，展開VoidAR中Prefabs目錄，將ARCamera和ImageTarget拖至Hierarchy中。選中ARCamera，在Void AR Behaviour組件屬性中勾選Use Cloud，填入Access Key與Secret Key對應(yīng)的值。點(diǎn)擊Add Compoent，添加并綁定Cloud Controller腳本。利用Unity的AssetBundle功能，將本地識別資源ImageTarget打包，生成AssetBundle文件，上傳至VOIDAR提供的云平臺，即可實(shí)現(xiàn)云識別功能。開發(fā)環(huán)境的布置如圖2所示。

（2）識別圖（Marker）設(shè)置

課文《At the zoo》的封面圖片作為視頻的Marker，拖至StreamningAssets文件夾。選中ARCamera，設(shè)置MarkerType為Image，代表識別類型為圖片。設(shè)置Image Target Behaviour組件屬性，在Image File Path后填寫識別圖名稱及圖片擴(kuò)展名，如下文的視頻識別圖名稱及擴(kuò)展名為：At the zoo.jpg。設(shè)置成功后Scence場景中的ImageTarget由預(yù)設(shè)圖變?yōu)樽R別圖。實(shí)現(xiàn)圖片云識別需添加并綁定Cloud Controller腳本。將本地識別資源打包，在VOIDAR提供的云平臺資源管理界面中添加數(shù)據(jù)，上傳識別圖（僅支持jpg格式）和打包文件，即可實(shí)現(xiàn)圖片云識別功能。

（3）視頻模塊開發(fā)

將視頻資源同樣拖拽至StreamningAssets文件，在prefabs中找到VoidePlay拖至Hierarchy，填寫image File Path。設(shè)置Void Video Player組件，在URL后填寫視頻名稱及視頻擴(kuò)展名。實(shí)現(xiàn)云識別視頻，需在云資源管理界面的自定義數(shù)據(jù)中填寫網(wǎng)絡(luò)視頻的URL地址。在PC端進(jìn)行視頻播放調(diào)試時(shí)，必須安裝QuickTime播放器。

（4）單詞識學(xué)模塊的開發(fā)

在本單元中，將圖3左圖設(shè)置為識別Marker，ImageTarget命名為elephant。導(dǎo)入大象模型，拖拽至Hierarchy中的elephant下。在模型下創(chuàng)建多個(gè)3DTEXT與Cylinder。Cylinder調(diào)整及貼圖作為單詞的指示線，在3DTEXT中編輯大象模型對應(yīng)的形容詞及名詞如：long nose、big ears，調(diào)整單詞與指示線的位置、大小使之對應(yīng)大象模型器官。為了使掃描出來的大象模型更生動，需要在動畫模塊Animation組件中編輯模型動作，并將對應(yīng)的3DTEXT、Cylinder與對應(yīng)的大象模型關(guān)節(jié)綁定。最終實(shí)現(xiàn)效果如圖3右圖所示。

（5）情境互動對話模塊的開發(fā)

兩張或兩張以上指定圖卡掃描后出現(xiàn)的兩個(gè)或兩個(gè)以上的模型在靠近到一定距離后進(jìn)行與課文內(nèi)容相關(guān)的英文對話和動作互動。例如，將圖4作為互動圖卡A，圖5為互動圖卡B，分別設(shè)置為Marker。選中ARCamera，設(shè)置Simultaneous Tracking為2，代表本次同時(shí)跟蹤的識別Marker數(shù)量為2個(gè)。將圖卡A的熊貓模型和圖卡B的長頸鹿模型拖至場景中對應(yīng)的Marker上。在動畫模塊Animation組件中編輯控制模型動作。兩個(gè)模型分別給予標(biāo)簽并添加碰撞器Box Collider、剛體Rigidbody和音頻組件Audie Source。調(diào)整碰撞器并把對話音頻拖拽進(jìn)音頻組件，編寫代碼控制初次進(jìn)入碰撞器、停留在碰撞器、離開碰撞器三種狀態(tài)的模型動作與音頻。當(dāng)圖卡A與圖卡B靠近前，如圖6，模型播放各自動作。當(dāng)圖卡A與圖卡B靠近到一定距離后，兩個(gè)模型的碰撞器發(fā)生碰撞后播放動作及對話音頻，如圖7。同時(shí)添加一個(gè)button用來控制對話聲音開關(guān)，學(xué)習(xí)者可以關(guān)閉初始對話聲音，為模型的互動配音。

（6）錄屏與打包

VOIDAR SDK能將運(yùn)行中的AR內(nèi)容錄制為mp4格式視頻存儲在手機(jī)相冊中。在ARCamera上添加Video Record Behaviour腳本組件，即可方便實(shí)現(xiàn)錄屏功能。完成所有開發(fā)測試后就可以打包，Android與iOS的打包需分別在Windows與MAC環(huán)境下完成，打包前需要下載Unity Android Support，打包過程中需要填寫Company、Product Name與Bundle Identifier。

五、結(jié)束語

集成AR技術(shù)的虛實(shí)交互應(yīng)用程序可為用戶帶來身臨其境的體驗(yàn)感，在促進(jìn)學(xué)習(xí)者積極學(xué)習(xí)、意義學(xué)習(xí)和有效學(xué)習(xí)的過程中已展現(xiàn)出巨大潛力。[18] MAR作為AR的分支，在可靠、易用、易獲取等方面更好地支持了英語的移動學(xué)習(xí)與泛在學(xué)習(xí)。本研究基于MAR技術(shù)輔助學(xué)生掌握小學(xué)英語，促進(jìn)合作自主學(xué)習(xí)，也可為教師提供更好的教學(xué)資源，且所采用的識別圖都是通用型，可重復(fù)利用。但本研究還有待進(jìn)一步豐富完善，如展示虛擬信息的方式僅限于識別圖疊加，交互方式也較為單一，如何結(jié)合小學(xué)生特征設(shè)計(jì)更恰當(dāng)?shù)墓δ苣K和技術(shù)應(yīng)用，使之成為完整的、成體系的小學(xué)英語教育應(yīng)用資源等，這些問題都需要深入探討和實(shí)踐。

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（編輯：王曉明）