李國(guó)良 黃如民 楊朝勇

摘 要：為發(fā)揮增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在英語教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)，基于Android平臺(tái)，設(shè)計(jì)可以觸控交互、朗讀發(fā)音的英語單詞卡系統(tǒng)。系統(tǒng)分為客戶端和服務(wù)器端，客戶端和服務(wù)器端之間采用HTTP協(xié)議通信，其中客戶端包含資源下載、資源加載、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果呈現(xiàn)和交互4個(gè)功能模塊。通過掃描紙質(zhì)英語單詞卡片，呈現(xiàn)對(duì)應(yīng)的虛擬物體并朗讀出英語發(fā)音。該系統(tǒng)滿足設(shè)計(jì)功能要求，可把增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果和單詞關(guān)聯(lián)起來，有助于兒童理解和記憶英語。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí);英語學(xué)習(xí);教育應(yīng)用

DOI：10. 11907/rjdk. 182242

中圖分類號(hào)：TP319文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：1672-7800（2019）003-0108-04

0 引言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（Augmented? Reality，AR）是一種將計(jì)算機(jī)制作的虛擬信息與真實(shí)環(huán)境疊加在一起，增強(qiáng)用戶對(duì)現(xiàn)實(shí)世界體驗(yàn)和認(rèn)知的新技術(shù)[1]。AR應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛，如用于醫(yī)療手術(shù)部位精確定位、導(dǎo)航、古跡復(fù)原虛擬重構(gòu)、房地產(chǎn)宣傳等。在教育領(lǐng)域AR也具有很大的應(yīng)用潛力[2]，可將抽象的學(xué)習(xí)內(nèi)容可視化、形象化，創(chuàng)造真實(shí)的學(xué)習(xí)情境，提高學(xué)習(xí)者興趣和注意力[3]。英語教學(xué)應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，有助于培養(yǎng)兒童英語語感，提高理解、記憶英語的能力，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣[4]。

本文設(shè)計(jì)一種基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的英語單詞卡系統(tǒng)，通過掃描紙質(zhì)英語單詞卡，呈現(xiàn)與單詞相關(guān)的AR效果，朗讀英文發(fā)音，同時(shí)具有交互功能，有助于兒童英語學(xué)習(xí)。

1 研究綜述

1.1 國(guó)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外開展增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的研究相對(duì)較早，但早期由于硬件設(shè)備限制，將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的例子并不多。2002年，Mark Billinghurst& Hirokazu Kato[5]制作了具有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)效果的場(chǎng)景供學(xué)生觀看。2003年，澳大利亞研究人員Kaufmann & Schmalstieg[6]嘗試用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)展現(xiàn)幾何體，幫助孩子理解空間知識(shí)。2007年，Andreas Dunser&Eva Hornecker[7]使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)制作兒童故事書。2010年，美國(guó)學(xué)者Juan [8]研制增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)立體玩具，幫助孩子認(rèn)識(shí)瀕危動(dòng)物。孩子通過觀察立體的動(dòng)物，查看動(dòng)物習(xí)性信息以了解瀕危動(dòng)物生存狀況。

2016年，隨著任天堂“Pokemon Go”游戲的流行，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)也被大眾了解，隨后增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的相關(guān)產(chǎn)品愈加豐富，2016年被媒體稱為“VR/AR元年”。由于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的發(fā)展，人們借助ARToolKit、Vuforia、Metaio等AR軟件開發(fā)工具包，使增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的開發(fā)過程變得相對(duì)簡(jiǎn)單[9];另一方面，隨著移動(dòng)終端設(shè)備運(yùn)算能力及圖形處理能力增強(qiáng)，開發(fā)基于移動(dòng)終端的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序并應(yīng)用于教學(xué)成為可能。2016年真田博文等 [10]為初中生設(shè)計(jì)Android應(yīng)用程序，通過掃描相應(yīng)字母卡片，朗讀英文發(fā)音。

1.2 國(guó)內(nèi)研究現(xiàn)狀

國(guó)內(nèi)將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的時(shí)間雖晚于國(guó)外，但也取得了豐碩成果。北京師范大學(xué)蔡蘇團(tuán)隊(duì)[11]為AR應(yīng)用于教學(xué)領(lǐng)域作了大量嘗試：在數(shù)學(xué)教學(xué)中，利用AR技術(shù)模擬耗費(fèi)人力的重復(fù)性過程，如投硬幣概率事件，幫助學(xué)生理解概率知識(shí);在物理教學(xué)中，通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)把抽象的概念（如磁場(chǎng)）進(jìn)行可視化顯示;在化學(xué)教學(xué)中，展現(xiàn)難以用肉眼觀察到的化學(xué)反應(yīng)過程，如水分子形成;還有計(jì)算機(jī)學(xué)科也利用AR技術(shù)進(jìn)行輔助教學(xué)研究。曾丹[12]嘗試把增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到漢語教學(xué)中，通過對(duì)現(xiàn)有漢語課本添加虛擬信息幫助學(xué)生認(rèn)讀。在英語教學(xué)中，李丹[13]提出基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的英語教學(xué)模式有利于提高學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)。

總體上國(guó)內(nèi)外皆有將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的實(shí)踐，特別是關(guān)于物理、數(shù)學(xué)、化學(xué)等含較多抽象知識(shí)的學(xué)科，也有少量將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于語言教學(xué)的研究，以上嘗試對(duì)知識(shí)習(xí)得均提供了一定幫助。

1.3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于英語教學(xué)的優(yōu)勢(shì)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)可融合虛擬與現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景，提供真實(shí)的感官體驗(yàn)，具有立體化視覺呈現(xiàn)、實(shí)時(shí)交互、增強(qiáng)用戶沉浸感等特點(diǎn)[14]。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于英語教學(xué)有3方面優(yōu)勢(shì)。

（1）提供良好的感官體驗(yàn)，豐富英語學(xué)習(xí)環(huán)境。兒童學(xué)習(xí)過程以形象思維方式為主，即學(xué)習(xí)對(duì)象應(yīng)“看得見，摸得著”[15]。英語學(xué)習(xí)過程提供學(xué)習(xí)材料與真實(shí)事物相似程度越高越好，圖片、視頻等學(xué)習(xí)材料的二維呈現(xiàn)與三維模型相比形象程度偏低。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)把三維模型、音頻、視頻融合成一個(gè)整體，讓孩子能看、能聽、能摸，逼真的環(huán)境、多感官的體驗(yàn)讓幼兒融入到學(xué)習(xí)環(huán)境中，一定程度上緩解了現(xiàn)有英語學(xué)習(xí)氛圍的單調(diào)。

（2）培養(yǎng)英語語感，提高聽力水平。實(shí)際生活情境中置身于英語對(duì)話的場(chǎng)景十分稀少，兒童英語教學(xué)環(huán)境中雖不缺乏英語訓(xùn)練，但傳統(tǒng)學(xué)習(xí)方式往往是聽、說為主[16]。而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的幫助下，視、聽、說相互融合，讓兒童置身于真實(shí)的英語情境下，把英語詞語與現(xiàn)實(shí)事物聯(lián)系在一起，增強(qiáng)對(duì)英語詞語語義的理解[17]。同時(shí)調(diào)動(dòng)眼、耳、口多個(gè)感官，對(duì)于兒童理解、記憶英語，提高英語聽力有所幫助。

（3）玩中學(xué)，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣[18]。玩是兒童的天性，孩子很樂意學(xué)習(xí)有趣、好玩的事物[19]。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境下，威風(fēng)的老虎、穿梭水中的游魚等英語單詞相對(duì)應(yīng)的景象呈現(xiàn)在兒童眼前，輕輕地觸摸后，動(dòng)物們或是吼叫，或是游動(dòng)，清晰標(biāo)準(zhǔn)的英語發(fā)音同時(shí)被朗讀出來。

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)英語單詞卡系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

2.1 功能概述

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)英語單詞卡系統(tǒng)具有4個(gè)功能，即下載資源、加載資源、AR顯示、AR交互功能。系統(tǒng)下載與英語單詞、句子有關(guān)的聲音、文字、3D模型資源后再加載到移動(dòng)設(shè)備中顯示出AR效果，最后用戶通過AR交互功能使系統(tǒng)朗讀英文讀音。

2.2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)采用客戶服務(wù)模式，分為客戶端與服務(wù)器區(qū)，如圖1所示。手機(jī)、平板等移動(dòng)設(shè)備作為客戶端，有攜帶方便、無線方式連接互聯(lián)網(wǎng)的優(yōu)點(diǎn)，也具備增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)必需的攝像、跟蹤計(jì)算、圖形渲染等能力。服務(wù)器主要作用是存儲(chǔ)模型、聲音、圖片等需占用大量存儲(chǔ)空間的資源。

客戶端包含下載資源、加載資源、AR顯示、AR交互4個(gè)功能模塊。首先通過下載資源功能可下載存放在服務(wù)器中的英語單詞相關(guān)的模型、音頻、圖片資源;然后移動(dòng)設(shè)備通過系統(tǒng)加載資源功能將資源加載到系統(tǒng)中;接著AR顯示功能通過跟蹤目標(biāo)對(duì)象，把虛擬對(duì)象如模型與現(xiàn)實(shí)世界的場(chǎng)景疊加并顯示出來;最后通過旋轉(zhuǎn)等交互功能進(jìn)行一系列交互。

服務(wù)端除了存儲(chǔ)資源外，還需建立數(shù)據(jù)庫，存儲(chǔ)資源路徑、名稱、編號(hào)等相關(guān)信息，以供客戶端提取，下載關(guān)聯(lián)資源?？蛻舳伺c服務(wù)器的通信是基于HTTP協(xié)議實(shí)現(xiàn)的，由于其支持客戶/服務(wù)模式、連接方式簡(jiǎn)單且傳輸數(shù)據(jù)的類型靈活，因此在互聯(lián)網(wǎng)上應(yīng)用十分廣泛[20]。通信過程是客戶端先向服務(wù)器發(fā)送請(qǐng)求，服務(wù)器接收請(qǐng)求后，根據(jù)請(qǐng)求的內(nèi)容查詢數(shù)據(jù)庫，再將查詢結(jié)果返回到客戶端。

2.3 功能實(shí)現(xiàn)

（1）下載資源功能。資源有3D模型文件、文本文件、圖片文件、音頻文件、識(shí)別文件等，皆存放在服務(wù)器中，在使用前需先下載，下載中使用Unity軟件的WWW類庫，傳輸方式為HTTP協(xié)議POST方式。

WWW是Unity封裝的一個(gè)基于HTTP協(xié)議的類庫，可以使用該類庫進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)請(qǐng)求[21]。WWW類采用客戶端與服務(wù)器工作模式，首先通過客戶端與服務(wù)器建立連接;發(fā)送請(qǐng)求;服務(wù)器接收到請(qǐng)求后，返回信息到客戶端;通信完成后關(guān)閉連接。按照HTTP協(xié)議使用POST或者GET方式傳輸數(shù)據(jù)。GET方式請(qǐng)求會(huì)附加在URL后面，POST方式則通過FROM形式提交。GET方式最多只能傳輸1 024字節(jié)，POST方式在理論上則沒有限制、且POST比GET方式安全性更高，所以本文使用POST方式。關(guān)鍵代碼如下：

IEnumerator SendPost（string _url， WWWForm _wForm）

{

WWW postData = new WWW（_url， _wForm）;??? //聲明一個(gè)WWW類用于接收資源數(shù)據(jù)

yield return postData; ??????????????????? //獲取下載的資源

if （postData.error ！= null）????????????? //檢查數(shù)據(jù)是否有錯(cuò)

{

Debug.Log（postData.error）;

}

else

{

Debug.Log（postData.text）;

}

}

public void HttpSend（string name，string id，string urlString）

{

WWWForm form = new WWWForm（）; //聲明一個(gè)表單變量存儲(chǔ)服務(wù)器端的賬號(hào)與密碼

form.AddField（“Username”，name）;? //填寫賬號(hào)、密碼

form.AddField（“ID”，id）;

StartCoroutine（SendPost（urlString， form））; //開啟一個(gè)協(xié)程來進(jìn)行下載工作

}

（2）加載資源功能。系統(tǒng)需把資源轉(zhuǎn)化為Unity支持的資源格式后才可加載資源，如音頻資源需要轉(zhuǎn)換為Audio Clip格式，對(duì)于文本、貼圖、資源包類型的資源，對(duì)應(yīng)格式分別為Text、Texture、AssetBundle，而Unity不支持的格式需轉(zhuǎn)換為字節(jié)數(shù)組類型，其后通過Unity提供的資源加載函數(shù)，把相對(duì)應(yīng)的資源加載到系統(tǒng)中。

（3）AR顯示功能。EasyAR作為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開發(fā)的AR SDK，顯示模型需要包含3個(gè)步驟，分別是獲取密鑰、準(zhǔn)備識(shí)別圖、書寫識(shí)別代碼。具體包括：①獲取密鑰是獲取使用AR SDK的使用權(quán)限，需把密鑰填寫到AR Camera的Key屬性欄中;②為使移動(dòng)終端在開啟攝像頭掃描后可以追蹤到識(shí)別對(duì)象，需提前準(zhǔn)備識(shí)別度較好的圖片作為識(shí)別圖，并把識(shí)別圖的名稱與路徑填寫到Image Target的屬性欄中;③書寫識(shí)別代碼可反饋?zhàn)R別對(duì)象被追蹤檢測(cè)時(shí)觀測(cè)模型能否正常顯示。當(dāng)掃描或遠(yuǎn)離識(shí)別圖時(shí)，在OnTargetFound和OnTargetLost函數(shù)中，系統(tǒng)可接收識(shí)別對(duì)象的反饋消息。

（4）AR交互。3D模型控制。unity支持多種3D模型格式，如fbx、dae、3ds、dxf、obj等文件格式，但較為常用的格式是fbx格式。首先fbx格式可存儲(chǔ)3D模型包含的網(wǎng)格、材質(zhì)、動(dòng)畫、骨骼等信息，unity引擎可解讀信息;其次，fbx格式允許不同3D模型制作軟件讀取編輯，如Maya和3D Max三維制作軟件都可以打開fbx格式文件進(jìn)行編輯。但其它格式只能被相應(yīng)的3D模型制作軟件讀取，如mb格式可以被Maya三維制作軟件讀取，但不能被3D Max三維制作軟件識(shí)別。

通過改變兩指之間的距離進(jìn)行縮放，以確定模型的縮放效果。若兩指之間距離增大，則放大模型;反之則縮小模型。通過單個(gè)手指朝不同方向滑動(dòng)旋轉(zhuǎn)，可從不同角度觀看模型。當(dāng)手指向右滑動(dòng)，模型會(huì)向右旋轉(zhuǎn);反之模型則向左轉(zhuǎn)。關(guān)鍵代碼如下：

float offset = newDistance - oldDistance;//兩指間距離，為正表示放大手勢(shì)， 為負(fù)表示縮小手勢(shì)

float scaleFactor = offset / 100f; //縮放因子，確定縮放的比例

Vector3 scale = new Vector3（localScale.x + scaleFactor，//模型按縮放因子進(jìn)行縮放

localScale.y + scaleFactor，

localScale.z + scaleFactor）;

Vector2 deltaPos = touch.deltaPosition;//手指觸點(diǎn)的改變距離

transform.Rotate（Vector3.down * deltaPos.x，Space.World）;//圍繞Y軸進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。若手指觸點(diǎn)改變距離為正，則向右旋轉(zhuǎn);反之向左旋轉(zhuǎn)。

英語發(fā)音播放與暫停。Unity支持4種音頻格式aiff、wav、mp3、ogg。aiff、wav適合較短的聲音文件存儲(chǔ)，而mp3、ogg適合較長(zhǎng)的聲音文件存儲(chǔ)。英語單詞發(fā)音及例句的朗讀都屬于較短的聲音。另外wav格式屬于無損壓縮格式，單詞、例句聲音的清晰程度不會(huì)受到影響，所以采用wav格式較為適合。Unity使用AudioSource組件的 Play、Stop等函數(shù)，控制聲音播放、暫停及循環(huán)播放。

文本信息顯示與隱藏。文本信息包含英語單詞及例句相關(guān)信息，可以控制文本信息的顯示與隱藏。當(dāng)需要查看包含英語單詞的例句時(shí)，單擊一次按鈕，則展現(xiàn)相應(yīng)例句，再次單擊按鈕則例句消失。Unity通過GameObject組件SetActive函數(shù)的布爾參數(shù)，決定單詞或例句信息是否顯示。

UI控件控制。UI控件實(shí)現(xiàn)與用戶可視化交互，可控制例句顯示或隱藏，控制暫停與播放單詞、例句等音頻及場(chǎng)景切換。Unity通過Button組件onClick函數(shù)響應(yīng)用戶點(diǎn)擊事件。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 測(cè)試環(huán)境

硬件環(huán)境選用Andriod移動(dòng)設(shè)備作為調(diào)試平臺(tái)，軟件操作系統(tǒng)為Andriod4.0版本。另外，還需要英語單詞卡，本文設(shè)計(jì)了由綠色背景、黃色前景色英文和動(dòng)物圖片組成的英語單詞卡，如圖2所示。

3.2 測(cè)試流程與結(jié)果

打開攝像頭，將攝像頭對(duì)準(zhǔn)英語單詞卡，平板上會(huì)出現(xiàn)呼嚕呼嚕叫的鱷魚，伴隨著鱷魚爬行與吼叫，系統(tǒng)發(fā)出鱷魚叫聲及相應(yīng)英語發(fā)音，并顯示相應(yīng)英文單詞，如圖3所示。通過手指操作還可以細(xì)致觀察，手指滑動(dòng)屏幕，鱷魚就會(huì)轉(zhuǎn)過身去，雙指捏放，鱷魚會(huì)縮小與放大。如果需要反復(fù)聽發(fā)音，則選擇相應(yīng)“中”或者“英”按鈕。

從結(jié)果來看，本系統(tǒng)完成了核心功能，通過下載、加載英語單詞卡對(duì)應(yīng)的動(dòng)物模型、中英文發(fā)音、文本，以AR效果顯示出來，然后可對(duì)其進(jìn)行縮放、旋轉(zhuǎn)等交互操作，控制朗讀聲音的播放等。測(cè)試過程中，系統(tǒng)仍存在一些問題，需要繼續(xù)優(yōu)化：①個(gè)別英語單詞識(shí)別速度慢，原因可能是識(shí)別圖精準(zhǔn)度偏低;②可能由于網(wǎng)絡(luò)原因，資源下載速度較慢;③模型動(dòng)畫需更豐富。

4 結(jié)語

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有融合虛擬與現(xiàn)實(shí)的特點(diǎn)，能夠立體化呈現(xiàn)知識(shí)內(nèi)容，將其應(yīng)用于英語教學(xué)，對(duì)提高兒童學(xué)習(xí)興趣，理解、記憶英語能力和英語聽力等方面有所幫助。本文設(shè)計(jì)的基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的兒童英語單詞卡系統(tǒng)，把抽象的英文單詞轉(zhuǎn)為具有視聽效果的AR場(chǎng)景，符合兒童認(rèn)知特點(diǎn)，有助于兒童英語學(xué)習(xí)。盡管增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)相對(duì)于其它教學(xué)媒體在感官體驗(yàn)上有較大優(yōu)勢(shì)，但如何有效應(yīng)用到教學(xué)中仍是信息技術(shù)與課程深度融合過程中需進(jìn)一步探索的問題[22]。

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（責(zé)任編輯：江 艷）