基于增强现实技术的儿童识字系统的设计

摘要：本文基于3～6岁儿童的认知发展特点，将增强现实技术（AR）与儿童识字相结合，设计了一个基于增强现实技术的儿童识字系统原型。该系统符合学龄前儿童的认知发展特点，同时加入了多样化的交互方式，为儿童营造了真实生动、充满趣味的学习氛围，有助于提高儿童的学习积极性，促进儿童的汉字学习。

关键词：儿童识字系统；增强现实；儿童认知特点

中图分类号：G434  文献标识码：A  论文编号：1674-2117（2024）15-0092-05

研究目标

社会心理学家阿伯特·班杜拉认为，对已经具有使用象征符号能力的3～6岁儿童而言，记忆是一种生理需要，儿童识字更是儿童身心发展的必然需求。但在学前阶段，儿童仅具有区分汉字和线条图的基本能力，位置意识和部件意识还未能完全发展。[1]而增强现实技术（AR）可以将计算机生成的虚拟物品叠加在真实环境上，增加学习的沉浸感。所以，本研究结合3～6岁儿童的认知特点，将增强现实技术和识字系统相结合，通过在识字过程中融入动画、增加交互功能、设计讲故事的环节等，从多个方面促进儿童认识汉字、使用汉字，实现寓教于乐。

相关理论

1.增强现实技术与识字系统

增强现实（Augmented Reality，简称AR）是虚拟现实（Virtual Reality，简称VR）技术的延伸，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。[2]

笔者发现，识字系统利用AR技术，能够将计算机生成的图片或文字叠加在现实物体上，增强信息表达，而儿童与系统交互能获得语音、动画等反馈，从而将实体物品和文字连接起来，实现整体记忆。

2.儿童认知特点

根据皮亚杰认知发展理论，3～6岁的儿童处于前期运算发展阶段，他们的思维是具体形象的。3～6岁儿童对汉字的字形的认识是逐渐发展的，对汉字与似字符号的辨别能力随着年龄的增长而提高，6岁儿童已经具备较好的辨别能力。他们对汉字的笔画特征和组合模式的意识，也是随着年龄的增长而增强。[3]另外，儿童对色彩是极为敏感的，色彩不仅能造成视觉上的冲击，还能给心灵造成一定的触动，影响儿童情绪，引发儿童的想象力。

3.AR技术在儿童学习的应用现状

在促进儿童学习方面，AR技术大多与绘本相结合，利用AR的交互性来提升儿童学习意愿。在识字应用上，目前的产品大多是通过图片和反复练习来帮助儿童识字。而利用AR技术将识字放入具体的环境中，可以更好地帮助儿童将知识与现实相联系，利用生动有趣的交互功能提高知识的传授效率。

系统设计流程（如图1）

1.进行用户调研

笔者邀请了部分幼儿园老师和学龄前儿童的家长进行访谈，了解儿童的行为特征和心理习惯。通过整理访谈结果，笔者对儿童的识字情况以及行为特点有了初步的了解，让后续的设计有了依据。

2.确定理论基础

通过访谈以及对国内外相关文献的阅读，笔者在本研究的设计中确定了以情感化设计为理论基础，在满足儿童识字功能需求的基础上，更加关注儿童的情感需求，将情感融入设计中，在交互过程中实现情感共鸣。[4]

3.绘制用户体验地图

用户体验地图可以进一步了解用户的使用感受和行为，并发现设计的机会点和痛点，优化设计流程，提高用户体验感，如图2所示。

4.交互原型迭代

在实现数字原型之前，绘制纸质原型进行模拟，并不断迭代确定数字原型。在数字原型制作的过程中，加入用户可用性测试，以即时发现设计中存在的问题并及时修改。通过不断地迭代和修改，确定最终设计的交互原型。

设计策略

1.鲜艳明亮的页面颜色

色彩对儿童十分重要，针对处于前运算思维阶段的儿童，色彩设计应选用浓烈、鲜艳的颜色，这样可以引起他们强烈的兴趣。[5]3～6岁的儿童已经具有一定的色彩灵敏度，他们更加偏爱明亮鲜艳、活泼亮丽的颜色。但是，如果一味追求鲜艳的颜色，效果会适得其反，所以画面中可以加入一些中性色或者降低色彩的饱和度来进行调和。[6]在本研究的设计中应充分考虑3～6岁儿童的色彩心理，页面设计选用鲜艳明亮的颜色，既符合儿童的色彩心理，也能很好地激发儿童的学习兴趣。同时，还应注意加入一定的中性色或低饱和色，使页面更加柔和。

2.虚实结合的内容呈现

在儿童识字的过程中结合AR技术，用虚实结合的方式呈现学习的内容，让识字过程充满更多的趣味性和互动性，能更好地提高儿童注意力。同时，儿童还可以与内容实时互动，这样能激发儿童的兴趣，提升儿童的学习效率和积极性。

3.简单有趣的交互方式

学龄前儿童喜爱互动、游戏，因此，在设计中笔者加入了简单且有趣的交互方式，给儿童营造一个沉浸式的交互氛围，提升儿童的学习趣味性和积极性。

具体设计与关键技术

本研究旨在设计一个基于移动设备的AR交互儿童识字系统，使用户可以通过扫描文字和实物学习对应汉字的字音字形，建立思维联结从而达到学习的目的。除此之外，用户可以将多个单字以编故事的形式进行串联来学习抽象汉字的实际用法，或以识字游戏的形式将抽象文字和具体实物结合来加深记忆。

1.页面整体设计

系统的逻辑结构主要分为四个部分，分别是扫描、练习、识字游戏和识字编故事，以扫描页面为主页面，通过点击逻辑按钮实现不同功能板块之间的跳转。系统逻辑框架如上页图3所示。

本系统在界面的色彩设计方面以功能风格为依据，将饱和度和明度双高作为选色标准，扫描和练习板块选用红色和橙色两种暖色作为主体色，针对识字游戏和识字编故事这两个对逻辑性要求较高的板块，选择绿色和蓝色两种冷色作为主体色。系统主页与功能跳转如上页图4所示。

用户打开系统即进入扫描页面，通过手机摄像头等硬件对文字、实景物品进行扫描或从储存中调用图片进行扫描，将文字与实际场景进行匹配，通过语音交互、双指缩放旋转、录音跟读等交互功能来实现汉字学习的体验真实化，进而实现内容可视化。扫描文字、扫描实景和语音交互与录音识别效果，分别如上页图5、上页图6和上页图7所示。

练习板块设置了定时插件，通过语音识别来判断用户的文字掌握情况，在一定时间内通过答对题目的比例来检验学习效果，达到复习和巩固记忆的目的。学习者学习动机的维持与学习反馈密不可分，系统将特别注意不同类别学习反馈的有效利用—根据习题的正确率高低分别给予正负反馈。[7]练习板块的实现效果如图8和图9所示。

识字游戏板块利用扫描功能使绘本中的图案以3D效果形象展示，且可以选择不同的声音特效，进而增加了用户的体验感。游戏扫描页面和结果反馈分别如图10和图11所示。

为了培养儿童的想象力，系统增设了识字编故事的功能。用户可以自行选择故事，在故事节点进行文字匹配以完善故事情节，不同的选择将引导故事不同的走向，以此锻炼学习者的词汇运用和语句组织能力。

2.交互系统分析

系统设计中加入的交互主要有两种：一是通过增强现实技术实现交互；二是用户与系统页面元素之间的交互。

用户和界面元素之间的交互主要涉及手势和语音两个方面。通过对用户的手势进行监测可以实现不同的操作效果，如双指合拢扩大实现三维实体的缩小和放大、单指滑动实现三维实体的旋转立体展示和动画互动等。扫描和练习板块对麦克风收录到的用户语音进行识别，和数据库中的标准语音进行比较，衡量用户的学习效果。点击交互、语音交互、手势交互的融合给儿童带来了多感官体验，在这些交互设计的基础上衍生的两个游戏化辅助识字功能不仅能满足儿童玩游戏的需求，还有助于增加系统趣味性体验，激发儿童识字兴趣，提升儿童的学习积极性。

3.关键技术

（1）3D实体的设计与实现

虚拟三维实体模型分为文字和物体两类，其建立主要选择了3Ds MAX软件进行搭建。对于文字和简单物体的建模，结合三视图，通过“建模—贴图—灯光—渲染”一系列操作进行模型的搭建。对于较为复杂的物体，采用分组建模，将各部分完成优化之后进行组装、调整，最终构成模型。

（2）原型实现

本系统的开发充分运用了敏捷开发的思想，追求快速响应、迭代优化以及时间成本最低，因此设计阶段选择即时设计这一轻量级原型设计网站进行原型的设计与开发。同时，即时设计还支持共享创作实现沟通可视化，能够显著提高团队协作效率。以即时设计为创作平台，结合色彩选择、逻辑结构和已搭建完成的3D实体模型实现原型设计和交互效果初步呈现。

（3）交互实现

在图像识别方面选择基于标记的追踪方法，在Unity 3D中导入SDK，利用扫描图片的特征点来进行图像的识别。选用操作相对简单的Play Mark插件进行可视化编程，结合Unity 3D中的Touchscript手势识别插件来实现手势操控三维实体的旋转伸缩等。

将文字的发音和音效通过Adobe Audition进行剪辑处理，然后导入Audio Clip，结合Audio Source组件和Image Target，在监测到指定目标物后用脚本控制Audio Source在实体展示时对特定内容进行播放，移开自动停止。

（4）用户数据库的自动生成

汉字数据库和用户个人数据库的建立运用SQL Server2008进行搭建，通过问卷和访谈对3～6岁儿童最需掌握的汉字进行收集，然后进行资源整合，将各汉字的文字、图片、音频和制作的3D模型录入汉字数据库。基于建立的汉字数据库，结合扫描工具自动调取该汉字的有关数据，学习后录入用户个人数据库以保障练习功能的使用。

结语

儿童识字系统的设计应符合儿童的认知特点，同时，AR技术可以构建具有真实感的学习氛围。所以，将AR技术和识字系统结合，可以更好地提高儿童学习的主动性。

参考文献：

[1]李虹，彭虹，舒华.汉语儿童正字法意识的萌芽与发展[J].心理发展与教育，2006（01）：35-38.

[2]蔡苏，宋倩，唐瑶.增强现实学习环境的架构与实践[J].中国电化教育，2011（08）：114-119+133.

[3]赵静，李甦.3～6岁儿童汉字字形认知的发展[J].心理科学，2014，37（02）：357-362.

[4]李卢一，许蓉，郑燕林.ARCS模型视角下网络学习反馈设计[J].现代远距离教育，2013（03）：66-71.

[5]罗碧娟.探析儿童产品的色彩设计[J].包装工程，2008（01）：177-178+186.

[6]朱吉虹，赵越超.基于儿童认知发展的学龄前儿童APP界面交互设计研究[J].包装工程，2020，41（10）：42-48.

[7]张枝实.虚拟现实和增强现实的教育应用及融合现实展望[J].现代教育技术，2017，27（01）：21-27.

基金项目：2023年江苏省高校大学生创新创业训练计划项目“基于增强现实技术的儿童识字系统的设计与开发”（项目编号：202310293141Y）。