基于AR的儿童科普读物应用研究

一、研究综述

（一）国内外研究现状

随着互联网+在诸多领域的广泛应用，以及计算机性能的不断更新换代，为增强现实的发展和创新提供了可能。例如：国际增强现实工作会议（IWAR）、国际混合与增强现实会议（ISMAR）和国际增强现实研讨会（ISAR）等。

2008年，国外企业首次将AR应用于传统出版物中，在原本基于图片和文字的二维阅读模式的基础上，加入了三维注册和摄像头识别技术，从而将二维影像三维立体化。例如：玩具巨头乐高，利用其用于尝试和创新的特点，把宣传画册变成了数字体验中心，充分体现交互式、寓教于乐功能等。加拿大一家公司联合Layar公司，利用AR向儿童推出了可交互的世界地图，同时伴有更新功能。

（二）基于AR的儿童科普读物使用现状

科普读物市场多元化。从问卷分析中得出，在当前的儿童科普读物市场中，逐步呈现出多元化的趋势，由最早的二维黑白图形加文字的形式，逐渐向集二维彩色、三维彩色以及声音互动的方式过渡，并且普遍受到家长和儿童的青睐。只是在对于多媒体设备的应用，特别是儿童是否适合使用平板、计算机等多媒体交互设备呈现三维图片、动画的方式进行学习，鲜艳的色彩对儿童视力的影响尚存在争议。

二、概念界定

（一）虚拟现实技术

虚拟现实技术是指将客观世界中不存在的事物，利用计算机技术通过主体的物体假设，结合时间、空间以及色彩构图等突破二维模式，对用户的感官进行多方面的感受和刺激，以达到身临其境的错觉，即将虚拟现实化。

（二）增强现实技术

增强现实（Augment Reality,AR）也被称为混合现实(Mixed Reality,MR),其中，增强现实技术是将虚拟的世界信息和场景通过计算机技术还原现实，还原了现实世界的声音、画面以及空间感知觉，让用户感受和体会一种视觉盛宴，回归现实。

（三）儿童科普读物

在本文中，儿童主要指处于幼儿园到九年义务教育阶段的幼儿园以及小学受教育对象，即3-12岁的儿童，儿童科普读物则是针对3-12岁儿童的科普童书。

（四）传统读物与基于AR的儿童科普读物优劣分析（如图2-1所示）（见右上侧）

1.操作方式的便捷与优化

传统儿童科普读物将文字、图片以二维的形式进行呈现，同时，对科普读物的操作基于机械的翻阅。而基于AR的儿童科普读物在二维的基础上，更多的加入了人机实时交互模式，进一步促进了与读者的实时交流，结合智能创意的呈现形式使读者与科普知识的融合更富情感。其中，实物再现的知识呈现方式使二者的沟通和交流更加真实，将虚拟与现实有机结合。

2.表现形式的创意与突破

基于AR的儿童科普读物充分利用三维动画、视频剪辑以及人工智能等现代多媒体手段及素材，利用互联网+平台，将其以全新的读写模式得以呈现观众视野，优化了产品的输出和落地。

三、基于AR的儿童科普读物应用的理论基础

（一）埃里克森人格发展阶段理论

儿童心理学中指出，在7岁之前，儿童的形象思维占据主导，7岁之后至12岁之间，形象思维向抽象思维过渡，抽象思维逐步形成，在此期间，应该充分对儿童科普读物进行个体差异化设计，使形象思维向抽象思维平稳有序发展，因此，赋予传统儿童科普读物AR技术，从技术上进行实现。

人格的发展伴随着儿童身体的发展而呈现一定的阶段性和规律性，健全人格的养成取决于遗传、家庭环境、社会以及学校教育环境，起着关键作用的来自于家庭以及学校教育环境。

从生理学的角度，儿童在3岁左右基本接近成人视力水平，并不代表3岁前做好充足的保护工作视力水平就可以永久保持，即使到3岁之后至12岁之间，儿童的视力发育都处于一个极富弹性的变化过程，容易受到外界的干预和影响，具体表现在，10岁前视敏度不断提高；10岁时儿童的视觉调节能力的范围最大，10岁以后，随着年龄增长，视力逐渐下降[1]这种变化与眼睛的生理机能变化有关。因此，在此阶段，儿童的科学用眼显得尤为重要，结合儿童视力发育特点，在基于AR的儿童科普读物中加入有时间限定的任务驱动式人机交互模式，从根本上实现了儿童视力健康水平和科学用眼的前提条件。

（二）多元智能理论

多元智能理论(Multiple Intelligences,MI)是哈佛大学发展心理学家霍华德·加德纳(Howard Gardner)博士于1983年在其《智能的结构》(Frames of Mind)一书中首先提出的[2]。加德纳认为，人与人之间之所以有所不同，是因为人类的思维和认识是多元的，人的智能包括九个方面的能力：1、语言智能；2、数学逻辑智能；3、视觉空间智能；4、音乐节奏智能；5、身体运动智能；6、人际交往智能；7、自我反省智能；8、自然观察智能；9、存在智能。加德纳认为，上述九种智能会因个体之间的差异，体现出不同的潜能[3]。

增强现实技术有机的结合视觉、听觉以及丰富的人书互动内容和模式，将九种智能因素充分的应用于儿童科普读物中，使科普知识的呈现更加具有智力性和可行性。

（三）社会建构学习理论

社会建构学习理论(Social  Construction  Learning  Theory)指出，学习者面对学习任务时，需要运用相关知识和思维技能，不断重组认知结构，进而发展学习者的高级智能。个体在与集体共同交流、协商过程中，追求知识的价值，其中也体现着学习者个体的价值追求和知识背景。

基于AR的儿童科普读物为学习者提供增强现实技术的知识来获取和建构知识，而不是被动地接受知识并将它们机械地记忆在头脑里。在知识的整合以及重组过程中，各知识环节会根据阅读者当前的读写实际接受程度、在前一步知识建构的基础上，结合读者的掌握情况以及当前所处的环境，进行指导下一步的具体操作。对于陌生的情景会进行虚拟与现实的转化，以此来增强读者的理解和掌握，从而进一步构建新的知识架构和体系，循序渐进。

四、基于AR的儿童科普读物应用的必要性

（一）健全人格发展现实需求：儿童健全人格发展

基于一个人记忆开始萌生的儿童阶段，健全的人格以及作为一个人的技能都在这个阶段形成。随着增强现实技术的不断发展和更新，增强现实技术在科普读物方面的应用也不断发展，由于其具有能够对真实环境进行增强显示输出的特性，因此，对于具体思维占据儿童思维主导的同时，进一步使知识更加形象的进行呈现。儿童健全的人格在12岁之前基本形成，而对健全人格的形成占据主导作用的取决于家庭教育、社会环境（包括学校教育环境）以及自我性格特性，儿童科普读物在三者的因素中都占据举足轻重的作用，科学的引导以及科普知识的普及显得尤为重要。

（二）身心健康发展的需要：儿童心理及生理发展

《3——6岁儿童学习与发展指南》中针对儿童的学习方式和特点提到，儿童的具体形象思维占据主导，主要以现实生活中的物体为依托进行知识的建构和认知的发展，在儿童的意识发展中，以直接经验为基础，结合儿童当前的身心发展特点以及当前的热点话题进行有机结合进行儿童环境的创设。

五、基于AR的儿童科普读物应用方案设计

随着人工智能的高速发展，即将开启5G（第五代移动通信技术）时代，为基于AR的儿童科普读物的进一步实现和发展提供技术支撑和保障。其中，AR为儿童科普读物提供了包括显示设备、人机交互程序、虚拟与现实的结合以及模块化设计等等保障，实现了一个完整的增强现实系统的关键，同时，各个版块相互关联，相互作用（如图5-1）。在方案不断完善的过程中，时刻结合阅读者的实际阅读情况，进行实时反馈，进一步指导市场的指向和需求，主要表现在两个方面，其一，在读者使用过程中进行实时反馈；其二，在产品大量投放市场过程中，结合广大阅读者的阅读反馈，进行意见汇总，从而双方面进行实时改进，以促进知识的有效融合和方案的进一步合理化、科学化。

（一）技术支撑

基于增强现实技术的儿童科普读物的实现重在技术支撑，表现在显示设备上，即实体命名识别系统，在大众传媒(Mass media)的基础上，主要包括基于手机或平板的APP，基于手机、平板或纸质书的二维码，源文件（.exe），小程序，X-BOX 等，借助现有的输出设备呈现内容（如图5-2）。

（二）知识融合

如何将现有的知识内容进行有机的融合，主要包括两个方面，第一，实体链接，即从与原文本相对应的二维图中识别实体视频；第二，知识合并，即确认知识库中对应正确实体之后，直接链接知识库中对应实体（如图5-3）。

知识融合■■

图5-3   知识融合

（三）创意设计

基于AR的儿童科普读物想要真正实现自我的价值，并且被普遍受众所接受，核心在于赋予创意的设计（如图5-4）。

创意设计■■■

图5-4   创意设计

1.人机交互

要实现有效的人机交互，可采取三种模式，第一，任务驱动，即基于知识点的驱动，可借鉴微课模式对知识点或者知识片段进行呈现；第二，模块化，将知识点模块化，读者可根据个人爱好以及自身原有认知结构进行有选择性的取舍；第三，在一般的程序中，加入嵌套小程序，对原知识点进行进一步拓展和思维发散（如图5-5）。

图5-5  人机交互

基于现实的考虑，在人机交互的过程中，通过植入模块的方式，将纸质书中涉及到的知识点以任务驱动的方式进行实现。根据知识点、任务或者使用者在线使用时长等具体情况而设置时间节点。同时，从使用系统开始计时，根据实际的关注力及视觉生理要求及实际影响，选择暂停或继续。

2.知识体系构建

儿童科普读物重在根据读者现有的知识水平，对新的知识点进行加工、整合，结合外部环境，构建自我知识体系。

 

其中，主要包括三方面的知识架构（如图5-6），第一，基于逻辑的推理。即对于知识点的设计遵循循序渐进的原则，并且符合读者不同年龄段的逻辑特点，坚持由易到难的原则进行设计；第二，基于图的推理。即基于AR的儿童科普读物将二维、三维以及色彩进行最大程度的融合，根据读者在不同年龄段的视敏度特点、颜色视觉水平、视力发展水平以及用眼特点而有针对性的进行设计，通过大脑的信息加工整合，实现对图形、实体的识别和获取；第三，基于认知的推理。结合埃里克森的人格发展阶段理论，对当前的遗传因素、家庭环境因素、社会因素、学校环境因素进行归因总分类，进而设计出针对不同年龄阶段的读者进行阶段性学习和知识建构。

3.多元智能创意呈现

结合多元智能发展理论，将二维、三维、5G、色彩、视音频等，结合听觉、味觉和触觉等感官方面将科普读物进行最大化呈现，通过AR技术，将纸质书中涉及到的素材以动画的形式呈现于读者视线之内，实现虚拟与现实的结合。儿童结合现有知识水平或者原有的认知对科普读物中的内容进行信息的重新加工、组合而实现对现有知识的重构、学习和掌握，真正实现互动创意。

（四）质量评估

为了检验作品的可行性以及受欢迎程度，将作品投放市场，结合读者的使用情况，分别针对不同年龄段的读者进行访谈，家长或教师全程不得参与回答，但家长或教师可以根据使用者的实际使用情况，最终提出改进的意见和建议。经过详细的数据分析，趣味性和创新性最明显，而对于科普内容的难易程度表现出较简单、容易接受，但一定要按照给定的操作程序才能循序渐进的对知识进行了解和掌握，跳过制定的程序而错过相关的环节，表示接受起来比较吃力；而对于设定的基于时间和知识点的任务驱动模式，未表现出视觉疲劳，对此设计给予肯定。经过对儿童读者、家长和教师的意见和建议进行归纳总结，对方案进行二次修改之后再次投放市场。

六、总结与展望

增强现实技术在儿童科普读物中的广泛应用，突破了传统的二维读写模式，为传统出版业的创新和发展带来新的契机，而结合儿童的视觉身体因素以及人格发展等心理因素在传统科普读物中的应用，借助5G技术以及互联网+智慧平台，为基于AR的儿童出版业的发展创造了现实的需求和新的可能。在追求探索和创新的过程中，遇到了更多现实因素的障碍。比如，如何结合儿童对视敏度的接受阈限、正确的用眼习惯以及遗传等因素将方案设计的更加科学、完美。因此，方案本身的设计也不尽完美，在接下来的研究中，会继续完善和改进。

参考文献

[1]刘淑萍，方丽丽.心理学教程[M].江苏大学出版社，2016年6月

[2]钟志贤著．信息化教学模式：理论建构与实践例说[M]．北京：教育科学出版社，2005，12．

[3]李方编．课程与教学基本理论[M]．广州：高等教育出版社团，2004，8：132．

作者简介

罗琴(1976-)，女，汉族，四川德阳人，四川文化传媒职业学院，执行院长，美术学学士，副教授，主要研究方向美术学先后主编教材10部，主研省级重点课题5项。在多家核心刊物上发表论文10余篇。

梁倩妮（1985-），女，汉族，陕西渭南人，四川文化传媒职业学院讲师，硕士研究生，主要研究方向儿童心理学、高等教育管理；

欧小凤（1983-）,女，汉族，四川自贡人，四川文化传媒职业学院讲师，硕士研究生，主要研究方向计算机应用技术教育信息化。