增強現實技術在基礎教育教材領域的應用現狀及發展策略

趙曉嬿

[摘 要] 增強現實技術由于具有立體化、交互性、關聯方式安全、使用便捷等特性，在基礎教育階段具有很強的應用性。然而目前AR技術在基礎教育領域的應用仍存在開發成本高、內容維護難度大、潛在影響青少年視力、盈利模型不清晰等問題。因此現階段國內出版社在開發基礎教育階段AR立體化教材時，應結合自身定位和學科需求策略性地選擇開發方式，確定模型的精細度、必要性以及技術的應用形式和融合形式，并積極推進技術標準實施、探索盈利模式和商業模型，讓AR技術成為出版社數字化升級的新支點，為教育出版注入新動力。

[關鍵詞] 增強現實 基礎教育 教材 標準

[中圖分類號] G239[文獻標識碼] A[文章編號] 1009-5853 （2019） 06-0093-05

[Abstract] The applicability of augmented reality technology in the preliminary education stage is highly strong due to its three-dimensional， interactive， safe and convenient use. However， there are still some problems of the application of AR technology in the field of preliminary education， such as high development cost， difficult to maintain the content， potential impact on teenagers vision， unclear profit model and so on. Therefore， when developing AR three-dimensional textbooks for preliminary education， domestic publishing houses should strategically choose the development mode， determine the precision and necessity of the model， and the application form and integration form of technology according to their own positioning and the requirements of disciplines， as well as actively promote the implementation of technical standards， and explore the profit model and business model， so as to make AR technology a new fulcrum for the digital upgrade of publishing houses， and inject new impetus into Educational Publishing.

[Key words] Augmented reality technology Preliminary education Textbook Standard

增強現實（Augmented Reality，AR）技術，是一種借助計算機圖形、可視化等技術，將虛擬信息疊加到真實環境中，從而達到超越現實的感官體驗的數字化技術。隨著移動終端的普及，近幾年AR技術快速發展，在醫療、建筑、游戲、新聞等多個領域均有廣泛應用，并為這些行業帶來了重大影響和變革。2018年教育部等5部門印發《教師教育振興行動計劃（2018—2022年）》，明確提出：“充分利用云計算、大數據、虛擬現實、人工智能等技術，推進教師教育信息化教學服務平臺建設和應用，推動以自主、合作、探究為主要特征的教學方式變革。”

與虛擬現實技術相比，增強現實技術既具有立體化、交互性的特性，又無需佩戴沉重的頭盔，在基礎教育階段具有更強的便捷性和應用性。在基礎教育教材中引入AR技術，不僅可將音頻、視頻、動畫、游戲、全景圖片等多媒體資源與教材“無縫”鏈接，而且可將抽象的文字或平面圖片立體、形象地呈現出來，并可實時互動，從而為學生帶來浸入式、交互式的學習體驗，為教師提供多層次的信息化教學資源，也為教育類出版社數字化轉型和知識服務升級提供新的探索方向。

1 AR技術在教育出版領域的應用現狀

由于技術上先行一步，國外教育類出版社早在2012年就開始涉足和布局AR出版。而國內出版社近幾年在各分支教育領域多有嘗試，陸續推出了一些較具代表性的AR出版物，尤其在基礎教育領域進行了多種有益嘗試。

1.1 國外應用現狀

國外知名教育出版社，如麥格勞-希爾教育集團（McGraw Hill Education）、培生（Pearson）等，在AR出版領域早有嘗試與布局。麥格勞-希爾教育集團早在2012年就與韓國互動媒體集團蜻蜓公司合作，開發針對亞洲兒童的英文教材。培生則在2013年與萊爾公司（Layar）推出手機應用“跳躍的頁面（Bounce Pages）”，并將其應用到德克薩斯州學生的教科書中。使用者打開應用攝像頭掃描頁面，就可以在屏幕上看到人物、風景和對書本內容的生動解釋;使用的教材都有120頁內容可以產生AR效果。2012年，專注教科書的日本“東京書籍株式會社”（Tokyo Shoseki）也發布了AR系列教科書，涵蓋物理、天文、化學、數學等學科。其通過AR技術將教科書和數字內容相連接，提高學習者對教科書內容的理解。

1.2 國內應用現狀

在近年一份較多被引用的關于AR技術在出版業應用情況的報告顯示 ：截至2017年，京東、當當、亞馬遜三大電商平臺可統計的AR圖書共275種，其中科普類為168種，動漫動畫類56種，占比分別為61%和20%;教育類為46種，占比17%。在AR教材類出版物中，高等教育、職業教育、基礎教育類幾乎齊頭并進。其中，高等教育、職業教育類AR教材主要來自國內幾家大型教育類出版社，如人民衛生出版社、北京大學出版社、人民郵電出版社等，內容主要集中在醫學、機械、汽修等。基礎教育類AR教材起步較晚，還處于發展初期;但是近幾年陸續推出了一些在創新性和品質上都具有較高認可度的代表性教材。如青島出版社在2016年推出的新版《快樂足球》教材，人民教育出版社在2017年與夢想人科技合作推出的《校園足球（跨媒體3D版）》。這些產品通過AR視頻技術，對足球技戰術進行立體化展示，學生可以從各個角度反復觀看動作細節，切實解決了足球教學中的痛點。

考慮到教材嚴格的審核機制，一些教育出版社選擇以AR教輔類圖書、課外讀物作為試水AR技術的切入點。如北京師范大學出版社在2018年推出的《AR學化學：高中化學物質結構與性質》，將計算機動畫制作成優選的增強現實內容，學生可在屏幕上任意轉動結構模型，觀察微觀細節;在部分交互過程中，使用者還可自主點選元素，生成對應的結構，獲得更加個性化、深層次的交互體驗。江蘇鳳凰教育出版社推出的《小學科學活起來》依據義務教育小學科學課程標準編寫，以4D形式呈現知識性動畫，并具備交互功能。此外，山東教育出版社出版的《暑假生活指導》、龍門書局出版的《黃岡小狀元》等，對AR技術也有不同程度的應用。

由于教材出版的特殊性、開發成本、技術結合度等因素，現階段國內基礎教育領域AR出版物在數量上仍較為有限;品種也有一定局限性，主要集中在小學科學、體育等學科上;AR教輔圖書多是試水行為，單點開花，尚未形成體系規模。在技術應用層面，多為淺層的圖像識別，建模、交互等技術雖有涉獵，但仍處于初級階段。AR教材類出版物還有很大的探索和發展空間。

2 基于AR技術的基礎教育教材的優勢

相對于傳統出版形式，基于AR技術的基礎教育教材優勢顯著，主要體現在以下幾個方面。

一是可具象呈現文字和二維圖片難以解釋的抽象概念，以及現實中難以直接觀察的對象，創建立體、形象、直觀的學習內容，如分子結構、人體內部結構、磁感線、等高線等，解決紙質教材無法攻克的教學痛點。

二是AR技術可以將音頻、視頻、動畫、游戲等多媒體資源與紙質圖書有機融合。同時還支持新型的360゜全景資源，極大地突破了紙質圖書承載信息的約束，給學生帶來更加豐富、有趣的學習體驗。

三是支持實時交互和多種交互形式。學生可以根據個人需求對3D模型進行實時的旋轉、縮放、透視等操作，并可自主選擇播放多媒體資源，滿足自主化、個性化的學習需求，使傳統的靜態、單向、被動式學習方式轉變為浸入式、互動式、探索式的學習體驗。同時，有些交互操作基于手勢，摒棄了鼠標、鍵盤，讓學生以一種更為自然的方式與虛擬對象和場景進行交互。

四是可以實現圖書內容的動態更新。紙質圖書內容的更新和補充只能通過教材再版來實現。AR技術可在紙本內容不變的情況下，通過后臺迭代及時更新關聯內容，賦予圖書動態的生命力。

五是保障教材使用的安全性。教育部在《關于2017年中小學教學用書有關事項的通知》中明確提出：“中小學教材中一律不得出現提供額外教學輔助資料的各類鏈接網址、二維碼等信息”。這讓中小學教師和學生查找資源增加了難度。AR技術基于圖像識別算法，不需要對頁面做任何更改，就可以將多媒體資源與圖書相關聯。

3 基礎教育領域AR出版物面臨的問題

雖然AR技術對于基礎教育教材優化升級推動作用顯著，但現階段出于出版社自身基因、技術應用成熟度、用戶特點等原因，基礎教育領域AR出版物開發面臨的問題也不容忽視，主要包含以下5個方面。

開發成本高，技術人員缺乏，自主研發難度大。相較于傳統圖書，AR類圖書涉及三維數字內容的制作和程序的編寫，技術開發成本較高。1個AR模型的制作成本一般在3000—20000萬元不等;1本包含10個左右AR模型的圖書，僅模型制作費用就可高達數十萬元。而教材在出版和審核上都更為嚴格，對3D模型的精細度、交互操作、增強效果等的要求也就相應更高，進一步加大了AR教材的開發成本和開發難度。

此外，AR出版具有一定的技術壁壘，需要專業技術人員;而出版行業技術人員缺乏，如果自建團隊，技術人員薪資較高，人力成本會大幅上升，這限制了出版社自主研發的步伐。

合作開發、引進版權模式下，內容維護難度大。出于開發成本、周期和人員的多重考慮，現階段多數出版社還是選擇委托開發或合作開發的形式。這兩種情況下，存儲AR內容的后臺服務器通常不在出版社，而在技術公司手中，內容維護難度較大。一些引進版權的AR教材，也存在類似情況。

資源關聯和存儲依托網絡，使用安全性上存在一定風險。AR內容的存儲、關聯和使用都需要網絡環境，有可能出現識別無效、關聯失效、關聯錯誤、顯示滯后等問題。因此，出于安全性考慮，不少出版社對AR教材、教輔仍持觀望態度。

內容呈現依賴電子設備，青少年長時間使用影響視力水平。AR出版物大多需借助手機、平板電腦等電子設備進行閱讀，基礎教育教材的使用主體是青少年，視力正在發育期，長時間觀看電子屏可能會對視力造成影響。

盈利模式尚不清晰，財政資金支持力度有限。教材定價相對固定，教輔類圖書定價雖有一定自主性，但使用者對AR體驗的需求彈性很大。因此，高昂的開發成本，很難從價格和銷量上得到彌補，盈利模式仍有待探索。同時，雖然國家相繼出臺鼓勵增強現實和虛擬現實技術應用的政策性文件，但關于人才培養、項目支持方面的財政性政策和扶持基金仍然缺乏，資金層面支持力度有限。

4 基礎教育領域AR立體化教材的發展策略

通過對AR技術在基礎教育領域應用的問題分析，以及國內外AR立體化教材和教育應用成功案例的比較，現階段教育類出版社可以從以下幾方面有策略地進行基礎教育階段AR立體化教材的開發。

4.1 結合自身定位和能力，策略性選擇開發方式

現階段，出于開發成本和開發難度方面的考慮，多數出版社更傾向于也更適合以合作開發的形式推出AR教材。國內已有中國科技大學先進技術研究院、夢想人科技等科研機構和技術企業研發了專門針對新聞出版行業的AR數字出版系統。選擇合作機構時，對AR數字出版系統的考量需從以下3個方面進行評估：一是系統執行“三審三較”制度，可進行關鍵點把控，保障AR出版內容的政治性、科學性和邏輯性;二是平臺符合AR數字出版規范和ISLI標準體系，保證編碼規則的一致性，提高不同終端的兼容性，以減少多版本開發費用;三是具有應急處理功能，當發現不當內容時，管理員可及時登錄應急賬號，對存在問題的內容、出版物進行刪除或下架處理。

當然，技術決定發展。待時機和條件成熟時，部分出版社還是應自建研發團隊，開發符合自身需求的AR數字出版系統，從源頭保證AR內容的規范性、維護的便捷性，以及在發行、管理、運營上的自主性。

4.2 建立自有3D模型庫，注重模型的精細度、區分度和必要性

一些技術企業立足AR技術優勢開發了3D模型庫，但內容質量參差不齊。而教育類出版社基于多年的知識服務建設，積累了大量內容資源，而且相當一部分建立了自己的知識元庫和知識體系，在3D模型庫的建設上有著天然優勢。所以，有條件的出版社建立3D模型庫是一種自然和必然的選擇。在模型庫建設過程中，有以下幾點需要注意。

首先，模型的精細度既關乎師生的使用體驗，也體現著AR教材的品質水準。所以，應適度提升模型的精細度，豐富交互操作，為師生創造更好的使用體驗。

其次，同一模型出現在不同階段教材中時，應根據具體教學要求，確定呈現結構和標注內容。以細胞模型為例，在初中生物教材中只需呈現細胞膜、細胞質、細胞核等基礎結構，而在高中教材中則需呈現內質網、高爾基體、核糖體等亞細胞結構。

再次，3D模型不應只是圖像的疊加或立體化再現，而應能展現文字和平面圖片無法呈現的內容。因此在構建3D模型庫時，要選擇適于也有必要以三維形式展示的知識點進行建模。如地理學科中地殼的結構這一知識點，雖然很適于以三維形式呈現，但在實際教學中只需一張掛圖就可以清楚解釋;所以，從教學價值的角度來看，此知識點建模的意義并不大。

模型庫建立后，應及時將模型與教材教輔圖書內容相匹配，實現一次開發、多次復用，進一步降低開發成本。

4.3 根據學科特點和內容，選擇合適的技術應用形式和技術融合形式

AR技術對不同知識的呈現效果存在一定差異性，在具體應用時，應根據學科特點選擇合適的應用形式。如物理、化學學科，特別是其中的實驗內容，借助AR虛擬交互技術，能以一種自然交互的形式對程序性知識進行識記，如用原子搭建化學分子結構，不僅可以增強學生對化學規律、現象的理解，也能通過模擬實操過程提升實驗技能。而小學語文、英語等學科，則適于采用AR識別技術，關聯音頻、視頻、動畫、游戲等多媒體資源，并可設計基于手勢的匹配游戲，吸引學生注意力，提升學習興趣。

此外，AR技術具有較高的技術融合度，可通過將AR技術與不同信息化技術相融合，創造更多有趣的應用體驗。如將AR技術與地理定位技術結合，將虛擬的地理景觀與真實世界相融合，使參與者在虛擬環境中進行直觀的探索;將AR技術與大數據技術相結合，實時記錄學生的實驗結果，并在后臺自動生成大樣本實驗次數的統計、分析結果;將AR技術與體感交互技術結合，幫助學生更好地理解磁場和磁感線等抽象概念，提升學習興趣，等等。

4.4 推動AR技術應用標準的實施和完善

國家新聞出版署于2019年5月正式發布《出版業AR技術應用規范》。在基礎教育出版領域有一定規模和影響力的出版社，應有意識地聯合科研院所和技術企業，推進AR技術應用規范和標準的實施與完善。一方面，借以解決AR教材兼容性差、網絡出版安全、使用安全等問題，如規定在教材配套應用（App）中必須有護眼功能定時提醒閱讀時間，保護青少年視力;另一方面，在實施過程中也能推進自身轉型升級和融合發展的進程，同時也為AR出版產業健康發展履行自己的社會責任。

4.5 積極探索盈利模式和商業模式

在確定開發策略的同時，出版社也應積極展開AR數字化出版盈利模式的探討，推動AR出版業務健康、可持續地發展。教材類AR出版物，可參考人衛出版社“增值服務”的形式，教材定價不變，如想體驗AR內容，則需線上支付費用;教輔類AR出版物，既可采用與教材相同的“在線付費”方式，也可適當提高定價，AR數字內容和增值服務則免費提供。

有條件的出版企業可以在資本層面，以投資、參股、并購等多種方式，探索新的AR數字化出版商業模式和運營模式。

5 結 語

我國基礎教育出版領域對AR技術的應用雖然還處于簡單呈現、交互不深、種類有限的發展初期，在具體應用層面也存在一些問題，但其對教材出版和教學、學習方式的影響和改變，卻是不容置疑的。

教育類出版社在AR技術應用方面既要保持開放、寬容的心態，積極探索既能體現AR技術優勢，又符合教材出版要求的應用方式和出版形式，也要加強AR技術應用標準的實施和完善，推動基礎教育領域AR數字化出版高質量、健康、快速地發展。

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（收稿日期： 2019-07-08）