【摘要】增强现实延续虚拟现实的技术应用，使虚拟的物体和真实的场景融合，让学习者借助一定的外部设备在虚实结合的环境中互动学习，虚拟与真实的结合互动使人的视觉感官形成一定的视觉冲击和新鲜感，让学习者体验到一种全新的友好的学习模式。本文首先概述增强现实的支撑技术及其系统的构成，然后介绍增强现实在教育游戏设计开发中的应用，结合增强现实自身的特点和教育游戏的特点，尝试提出一种结合两者优势的教育游戏的设计流程和应用方法，以求对增强现实在教育游戏设计中的应用有所裨益。
【关键词】增强现实 教育游戏 虚拟现实 人机界面
【中图分类号】G64 【文献标识码】A 【文章编号】2095-3089（2019）03-0003-02
增强现实作为虚拟现实的技术延伸，是将现实和虚拟场景融合的新型技术，能够加强人与现实世界的交互，促进人对现实世界的感知能力，并调动多种感知觉充分体验虚实结合的新环境。现今在教育领域，增强现实的应用仍处于起步研发阶段。本文通过阐述增强现实的技术优势和教育游戏的设计思路，对如何将增强现实融入到教育游戏的设计开发进行相应的探讨，尝试提出基于增强现实的教育游戏设计流程。
一、增强现实技术及其核心特点分析
（一）增强现实技术的内涵
增强现实（Augmented Reality，AR），作为虚拟现实（VR，virtual？鄄reality）的技术延伸，与传统的虚拟现实技术既有联系也有所区别，也被称之为混合现实。理想的增强现实不仅能够提供实时动态的、高度逼真的、具有高解像度的虚拟场景，而且能够通过相应的交互感应设备达到实时动态交互，实现虚拟信息与真实世界的无缝连接，使人的视觉系统中的景象能够得到增强与扩张，使人能够自然地与虚拟世界的三维物体进行实时交互。可以说，增强现实是对真实世界的加强，是虚拟现实技术的延伸，Milgram在1994年曾对增强现实和虚拟现实之间的关系进行相应的描述。
（二）增强现实技术的特点分析
1.虚实结合
虚实结合是增强现实最主要的特点，在实景环境中嵌入虚拟化元素，使学习者体验到虚拟和现实融合所带来的视觉感受。虚中有实，实中有虚，两者共存，在有限的空间中极大地扩展了空间容量。
2.三维沉浸
增强现实的虚拟元素均为三维元素，学习者可以通过控制计算机生成的虚拟三维动态元素，使其和真实场景融合，多角度体验，增强了趣味性。
3.实时交互
增强现实中的虚拟元素可以通过计算机的控制实现与真实场景的互动融合，可跟随现实场景的物理属性变化而变化;其次是使用者与增强现实的实时互动，通过计算机数据库的链接，使用者可以在融合虚拟元素的真实场景中以一种自然的方式进行实时操作交互，从而获得多感官的体验。
由此可见，增强现实具有虚拟世界事物与用户周围现实真实环境结合的虚实结合特征和能够使人在现实世界中无缝地实时同步感受虚拟空间模拟的事物的实时动态交互性特征，以及能够使人感到存在于虚拟世界中真实程度的三维沉浸感。
二、教育游戏的特点分析
教育游戏作为近年来新型的教育资源，是寓教于乐理念的具体化产物。教育游戏不仅具有一般娱乐游戏的属性，同时兼备着教育的属性。教育游戏的娱乐性质给学习者提供了一种虚拟化的自主探索的互动参与活动方式，其教育性质给学习者传递具有一定教育意义的知识、技能以及积极的情感、态度、价值观。以教育为目的，以游戏为手段的教育游戏从一定程度上调动学习者学习的积极性和主动性，给学习者自主学习提供了一种全新的学习模式，激发学习者学习兴趣和动机。
（一）教育游戏的本质
游戏本质的定位具有两个方面的层次：一为内在自由，其次为外在独立。兼具知识技能等呈现的教育游戏是教育与游戏的有机结合，以游戏的物理属性为依托，为其内容呈现提供技术支撑，游戏中融合与教育相关的知识技能等内容，不失趣味性来取代通常游戏中以娱乐为主的内容。在游戏的内容和形式上结合教育的属性，套用游戏的外部包装使教育游戏在形式上是自由的，在内容上是不独立的。
（二）教育游戏的特点
教育游戏作为一种以一定的教育目标为游戏目的的特殊游戏形式，给学习者提供了生动活泼的学习途径。兼具游戏娱乐性和教育性双重属性的教育游戏具有以下优势特点：
1.趣味性学习环境，激发学习者学习兴趣
游戏的娱乐性质赋予了教育游戏的趣味性。教育游戏通过创设生动活泼的虚拟游戏场景，在一定的时间内置身于虚拟化的场景，外界的干扰较小，学习这沉浸于所创设的游戏环境当中。以康德和胡伊青加味代表的自为无待说认为游戏是没有外在强制目的的，并且是出于自愿的带有自身的喜好倾向而进行的活动。由此可以推断出，教育游戏的趣味性在一定程度上使学习者激发其自身的喜好，沉浸于虛拟化的游戏场景并且接受场景环境中的所包含的知识信息。
2.学习内容多元化，突破传统学习枯燥乏味
对于游戏而言，丰富多彩的游戏任务包含着丰富的游戏内容，不同的游戏内容增加了游戏的娱乐性。教育游戏中的游戏任务则融入了丰富的学习题材和知识信息，游戏任务承载着学习目标和学习内容，以其自身多样化的游戏任务设置隐性知识和显性知识，兼容不同学科，不同领域知识范畴的内容信息，并通过多样的游戏任务串接，有的放矢，合理配置，不仅扩大了学习者的知识面，更重要的是培养学习者自身多元智能的发展，自由开放的学习突破了传统学习的枯燥乏味。
3.调动学习者主观能动性，培养自主学习能力
教育游戏中创设的具有趣味性和沉浸性的学习环境配以多样化的游戏任务，极大加强了学习者的参与性。教育游戏通过虚拟化的场景刺激学习者内在学习动机，知识信息任务化有助于学习者逐步认知，学习者通过参与教育游戏来自主完成教学大纲中所要求的知识和技能，在相对自由的学习环境中形成自我知识的建构，使其思维得以发散，在“玩中学”中培养学习者创新能力和自主学习能力。
三、增强现实技术在教育游戏设计中的应用
信息化的时代，计算机和网络等新型技术的迅猛发展极大推动增强现实技术应用于教育游戏的设计开发。增强现实技术和教育游戏有机的结合，不仅是传统课堂教学内容与现实生活的结合，同时也是学习者与现实社会需求的接洽。
（一）增强现实技术应用于教育游戏的理论依据
增强现实技术是通过计算机技术生成虚拟元素与真实环境结合，是对客观对象的虚拟，基于现实情境进行构建。它的沉浸性和实时交互性不但使学习者在教育游戏中能够多方位地在虚实结合的环境中参与活动，而且能够使学习者成为认知的主体来对自身知识进行建构。由此可以看出，建构主义理论可以有效地为发展增强现实技术在教育游戏中的应用提供一定的理论依据。
建构主义理论认为：知识不是通过教师传授得到，而是学习者在一定的情境下借助利用相关的学习资料，通过意义建构的方式而获得，可以说知识的建构来自于个人的体验。增强现实的三维沉浸性可以在教育游戏中创设与学习者感同身受的熟悉的情境，并结合现实生活的情境，增强了学习者的体验感， 激发学生的学习兴趣，帮助学生形成学习动机，从而达到对知识的意义建构。
建构主义学习理论同时认为“情境”、“协作”、“会话”和“意义建构”是学习环境中的四大要素或四大属性。学习环境中的情境必须有利于学生对所学内容的意义建构，学习者在学习过程中会对环境的产生特定的反映，因为最直接、最自然的知识经验就来源于现实生活当中，也只有当学习资源与学习者自身的学习动机、情感以及社会阅历等相互作用时，学习者才能更好地从已有的知识记忆中提取，从而把握所学知识的内涵，理解和加深对所学知识内容的印象。
在建构主义理论的指导下，首先增强现实在教育游戏中应该巧妙创设丰富的与学习者产生有效互动的资源，融合其已有知识经验来对现实世界进行增强，逐步使学习者产生自主的意义建构。其次是“协作”、“会话”的有效结合，学习者在结构多元化、内容交互化的情境中以虚拟身份同处于不同空间的，不同文化背景的学习者一起进行实时交互游戏，进行协作学习，自主探究，激发了学习者的参与感，不仅充分共享了群体知识资源，开拓了视野;而且可视、可听、可感的多元化、立体化学习方式促进认知发展和知识意义的建构。
（二）增强现实技术在教育游戏设计开发中的技术支撑
增强现实不同于虚拟现实，增强现实在教育游戏中的应用可以说是真实场景，虚拟物体和游戏场景三者之间的融合。为了在教育游戏设计中实现虚拟元素与现实场景，游戏场景之间尽可能自然的融合，增强现实必须解决两个关键要素，其一为实现虚拟元素与游戏场景，真实场景之间的正确匹配和有机结合;其二为创设逼真且合理的虚拟模型，优化虚拟元素达到实时动态显示。
为了将用于增强现实的虚拟物体正确地融合到相应的场景中，可以通过三者间位移坐标间的关系解决。结合游戏剧情、任务、场景布局等来定位增强现实的空间位置，使教育游戏中的虚实合成的情境具有平衡性和完整性。
逼真合理的虚拟物体能够给学习者带来与传统游戏不同的视觉感受，提供更为人性化的视觉角度，多维度让学习者参与活动。优化虚拟物体是增强现实系统实时性的关键步骤，虽然精细高仿真的虚拟模型能够带来较好的体验，但带来庞大的数据量以及较长的实时渲染时间。这就需要通过相应的优化技术，合理建模，贴图，动作绑定等来达到实时渲染，在提高模型精度的同时能够顺畅运行游戏。
增强现实技术的增强模块有效地弥补了传统教育游戏交互功能的单一性，由传统基于计算机鼠标、键盘等桌面式操作交互变革为通过学习者能够借助一定外部设备全方位，多角度，动态实时在游戏中参与直观、有效的交互。增强现实技术在教育游戏中的应用可以说是以真实世界为基础，以教育游戏为平台，以增强现实技术为手段，从学习者的视角出发，从而让学习者在教育游戏中产生具有真实感的学习，如同感受真实世界一般，而不是将教育游戏作为视网膜上的游戏。
四、总结
增强现实与教育游戏双剑合并给学习者提供了全新的学习体验，虚实结合、实时交互和三维沉浸的特点使其具有了传统教育资源无法比拟的优势，这不仅是增强现实技术自身发展的要求，同时也是教育游戏发展的需要。增强现实作为一种新型的技术手段，给寓教于乐的教育游戏由二维单一体验转变成三维多角度体验提供了新的载体，让教育游戏的质量得以提升，促进教育游戏更为人性化的发展，同时能够使学习者多视角参与游戏中的互动，理想的设计还能够可视、可听、可感全方位、立体化地在虚实结合的环境中以自然的方式来体验。以增强技术设计开发的渗透知识信息的教育游戏作为新型教育资源将成为未来教学的重要工具，从而使学习者提高学习效率，实现学习效果最优化。
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作者简介：
周大镕（1988年-），男，汉族，广西玉林人，碩士研究生，主要研究方向为教学媒体。
武文斯（1990年-），女，回族，广西柳州人，硕士研究生，主要研究方向为教学游戏。
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