融合AI與AR的情景式英語學(xué)習(xí)資源設(shè)計(jì)與實(shí)踐應(yīng)用

蔣艷麗 趙瑞斌 鄧玉婷 殷雨潔

【摘 要】信息時(shí)代，要推進(jìn)信息技術(shù)與英語學(xué)習(xí)深度融合，提升初中生的英語口語表達(dá)能力。本研究結(jié)合人工智能、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，基于ADDIE模型、Unity引擎，設(shè)計(jì)開發(fā)初中英語口語學(xué)習(xí)資源。該軟件不僅實(shí)現(xiàn)了人機(jī)對(duì)話，還能通過AR識(shí)別、角色選擇等功能進(jìn)行情景對(duì)話，切實(shí)提高學(xué)習(xí)者對(duì)英語口語的學(xué)習(xí)熱情和興趣，解決初中生英語口語學(xué)習(xí)困難等情況。

【關(guān)鍵詞】AR技術(shù)；人工智能；初中英語；資源開發(fā)；情景化學(xué)習(xí)

【中圖分類號(hào)】G434? ?【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】B

【論文編號(hào)】1671-7384（2024）02、03-130-04

《義務(wù)教育英語課程標(biāo)準(zhǔn)（2022年版）》中強(qiáng)調(diào)，要推進(jìn)信息技術(shù)與英語教學(xué)的深度融合，重視教育信息化背景下英語課程教與學(xué)方式的變革，滿足學(xué)生個(gè)性化學(xué)習(xí)。教師要努力營(yíng)造信息化教學(xué)環(huán)境，為學(xué)生搭建自主學(xué)習(xí)平臺(tái)，提高英語學(xué)習(xí)效率。引導(dǎo)學(xué)生樂學(xué)善學(xué)，根據(jù)學(xué)生的認(rèn)知特點(diǎn)，設(shè)計(jì)多感官參與的語言實(shí)踐活動(dòng)，讓學(xué)生在豐富有趣的情境中感受英語的樂趣[1]。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)和人工智能應(yīng)用于英語口語教學(xué)可以為學(xué)生提供情景化、個(gè)性化、互動(dòng)性強(qiáng)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，幫助學(xué)生更有效地提升英語口語能力。它們不僅可以提供實(shí)時(shí)的反饋和指導(dǎo)，還可以創(chuàng)造出有趣的學(xué)習(xí)環(huán)境，激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和動(dòng)力。

技術(shù)背景

近年來，以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、人工智能等為代表的新興技術(shù)正推動(dòng)著教育領(lǐng)域的新一輪變革，展現(xiàn)出了在學(xué)科融合方面的巨大潛力。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality， AR）是一種3D技術(shù)，能實(shí)時(shí)融合物理世界和數(shù)字世界，通過圖形計(jì)算和對(duì)象識(shí)別技術(shù)來增強(qiáng)用戶對(duì)現(xiàn)實(shí)世界與虛擬對(duì)象的可視化[2]。它具有以下特點(diǎn)：一是虛實(shí)結(jié)合，即將虛擬環(huán)境與現(xiàn)實(shí)環(huán)境結(jié)合；二是實(shí)時(shí)交互，即跟蹤用戶動(dòng)作和環(huán)境變化，實(shí)現(xiàn)用戶與虛擬對(duì)象的即時(shí)交互；三是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)感，即疊加虛擬對(duì)象在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，提供更直觀、更豐富的信息，增強(qiáng)用戶對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的感知和理解；四是多感官體驗(yàn)，即除了可以通過視覺呈現(xiàn)虛擬對(duì)象，還可以結(jié)合聲音、觸覺等多種感官，提供更加沉浸式的用戶體驗(yàn)。AR應(yīng)用于各種領(lǐng)域，如教育、工程、醫(yī)療等，為用戶提供更實(shí)用、更便利的服務(wù)和體驗(yàn)。AR技術(shù)彌合了虛擬世界和現(xiàn)實(shí)世界之間的差距，為教學(xué)和學(xué)習(xí)開辟了新的途徑，并對(duì)教育領(lǐng)域產(chǎn)生了重大影響[3]。

在英語口語學(xué)習(xí)中，AR技術(shù)可用于以下幾個(gè)方面：一是虛擬角色和場(chǎng)景，學(xué)生可以與虛擬角色進(jìn)行對(duì)話，提高口語表達(dá)能力。虛擬場(chǎng)景可以模擬真實(shí)情境，讓學(xué)生在不同情境中練習(xí)口語。二是虛擬實(shí)驗(yàn)室，學(xué)生可在虛擬實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行口語實(shí)踐，如模擬訪問國(guó)外的商店或餐廳，提高實(shí)際口語應(yīng)用能力。三是交互式教材，通過AR技術(shù)將教材中的圖片、文字等轉(zhuǎn)化為虛擬內(nèi)容，讓學(xué)生通過觸摸或手勢(shì)與之互動(dòng)，增加學(xué)習(xí)的趣味性和參與度。

人工智能（Artificial Intelligence，AI）技術(shù)是一種模擬和模仿人類智能的技術(shù)，主要包括機(jī)器學(xué)習(xí)、自然語言處理、計(jì)算機(jī)視覺等幾個(gè)方面，可以實(shí)現(xiàn)自主決策、學(xué)習(xí)能力、大數(shù)據(jù)處理和自然語言處理等功能，為人類提供了更智能、更高效的解決方案和服務(wù)。在教學(xué)領(lǐng)域，人工智能可以通過語音識(shí)別、自然語言處理等技術(shù)，為學(xué)生提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)支持和反饋。如在英語口語教學(xué)中，AI可用于語音識(shí)別和評(píng)估，幫助學(xué)生進(jìn)行口語練習(xí)，糾正發(fā)音錯(cuò)誤，提高口語流利度。人工智能系統(tǒng)還能根據(jù)學(xué)生學(xué)習(xí)情況和需求，提供個(gè)性化的輔導(dǎo)和反饋，如推薦適合的學(xué)習(xí)材料和練習(xí)內(nèi)容。最后，AI能實(shí)現(xiàn)智能對(duì)話和互動(dòng)，模擬真實(shí)對(duì)話情境，幫助學(xué)生提高口語表達(dá)能力和自信心。

我國(guó)英語口語教學(xué)現(xiàn)狀

我國(guó)初中英語口語教學(xué)存在以下問題：首先是教學(xué)方法單一。大部分學(xué)校仍然以傳統(tǒng)教學(xué)方式為主，教師對(duì)口語的重視程度不夠，只注重課堂講解和學(xué)生的聽寫、背誦等機(jī)械性的活動(dòng)，缺乏互動(dòng)和實(shí)際口語練習(xí)。其次是學(xué)生口語練習(xí)機(jī)會(huì)不足。由于課堂時(shí)間有限，學(xué)生的口語練習(xí)相對(duì)較少，缺乏實(shí)際口語練習(xí)的機(jī)會(huì)，導(dǎo)致口語表達(dá)能力的欠缺。最后是很多學(xué)?？谡Z教學(xué)缺乏真實(shí)的語境，學(xué)生只在教室中進(jìn)行口語練習(xí)，缺乏與外語環(huán)境的接觸和實(shí)踐，導(dǎo)致學(xué)生學(xué)習(xí)動(dòng)力不足、興趣不高，不能夠積極主動(dòng)地參與口語練習(xí)活動(dòng)。

情景化學(xué)習(xí)理論認(rèn)為，學(xué)習(xí)不僅僅是知識(shí)的傳遞，更是一種社會(huì)參與和實(shí)踐的過程。通過參與真實(shí)的情境和社會(huì)活動(dòng)，與他人進(jìn)行交流和合作，學(xué)生能夠更好地獲取知識(shí)和技能，并將其應(yīng)用于實(shí)際情境中。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)通過將虛擬內(nèi)容疊加到現(xiàn)實(shí)世界中，提供豐富的學(xué)習(xí)資源和體驗(yàn)。人工智能進(jìn)入教學(xué)實(shí)踐場(chǎng)景，發(fā)揮了即時(shí)反饋、多角度評(píng)價(jià)、個(gè)性化推薦、資源無限擴(kuò)展等優(yōu)勢(shì)[4]。AI與AR的深度融合，能夠?yàn)閷W(xué)生提供個(gè)性化學(xué)習(xí)、實(shí)時(shí)反饋、自適應(yīng)教學(xué)、互動(dòng)體驗(yàn)、豐富資源和教師輔助等幫助，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和學(xué)習(xí)質(zhì)量。

英語學(xué)習(xí)資源開發(fā)

ADDIE模型是一種常用于教育和培訓(xùn)領(lǐng)域的系統(tǒng)化教學(xué)設(shè)計(jì)模型。它由分析、設(shè)計(jì)、開發(fā)、實(shí)施和評(píng)估五個(gè)階段組成，各個(gè)階段相互關(guān)聯(lián)，缺一不可。本研究以ADDIE模型為指導(dǎo)，融合AR和AI開發(fā)初中英語口語學(xué)習(xí)資源，為學(xué)生提供一種交互式和情景化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。該學(xué)習(xí)資源以譯林版英語教材——八年級(jí)上冊(cè)第五單元“Wild animals”為例，以野生動(dòng)物為主題進(jìn)行AR設(shè)計(jì)開發(fā)。

1.功能設(shè)計(jì)

考慮到像微軟HoloLens和HTC Vive這樣的設(shè)備成本更高，我們的學(xué)習(xí)資源基于平板和手機(jī)等移動(dòng)端進(jìn)行設(shè)計(jì)?；谇捌谡{(diào)研分析，完成學(xué)習(xí)活動(dòng)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用場(chǎng)景、學(xué)習(xí)資源功能等設(shè)計(jì)，具體功能設(shè)計(jì)包括單詞、AR識(shí)別、跟讀三個(gè)模塊（圖1）。在這三種學(xué)習(xí)模式下，學(xué)生自主選擇相應(yīng)單元學(xué)習(xí)。并且可以選擇不同單元（Unit1-Unit8）。在單詞模塊可以跟讀單詞，糾正發(fā)音。跟讀模塊中學(xué)習(xí)者同樣可以自由進(jìn)入不同單元學(xué)習(xí)、跟讀以及對(duì)話。本學(xué)習(xí)資源重點(diǎn)在AR識(shí)別模塊，此模塊能夠還原Unit5“Wild animals”動(dòng)物園場(chǎng)景，學(xué)習(xí)者在AR環(huán)境下體驗(yàn)與虛擬人物交流，任選角色與虛擬環(huán)境進(jìn)行交互，點(diǎn)擊虛擬場(chǎng)景中動(dòng)物可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)、縮放，對(duì)課本知識(shí)有更深刻的理解。

2.開發(fā)與實(shí)現(xiàn)

我們使用3D Max、Unity游戲引擎和Vuforia插件開發(fā)學(xué)習(xí)資源。3D Max是一種專業(yè)的3D計(jì)算機(jī)圖形程序，用于創(chuàng)建動(dòng)畫模型和虛擬環(huán)境。Unity是一款跨平臺(tái)的游戲開發(fā)引擎，可用于創(chuàng)建高質(zhì)量的游戲和應(yīng)用程序。Vuforia是一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)開發(fā)平臺(tái)，允許在Unity引擎中創(chuàng)建基于圖像識(shí)別的AR應(yīng)用程序。通過使用Vuforia插件，可以將虛擬內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)世界疊加，并實(shí)現(xiàn)與虛擬對(duì)象的交互。以上工具的選擇為Unit5“Wild animals”主題開發(fā)學(xué)習(xí)資源提供了保障。結(jié)合C#語言和語音識(shí)別技術(shù)等AI技術(shù)，應(yīng)用于AR程序，有望提高AR系統(tǒng)的靈活性和有效性。

（1）AR

在英語口語學(xué)習(xí)資源中，使用Unit5“Wild animals”單元首頁（圖2）作為AR標(biāo)記來啟動(dòng)AR場(chǎng)景。開發(fā)過程主要依賴于Vuforia插件，該軟件可以在移動(dòng)設(shè)備上創(chuàng)建交互式的AR應(yīng)用程序。通過Vuforia開發(fā)AR學(xué)習(xí)資源，將虛擬內(nèi)容與真實(shí)世界結(jié)合，提供沉浸式和互動(dòng)的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。學(xué)生可以通過觀察、操作和探索虛擬對(duì)象，深入理解學(xué)習(xí)內(nèi)容，并應(yīng)用所學(xué)知識(shí)。具體原理如下：一是圖像識(shí)別。Vuforia使用計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)實(shí)現(xiàn)圖像識(shí)別，開發(fā)者提供目標(biāo)圖像作為AR場(chǎng)景的觸發(fā)器，可以是書籍封面、海報(bào)、物體等。Vuforia分析攝像頭捕捉到的圖像，識(shí)別目標(biāo)圖像。本研究開發(fā)目標(biāo)圖像如圖2所示。二是坐標(biāo)追蹤。Vuforia識(shí)別目標(biāo)圖像后，追蹤其在攝像頭視野中的位置和方向。開發(fā)者可以將虛擬對(duì)象與目標(biāo)圖像對(duì)齊，使其在現(xiàn)實(shí)世界中出現(xiàn)。三是虛擬對(duì)象渲染。Vuforia支持3D模型、視頻、音頻等虛擬對(duì)象。根據(jù)目標(biāo)圖像的位置和方向，Vuforia將虛擬對(duì)象準(zhǔn)確地放置在AR場(chǎng)景中。四是交互和反饋。Vuforia支持用戶與虛擬對(duì)象交互的功能。開發(fā)者可以定義觸發(fā)事件，如點(diǎn)擊、滑動(dòng)等，觸發(fā)虛擬對(duì)象的動(dòng)作。Vuforia還提供反饋信息，如虛擬對(duì)象上的標(biāo)記或提示，引導(dǎo)用戶學(xué)習(xí)。

（2）AI百度語音識(shí)別

為了將AI更好地融入學(xué)習(xí)資源中，使用百度AI中的語音識(shí)別功能進(jìn)行開發(fā)。百度AI是百度公司推出的人工智能平臺(tái)，其語音識(shí)別技術(shù)基于深度學(xué)習(xí)和大數(shù)據(jù)技術(shù)，通過對(duì)大量語音數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和模型優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)高準(zhǔn)確率的語音識(shí)別功能，能將人類的語音輸入轉(zhuǎn)化為文本輸出。本學(xué)習(xí)資源中學(xué)生在與虛擬環(huán)境角色對(duì)話過程中可自動(dòng)識(shí)別對(duì)話內(nèi)容?；赨nity開發(fā)引擎的百度AI語音識(shí)別主要是通過SDK提供的接口與百度AI語音識(shí)別服務(wù)進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)將音頻數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為文本的功能。通過配置認(rèn)證信息、創(chuàng)建識(shí)別器和獲取識(shí)別結(jié)果等步驟，可以完成語音識(shí)別的整個(gè)過程。其具體流程如下。

先是導(dǎo)入SDK：在Unity項(xiàng)目中導(dǎo)入百度AI語音識(shí)別的SDK，提供與百度AI語音識(shí)別服務(wù)通信的接口和方法。然后配置認(rèn)證信息：在代碼中配置認(rèn)證信息，包括App ID、API Key和Secret Key，可在百度AI開放平臺(tái)上創(chuàng)建應(yīng)用獲取。接著創(chuàng)建識(shí)別器：使用SDK接口創(chuàng)建語音識(shí)別器對(duì)象，與百度AI語音識(shí)別服務(wù)進(jìn)行交互。之后設(shè)置參數(shù)：創(chuàng)建識(shí)別器后，設(shè)置參數(shù)如語言類型、采樣率、音頻格式等，影響語音識(shí)別結(jié)果。獲取音頻數(shù)據(jù)：通過麥克風(fēng)、文件或網(wǎng)絡(luò)流方式獲取音頻數(shù)據(jù)，可使用Unity API或第三方插件實(shí)現(xiàn)。傳輸音頻：將待識(shí)別的音頻數(shù)據(jù)傳輸給語音識(shí)別器對(duì)象，調(diào)用方法將音頻數(shù)據(jù)發(fā)送到百度AI語音識(shí)別服務(wù)進(jìn)行識(shí)別。獲取識(shí)別結(jié)果：等待百度AI語音識(shí)別服務(wù)返回識(shí)別結(jié)果，通過回調(diào)函數(shù)或輪詢方式獲取。最后處理識(shí)別結(jié)果：對(duì)識(shí)別結(jié)果進(jìn)行處理，如文本分析、語義理解等后續(xù)操作。

AR和AI的有效結(jié)合有助于開發(fā)者創(chuàng)建更具沉浸感和吸引力的移動(dòng)應(yīng)用，使學(xué)習(xí)變得更加有效。雖然AI和AR是不同的技術(shù)，但它們可以在各種應(yīng)用程序中相互協(xié)調(diào)，可以利用彼此的最佳功能和特點(diǎn)，創(chuàng)造出令人驚嘆的移動(dòng)體驗(yàn)。

（3）功能實(shí)現(xiàn)

AR掃描：從主界面（圖3）點(diǎn)擊進(jìn)入AR識(shí)別模塊，掃描單元首頁（圖2）啟動(dòng)AR場(chǎng)景，學(xué)生根據(jù)自己的學(xué)習(xí)安排選擇相應(yīng)的角色，進(jìn)入AR場(chǎng)景進(jìn)行對(duì)話練習(xí)。

情景學(xué)習(xí)：情景化學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)的情景化和真實(shí)性。該理論認(rèn)為學(xué)習(xí)應(yīng)該在與實(shí)際應(yīng)用相似的情景中進(jìn)行，以便更好地將學(xué)習(xí)的知識(shí)和技能應(yīng)用于實(shí)際情境中?；谇榫盎碚?，在學(xué)習(xí)資源“Wild animals”設(shè)計(jì)中，以野生動(dòng)物為主題，為了更好還原野生動(dòng)物場(chǎng)景，讓學(xué)生在較為“真實(shí)”的情景中學(xué)習(xí)，先用3D Max構(gòu)建動(dòng)物園及動(dòng)物模型，并將英語學(xué)習(xí)虛擬場(chǎng)景以FBX格式導(dǎo)入U(xiǎn)nity中。在動(dòng)物園中，學(xué)生不僅能仔細(xì)觀察課本涉及的動(dòng)物，加深對(duì)課本知識(shí)的理解，還能置身于真實(shí)的語言情境中，模擬實(shí)際對(duì)話交流的場(chǎng)景。這有助于學(xué)習(xí)者更好地理解和應(yīng)用所學(xué)的語言知識(shí)。

角色互換－機(jī)器對(duì)話：在情景式體驗(yàn)“野生動(dòng)物”主題中，不僅能近距離觀察野生動(dòng)物，還為學(xué)習(xí)者提供不同角色（Millie和 Simon）選擇對(duì)話。通過角色互換對(duì)話，學(xué)習(xí)者可以扮演不同的角色，練習(xí)不同的語言表達(dá)方式，從而增強(qiáng)他們的語言表達(dá)能力和流利度。這種學(xué)習(xí)方式可以激發(fā)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和興趣，因?yàn)樗麄兛梢酝ㄟ^扮演不同角色來體驗(yàn)不同的身份和情感體驗(yàn)，從而更深入地參與學(xué)習(xí)。同時(shí)，該學(xué)習(xí)資源可以根據(jù)學(xué)習(xí)者的水平和需求進(jìn)行個(gè)性化的設(shè)置和調(diào)整，提供個(gè)性化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。這種個(gè)性化學(xué)習(xí)體驗(yàn)可以更好地滿足學(xué)生的需求，優(yōu)化學(xué)習(xí)效果。

語音識(shí)別：AI語音識(shí)別技術(shù)與AR的有效融合，為學(xué)習(xí)者提供了更加智能和便捷的交互體驗(yàn)。通過語音識(shí)別技術(shù)，用戶可通過語音與AR應(yīng)用交互與控制。在“英語口語學(xué)習(xí)資源”中，用戶可以通過語音和場(chǎng)景人物對(duì)話交互。當(dāng)然，這一部分也是正在開發(fā)和將要完善的重要功能。

實(shí)踐應(yīng)用

將所開發(fā)的學(xué)習(xí)資源應(yīng)用于初中學(xué)校的學(xué)習(xí)環(huán)境中。本次實(shí)踐選擇在徐州市某中學(xué)八年級(jí)某班級(jí)展開，共有47名學(xué)生參與。在實(shí)驗(yàn)開始前，給學(xué)習(xí)者講解使用方法和流程，并分發(fā)相關(guān)學(xué)習(xí)材料，包括平板、手機(jī)、耳機(jī)、課本等。學(xué)生學(xué)習(xí)結(jié)束后，以問卷和訪談的形式收集數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)包括學(xué)生使用學(xué)習(xí)資源后的學(xué)習(xí)態(tài)度、學(xué)習(xí)滿意度、認(rèn)知負(fù)荷和系統(tǒng)可用性四個(gè)方面。

通過評(píng)估學(xué)生的口語表現(xiàn)、學(xué)習(xí)成果和用戶滿意度以及對(duì)系統(tǒng)性能和效果的評(píng)估，確定是否需要進(jìn)行改進(jìn)和修改，以提高學(xué)習(xí)資源的質(zhì)量和效果。實(shí)驗(yàn)表明大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣有所提升，學(xué)習(xí)滿意度較高，對(duì)系統(tǒng)可用性的評(píng)分也較高。部分學(xué)生也給我們提出了軟件進(jìn)一步改進(jìn)的意見，比如在單詞模塊最好也加上語音識(shí)別功能等。下一步我們會(huì)根據(jù)學(xué)生的意見和建議進(jìn)一步修改，提高學(xué)習(xí)資源的質(zhì)量。

英語口語學(xué)習(xí)資源是一款融合AI和AR的移動(dòng)學(xué)習(xí)軟件，可實(shí)現(xiàn)通過虛擬場(chǎng)景和交互式模擬，提供真實(shí)的口語訓(xùn)練體驗(yàn)。為學(xué)生提供更加個(gè)性化和互動(dòng)性的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和體驗(yàn)，提高口語表達(dá)能力和自信心。本研究學(xué)習(xí)資源的設(shè)計(jì)開發(fā)旨在結(jié)合教材，運(yùn)用AR和AI解決初中生英語學(xué)習(xí)過程中缺乏真實(shí)情景、學(xué)生興趣低等實(shí)際教學(xué)問題。接下來，我們會(huì)根據(jù)教師和學(xué)生的建議進(jìn)一步完善學(xué)習(xí)資源功能。

注：本文系2022年江蘇師范大學(xué)科研與實(shí)踐創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目“VR促進(jìn)STEAM教育的主要路徑及典型應(yīng)用研究”（項(xiàng)目編號(hào)：2022XKT1497）的研究成果

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作者單位：江蘇師范大學(xué)智慧教育學(xué)院

編? ?輯：徐靖程