蔡蘇　張晗　薛曉茹　王濤　王沛文　張澤

摘要：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)作為一種新型的手段在教育領(lǐng)域進(jìn)行跨界融合，學(xué)習(xí)者能夠在虛實(shí)融合的教學(xué)情境中，以最貼近自然的方式進(jìn)行自主探索?；谠鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)的交互手段給課堂提供了新的教學(xué)方式，知識會越來越具有交互性、流動性和情境性。該文通過實(shí)證發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教具的使用是呈正相關(guān)的。當(dāng)然，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用還處于早期階段，在教育領(lǐng)域的應(yīng)用既有發(fā)展機(jī)遇，也還面臨著一些挑戰(zhàn)。在未來的研究中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境應(yīng)該深入研究如何支持學(xué)與教，以提升學(xué)生在課堂教學(xué)中的學(xué)習(xí)效果，引領(lǐng)課堂教學(xué)新路向，形成教育新常態(tài)的價(jià)值訴求。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；AR；虛擬現(xiàn)實(shí)；VR；課堂教學(xué)

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡稱AR）是廣義上虛擬現(xiàn)實(shí)（virtual Reality，簡稱VR）的擴(kuò)展。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)允許用戶看到真實(shí)世界以及融合于真實(shí)世界之中的虛擬對象，因此增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是“增強(qiáng)”了現(xiàn)實(shí)中的體驗(yàn)，而不是替代現(xiàn)實(shí)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以用來模擬學(xué)習(xí)對象，讓學(xué)習(xí)者在現(xiàn)實(shí)環(huán)境背景中看到虛擬生成的模型對象，而且模型可以快速生成、操縱和旋轉(zhuǎn)，能夠在最貼近自然的交互形式下為學(xué)習(xí)者搭建一個(gè)自主探索的空間，這對于抽象內(nèi)容教學(xué)和提升學(xué)習(xí)者興趣是很有啟發(fā)意義的。

一、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用文獻(xiàn)回顧

Milgram，Takemura，Utsumi and Kishino定義了真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境的連接關(guān)系，如圖1所示。從字面上理解，在真實(shí)環(huán)境上疊加虛擬的對象，就好像把現(xiàn)實(shí)環(huán)境要展示的內(nèi)容“增強(qiáng)”了，所以就叫“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)”，反之即是“增強(qiáng)虛擬”。

（一）國際研究

在教育領(lǐng)域里最早運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的案例是Billinghurst制作的Magic Book。它根據(jù)書本內(nèi)容制作成3D場景和動畫，并且利用一個(gè)特殊的眼鏡就能讓兒童看到虛實(shí)結(jié)合的場景，如圖2所示。這幅圖也生動地展示了圖1中的從完全真實(shí)環(huán)境到完全虛擬場景的連接關(guān)系。

Kaufmann and Sehmalstieg通過增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)顯示系統(tǒng)將簡單的幾何體在現(xiàn)實(shí)場景中呈現(xiàn)。幾何體具有布爾運(yùn)算的功能，可以將幾何體的變化以及在空間中相交、相切的關(guān)系直觀展示出來。學(xué)生在這種虛實(shí)融合的學(xué)習(xí)環(huán)境中更容易理解復(fù)雜的空間概念，也方便建立師生和生生之間的教學(xué)互動。

Dunser and Horneeker將3D角色、聲音及互動道具加入到寓言故事中來觀察5-7歲的兒童如何進(jìn)行互動與合作學(xué)習(xí)。利用附有標(biāo)簽的互動道具，兒童在閱讀故事的同時(shí)完成與故事內(nèi)容相關(guān)的小任務(wù)。該研究發(fā)現(xiàn)兒童認(rèn)為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境非常有趣，他們沉浸在其中并愿意嘗試著完成任務(wù)。在此基礎(chǔ)上，他們進(jìn)一步設(shè)計(jì)了為7歲孩子提供的基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的故事書，研究兒童在現(xiàn)實(shí)世界中所具有的知識和技能是如何影響他們在這種新環(huán)境下的交互行為的。結(jié)果表明這種更接近物理交互的方式能夠帶來更多樣化的交互行為，如孩子們通過移動或反轉(zhuǎn)標(biāo)記能夠?qū)е略鰪?qiáng)現(xiàn)實(shí)場景中相應(yīng)物體的類似動作，這大大地激發(fā)了他們的興趣。

vienna理工大學(xué)研究人員展示了AR技術(shù)在力學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用，如圖3所示。它利用一個(gè)為電腦游戲所開發(fā)的物理引擎來實(shí)時(shí)模擬力學(xué)領(lǐng)域的物理實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以積極主動地在—個(gè)三維虛擬世界中創(chuàng)建自己的試驗(yàn)并加以研究。在實(shí)驗(yàn)之前、實(shí)驗(yàn)過程中和實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，該系統(tǒng)均提供了多樣化的工具，用以分析目標(biāo)物體的受力、質(zhì)量、運(yùn)動路徑等物理量。但該系統(tǒng)需要較昂貴的頭盔、立體眼鏡等設(shè)備。

Martin-Gutiemez，Luiss Saor in Contero，Alcafiiz，Perez-Lopez and Ortega展示了一項(xiàng)幫助工科學(xué)生提高空間能力的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用。如圖4所示，他們設(shè)計(jì)了一本可以呈現(xiàn)3D模型的書籍AR-Dehaes來幫助學(xué)生完成虛擬化的任務(wù)，試圖在一個(gè)短期的補(bǔ)習(xí)課程內(nèi)提高他們的空間技能。一個(gè)由24名大學(xué)新生參與的驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)證實(shí)了該訓(xùn)練在提高學(xué)生空間能力上具有可測量的積極效果。

在日本3.11地震后，Chang，Wu and Hsu設(shè)計(jì)了實(shí)驗(yàn)來研究福島第一核電站工廠附近的核輻射污染環(huán)境下學(xué)生的學(xué)習(xí)行為。該實(shí)驗(yàn)通過移動設(shè)備上的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)模擬核輻射下的環(huán)境，以此增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的臨場感和即時(shí)性來支持學(xué)生學(xué)習(xí)。例如，假設(shè)校園離核電站有12公里遠(yuǎn)，且在前一天發(fā)生了氫氣爆炸，選取的九年級學(xué)生使用Android平板電腦來收集校園周邊的模擬核輻射值。研究發(fā)現(xiàn)學(xué)生通過AR活動的感知行為與核環(huán)境狀態(tài)的改變存在顯著性相關(guān)，這提供證據(jù)表明AR環(huán)境可能影響學(xué)習(xí)者對現(xiàn)實(shí)世界突發(fā)事件的情感態(tài)度。

Lin等人的研究發(fā)現(xiàn)，在學(xué)習(xí)彈性碰撞和動量知識方面，使用AR比使用傳統(tǒng)的2D教學(xué)軟件在學(xué)習(xí)效果方面有顯著的提高。這在很大程度上歸功于AR軟件在教學(xué)過程中對碰撞過程和規(guī)律的具體和形象的展示。

教育領(lǐng)域著名組織The New Media Consortium（NMC）近幾年發(fā)布的地平線報(bào)告中將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)列為未來幾年最具潛力的六個(gè)技術(shù)之一，如表1所示。從“簡單增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)”到“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)”的字眼變化可以看出這門技術(shù)正在迅速走向成熟應(yīng)用。

（二）國內(nèi)研究

國內(nèi)對增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用的關(guān)注與日俱增。蘇俊欽的“擴(kuò)增實(shí)境（增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在臺灣被稱為擴(kuò)增實(shí)境）應(yīng)用于中文注音符號學(xué)習(xí)之研究”將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于兒童學(xué)習(xí)注音符號。他們設(shè)計(jì)了一套中文注音符號學(xué)習(xí)教材，通過攝像頭識別每個(gè)注音符號，在攝像頭捕獲畫面上疊加呈現(xiàn)對應(yīng)的虛擬動物圖像，并以動畫的形式告知兒童選取相應(yīng)的標(biāo)記以得到正確反饋。該研究旨在探究兒童是否能夠在教育游戲中利用媒體輔助來獲得有效的學(xué)習(xí)。結(jié)果表明這種與虛擬圖像的簡單交互可以有效增強(qiáng)兒童的興趣，加深兒童對中文注音的印象。

蔡蘇、宋倩和唐瑤提出增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境的架構(gòu)，并基于此實(shí)現(xiàn)了一個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)概念演示書——未來之書。選取了中學(xué)物理中的單擺、牛頓第一定律、牛頓第二定律等實(shí)驗(yàn)進(jìn)行虛實(shí)結(jié)合的展示，如圖5所示。學(xué)習(xí)者只需通過簡單的設(shè)備即能直觀感受到平面書籍中所描述的實(shí)驗(yàn)場景，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)者的興趣。未來之書參展2010年第十七屆北京國際圖書博覽會，獲得好評。

Cai and Song構(gòu)建了一個(gè)基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的一對多學(xué)習(xí)系統(tǒng)，教師可以通過網(wǎng)絡(luò)視頻交互系統(tǒng)將實(shí)時(shí)增強(qiáng)的視頻教學(xué)信息傳輸給學(xué)生。該系統(tǒng)降低了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的復(fù)雜性，支持多種終端設(shè)備，只需安裝普通攝像頭并連入網(wǎng)絡(luò)即可運(yùn)行，為學(xué)習(xí)者的知識構(gòu)建提供了有效支持。

Cai，Wang，Gao and yu設(shè)計(jì)了本地和網(wǎng)絡(luò)在線兩種形式進(jìn)行仿真教學(xué)的平臺。在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境中，由于用戶拋棄了鼠標(biāo)、鍵盤而使用自然交互方式，因此與真實(shí)的環(huán)境中操作真實(shí)物理器具的感受一致。進(jìn)一步來說，這種虛實(shí)融合的環(huán)境使得因一些成本、安全受限制，或者現(xiàn)實(shí)中根本無法實(shí)現(xiàn)的場景疊加到真實(shí)環(huán)境中，讓學(xué)習(xí)者體驗(yàn)到了一種新穎、有趣而又不產(chǎn)生操作隔膜感的學(xué)習(xí)方式。

Cai，Chiang and Wang利用AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)了一個(gè)凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)。研究發(fā)現(xiàn)雖然使用AR與否對學(xué)生的影響不顯著，但參與實(shí)驗(yàn)的教師反映使用AR對成績較低的學(xué)生影響更大。

Cai，Wang and Chiang設(shè)計(jì)了若干個(gè)初中化學(xué)物質(zhì)結(jié)構(gòu)的虛實(shí)融合操作實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以采用自然交互方式對虛擬出來的微觀世界中的分子、原子進(jìn)行操作、組合、創(chuàng)作。實(shí)驗(yàn)表明這種交互方式能極大地提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣和對物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的理解。

He，Ren，Zhu，Cai and Chen設(shè)計(jì)了一個(gè)移動設(shè)備上的應(yīng)用“快樂記單詞”。通過手機(jī)或者平板上的攝像頭掃描單詞，屏幕呈現(xiàn)出相應(yīng)的三維模型并發(fā)出語音。結(jié)果表明這種方式能更好地提高兒童對學(xué)習(xí)英語單詞拼寫和朗讀的興趣，并能提升學(xué)習(xí)效果。

wang，Ouyang，Zhang，Zu and Cai設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了地理導(dǎo)航與文化導(dǎo)覽一體化的服務(wù)系統(tǒng)，并通過實(shí)證研究探索了移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于校園導(dǎo)覽的效果。

Zhu，Cai，Ma and Liu將手勢識別設(shè)備LeapMotion與AR技術(shù)相結(jié)合設(shè)計(jì)開發(fā)了一系列基于手勢的匹配游戲，試圖提高自閉癥兒童的精細(xì)動作和認(rèn)知能力。通過采用單一被試法中的AB實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)（A表示基線期，B表示干預(yù)期），研究者在北京市的一所培智學(xué)校開展了準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：基于手勢的匹配游戲能在一定程度上吸引自閉癥兒童的注意力，并能提高自閉癥兒童的精細(xì)動作表現(xiàn)和空間感知能力。

郭俊峰針對臺灣臺南市的赤嵌樓古跡設(shè)計(jì)了“赤嵌樓隨境游戲活動”。該案例使用AR和地理定位技術(shù)將虛擬世界與真實(shí)世界融合，能使參與者在游戲中進(jìn)行直觀的探索，進(jìn)而提升參與者主動探索的意愿與動機(jī)。

Cai，Chiang，Sun，Lin and Lee還將AR技術(shù)與微軟Kinect體感交互技術(shù)相結(jié)合。研究表明，基于AR的體感教學(xué)軟件能夠幫助學(xué)生理解磁場和磁感線等抽象的概念，有助于學(xué)生更高效地學(xué)習(xí)物理規(guī)律。同時(shí)，AR技術(shù)不僅在提高學(xué)習(xí)成績上成效顯著，在改善學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣方面亦有不錯(cuò)的效果。

Li，Shen，Wang，Liu and Cai實(shí)施了中學(xué)數(shù)學(xué)概率知識點(diǎn)中的經(jīng)典拋硬幣實(shí)驗(yàn)。硬幣拋的次數(shù)越多，其正反面出現(xiàn)的概率就越逼近各占50%。使用AR技術(shù)既能迅速地記錄大樣本實(shí)驗(yàn)次數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，又能以真實(shí)“拋”硬幣的方式獲得玩游戲的臨場感。研究結(jié)果表明，當(dāng)使用AR工具應(yīng)用于數(shù)學(xué)教學(xué)中時(shí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性均有顯著的提高。

—些研究者都聲明新技術(shù)能創(chuàng)設(shè)出真實(shí)的科學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境，以便讓學(xué)習(xí)者在其中進(jìn)行探究性學(xué)習(xí)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為當(dāng)前研究熱點(diǎn)之一的虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的分支，確實(shí)能為學(xué)生創(chuàng)設(shè)出一個(gè)科學(xué)探究的環(huán)境。那么AR對學(xué)生究竟有什么樣的影響？AR是否以及如何影響學(xué)生的深層次認(rèn)知？學(xué)生對使用AR輔助學(xué)習(xí)的態(tài)度如何？本研究團(tuán)隊(duì)通過近幾年在增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)教育應(yīng)用領(lǐng)域的實(shí)證研究探索了上述問題。

二、國內(nèi)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)案例評述

北京師范大學(xué)教育技術(shù)學(xué)院蔡蘇團(tuán)隊(duì)從2009年開始研究增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用。這里介紹的5個(gè)典型案例均挑選自該團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)的在不同學(xué)科領(lǐng)域下基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境的實(shí)證研究，具體包括數(shù)學(xué)領(lǐng)域的概率學(xué)習(xí)、物理領(lǐng)域的凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)、化學(xué)領(lǐng)域的微觀世界互動學(xué)習(xí)、語言學(xué)習(xí)及基于地理定位的校園導(dǎo)覽。期望通過國內(nèi)典型案例的介紹與教育技術(shù)研究工作者共同探討增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教育的深度融合應(yīng)用。

（一）數(shù)學(xué)AR教學(xué)實(shí)例：概率學(xué)習(xí)

該研究的主要目標(biāo)是探究在初中數(shù)學(xué)的概率章節(jié)中，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)對學(xué)生學(xué)習(xí)體驗(yàn)和學(xué)習(xí)成果的影響。

1.實(shí)驗(yàn)對象

該研究選取南京市某中學(xué)59名初中一年級學(xué)生為實(shí)驗(yàn)對象。其中實(shí)驗(yàn)組31人，對照組28人。實(shí)驗(yàn)回收問卷59份，根據(jù)作答完整性，最終獲得實(shí)驗(yàn)組有效問卷25份，對照組有效問卷25份。

2.研究設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)工具為研究者開發(fā)的基于AR的Android平臺上的應(yīng)用程序——拋硬幣。在游戲開始前，學(xué)生可以設(shè)定兩個(gè)參數(shù)：間隔時(shí)間與識別時(shí)間。其中，間隔時(shí)間是指攝像頭兩次識別硬幣之間的最短間隔時(shí)間，識別時(shí)間為攝像頭成功識別一次硬幣的最短停留時(shí)間。游戲啟動后，移動設(shè)備的攝像頭能夠捕捉并識別畫面中硬幣的正、反面狀態(tài)，并在屏幕中顯示相應(yīng)的3D模型以提示用戶該硬幣已被成功識別。一旦識別成功，系統(tǒng)會為硬幣的當(dāng)前狀態(tài)自動計(jì)數(shù)，同時(shí)更新已識別的正、反面次數(shù)和頻率。如圖6所示，系統(tǒng)左上角記錄硬幣的正、反面次數(shù)，右下角折線圖可實(shí)時(shí)更新正面頻率。將實(shí)驗(yàn)對象分為2人一組，分別負(fù)責(zé)硬幣的拋擲和識別，如圖7所示。當(dāng)學(xué)生退出游戲后，此次游戲的歷史數(shù)據(jù)將被保存在數(shù)據(jù)庫中。

3.研究結(jié)果

實(shí)驗(yàn)通過對學(xué)生的前測和后測來評估研究工具對學(xué)生概率章節(jié)學(xué)習(xí)成果的影響。前測部分包括10道檢驗(yàn)學(xué)生對概率先驗(yàn)知識了解情況的填空題，其中，4道題是概率與生活經(jīng)驗(yàn)方面的問題，4道題是概率理論方面的問題，2道題是以上兩者之間關(guān)系的問題。后測部分則包括5道檢驗(yàn)學(xué)生學(xué)習(xí)成果的測試題，其中，1道題是概率與生活經(jīng)驗(yàn)方面的問題，2道題是概率理論方面的問題，2道題是以上兩者之間關(guān)系的問題。除此之外，后測部分還包括5道開放性問題，用以獲取學(xué)生對AR學(xué)習(xí)工具的體驗(yàn)情況。

研究發(fā)現(xiàn)，在前測中，實(shí)驗(yàn)組對象在概率與生活經(jīng)驗(yàn)問題的平均得分低于對照組，但在后測中，實(shí)驗(yàn)組對象在這一方面題目的平均得分卻要優(yōu)于對照組。同時(shí)，在聯(lián)系生活經(jīng)驗(yàn)與概率理論這一方面，實(shí)驗(yàn)組的表現(xiàn)也在某種程度上優(yōu)于對照組。

盡管該研究并沒有驗(yàn)證量化數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)性顯著狀況，但從質(zhì)性的開放性題目中可以看出，當(dāng)使用AR工具應(yīng)用于數(shù)學(xué)教學(xué)中時(shí)，學(xué)生的學(xué)習(xí)積極性均有顯著的提高。

（二）物理AR教學(xué)實(shí)例：凸透鏡成像

該案例旨在探究AR技術(shù)對于八年級學(xué)生物理學(xué)習(xí)效果以及深層次認(rèn)知方面的影響。

1.實(shí)驗(yàn)對象

實(shí)驗(yàn)選取天津市某學(xué)校八年級兩個(gè)班級的學(xué)生為實(shí)驗(yàn)對象。根據(jù)學(xué)生以往的物理成績進(jìn)行匹配分組，實(shí)驗(yàn)組的24名學(xué)生（女生16人，男生8人）使用基于AR的凸透鏡成像軟件來進(jìn)行凸透鏡成像規(guī)律的探究學(xué)習(xí)，對照組的26名學(xué)生（女生14人，男生12人），沿用傳統(tǒng)教學(xué)方式。

2.研究設(shè)計(jì)

案例依照準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的調(diào)查問卷來收集凸透鏡成像的學(xué)習(xí)效果和學(xué)生使用AR工具輔助學(xué)習(xí)的情感態(tài)度方面的相關(guān)數(shù)據(jù)。研究目標(biāo)如下：（1）比較實(shí)驗(yàn)組和對照組的物理學(xué)習(xí)效果；（2）探究學(xué)生使用AR工具后的情感態(tài)度。

實(shí)驗(yàn)中通過使用三個(gè)不同的標(biāo)記卡片來模擬蠟燭、凸透鏡和熒光屏。當(dāng)攝像機(jī)捕獲到凸透鏡標(biāo)記卡片時(shí)，凸透鏡的3D模型與用于標(biāo)記焦距和兩倍焦距數(shù)據(jù)的平行數(shù)軸都將顯示在屏幕上。將蠟燭標(biāo)記卡片和屏幕標(biāo)記卡片分別放置于凸透鏡標(biāo)記卡片的兩邊，屏幕將基于蠟燭和凸透鏡之間的距離自動呈現(xiàn)相關(guān)的圖像，如圖8所示。如果調(diào)節(jié)蠟燭和凸透鏡之間的距離，屏幕上的圖像將根據(jù)凸透鏡成像規(guī)則實(shí)時(shí)變化。假設(shè)物距為u，像距為v，焦距為f。根據(jù)凸透鏡成像的公式1/u+1/v=1/f，當(dāng)uf時(shí)，光屏?xí)尸F(xiàn)實(shí)像。

在教師指導(dǎo)學(xué)生如何使用AR工具后，實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生借助AR工具來探究凸透鏡成像的規(guī)律。同時(shí)，對照組的學(xué)生通過傳統(tǒng)教學(xué)方法來學(xué)習(xí)相同的規(guī)律。圖9展示了學(xué)生進(jìn)行凸透鏡成像實(shí)驗(yàn)的過程。

3.研究結(jié)果

該研究顯示，在后測部分兩組之間似乎沒有顯著差異，但在實(shí)驗(yàn)組中使用AR對成績較低的學(xué)生影響更大。在情感態(tài)度方面，大部分學(xué)生對使用AR工具來學(xué)習(xí)物理課程持積極態(tài)度。另外，根據(jù)學(xué)習(xí)態(tài)度問卷的結(jié)果，大部分學(xué)生認(rèn)為AR工具可以吸引注意力并能激發(fā)其對于物理課程的學(xué)習(xí)動機(jī)。雖然沒有足夠的證據(jù)確定學(xué)生的概念理解是否可以得到提升，但AR工具為學(xué)生提供了更豐富的科學(xué)學(xué)習(xí)機(jī)會。此外，基于AR工具的實(shí)驗(yàn)不僅可以增強(qiáng)學(xué)生對具體和可觀察的物理規(guī)律的理解，還能通過積累實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來提升實(shí)驗(yàn)技能。

（三）化學(xué)AR教學(xué)實(shí)例：微觀粒子交互式實(shí)驗(yàn)

該案例主要是對化學(xué)課程中基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)工具的補(bǔ)救性學(xué)習(xí)效果的研究。

1.實(shí)驗(yàn)對象

該案例選取了深圳市某中學(xué)八年級的29名學(xué)生為實(shí)驗(yàn)對象，其中男生16人，女生13人。

2.研究設(shè)計(jì)

在教學(xué)前采訪了化學(xué)老師，她指出學(xué)生們對于課程的學(xué)習(xí)態(tài)度并不積極，他們沒有完全理解學(xué)習(xí)資料的相關(guān)知識，并且認(rèn)為這些知識是枯燥抽象的。她希望通過借助AR工具復(fù)習(xí)所學(xué)內(nèi)容后能提升學(xué)生的學(xué)習(xí)效果并能培養(yǎng)積極的學(xué)習(xí)態(tài)度。因此，實(shí)驗(yàn)不設(shè)置對照組。前測的成績將代表學(xué)生使用教科書后的學(xué)習(xí)成績，后測成績將代表學(xué)生使用基于AR探究的學(xué)習(xí)工具后的學(xué)習(xí)成績?；顒又惺褂玫墓ぞ撸òㄜ浖?，標(biāo)記和活動表格）都沒有提供測試中涵蓋的確切知識點(diǎn)，這意味著考試答案必須是學(xué)生在探究學(xué)習(xí)過程中通過自己的觀察和探究所取得的成果。此外，在這種情況下，研究者認(rèn)為，前測和后測分?jǐn)?shù)之間的縱向差異將代表使用AR工具的學(xué)習(xí)效果。問卷主要調(diào)查學(xué)生對于AR學(xué)習(xí)工具的情感態(tài)度。

（1）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)前，研究者在教室里的每臺計(jì)算機(jī)上都安裝了AR軟件。實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)包含如表2所示的4個(gè)部分。

（2）程序設(shè)計(jì)

該軟件使用Java語言開發(fā)，使用了NyArTodkit，Java3D以及JMF（Java Media Framework）軟件包。通過捕獲標(biāo)簽的位置來呈現(xiàn)不同的結(jié)構(gòu)層次以及原子的各種組合。如圖10和下頁圖11展示了水和鉆石兩個(gè)實(shí)例的操作。

如圖10-（a）所示，屏幕中放人了2個(gè)氫原子和1個(gè)氧原子。當(dāng)慢慢將這兩個(gè)氫原子向氧原子靠近時(shí)，一個(gè)水分子便形成了，如圖10-（b）所示。用戶可以拿起水分子靠近攝像頭來觀察它的結(jié)構(gòu)，若將標(biāo)簽向上抬高，即可看到屏幕出現(xiàn)一滴水滴，如圖10-（c）和圖10-（d）所示。

在第二個(gè)程序中，探究活動要求學(xué)生使用碳原子構(gòu)造金剛石晶體。首先，使用碳原子和化學(xué)鍵搭建金剛石的正四面體單元，如圖11（a）所示。此外，研究者將使用學(xué)生搭建的正四面體單元組建一個(gè)完整的金剛石結(jié)構(gòu)，如圖11（b）所示。學(xué)生可以從桌子上的另一個(gè)標(biāo)簽所呈現(xiàn)的物體得到提示，他們搭建的金剛石結(jié)構(gòu)就是鉆石的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，這將化學(xué)和日常社會生活聯(lián)系到了一起。

在學(xué)生完成探究活動后，研究者期望學(xué)生：（1）知道構(gòu)成物質(zhì)的三種微粒，解釋水、石墨、金剛石和氯化鈉的形成過程，了解不同元素的原子結(jié)構(gòu)，并將物質(zhì)宏觀組成與微觀構(gòu)成的認(rèn)識統(tǒng)一起來；（2）能夠概括抽象概念，并掌握基本化學(xué)研究方法；（3）養(yǎng)成尊重客觀事實(shí)，認(rèn)真、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度，激發(fā)學(xué)習(xí)化學(xué)的興趣。

3.研究結(jié)果

在實(shí)驗(yàn)過程中，研究者認(rèn)真觀察并記錄了學(xué)生的表現(xiàn)情況。前兩組完成整個(gè)活動的小組成員都是男生。起初，有兩個(gè)女生沒有參與到學(xué)習(xí)活動中，而是坐到一旁寫作業(yè)，在老師的鼓勵(lì)下，她們才加入到實(shí)驗(yàn)中來。在探究學(xué)習(xí)活動中，大多數(shù)學(xué)生看起來很興奮和好奇，并表現(xiàn)出了強(qiáng)烈的學(xué)習(xí)動機(jī)。相對于參照紙質(zhì)的活動表格，大多數(shù)學(xué)生更傾向于親自與軟件進(jìn)行互動。實(shí)驗(yàn)后隨機(jī)抽查了5名學(xué)生進(jìn)行訪談交流。在訪談中，研究者請他們談?wù)撟约簩W(xué)習(xí)工具的感受。首先，學(xué)生表示AR工具可以較好地幫助記憶原子的結(jié)構(gòu)。在傳統(tǒng)課堂上，僅通過老師的簡單指導(dǎo)，學(xué)生對于知識的理解度和記憶持久度較低。但基于AR的軟件教學(xué)可調(diào)動學(xué)生積極性，促使其注意力更加集中。在直觀地看到仿真模型并與其交互后，對所學(xué)知識的印象也更加深刻。其次，與傳統(tǒng)Flash課件和其他3D建模軟件相比，AR工具能提高學(xué)生對于實(shí)驗(yàn)探究的操作能力。相比于鍵盤鼠標(biāo)與計(jì)算機(jī)的操作，直接通過自然交互對程序性知識的識記效果更好。同時(shí)，學(xué)生也對這個(gè)工具提出了一些建議，例如他們希望物質(zhì)的模擬現(xiàn)象能更加逼真，可以加入一些卡通或者動畫元素使軟件更有趣。最后，當(dāng)研究者詢問這5名受訪學(xué)生是否想要在未來學(xué)習(xí)中使用AR工具時(shí)，他們一致回答“想”。

（四）語言AR教學(xué)實(shí)例：學(xué)齡前兒童英語單詞學(xué)習(xí)

該案例旨在研究參加基于移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)活動的學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和教師的情感態(tài)度。

1.實(shí)驗(yàn)對象

該案例選取了北京某幼兒園的兩個(gè)班級的學(xué)生作為研究對象，每班20人，年齡范圍在4-6歲。分別將兩個(gè)班設(shè)定為對照組和實(shí)驗(yàn)組，對照組使用傳統(tǒng)教學(xué)方法，即教師通過黑板和口頭講授，學(xué)生重復(fù)識記；實(shí)驗(yàn)組在教師的指導(dǎo)下，并通過助教的幫助，使用課題組開發(fā)軟件進(jìn)行學(xué)習(xí)。參與實(shí)驗(yàn)的學(xué)生在實(shí)驗(yàn)前均未使用過移動設(shè)備進(jìn)行學(xué)習(xí)，也均未學(xué)習(xí)過這些單詞。

2.研究設(shè)計(jì)

系統(tǒng)基于Java 1.7，Android SDK和Wikitude SDK設(shè)計(jì)開發(fā)。應(yīng)用的功能包括提取和識別單詞，顯示相應(yīng)的圖片和發(fā)音等。

如圖12所示為AR應(yīng)用軟件的用戶界面。歡迎界面包括“開始取詞”“關(guān)于作者”“退出程序”三個(gè)按鈕。點(diǎn)擊“開始取詞”即可進(jìn)入“取詞頁面”；將手機(jī)攝像頭對準(zhǔn)單詞卡片，即可顯示對應(yīng)的單詞圖片，點(diǎn)擊圖片會播放該單詞的發(fā)音。學(xué)習(xí)者需要在獲取單詞后，將其與出現(xiàn)的圖片連接，在點(diǎn)擊單詞后，聽取發(fā)音并重復(fù)。如圖13所示為實(shí)驗(yàn)組學(xué)生正在使用基于AR的移動應(yīng)用程序?qū)W習(xí)單詞。

3.研究結(jié)果

（1）學(xué)習(xí)成績分析

為了探究基于移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)活動對于學(xué)生學(xué)習(xí)是否有幫助，研究使用獨(dú)立測試來收集兩組前測和后測的數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生平均分?jǐn)?shù)從最初的23.125提升到了73.125，在此次教學(xué)實(shí)驗(yàn)中有顯著提高。前測中對實(shí)驗(yàn)組和對照組進(jìn)行數(shù)據(jù)t檢驗(yàn)的結(jié)果無顯著性差異（p=0.930），而在后測中兩組均出現(xiàn)了較為明顯的顯著性差異（p=0.000<0.001）。因此AR學(xué)習(xí)軟件有助于非英語母語學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)英語單詞。

（2）教師態(tài)度分析

由于幼兒園的孩子尚且年幼，不能表達(dá)自己的態(tài)度，為了更深入地了解這個(gè)實(shí)驗(yàn)，研究采訪了這兩個(gè)班的英語老師。老師的意見總結(jié)如下：“這種學(xué)習(xí)將觸覺，聽覺和視覺結(jié)合在一起，更容易激發(fā)孩子的熱情。使用手機(jī)掃描單詞，呈現(xiàn)匹配的圖片和發(fā)音也符合兒童的認(rèn)知規(guī)則。但是手機(jī)可能會分散兒童的注意力。這種類型的教學(xué)可能更適合一對一的情況。此外，實(shí)驗(yàn)設(shè)置的詞匯量對于這些年幼的孩子偏大，如果開始就創(chuàng)設(shè)一個(gè)全面豐富的學(xué)習(xí)環(huán)境，效果將會更好”。

（五）非正式學(xué)習(xí)AR實(shí)例：基于位置的校園導(dǎo)覽系統(tǒng)

該研究基于移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和位置服務(wù)技術(shù)，設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)了地理導(dǎo)航與文化導(dǎo)覽一體化的服務(wù)系統(tǒng)，并在北京某大學(xué)校園部署應(yīng)用。研究選取了小樣本實(shí)驗(yàn)對象對系統(tǒng)平臺進(jìn)行試用和評價(jià)，旨在探索移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于校園導(dǎo)覽的效果。

1.實(shí)驗(yàn)對象

該實(shí)驗(yàn)中被試34名，均為校外人員，年齡18-25歲不等。實(shí)驗(yàn)對象所具有的共同特征是對實(shí)驗(yàn)校園的陌生程度較高。

2.研究設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)者被分為兩組，A組中的17名使用者在試用軟件前，由培訓(xùn)人員介紹軟件開發(fā)的背景和各項(xiàng)功能，確認(rèn)實(shí)驗(yàn)對象能夠獨(dú)立使用該軟件，并在使用后填寫問卷。B組的17名使用者在軟件試用之前并沒有接受培訓(xùn)人員對軟件開發(fā)背景和各項(xiàng)功能的講解，由使用者自行安裝軟件試用并在試用結(jié)束后填寫問卷。兩組使用者試用系統(tǒng)平臺2-3個(gè)小時(shí)。使用過程中用戶可以根據(jù)攝像頭中捕獲到的真實(shí)場景去尋找校園相關(guān)地標(biāo)性建筑，如右圖14。在到達(dá)地標(biāo)性建筑后，攝像頭通過捕獲圖像自動識別出地標(biāo)信息，并作為學(xué)習(xí)內(nèi)容呈現(xiàn)給用戶，如右圖15所示。

問卷分為基本情況、用戶體驗(yàn)和主觀題三個(gè)部分?；厩闆r部分收集的是用戶性別等基本信息；用戶體驗(yàn)部分主要收集的是用戶對該軟件各項(xiàng)指標(biāo)實(shí)際表現(xiàn)的認(rèn)同感情況；主觀題部分收集的是用戶認(rèn)為該軟件有哪些優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)以及對該軟件的整體評分。問卷的用戶體驗(yàn)部分共設(shè)8道題，分別從可獲取性、宣傳效果、可用性、美觀性、環(huán)保性、可交互性、可推廣性以及功能性八個(gè)方面對軟件進(jìn)行評價(jià)。對于每一項(xiàng)指標(biāo)，用戶給出的滿意度越高說明軟件越受到用戶的認(rèn)可，反之亦然。

3.研究結(jié)果

該實(shí)驗(yàn)共回收有效問卷34份，問卷的有效回收率為100%。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，兩組對軟件在各項(xiàng)指標(biāo)上的呈現(xiàn)都表現(xiàn)出比較大的滿意度。兩組被試在軟件的可用性、美觀性和功能性上的評價(jià)一致性較高，在可獲取性、可推廣性、可交互性以及宣傳效果上的表現(xiàn)有一定的差異。

對于主觀題，通過對所有被試作答進(jìn)行匯總，發(fā)現(xiàn)認(rèn)為該軟件的優(yōu)點(diǎn)集中表現(xiàn)在以下3個(gè)方面：

（1）方便美觀。絕大多數(shù)被試都提到使用手機(jī)可以隨時(shí)隨地獲取信息，而且定位技術(shù)與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的結(jié)合使得搜索過程和呈現(xiàn)方式變得更加自然，不僅省去了手動輸入的過程，而且所見即所得；

（2）綠色環(huán)保。絕大多數(shù)被試都提到目前使用紙質(zhì)地圖時(shí)的資源浪費(fèi)問題，并認(rèn)為該軟件是替代紙質(zhì)媒介的比較好的手段之一；

（3）交互有趣。絕大多數(shù)被試都提到使用手機(jī)攝像頭與真實(shí)物理環(huán)境進(jìn)行交互的方式非常新穎有趣，之前并沒有接觸過，信息的快速即時(shí)呈現(xiàn)的特點(diǎn)也讓校園文化隨手可及。

使用者對軟件也提出了很多建設(shè)性意見，有些意見限于目前硬件技術(shù)能力還不能解決，比如校園無線網(wǎng)速導(dǎo)致加載信息過慢，手機(jī)GPS定位所需時(shí)間過長、有時(shí)定位不準(zhǔn)確等等。還有一些問題的提出可能是用戶在并不知道軟件實(shí)現(xiàn)原理上主觀臆斷的結(jié)果，比如有用戶提出使用3D圖像識別會耗費(fèi)很多流量等。由于該軟件的服務(wù)器端設(shè)在校內(nèi)，因此在校學(xué)生獲取服務(wù)器資源不會產(chǎn)生付費(fèi)流量。

在最后對軟件的評分環(huán)節(jié)里，A組對軟件的平均評分為4分，B組為4.2分，兩組之間并沒有存在很大差異，說明被試對軟件的整體試用結(jié)果還是比較滿意的。

三、總結(jié)及展望

以上介紹的5個(gè)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教育應(yīng)用的案例，從學(xué)科上看，涉及基礎(chǔ)教育領(lǐng)域的數(shù)學(xué)、物理、化學(xué)、英語各個(gè)不同的學(xué)科；從學(xué)習(xí)的形式上看，既有課堂學(xué)習(xí)，也有課外非正式學(xué)習(xí)。這說明AR技術(shù)在教育中應(yīng)用的范圍寬泛，潛力巨大。從AR學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)的角度，我們可以把增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)方式大致分為三類：基于角色扮演的方法、基于位置的方法以及基于任務(wù)設(shè)計(jì)的方法。其中前兩種方法側(cè)重于教學(xué)活動的設(shè)計(jì)，強(qiáng)調(diào)學(xué)習(xí)者的行為，并通常以游戲式學(xué)習(xí)的形式表現(xiàn)，這在國外注重實(shí)踐、注重活動的教學(xué)方式中應(yīng)用得較多。第三種基于任務(wù)的方法主要側(cè)重在教學(xué)對象的呈現(xiàn)、展示以及人機(jī)交互，并以簡單的教學(xué)活動設(shè)計(jì)貫穿在整個(gè)教學(xué)過程中，這種方式在國內(nèi)現(xiàn)階段應(yīng)是主流。不過這三類教學(xué)方式并不是排他性的，尤其是在國內(nèi)現(xiàn)在STEM教育、創(chuàng)客教育的背景下，這三種教學(xué)方式在某些場合可以綜合使用。因此通過合適的教學(xué)活動的設(shè)計(jì)，將三種教學(xué)方式交叉融合，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境這種新型的學(xué)習(xí)環(huán)境就可能產(chǎn)生與預(yù)期學(xué)習(xí)目標(biāo)一致的情境支持，進(jìn)而影響教師教學(xué)的方式以及學(xué)生學(xué)習(xí)的效果。

相對于使用Oculus、HTC Vive等純虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境來說，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境不需要佩戴沉重的頭盔，不需要放置捕獲用戶空間位置的專用定位器和特定的活動范圍空間。它僅需要一臺電腦配合一個(gè)普通攝像頭，或者僅需要平板或手機(jī)（本身自帶攝像頭），即可做到真實(shí)環(huán)境和虛擬對象的融合互動。因此這種對硬件條件要求不高的學(xué)習(xí)環(huán)境更容易在學(xué)校落地，并擁有更多的受眾用戶。更重要的是，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)環(huán)境將虛擬的學(xué)習(xí)內(nèi)容與現(xiàn)實(shí)環(huán)境發(fā)生了有意義的關(guān)聯(lián)。以筆者實(shí)施的中學(xué)數(shù)學(xué)概率知識點(diǎn)中經(jīng)典的拋硬幣實(shí)驗(yàn)為例，有人可能會說這個(gè)實(shí)驗(yàn)用一個(gè)Flash動畫模擬就可以了，但是Flash的畫面全部都是計(jì)算機(jī)生成的虛擬畫面，和學(xué)生所處的現(xiàn)實(shí)環(huán)境沒有任何關(guān)聯(lián)。另外學(xué)生可能會質(zhì)疑，計(jì)算機(jī)隨機(jī)生成的正反面結(jié)果會不會是預(yù)先設(shè)定好的程序？而且通過Flash的點(diǎn)擊按鈕來模擬拋硬幣，學(xué)生也沒有真正現(xiàn)實(shí)環(huán)境中拋硬幣的感覺。但如果使用AR技術(shù)來做這個(gè)實(shí)驗(yàn)，就可以既充分利用電子設(shè)備快速的記錄統(tǒng)計(jì)結(jié)果，又能讓學(xué)生在真實(shí)環(huán)境中體驗(yàn)到拋硬幣游戲中“拋”的真實(shí)感覺。所以從這個(gè)角度來說，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)帶來的是一個(gè)交互體驗(yàn)上的變革。

相比其他更成熟的技術(shù)在教育中的研究，AR在教育中應(yīng)用的研究還處于簡單呈現(xiàn)、交互不深入的初級階段，僅有少量案例的交互手段比較深入。一些AR實(shí)證研究主題的研究設(shè)計(jì)也還相對比較簡單，研究周期較短。定量研究的樣本數(shù)較小，定性研究則主要依賴于學(xué)習(xí)者自我陳述的可用性、偏好和效率來評價(jià)學(xué)習(xí)效果。此外，所采用的方法主要是基于設(shè)計(jì)的研究、案例研究，以及少數(shù)的準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)研究。不過從以上我們自主研發(fā)的案例可以看出，絕大部分學(xué)生對于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的教學(xué)工具或環(huán)境表現(xiàn)出正面的態(tài)度，這也符合Nunez，Quiros，Nunez，Carda and Camahort的研究結(jié)果。要提供更多AR具有教育價(jià)值的證據(jù)，就要控制和綜合評價(jià)研究，包括大量樣本的收集分析和有效的儀器。未來AR教育應(yīng)用研究應(yīng)當(dāng)確定有效的課外活動和技術(shù)特點(diǎn)，并協(xié)同生成一組教學(xué)模式和AR環(huán)境的設(shè)計(jì)原則，這樣就可為新型的虛實(shí)融合學(xué)習(xí)環(huán)境中所涉及的問題提供指導(dǎo)。