劉 瀟, 王志軍, 曹曉靜, 韓美琪

(天津師范大學(xué) 教育科學(xué)學(xué)院，天津 300387)

0 引 言

“技術(shù)賦能學(xué)習(xí)”強調(diào)以學(xué)習(xí)者為中心，技術(shù)為學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)提供支持[1]。增強現(xiàn)實(Augmented Reality，AR)技術(shù)實現(xiàn)了物理世界和虛擬世界的無縫融合，有助于學(xué)習(xí)者高階思維能力的發(fā)展[2]，因而引起了教育領(lǐng)域?qū)W者的廣泛關(guān)注。

根據(jù)Gartner公司發(fā)布的2017年新興科技技術(shù)成熟度曲線，AR技術(shù)已經(jīng)開始步入成熟期[3]，其教育應(yīng)用潛力也愈加凸顯。如今，該技術(shù)已經(jīng)滲透到科學(xué)、語言、藝術(shù)等學(xué)科的教學(xué)當中。其中，科學(xué)教育是AR教育應(yīng)用的主要陣地，AR所提供的貼近自然的交互方式對于幫助學(xué)習(xí)者理解科學(xué)學(xué)科中復(fù)雜的空間關(guān)系和抽象概念大有裨益。

1 AR技術(shù)對科學(xué)教育的促進作用

科學(xué)教育是社會進步、技術(shù)發(fā)展的必然要求。然而，學(xué)生在常規(guī)科學(xué)教育中的科學(xué)探究體驗非常有限，科學(xué)教育甚至被異化為讓學(xué)生接受科學(xué)知識的過程[4]。AR技術(shù)的出現(xiàn)，為解決這些難題創(chuàng)造了條件，其對科學(xué)教育的促進作用主要體現(xiàn)在如下3個方面：

(1) 將抽象、微觀的知識內(nèi)容可視化。科學(xué)學(xué)科中的很多核心概念(如動能、細胞等)都帶有抽象性、微觀性，脫離學(xué)習(xí)者的生活情境，不便于其掌握和理解。AR技術(shù)可以幫助學(xué)習(xí)者利用3D模型來增強對現(xiàn)實情境的視覺感知能力[5]，學(xué)習(xí)者既可以通過不同視角來觀看AR模型，也可以通過親自接觸并操縱3D模型來增強學(xué)習(xí)體驗[6]。在這類概念的學(xué)習(xí)中，AR起到了“建構(gòu)模型和轉(zhuǎn)化表征”的作用，可有效提升學(xué)習(xí)者對科學(xué)概念及其表征的理解程度。

(2) 將復(fù)雜的空間關(guān)系可視化?？茖W(xué)學(xué)科中常常存在各種各樣復(fù)雜的空間關(guān)系(如化學(xué)中的鍵長與鍵角)，對學(xué)習(xí)者的空間認知能力提出了更高的要求。傳統(tǒng)的材料畫面常常以二維平面來展示物質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)，一方面受呈現(xiàn)媒介尺寸的影響較大，另一方面也不符合學(xué)習(xí)者的三維認知習(xí)慣。AR技術(shù)提供給學(xué)習(xí)者的3D模型相比二維圖片更具真實感，學(xué)習(xí)者對3D模型所進行的縮放、移動、旋轉(zhuǎn)等操作也使得其以一種更為“具身”的方式建構(gòu)對空間關(guān)系的認知，進而提升空間想象和思維能力。

(3) 支持泛在環(huán)境下的情境式學(xué)習(xí)。隨著移動AR技術(shù)的普及，越來越多的學(xué)習(xí)者僅需利用常見的手持設(shè)備(智能手機、平板電腦等)便可隨時隨地開展合作、探究等學(xué)習(xí)活動。特別是在科學(xué)材料方面，不同于傳統(tǒng)紙質(zhì)材料在內(nèi)容表達形式上的僵化，也不同于傳統(tǒng)數(shù)字材料在有形性、真實感方面的欠缺，AR材料提供了一種介于傳統(tǒng)紙、數(shù)材料的折衷方案，允許學(xué)習(xí)者在一種泛在的情境中實現(xiàn)對知識內(nèi)容的深度理解。

2 相關(guān)研究現(xiàn)狀

為了解AR技術(shù)應(yīng)用于科學(xué)教育的研究現(xiàn)狀，本文對CNKI和Web of Science中主題為“增強現(xiàn)實”的教育類核心文獻進行了檢索和分析，總結(jié)和歸納了已有的研究及其存在的不足。

2.1 AR技術(shù)應(yīng)用于科學(xué)教育的主要研究

長期以來，許多研究者針對AR應(yīng)用于科學(xué)教育的有效性進行了孜孜不倦地探索。理論研究方面，Cheng等[7]發(fā)現(xiàn)在科學(xué)學(xué)習(xí)中，基于圖像AR對提升學(xué)習(xí)者的空間能力、操作技能和概念理解能力有很大的幫助，基于位置AR則更有利于學(xué)習(xí)者探究能力的培養(yǎng)；張四方等[8]構(gòu)建了科學(xué)教育視域下包含認知層次、應(yīng)用層次和技術(shù)層次的3層次模型，指出AR技術(shù)只有在教學(xué)論、設(shè)計者、學(xué)習(xí)者三方融合中才能更好地發(fā)揮其科學(xué)教育的價值。實踐研究方面，以蔡蘇等[9]為代表的諸多學(xué)者嘗試設(shè)計、開發(fā)AR教育資源并測試了其教學(xué)應(yīng)用有效性。例如，“凸透鏡成像”實驗表明，AR工具對提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動機、態(tài)度有顯著作用；“微觀粒子交互式”實驗表明，AR工具有助于學(xué)習(xí)者實驗探究能力的提高；“探秘微觀細胞”實驗表明，在知識掌握情況和學(xué)習(xí)態(tài)度方面，AR教學(xué)效果遠好于傳統(tǒng)教學(xué)方式。

2.2 相關(guān)研究存在的不足

大量研究證明了AR技術(shù)可有效促進科學(xué)教育，然而多數(shù)研究僅設(shè)計了AR組和非AR組的對比實驗，對于學(xué)習(xí)者、教師、媒介等教學(xué)環(huán)境要素的特征關(guān)注不足。特別是學(xué)習(xí)者特征包含性別、年齡、學(xué)習(xí)風(fēng)格、空間能力、知識基礎(chǔ)等諸多變量，這些變量是否與學(xué)習(xí)材料的類型存在交互作用，是否會對實驗結(jié)論有所影響，不得而知。其中，對于空間能力而言，部分研究者將其作為因變量處理，著力探究AR技術(shù)對提升空間認知水平的作用，然而卻鮮少將其設(shè)為自變量，考慮其對學(xué)習(xí)效果的影響。

3 研究問題與方法

針對已有研究存在的不足，本文將通過實驗研究的方法探討空間能力水平和學(xué)習(xí)材料類型的相互作用對科學(xué)學(xué)習(xí)效果的影響。

3.1 實驗?zāi)康?/h3>

探究不同類型的學(xué)習(xí)材料對不同空間能力學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)成績、認知負荷和學(xué)習(xí)動機的影響，從而判斷AR技術(shù)是否能有效促進科學(xué)學(xué)習(xí)。

3.2 實驗設(shè)計

本實驗采用2(學(xué)習(xí)材料，被試間變量)×2(空間能力，被試間變量)兩因素混合實驗設(shè)計。自變量包括學(xué)習(xí)材料(傳統(tǒng)圖文材料、AR材料)、空間能力(低空間能力、高空間能力)；因變量包括學(xué)習(xí)成績(保持測試成績、遷移測試成績、總測試成績)、認知負荷(心理努力程度、感知難度、總認知負荷)和學(xué)習(xí)動機(注意、關(guān)聯(lián)、信心、滿足、總學(xué)習(xí)動機)；無關(guān)變量包括被試的先前知識水平、學(xué)科背景、年齡。

3.3 實驗假設(shè)

AR材料較傳統(tǒng)圖文材料更有助于科學(xué)學(xué)習(xí)，這種優(yōu)勢尤其對低空間能力的學(xué)習(xí)者更為明顯。

3.4 被試

從T大學(xué)本科生中招募自愿參加實驗的被試，對其進行空間能力測試，根據(jù)測試的結(jié)果，篩選出60名學(xué)生(年齡在18～22歲區(qū)間)參加實驗，將其按照空間能力分為低空間能力組和高空間能力組2個組別，每組30人。然后，對這2組被試進行組內(nèi)隨機分配，共得到4組被試，每組15人。

3.5 實驗儀器

平板電腦1部，用于呈現(xiàn)AR效果，型號為小米平板MI PAD 4。

3.6 實驗材料

(1) 學(xué)習(xí)材料。實驗所需的學(xué)習(xí)材料共2份(傳統(tǒng)圖文材料、AR材料)，主題為“烷烴結(jié)構(gòu)”。其中，傳統(tǒng)圖文材料以圖片的方式呈現(xiàn)烷烴的結(jié)構(gòu)(見圖1)；AR材料則允許被試通過掃描圖片獲得烷烴結(jié)構(gòu)的3D模型，并通過手勢交互的方式操縱模型，以多角度觀察烷烴結(jié)構(gòu)(見圖2)。

圖1 圖文材料界面圖2 AR材料界面

AR材料的制作經(jīng)歷了建模和編程兩大階段：首先通過3Dmax軟件繪制烷烴分子模型，然后將模型導(dǎo)入AR/VR云設(shè)計平臺，經(jīng)過編輯處理發(fā)布AR特效至AR云播放器中，便于學(xué)生利用MI PAD進行觀看。

(2) 測試材料。①被試基本信息問卷1份，用于獲取被試的性別、年齡、專業(yè)等基本信息。②空間能力測試題1份，采用經(jīng)典的標準MRT測試題測試被試的心理旋轉(zhuǎn)水平，即想象物體旋轉(zhuǎn)的空間智能轉(zhuǎn)換能力。③先前知識測試題1份，用于測量與學(xué)習(xí)材料中學(xué)習(xí)內(nèi)容相關(guān)的被試先前知識水平。測試共包含6道題目，答對1道計1分，滿分為6分。若被試的前測成績高于3分，則將其視作高基礎(chǔ)被試，予以剔除。④學(xué)習(xí)效果測試材料1份，包含保持性測試和遷移性測試。保持性測試主要用于檢測學(xué)習(xí)的數(shù)量，即學(xué)習(xí)者記住了多少學(xué)過的內(nèi)容；遷移性測試：主要用于檢測學(xué)習(xí)的質(zhì)量，即學(xué)習(xí)者能靈活運用已學(xué)材料的程度。測試共包含21道題目，其中保持性測試12道，遷移性測試9道。⑤認知負荷自評量表1份，采用經(jīng)典的Paas量表。利用SPSS對預(yù)實驗的數(shù)據(jù)進行信度分析，發(fā)現(xiàn)該量表的Cronbachα系數(shù)為0.690(介于0.6～0.7之間)，說明數(shù)據(jù)信度可接受。⑥學(xué)習(xí)動機自評量表1份，采用根據(jù)ARCS模型改編的IMMS動機測量量表。利用SPSS對預(yù)實驗的數(shù)據(jù)進行信度分析，發(fā)現(xiàn)該量表的Cronbachα系數(shù)為0.941(高于0.8)，說明研究數(shù)據(jù)信度質(zhì)量很高。

3.7 實驗過程

試驗過程分為3步:①各組被試依次填寫基本信息問卷、先前知識測驗。空間能力測試已在實驗前完成，并作為分組依據(jù)之一。②各組被試依次學(xué)習(xí)由主試指定的學(xué)習(xí)材料。③被試結(jié)束學(xué)習(xí)后，完成學(xué)習(xí)效果測試、認知負荷自評和學(xué)習(xí)動機自評。

4 數(shù)據(jù)分析

4.1 學(xué)習(xí)成績

使用SPSS19.0統(tǒng)計軟件對被試的測試成績進行分析，可得到各項目的平均值和標準差，如表1所示。

表1 不同實驗組的學(xué)習(xí)效果測試情況(M±SD)

由表1可見，不同空間能力的學(xué)習(xí)者在使用傳統(tǒng)圖文材料和AR材料后，其保持測試成績、遷移測試成績和總測試成績均存在差異。整體而言，無論針對哪類空間能力的學(xué)習(xí)者，AR材料相比傳統(tǒng)圖文材料都體現(xiàn)出其優(yōu)越性，且低空間能力學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)效果方面從AR材料中獲益更多。

為進一步了解學(xué)習(xí)材料類型和空間能力水平對學(xué)習(xí)成績的交互作用，本文對各組的三項成績進行了兩因素被試間方差分析，發(fā)現(xiàn)：在保持測試中，兩因素的P值分別為0.117和0.934，均大于0.05，說明學(xué)習(xí)材料類型和空間能力水平對于保持測試成績的交互作用不明顯；在遷移測試中，兩因素的P值分別為0.000和0.001，均小于0.05，說明學(xué)習(xí)材料類型和空間能力水平對于遷移測試成績均存在明顯的交互作用；圖文材料與AR材料、低空間能力與高空間能力對學(xué)習(xí)效果的不同影響也體現(xiàn)在總測試成績中。

4.2 認知負荷

使用SPSS19.0統(tǒng)計軟件對被試的認知負荷進行分析，可得到各項目的平均值和標準差，如表2所示。

由表2可見，不同空間能力的學(xué)習(xí)者在使用傳統(tǒng)圖文材料和AR材料后，其心理努力程度、感知難度和總認知負荷均存在差異，但區(qū)別不大。整體而言，AR材料可有效減少低空間能力學(xué)習(xí)者的認知負荷。

表2 不同實驗組的認知負荷測量情況(M±SD)

為進一步了解學(xué)習(xí)材料類型和空間能力水平對認知負荷的交互作用，本文對各組的3項認知負荷測評指標進行了兩因素被試間方差分析，發(fā)現(xiàn)：從心理努力程度看，兩因素的P值分別為1.000和0.501，均大于0.05，說明學(xué)習(xí)材料類型和空間能力水平對于心理努力程度的交互作用不明顯；從感知難度看，兩因素的P值分別為0.404和0.676，均大于0.05，說明學(xué)習(xí)材料類型和空間能力水平對于感知難度的交互作用不明顯；同樣的，學(xué)習(xí)材料類型和空間能力水平的不同組合也并未對認知負荷產(chǎn)生顯著差異影響。

4.3 學(xué)習(xí)動機

使用SPSS19.0統(tǒng)計軟件對被試的學(xué)習(xí)動機進行分析，可得到各項目的平均值和標準差，如表3所示。

表3 不同實驗組的學(xué)習(xí)動機測量情況(M±SD)

由表3可見，不同空間能力的學(xué)習(xí)者在使用傳統(tǒng)圖文材料和AR材料后，其注意、關(guān)聯(lián)、信心、滿足和總動機評分均存在差異。整體而言，無論針對哪類空間能力的學(xué)習(xí)者，AR材料相比傳統(tǒng)圖文材料都能使學(xué)習(xí)者獲得更高的學(xué)習(xí)動機。

為進一步了解學(xué)習(xí)材料類型和空間能力水平對學(xué)習(xí)動機的交互作用，本文對各組的5項學(xué)習(xí)動機測評指標進行了兩因素被試間方差分析，發(fā)現(xiàn)：從“注意”動機看，兩因素的P值分別為0.005(<0.05)和0.882(>0.05)，學(xué)習(xí)材料類型對于“注意”動機的交互作用明顯；從“關(guān)聯(lián)”動機看，兩因素的P值分別為0.119和0.910，均大于0.05，學(xué)習(xí)材料類型和空間能力水平對于“關(guān)聯(lián)”動機的交互作用均不明顯；從“信心”動機看，兩因素的P值分別為0.074和0.606，均大于0.05，學(xué)習(xí)材料類型和空間能力水平對于“信心”動機的交互作用均不明顯；從“滿足”動機看，兩因素的P值分別為0.019(<0.05)和0.854(>0.05)，學(xué)習(xí)材料類型對于“滿足”動機的交互作用明顯；從總動機看，兩因素的P值分別為0.016(<0.05)和0.924(>0.05)，學(xué)習(xí)材料類型對于總動機的交互作用明顯。

4.4 AR材料組學(xué)習(xí)成績、認知負荷和學(xué)習(xí)動機關(guān)系

為了進一步檢驗學(xué)習(xí)者在使用AR材料時的學(xué)習(xí)成績、認知負荷和學(xué)習(xí)動機之間的關(guān)系，本研究篩選出AR材料組的數(shù)據(jù)，并進行了一系列Pearson相關(guān)分析，結(jié)果如表4所示。

表4 學(xué)習(xí)成績、認知負荷和學(xué)習(xí)動機關(guān)系

注BC：保持性測試，QC：遷移性測試，ZC：總測試，XN：心理努力程度，RN：感知任務(wù)難度，ZF：總認知負荷，ZY：注意，GL：關(guān)聯(lián)，XX：信心，MZ：滿足，ZD：總學(xué)習(xí)動機;**P<.01,*P<.05

研究發(fā)現(xiàn)：①學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)成績與認知負荷呈非顯著負相關(guān)(r=-0.18，P>0.05)；②學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)成績與學(xué)習(xí)動機呈顯著正相關(guān)(r=0.61，P<0.01)，其中保持性測試成績與注意(r=0.62，P<0.01)、關(guān)聯(lián)(r=0.55，P<0.01)、信心(r=0.42，P<0.01)、滿足(r=0.62，P<0.01)均呈顯著正相關(guān)，遷移性測試成績與注意(r=0.49，P<0.01)、關(guān)聯(lián)(r=0.44，P<0.01)呈顯著正相關(guān)；③學(xué)習(xí)者的認知負荷與學(xué)習(xí)動機呈負相關(guān)，但相關(guān)作用不明顯(r=-0.08，P>0.05)。

5 討 論

基于實驗所得的數(shù)據(jù)，本研究從學(xué)習(xí)成績、認知負荷、學(xué)習(xí)動機及3者相互關(guān)系等方面討論AR技術(shù)對科學(xué)教育的影響。

(1) AR技術(shù)對學(xué)習(xí)成績的影響。在提升學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)成績(特別是遷移性測試成績)方面，實驗得出了和相關(guān)研究類似的結(jié)論：AR材料相比圖文材料具有顯著優(yōu)勢，且這種優(yōu)勢尤其適用于低空間能力學(xué)習(xí)者，說明AR確實能起到可視化微觀知識、可視化空間關(guān)系的作用。學(xué)習(xí)者在觀察并操縱3D模型的同時，建立起抽象概念與具體物質(zhì)之間的表征關(guān)聯(lián)，從而促進了知識的理解和遷移。

(2) AR技術(shù)對認知負荷的影響。在降低學(xué)習(xí)者的認知負荷方面，實驗得出了和相關(guān)研究類似的結(jié)論：AR材料的優(yōu)勢體現(xiàn)得并不明顯，認知負荷與學(xué)習(xí)成績并無關(guān)聯(lián)[10]，也無法對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)成績進行預(yù)測[11]。Cheng[12]認為，AR技術(shù)所提供的自然交互功能，并不能直接導(dǎo)致學(xué)習(xí)的成功，學(xué)習(xí)者感知的認知負荷并非影響其學(xué)習(xí)結(jié)果的唯一本質(zhì)因素。本研究中，AR技術(shù)未能有效降低認知負荷，可能源于3個方面：①學(xué)習(xí)者對AR工具的使用尚缺乏足夠的熟悉度和適應(yīng)性；②學(xué)習(xí)材料本身的難度所帶來的內(nèi)在認知負荷難以被大幅調(diào)整；③AR材料的設(shè)計尚未達到理想狀態(tài)，因而增加了學(xué)習(xí)者的外在認知負荷。

(3) AR技術(shù)對學(xué)習(xí)動機的影響。在提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動機方面，實驗得出了和相關(guān)研究類似的結(jié)論：AR材料相比圖文材料具有顯著優(yōu)勢，學(xué)習(xí)者的空間能力在其中起一定作用但并非關(guān)鍵作用。在學(xué)習(xí)動機各維度中，AR技術(shù)在幫助學(xué)習(xí)者集中“注意”、獲得“滿足”方面產(chǎn)生著重要的影響，這暗示了感知注意力對AR學(xué)習(xí)的重要性。本研究中，大多數(shù)學(xué)習(xí)者均是初次接觸AR材料，3D模型的呈現(xiàn)極大地吸引了他們的注意，促使他們帶著強烈的興趣開展學(xué)習(xí)。值得注意的是，研究者必須要警惕“哇”效應(yīng)的產(chǎn)生，即：學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動機并非來自于AR與知識的關(guān)聯(lián)，而是來自于其初次接觸AR而產(chǎn)生的好奇，在對AR逐漸熟悉之后，原本不穩(wěn)定的學(xué)習(xí)動機可能會消失殆盡。

(4) AR技術(shù)對學(xué)習(xí)成績、認知負荷和學(xué)習(xí)動機的綜合影響。有效學(xué)習(xí)需經(jīng)歷“環(huán)境要素—動力機制—過程機制—結(jié)果要素”的學(xué)習(xí)過程生態(tài)鏈[13]。AR技術(shù)可以為學(xué)習(xí)者營造情境化的學(xué)習(xí)環(huán)境，學(xué)習(xí)動機的激發(fā)與維持可以提供學(xué)習(xí)的動力機制，認知負荷的合理控制可以使學(xué)習(xí)者以更加輕松、自在的方式進行學(xué)習(xí)，而學(xué)習(xí)成績則可作為衡量有效學(xué)習(xí)是否達成的結(jié)果指標。

從對AR材料組學(xué)習(xí)成績、認知負荷和學(xué)習(xí)動機關(guān)系分析結(jié)果來看，AR技術(shù)所提供的動力機制對學(xué)習(xí)結(jié)果產(chǎn)生了正向影響，但在過程機制的優(yōu)化方面還有待提升。Plass等[14]認為，基于人類認知結(jié)構(gòu)的特征，可以將認知負荷視為預(yù)測學(xué)習(xí)結(jié)果的指示器。根據(jù)認知負荷理論，認知負荷可分為內(nèi)在認知負荷、外在認知負荷和關(guān)聯(lián)認知負荷。其中，外在認知負荷是由學(xué)習(xí)材料的設(shè)計所引發(fā)的，屬于無效認知負荷，需要被著力降低。本研究中，認知負荷對學(xué)習(xí)成績的負相關(guān)作用未能充分發(fā)揮，說明AR學(xué)習(xí)資源的設(shè)計還有待優(yōu)化。

6 結(jié) 語

研究證明，AR技術(shù)確有促進科學(xué)教育的積極作用。目前，教育領(lǐng)域關(guān)于AR學(xué)習(xí)資源的設(shè)計與開發(fā)研究正在如火如荼地進行，相信在不久的將來，“AR技術(shù)賦能科學(xué)學(xué)習(xí)”的教育潛力必將得到充分發(fā)揮。在繪制美好愿景的同時，必須腳踏實地做好眼前的工作。進一步研究將圍繞“AR學(xué)習(xí)資源的優(yōu)化設(shè)計”而展開，一條有效的途徑是遵循“多媒體畫面語言學(xué)”所提供的設(shè)計框架[15]，從畫面語義、畫面語用和畫面語構(gòu)的3個層次，全方位考量教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)環(huán)境各要素對AR畫面設(shè)計的影響，通過合理的畫面要素搭配，將由AR學(xué)習(xí)資源帶來的認知負荷控制在合理的范圍，進而促使“環(huán)境要素—動力機制—過程機制—結(jié)果要素”的學(xué)習(xí)過程生態(tài)鏈日趨通達而完善。