增强现实技术对高校学生学习的影响
龙紫阳 李凤英
摘 要：文章通过对21篇英文文献的系统梳理，分析了2010年至2019年增强现实技术在高等教育阶段的应用。首先分析增强现实技术在高等教育阶段的学科分布、研究方法和对学生学习影响的现状，然后从学习准备、学习过程和学习结果三个阶段总结出增强现实技术对高校学生学习的具体影响。研究发现，近十年间，增强现实技术在高等教育阶段的研究广泛分布于工程学科和人文学科，研究较多的专业包括工程科学、计算机科学、建筑学、物理、地理和历史等。大多数研究者通过对比实验探究增强现实技术对学生学习的影响，增强现实技术对高校学生学习具有促进作用。同时，教育实践者应该尽量避免增强现实技术在高等教育阶段应用中可能出现的问题。
關键词：增强现实技术;高等教育;学生学习;文献综述
中图分类号：G434 ? ? 文献标志码：A ? ? ? ? 文章编号：1673-8454（2020）12-0008-07
随着互联网、人工智能和大数据等技术的快速发展，人类已经迈入知识经济时代，培养高素质的创新型人才成为世界各国的重要发展战略。各国积极推动教育信息化，促进科学技术与传统教学模式的融合。在众多新兴技术中，增强现实（Augmented Reality，AR）技术凭借其真实性、交互性、实时性等特点受到国外教育研究者的关注，国外研究者在将增强现实技术与教育结合方面做出了很多探索和努力。本研究通过对国外相关研究的综述，分析增强现实技术在国外高校的应用现状及其对国外高校学生学习的影响，以便总结国外高校利用增强现实技术打造高效率的学习空间的经验，为国内高校发展增强现实技术、促进教学提供建议。
一、AR在教育领域中的研究概述
1.概念界定
增强现实的概念源于20世纪90年代，AR最先应用于航空领域，作为航空公司和空军飞行员的训练工具[1]。增强现实技术是在虚拟现实基础上发展起来的一项新技术，它将计算机生成的场景融合到真实世界中，扩张和补充真实世界而不是完全替代真实世界，从而强化用户对现实的感官和认知。AR具有真实性、交互性和实用性等特点，已被应用于医学、军事、旅游等领域。近年来，随着教育信息化的推广，AR逐步被运用于小学至大学的各个学习阶段，研究者依据AR在教育领域的应用状况开展了一系列的研究。
2.相关研究
增强现实技术与教育的结合推动了教学的发展。Wu等人表明在真实物体旁边显示虚拟元素，AR让学生观察到肉眼无法观察到的事物，可提升学生的学习兴趣和动机[2]。Dunleavy等人指出AR最显著的优势在于为学生打造沉浸式的学习环境，AR创造的融合虚拟世界和现实世界的混合学习环境有助于提升学习者批判性思考、沟通协作以及解决问题等各方面的能力[3]。Cuendet等人认为提高空间想象力是学生理解科学现象的关键，而AR恰好给予了学生提高空间想象力的可能性[4]。由此可知，AR对提高学生的学习动机、空间想象能力和批判性思考能力等都具有促进作用。
不过，增强现实技术对教育教学可能造成一些困扰。部分学生反映他们在使用AR时经常会遇到技术问题，类似头戴式显示器等AR设备不够轻便、使用不便等[5][6]。授课教师指出如果想要在教育中有效地使用AR，往往需要较多的额外讲课时间，这将延长学习时间，增加学生的学习负担[7]。因此，AR应用于教育领域，既可能因为技术因素给学习者带来困扰，也可能因为非技术因素遭到学习者的抵触。
随着教育信息化进程推进，国外将AR应用于教育领域的研究越来越多，大部分的研究关注AR对某一学科领域的学习成效的具体作用。国内关于AR与教育结合的研究较少，教育领域的AR应用研究还不成熟。为了分析增强现实技术对学生学习的影响，本文梳理近十年来国外的相关文献，力求总结AR在教育领域的应用经验，为开展相关研究和在教育领域合理使用AR提供参考。
二、研究问题与数据来源
1.研究问题
文献综述可以揭示某一领域的研究现状，为寻求合适研究主题的研究者提供线索[8]。高等教育是各个国家和地区培养科技人才的重要阶段，本文以增强现实技术对高校学生学习的影响为主线，选取最近十年（2010—2019年）高等教育阶段关于AR的实证研究，通过分析总结，力求回答以下两个具体的研究问题：①增强现实技术在高等教育阶段的研究现状是怎样的？②增强现实技术对高校学生的学习产生了哪些影响？
2.文献搜索的过程
研究者利用EBSCO、知网、百度学术等数据库，以“augmented reality”“AR”“mixed reality”“增强现实技术”等作为关键词搜索相关文献，在文献搜索过程中，将文献发表时间控制在2010年至2019年，文献来源控制在SSCI索引，初步收集35篇相关文献。
为了能够准确地回答研究问题，本研究依据如下三条标准对文献进行了筛选：以增强现实技术为研究主题，研究探讨的是增强现实技术在教育领域的应用，研究对象所处的学业阶段为高等教育阶段。最终，本研究选定21篇英文文献作为研究资料。
三、研究发现
对文献进行梳理归纳后，本文从学科分布、研究方法以及增强现实技术对高校学生学习的影响等方面展开分析。首先，从21篇文献涉及的学科领域和所使用的研究方法两方面，归纳增强现实技术在高等教育阶段的研究现状;然后，通过逐层编码探析增强现实技术对高校学生学习的具体影响。
1.增强现实技术在高等教育阶段的研究现状
近十年来，国外高等教育阶段应用增强现实技术的学科多种多样，研究频率较高的学科包括工程科学、计算机科学、物理、地理以及历史等;研究方法集中为实验研究，大多数的研究结果表明AR促进了高校学生的学习。
如图1所示，从学科领域分析，超过50%的研究来自STEM学科，7篇研究归属于人文社科，另外1篇是多学科综合型研究。总体而言，AR在理工科专业领域的研究成果较多，人文社会科学的研究相对较少。具体分析可知，STEM学科中计算机、工程科学、解剖学、建筑学等专业应用AR技术较多;在人文社科领域中，地理、历史和纺织学等专业在过去十年间陆续将AR引入到教育实践中。无论是STEM学科领域还是人文社会科学领域，融合AR进行教学实践的往往是对学生实践能力要求较高的专业。例如，解剖学和纺织学都要求学生亲自动手实践，教师在讲解知识时融合AR技术，抽象信息通过AR变得具体，有助于形成高效的学习环境，降低学生的认知负荷，有效地提升学生的动手实践能力[9]。Carboaell指出AR具有呈现3D地形等优势，对距离、空间等立体感要求较高的地理学科而言，是辅助教学的有效技术手段[9]。
从研究方法分析，21篇文献都采用实验研究。实验研究一般用于测试某一变量对另一变量的影响，研究者通过分析研究参与者在不同的特定研究场景中的变化，分析研究变量的作用[10]。如图2所示，11篇文献采用实验组和控制组的两组对比实验方法，6篇文献采用单组实验对研究参与者进行前后测试，4篇文献设置了三组及以上组别进行多组别对比实验。Ferrer-Torregrosa等人将来自七所西班牙公立和私立大学的211名学生分为两组，对照组学生体验由纸质书籍和教学视频等构成的标准教学课程，实验组在标准教学课程基础上，使用ARBOOK工具辅助学习，研究结果表明AR有助于提高学生在解剖学学习过程中的学习动机、学习专注力和空间思维能力[11]。Zarraonandia等通过课堂单组实验，观察基于AR的课堂反馈系统能否有效提升师生之间的沟通，研究结果表明基于AR的课堂反馈系统有效地改善了课堂的沟通和互动[12]。Bursztyn等为了研究基于AR实地考察练习对学生学习地球科学的兴趣的影响，将来自五个不同学校的874名学生划分为四组，设置三个实验组和一个对照组，实验组的学生分别完成三个、两个和一个AR地理空间导向模块的练习，对照组学生不参与AR地理空间导向模块的练习，研究结果表明学生完成AR地理空间导向模块的数量与学习地球科学的兴趣成正相关关系[13]。
从研究结果分析，大多数研究认为增强现实技术对高校学生学习具有积极的影响，不过各个研究的侧重点存在差异。例如，Lin等侧重研究AR对学生的学习兴趣和对学习效果的影响，Cheng重点研究AR对学生学习动机和学习态度的转变，Ak？觭aylr等关注AR对提升学生实验素养和实验能力的作用。部分研究指出增强现实技术在教学实践中的不足，Fonseca等发现AR确实提高了学生的课程参与度和学习动机，但是对于管理水平较高、管理细节较多的项目，AR系统难以提供有效支持[14]。总体而言，过去十年的研究表明增强现实技术一定程度上能够促进高校学生的学习。
2.增强现实技术对高校学生学习的影响
本文重点分析了增强现实技术对高校学生学习的影响。通过批注和摘录文献资料，列出了类似“better academic performance”“increase learning interest”“higher learning motivation”等主题。研究者对所有主题进行归纳并划分类属，确定各类属的编码，以此分析出AR对高校学生学习的影响，并按照学习的过程将这些影响划分为前中后三个阶段，最终的分析结果如表1所示。
（1）学习准备
学习的第一个阶段被编码为学习准备（Learning preparation）。增强现实技术对学生学习准备的影响主要包括两个方面，分别是提升学习兴趣（Increase learning interest）和增强学习动机（Enhance learning motivation），学习兴趣和学习动机是获得好的学习结果的基础，AR对学生学习兴趣和学习动机的促进作用得到了多项研究的证实。
①提升学习兴趣（Increase learning interest）。Bursztyn等人证实了AR可以提高学生的学习兴趣，该研究以易于使用的移动设备作为向学习者提供模拟实地考察体验的手段，探究AR实地考察练习对学生的兴趣水平的影响，结果表明完成三个地理空间导向游戏模块的学生对学习地球科学的兴趣远远大于仅完成一个模块的学生，AR提升了学生学习地球科学的兴趣[13]。
②增强学习动机（Enhance learning motivation）。相较于提升学习兴趣，研究AR技术提高学生学习动机的文献明显较多，Andújar、Yen、Kai和Turan等团队先后證实了AR技术能够提升计算机科学、天文学、历史和地理等学科学生的学习动机。Kai等人采用了基于AR的移动学习系统，通过该系统将历史学课程中的相关知识传授给实验组的学生。实验结果表明，AR学习系统基于其技术优势，使得实验组的学生更加确定其所学的知识和自身的表现，有利于增加学生获得新知识的信心，从而提高整体学习表现和动机。
（2）学习过程
学习的第二个阶段被编码为学习过程（Learning process）。增强现实技术对学生学习过程的影响主要表现在以下四个方面：
①促进互动沟通（Facilitate communications）。AR促进高校学生学习过程中的互动，既体现在促进学习者和讲授者之间的互动，也体现在促进学习者和学习资料之间的互动。当研究参与者配备头戴式AR显示器教学时，教师可以随时观测到学生的学习状态并即时接收和反馈学生的个性化信息，这种技术为那些害怕在同学面前表达个人观点的学生提供了便捷私密的沟通渠道，研究结果表明，AR可以改善课堂的师生、生生互动[12]。在纺织工业中，许多制造工艺需要深入了解机器运动，例如针织涉及一系列动态过程，在传统教学视频中，学生经常难以理解具体的操作顺序，而AR视频鼓励学生和学习材料之间的互动。AR学习系统允许学习者通过选择学习序列设计个性化的学习过程，AR触发的多媒体资源与用户的动作相互作用，促进了学习者与学习资料的互动[16]。
②提高参与度（Raise engagement level）。通过比较AR模拟系统和传统的2D模拟系统中学生的协作学习行为，研究表明两种模拟系统中学生都表现出高频率的查询行为，AR模拟系统在调查过程中更加彻底地吸引了学生，提高了学生的学习参与度[17]。
③降低认知负担（Decrease cognitive load）。增强现实是虚拟世界和现实世界的结合体，AR可以将抽象的物象形象化，促进学生对抽象和复杂知识点的认知与理解。Turan等通过成就测试、认知负荷量表和半结构化面试等方法收集数据，研究发现AR提高了学生的成绩，并且能够有效降低学生的认知负荷水平[18]。Kü？觭ük等和Cheng同样论证了这一点。
④提升学习效率（Improve learning efficiency）。技术助力学习的目的之一是提高学习效率。Hsun等和Liou 等分别从学习者和讲授者角度论述了增强现实技术对学习效率的促进作用，Zarraonandia等提到AR技术有效地改善了师生之间的沟通，AR有助于使课程的节奏适应学生的知识水平和学习状态，只有在学习者需要时讲授者才会提供辅助理解的例子，这表明AR系统能够提高学习效率[12]。
（3）学习结果
学习的第三个阶段被编码为学习结果（Learning outcome）。增强现实技术不仅影响学习准备和学习过程，而且广泛地影响了学习结果的各个方面。AR深化学生对知识点的理解（Better understanding）、提高学习成绩（Enhance learning achievement）、增强学习满意度（Enhance learning satisfaction）;同时，AR与教育的结合有利于改善学习态度（Provide positive attitude）、提升学生逻辑思维、实验技能和自学水平等各项能力（Improve learning abilities）。
①深化知识理解（Better understanding）。AR技术具备3D映射和人机交互等优点，促进了学生对地质地貌的3D立体化的理解[19]。Chin等人的研究表明基于AR的新颖的交互式无处不在的学习系统有力地支持了学生对文化遗产相关知识的理解[20]。Lin等和Turan等分别表明AR加深了学生对物理实验和地理知识的理解。
②提高学习成绩（Enhance learning achievement）。AR對学生学习最直观的影响是学生的学习成绩，Fonseca等纷纷证实了AR技术对学生学习成绩的促进作用。对建筑学大三学生的研究表明，基于AR的可视化学习系统受到了学生的欢迎，新的方法运用到学习中提高了学生在学术课程中的参与度和动机，并提高了学生的学习成绩[14]。
③增强学习满意度（Enhance learning satisfaction）。学习满意度往往与学生的学习成绩和自我效能紧密相关，Fonseca 等不仅表明AR有助于提高学生的学习成绩，而且学生的满意度问卷的总体评估值较高，学生对学习中融入使用AR技术感到满意[14]。Yip等同样表明相较于对照组，实验组的学生在学习成绩和学习效率方面表现更好，并且他们认为基于AR的学习是令人满意的学习体验[16]。
④改善学习态度（Provide positive attitude）。学习者适应新技术的过程主要与他们的态度有关，基于技术接受模型的研究已经证明，当学习者认为新技术易于使用且有用时，他们往往表现出积极的学习态度[21]。一项跨工程科学、社会科学和艺术学科的多学科研究表明学生认为ARBOOK有助于他们的阅读，他们对AR书籍阅读活动持积极态度[22]。
⑤提升学习能力（Improve learning abilities）。AR对学习者最有意义和最深远的影响是将知识转化为能力，不同的研究证实了AR对学生逻辑思维能力、实验操作能力和自我学习能力的塑造作用。在解剖学教学中引入ARBOOK，深化了学生对肌肉组织运动的理解，提升了学生的空间理解和逻辑思维能力[11]。Ak？觭aylr 等人通过对大一学生长达五周的物理实验的考察，证明AR技术显著提高了大学生实验技能的发展[23]。Wang 等人则认为增强现实技术有助于培养学生的科学探究能力，提高他们的科学素养[17]。
通过对21篇英文文献的梳理，本文从学习准备、学习过程和学习结果三个阶段总结出增强现实技术对高校学生学习的促进作用。AR有利于深化学生对知识点的理解、改善学生学习成绩、提高学生学习能力。不过，新技术与教育的融合会有一些冲突和挑战，首先，AR技术对学生来说存在使用困难，如果没有良好的设计界面，学生在使用AR技术时可能会遇到困难[6]。其次，AR使用初期需要学习者投入更多的时间和精力。Gavish等人表明与非AR组相比，AR组学生平均需要更长的训练时间[24]。此外，全球定位系统错误导致的AR应用感知方位错误，以及触发识别中灵敏度低等可能会降低学习效率，降低学生的学习兴趣。不过，这些挑战一般出现在增强现实技术应用于中小学教育阶段的研究中，在高等教育阶段的研究中很少提及，这可能是因为随着学习层次的提高，学生接受新事物的能力提升，能够迅速适应并使用学习过程中的新技术。因此，在高等教育阶段，增强现实技术对学生学习的影响主要表现为积极影响。
四、总结与讨论
近十年间，增强现实技术在高等教育阶段的英文研究广泛分布于工程学科和人文学科，研究较多的专业包括工程科学、计算机科学、建筑学、物理、地理和历史等。研究者们多通过对比实验研究探究AR对学生学习的一个方面或多个方面的影响，绝大多数的研究结果表明AR促进了高校学生的学习。
增强现实技术对高等教育阶段学生的学习影响涵盖学习的全过程。在学习准备阶段，AR能够提升学生的学习兴趣和学习动机，促进学生对学习的渴望。在学习过程中，AR可以促进课堂互动沟通、提高学生参与度、降低学生的认知负担并提升学习的效率。在学习结果阶段，AR在深化理解知识、提高学习成绩、增强学习满意度、改善学习态度和提升学习能力等方面均有促进作用。
在大力推進“双一流”建设和教育信息化的时代，我国的高校可以借鉴国外经验，多开展增强现实技术与教育结合的探索，将AR的技术优势融入到教育大数据的分析实践中，提升学习效果。充分利用AR“虚实结合、自然交互”的技术特点，将难以理解的抽象知识通过AR具象化，促进学生对抽象概念的理解;利用AR“强交互性”的特性，锻炼学生的实践操作能力，增强学习者之间、学习者与讲授者以及学习者与学习资料的互动。此外，在教育中探索增强现实技术时，应该充分考虑学习者的技能水平和学科的特点，尽量避免AR与教育融合的初期可能出现的挑战，优化学习者的AR学习体验，真正做到技术助力学习。
本研究梳理2010年至2019年增强现实技术与高等教育结合的英文文献，分析AR在高等教育阶段的研究现状，并通过逐层编码分析AR对高校学生学习过程的三个阶段的不同影响，丰富了关于增强现实技术对高等教育学生学习具体影响的研究。不过，本研究仅梳理最近十年的英文文献，未能涵盖增强现实技术对高校所有学科学生学习的影响，这有待往后的研究进行探索和补充。
参考文献：
[1]Azuma R，Baillot Y，Behringer R，et al.Recent advances in augmented reality[J].IEEE Computer Graphics and Applications，2001，21（6）：34-47.
[2]Wu H K，Lee W Y，Chang H Y，et al.Current status， opportunities and challenges of augmented reality in education[J].Computers & Education，2013，62：41-49.
[3]Dunleavy M，Dede C，Mitchell R.Affordances and limitations of immersive participatory augmented reality simulations for teaching and learning[J].Journal of Science Education and Technology，2009，18（1）：7-22.
[4]Cuendet S，Bonnard Q， Do-Lenh S， et al. Designing augmented reality for the classroom[J].Computers & Education，2013，68：557-569.
[5]Squire K D， Jan M.Mad City Mystery：Developing scientific argumentation skills with a place-based augmented reality game on handheld computers[J]. Journal of Science Education and Technology，2007，16（1）：5-29.
[6]Yu D，Jin J S，Luo S，et al.A useful visualization technique： a literature review for augmented reality and its application，limitation & future direction[M].Boston，MA： Springer US，311-337.
[7]Munoz-Cristobal J A，Jorrin-Abellan I M，Asensio-Perez J I，et al.Supporting teacher orchestration in ubiquitous learning environments：a study in primary education[J]. IEEE Transactions on Learning Technologies，2015，8（1）：83-97.
[8]Hwang G J，Tsai C C.Research trends in mobile and ubiquitous learning： a review of publications in selected journals from 2001 to 2010[J].British Journal of Educational Technology，2011，42（4）：65-70.
[9]Carbonell C C，Bermejo L A. Augmented reality as a digital teaching environment to develop spatial thinking[J].Cartography and Geographic Information Science，2017，44（3）：259-270.
[10]Creswell J W.Educational research：planning，conducting，and evaluating quantitative and qualitative research [M]. Boston：Pearson，2012：318.
[11]Ferrer-Torregrosa J，Torralba J， Jimenez M A，et al. ARBOOK： development and assessment of a tool based on augmented reality for anatomy[J].Journal of Science Education and Technology，2015，24（1）：119-124.
[12]Zarraonandia T，Aedo I，Díaz，P，et al.An augmented lecture feedback system to support learner and teacher communication[J]. British Journal of Educational Technology，2013，44（4）：616-628.
[13]Bursztyn N，Walker A，Shelton B，et al.Increasing undergraduate interest to learn geoscience with GPS-based augmented reality field trips on students' own smart phones[J].Geological Society of America Today，2017，27（5）：4-11.
[14]Fonseca D，Martí N，Redondo E， et al.Relationship between student profile， tool use，participation，and academic performance with the use of Augmented Reality technology for visualized architecture models[J].Computers in Human Behavior，2014，31：434-445.
[15]Kai-Yi C，Ching-Sheng W，Yen-Lin C.Effects of an augmented reality-based mobile system on students' learning achievements and motivation for a liberal arts course[J].Interactive Learning Environments，2018，27（7）：927-941.
[16]Yip J，Wong S H，Yick K T，et al.Improving quality of teaching and learning in classes by using augmented reality video [J].Computers & Education，2019，128：88-101.
[17]Wang H Y，Duh B L，Li N，et al.An investigation of university students' collaborative inquiry learning behaviors in an augmented reality simulation and a traditional simulation[J].Journal of Science Education and Technology，2014，23（5）：682-691.
[18]Turan Z，Meral E，Sahin I F.The impact of mobile augmented reality in geography education：achievements， cognitive loads and views of university students[J].Journal of Geography in Higher Education，2018，42（3）：427-441.
[19]Carrera C C，Perez J L S，Cantero J D L T.Teaching with AR as a tool for relief visualization： usability and motivation study[J].International Research in Geographical and Environmental Education，2017：1-16.
[20]Chin K Y，Lee K F，Chen Y L. Using an interactive ubiquitous learning system to enhance authentic learning experiences in a cultural heritage course[J].Interactive Learning Environments，2017，26（4）：444-459.
[21]Davis F D.Perceived Usefulness，Perceived Ease of Use，and User Acceptance of Information Technology[J].MIS Quarterly，1989，13（3）：319-340.
[22]Cheng KH.Reading an augmented reality book： An exploration of learners' cognitive load，motivation，and attitudes[J].Australasian Journal of Educational Technology，2016，33（4）：53-69.
[23]Ak？觭aylr M，Ak？觭aylr G，Pektas H M，et al. Augmented reality in science laboratories： the effects of augmented reality on university students' laboratory skills and attitudes toward science laboratories[J].Computers in Human Behavior，2016，57：334-342.
[24]Gavish N，Gutierrez T，Webel S，et al. Evaluating virtual reality and augmented reality training for industrial maintenance and assembly tasks[J].Interactive Learning Environments，2013，23（6）：1-21.
（編辑：鲁利瑞）
