国外增强现实教育应用的研究进展

    赵文静 曹忠

    摘? 要：增强现实技术近年来广受关注，在教育教學领域的应用与日俱增。为了我国增强现实教学实践和应用研究的进一步开展，了解国外的最新研究进展情况显得尤为重要。研究以2010-2018年间国际权威教育技术期刊中筛选出的104篇学术论文作为研究对象，采用质性元分析的研究方法，梳理国外增强现实教育应用的理论发展和应用研究现状，进而分析增强现实体验对学习行为影响的具体表征，总结出增强现实教育应用的主要呈现方式以及系统设计评价需遵循的十个原则。研究旨在为我国增强现实教育应用研究和发展提供思路，并为增强现实学习系统的设计和开发提供理论借鉴。

    关键词：增强现实;教育应用;研究进展;质性元分析

    中图分类号：G40-057? ? ? ?文献标志码：A? ? ? ? ? 文章编号：1673-8454（2019）10-0030-06

    一、研究背景

    技术的每一次飞跃都为教与学领域带来了巨大的变革，信息网络通讯技术的进一步发展为技术促进的有意义学习提供了新的契机。增强现实（AR，Augmented Reality）作为本世纪最重要的新技术之一，是将图像、视频、音频等数字信息通过虚实信息叠加，形成三维交互式立体画面，使用户在真实环境中与数字对象进行交互的技术[1，2]。这项技术一经问世，就以其浸入式、生动性、可视化的学习体验和虚实结合、无缝交互等独特的教育特性受到了国内外教育界的广泛关注。《新媒体联盟地平线报告2016高等教育版》[3]中，AR也被列为未来五年内驱动技术规划和决策制定的中期趋势，并认为AR的响应式互动促使学习者构建更广泛的理解，进而促进学习者对底层数据的新认识，达到更深层次的认知。

    近年来，随着软硬件技术的迅速发展，增强现实教育应用研究也进行得如火如荼，成果显著。本研究采用质性元分析方法，对2010-2018年间国际权威教育技术期刊发表的增强现实教育应用研究进行梳理，针对其时间分布、杂志分布、领域与主题、研究目的、研究方法五个维度加以分析，梳理增强现实学习体验的定义和理论发展历程，分析其影响学习行为的具体表征，总结增强现实教育应用的主要呈现方式，进而在已有评价研究的基础上总结出系统设计评价需遵循的十个原则，以期为我国增强现实教育应用的研究和发展提供借鉴。

    二、研究设计

    1.研究对象与抽样

    为了搜索出较权威的研究数据，我们以（“augmented reality”）AND（educat* OR instruct* OR learn* OR teach* OR train*）作为关键词，针对国际权威的教育技术期刊《Computers & Education》《Journal of Science Education and Technology》《Computers in Human Behavior》《Educational Technology & Society》《British Journal of Educational Technology》《Journal of Computer Assisted Learning》，运用谷歌学术搜索引擎进行高级搜索，共得到2010至2018年间394篇研究论文。

    因为本文的目的是研究国外增强现实教育应用的研究进展，因此确定以下文献筛选标准：①研究涉及的AR指狭义的AR技术，因此排除广义理解的增强现实相关研究;②AR的应用范围应在K-12基础教育、高等教育和职业教育范围内;③为保证研究的科学性和准确性，研究论文全文能够从文献资源库获取;④为了保证研究的可操作性，研究的语言应为英语。因此，我们去除与本研究相关性较小的文献，并最终确立能够全文获取数据的104篇相关研究作为研究样本。

    2.分析方法与编码框架

    本文将从发表年代、杂志分布、领域与主题、研究目的、研究方法和研究结果六个维度进行分析，编码框架如下：

    （1）发表年代与杂志分布。根据发表时间和杂志分布将研究样本进行统计和编码。

    （2）领域与主题。根据教育对象的不同，本文将研究领域分为K-12基础教育、高等教育和职业教育三大领域。研究主题分为增强现实教育应用的理论研究、AR技术与课程融合的成效研究、AR教学系统的设计研究、AR学习体验的评价研究四大类。

    （3）研究目的。研究目的分为理论综述研究、AR体验影响学习行为动机研究、AR体验影响学习成效研究、AR学习系统的设计应用研究。

    （4）研究方法。常用的研究方法有文献分析法、调查问卷法、访谈法、量表与测量、内容分析、实证研究等，但在实际的研究工作中，为保证研究的准确性，往往是多种研究方法纵横交叉综合运用。因此，我们采用定性分析、定量分析、综合分析的编码框架。

    （5）研究结果。理论研究常以教学模式、教学策略、设计原则作为研究结果，而实证研究的结果较具体，含AR对学习行为动机、学生学业成就、学习者心理体验、认知负荷等的影响。因此，我们根据研究结果的不同进行分析和编码。

    3.研究数据的收集与编码

    本研究的编码工作由笔者和另一名团队成员共同完成。在数据收集完成后，经过对分析框架及编码规则进行讨论并达成一致后，两名编码员从研究样本中随机抽取了25篇论文进行背对背预编码。统计结果表明两位编码员的编码一致性为87%。

    三、研究结果与讨论

    1.发表年代

    通过统计研究发现，2010年符合抽样条件的论文只有2篇，而2018年则上升至21篇，且在九年间各杂志抽取的样本数量基本呈逐年上升趋势，如图1所示。AR技术自本世纪初出现以来，一直呈现高速发展的态势。2010至2018年，可穿戴设备的逐渐普及和三维数字图像处理等技术的快速发展为AR的教育应用奠定了有利的软硬件技术条件。

    2.杂志分布

    分别统計这九年间六份国际教育技术权威期刊发现，《Computers & Education》杂志上发表的AR教育应用相关论文数量最多，抽样总数共计51篇，约占样本总数的49.0%。其次为《British Journal of Educational Technology》和《Journal of Science Education and Technology》，分别为15篇和13篇，占样本总数的14.4%和12.5%。《Educational Technology & Society》和《Journal of Computer Assisted Learning》杂志中的样本数量相对较少，论文数量总数均为8篇，各年份和杂志抽样数量分布如表1所示。

    3.领域与主题

    根据文献样本的研究领域和研究主题进行分类发现，在104篇论文中，有6篇论文属于增强现实教育应用的理论综述研究，11篇论文主要针对AR教学系统的设计，3篇涉及到增强现实学习体验的评价，而其他的84篇论文都是属于AR教学实验及实证研究范畴。AR的应用领域涉及教育的各个阶段，包括K-12基础教育、高等教育、职业教育和继续教育阶段，其中在K-12基础教育阶段进行的教学实验和实证研究数量最多，共计51篇，占实证研究论文的81%。文献样本具体针对以下四个主题展开研究：

    （1）增强现实学习体验的理论研究

    目前，国外增强现实教育应用的理论研究主要以应用研究的综述形式展开，其中有部分研究者提出了增强现实学习体验的概念并进行描述性定义。20世纪90年代，信息技术迅猛发展，3D渲染能力和计算能力显著提高，摄影、摄像、GPS等传感器设备的精细化、资源化、集成化，都为AR的广泛扩展提供了技术支持。虽然当时并未将增强现实学习体验上升到教育技术的理论层面，但已经出现了AR教育应用的早期形式[4]。21世纪初，智能手机的问世为增强现实学习体验的早期萌芽提供了有利的技术支持。文献样本中，2012年Billinghurst和Duenser[5]首次提及增强现实学习体验（ARLEs，The AR Learning Experiences），但并未针对此概念作详细的理论阐述，而是较全面地介绍了这个新领域，并回顾了早期的工作，提供了一个早期的特征分类和教育效益分析。一年后，Wu等人[6]运用更系统的方法将基于AR的教学方法分为基于“角色”的AR、基于“位置”的AR和基于“任务”的AR。Bower等人[7]列举了AR支持或增强的多种教学法，并推测AR学习作为一个发展中的新领域，将会为教育领域提供更多的协助和支持，同时也提出这个领域也需要得到更好的研究和发展。在Sheehy等人[8]的研究中，发现基于AR的学习领域是很有可塑性的，并根据其自主研发的功能框架分析了具体的方法是否能够支持、扩展或改变学习。增强现实学习体验（ARLEs）这一概念是由Marc Ericson C. Santos等于2014年在论文中正式提出的，他们认为凡是由AR技术促进的学习体验都可认为是增强现实学习体验，文章提供了全面的综述，针对ARLEs对学生表现的影响进行元分析，同时也提供了基于AR技术的内容创建和评价方面的分类[9]。2017年，Neven Drljevic等在文章中再次描述性地阐释了ARLEs的定义，认为ARLEs通过将虚拟信息与真实的物理世界叠加，给学习者创造了身临其境的学习体验，并将ARLEs定位于技术促进学习（TEL，Technology Enhanced Learning）的研究范畴，认为它是此领域迅速发展和成熟的研究分支[10]。

    综合分析这些理论研究发现，文献样本中的理论研究样本偏少，且多以综述形式梳理AR目前的教育应用现状，其相关概念界定和研究范畴分界多以具体语言描述为主，鲜有严格意义上的概念解析、理论框架分析以及从相关学科的理论基础出发的研究出现。

    （2）AR技术与课程融合的成效研究

    目前已有的AR教育应用相关研究多属此类，选择某一具体学科，设计开发出基于AR的系统或工具，然后通过实证研究对系统的可用性和实际效果进行验证。例如，哈佛大学将AR应用到环境科学户外实践教学中，并进行实证研究发现，AR的应用对教学活动有多重意义，技术提供了“以学生为中心”的教学策略，使互助学习、协作学习及教师一对一的指导变得容易[11]。台湾科技大学和新加坡国立大学的教师设计并使用移动协作AR仿真系统协助学生进行大学物理的“弹性碰撞”实验，研究发现：AR组学生通过从不同角度观察3D模型，实验过程的可视化为学习者在体验真实情境时提供相关参考信息[12]。西班牙马德里卡洛斯三世大学和委内瑞拉西蒙玻利瓦尔大学的教师设计并实现AR教学系统，并评估在电磁学实验教学中 AR对学生学习成绩及学习动机的影响[13]。

    综合分析这些教学实践案例发现，AR对学习的影响表现在学习情境、抽象概念、学习资源、教学内容、交互方式、思维方式和认知负荷七个方面，如表2所示。

    ①学习情境可视化：向学习者提供与现实世界良好契合的模拟情境，使学习者能够在可视化、身临其境中思考问题解决的方法。

    ②抽象概念具体化：能够将时间、空间等抽象的概念具体化，阐释现实世界和虚拟世界之间的关系，并在现实物体上进行文本或符号注释，有助于学习者的深层理解，化繁为简，进而解决一些相对复杂的问题。

    ③学习资源丰富化：用多媒体信息代替文字表述，使学习资源更加丰富。双向的知识建构有利于学习者对知识的理解和应用，有助于发挥学习者的主观能动性，进而优化教学。

    ④教学内容生动化：用多媒体技术来辅助教学，以逼真、生动的画面，动听悦耳的音响来创造教学的文体化情景，使抽象的教学内容生动化、清晰化，提高学习者的学习兴趣。

    ⑤交互方式协作化：较传统教学更加注重交互，形成了真實世界与虚拟世界、学习者与AR系统的人机交互以及学习者与学习者之间的三重交互方式，使互助学习、协作学习和教师一对一的指导变得更加容易。

    ⑥思维方式高阶化：将模拟情境和现实环境相结合，使学习者在学习和实验过程中不断与现实结合对照，进行判断、思考和反思，进而促进高阶认知的建构和批判性思维的形成。

    ⑦认知负荷最优化：使枯燥、单调、抽象的学习内容具体化、生动化，给学习者带来强烈的好奇心和浓厚的学习兴趣，减少认知负荷，使他们很轻松地获得流畅体验和学习成就感。

    同时，通过对84篇实证研究论文进行综合分析，我们发现AR为学习者提供与现实融合的浸入式、生动性、可视化的学习体验，有助于学习者的抽象内容理解、虚拟世界可控、情感流畅与归属感的获得。同时也显现出一些目前仍存在的问题：优质AR教育资源稀缺、AR定位精度与边界不清晰，AR教育应用研究还处于简单呈现、交互不深入的初级阶段，技术与教育教学仍停留在简单的线性叠加，还未实现有效的融合。

    （3）AR教学系统的设计研究

    文献样本中，11篇论文属于AR教学系统开发范畴。根据资源呈现形式的不同，将目前常见的ARLEs分为以下三类：增强书籍、基于注释的ARLEs和基于位置的ARLEs。

    ①增强书籍。增强书籍是ARLEs最主要的资源组织形式。将虚拟信息通过AR标记叠加在普通书籍的页面上，通过AR视觉追踪提供理想的图像，为学习者提供了广阔的视角。在人们熟悉的纸质页面上，弹出数字窗口，形象生动的3D模型就会从书页上升起，在某些情况下还可以支持简单的交互。在现实世界使用这种书籍，使书籍显得很神奇，给学习者魔幻的感觉。学习者对于那些自然互动方式的书籍已经习以为常，而对于这种魔幻书籍则充满了好奇心，甚至年幼的孩子都知道如何打开和阅读书籍。目前，已出现一种商业的AR书籍创作工具Zooburst[14]能够用来创作属于学习者的个性化的增强书籍。

    ②基于注释的ARLEs。基于注释的ARLEs是将虚拟注释信息叠加到现实世界中的一个特定对象上，帮助学习者全方位、多角度地观察和学习。Rahman等人[15]开发了一种创建AR注释的工具，教师在摄像机前呈现学习对象，并使用注释工具在实时视频的帮助下对其加以注释。同时，他们还使用图像设备来捕捉彩色图像和相应的深度信息。如果他们使用“多边形注释方案”，教师可以在屏幕上画出一个多边形，学习者便可以看到他们想要用信息标注的对象。在文献[16]中，Simeone和Iaconesi设计了Minkisi系统，组织者通过桌面系统和Minkisi在真实的雕塑上标注虚拟信息，教师和学生便可调用相应的在线注释信息，帮助他们识别雕塑艺术品的各个部分。同时，参观者也通过欣赏艺术作品并根据精确度和实用性来进行作品评估。

    ③基于位置的ARLEs。基于位置的ARLEs是另一种表现形式，使用配备射频识别标签读取器和GPS定位的手持设备，为现实世界中的物体提供有关的辅助信息。这种增强方式通常用在为建筑物或艺术品提供基于位置的相关辅助信息，将虚拟信息直接整合到目标现实世界中，为学习者提供有效的展示。Klopfer和Sheldon[17]开发了AR游戏构建器，允许用户在特定的位置创造教育移动游戏。系统提供预定义的地图和GPS坐标，以便用户添加相关的虚拟信息，例如某地的特征描述等。同时，允许改变地理位置，用户也能够根据自己的需求二次开发，创造属于他们自己的游戏。

    （4）AR学习系统的评价研究

    分析样本发现，对于AR学习系统的评价还仅仅处于起步阶段，只有3篇论文涉及到了AR教学系统设计的设计原则和评价规范。例如，Neven等[18]分别从学习者和教师的角度提出ARLEs的设计原则;Matt Dunleavy[19]则从文献分析的角度提出ARLEs设计需遵循的原则。我们将这些原则和规范进行分析并整合，得到ARLEs设计的十个原则。

    ①真实科学原则。ARLEs呈现给学习者的学习过程和学习资源应以真实的物质世界为基础，设计的问题应是有意义的学习内容，且有助于引导学习者深入思考，进而解决实际的复杂问题。

    ②主动参与原则。学习者能够主动参与活动，通过ARLEs观察现象和结果。同时，学习者是有意识地主动自发的个体，有能力去追求学习目标并能够适时调整学习方法。

    ③探究学习原则。设计ARLEs内容时，注重探究学习的设计，使学习者能够通过探究和反思的过程来构建关于主题的想法，使学习的过程成为非线性的状态。学习者能在探究学习的过程中形成开放性的思维模式，进而达到高阶学习目标。

    ④协作学习原则。Weiberger和Fischer的协作知识建构理论[20]强调在学习共同体内进行知识建构，认为知识是教师与共同体内其他成员相互作用的建构过程，不能独立于个人所处的社会文化情境而存在，教师与共同体内其他成员具有共同的学习目的，并通过协作、交流而共享成果。因此，设计ARLEs时应考虑促进学习者之间的交互学习，使学习者之间的信息沟通渠道畅通。学习活动应专注于互动，以学习共同体成员之间进行合作互动的方式来促进学习。

    ⑤持续沉浸原则。AR的沉浸感使学习者身临其境地学习，但常常无法使学习者能持续保持这种沉浸感。因此，设计ARLEs时须考虑学习者的注意力因素，如何使他们能持续保持在稳定的水平，这是设计者需要考虑的问题。

    ⑥整合原则。将教学环境整合成工作流的策略将有效地降低教师的工作负荷，在AR学习环境中，教学数据和资源能够在学习共同体内流畅地传递，将有效降低教师的工作负荷。

    ⑦授权原则。ARLEs设计时，若能使教师处于主导地位，将降低教师的工作负荷，即教师能够有效地主导技术支持的教学活动。

    ⑧意识原则。对学生的情况有较全面的了解將会有效降低教师的工作负荷，即AR支持的学习情境应考虑呈现学习者的认知水平，并能实时追踪学习者的认知过程和认知水平。

    ⑨灵活原则。ARLEs的设计应足够灵活，以应对学习者、学习资源及周围环境发生的临时变动，并做出适时调整和变化。

    ⑩精简原则。ARLEs学习情景的设计应去繁就简，在呈现功能和界面的前提下尽量精简，以减少使用者的视觉疲劳和认知负担。

    4.研究目的

    分析104个文献样本的研究目的发现，增强现实教育应用研究的目的主要集中在以下几个方面：一是梳理应用研究现状;二是分析ARLEs对学习行为动机的影响;三是分析ARLEs对学习者学业成就的影响;四是注重ARLEs系统的设计。因为文献样本中实证研究样本占多数，设计AR学习系统并运用到教学实践中进行实证研究，较多的论文通过ARCS动机模型测量ARLEs对学习行为动机在注意力、相关性、自信心和满意度方面的表现。

    5.研究方法

    针对不同的研究目的，研究采用不同的研究方法，主要分为定性分析、定量分析和综合分析三类，具体数据收集方法有文献分析法、调查问卷法、访谈法、内容分析法、文本分析法和网络行为分析法等。理论研究样本多采用文献分析法，而实证研究则多以综合运用定性分析和定量分析方法，采用调查问卷和访谈法收集学习者和教师对于ARLEs的看法和意见，然后用计算效应值的测量方法来收集ARLEs对学习者学习行为动机和学习成效的影响，并计算其认知负荷，同时多采用t检验等统计方法测量控制组和实验组的差异。学习者行为动机调查问卷则多采用科勒的ARCS动机模型进行设计。具体数据分布见表3、表4。

    6.研究结果

    104篇论文中，理论研究的结果多以教学模式、教学策略和教学原则的形式存在，提出ARLEs的设计原则，梳理AR在教育领域的应用趋势以及构建基于AR的教学模式等。实证研究占多数，研究结果多是介绍自主设计的AR学习系统，并进行教学实验，测量对学习者学习行为动机、学业成就、认知负荷和心理体验的影响，具体数据分布如表5。

    四、结束语

    本文分析国外增强现实教育应用的研究现状，通过对2010至2018年九年间国际权威教育技术期刊中的104篇学术论文在发表时间、杂志分布、领域与主题、研究目的、研究方法和研究结果六个维度的详细分析发现，增强现实教育应用的研究数量呈逐年上升趋势，在《Computers & Education》杂志发表的相关研究数量最多;同时，随着研究的深入，ARLEs与K-12阶段各学科的融合及实证研究已成为研究的重点，人们更加重视AR对学习者学习动机、学习参与度及学习效果的影响。多数的研究发现，ARLEs对学习者的学习动机、学习参与度及学习效果影响显著，能够为学习者提供与现实融合的浸入式、生动性、可视化的学习体验，且有助于学习者的抽象内容理解、虚拟世界可控、情感流畅与归属感的获得。同时，部分研究也显现出一些问题，如AR学习体验的理论定位与研究边界不清晰;缺乏有针对性的AR设计理论和规范，以致于优质AR教育资源稀缺，AR教育应用研究还处于简单呈现、交互不深入的初级阶段，技术与教育教学仍停留在简单的线性叠加，还未实现有效的融合等问题。因此，如何加强AR与教育教学的深度融合，进而将技术促进有意义学习的效用最大化，将是教育研究工作者目前亟需考虑优化的问题。

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