正式教育中增強現實應用現狀研究

許夢幻　李小平

摘 要：增強現實技術能幫助學習者在更貼近真實世界的豐富情境中學習知識，被新媒體聯盟地平線報告認為是在教育中極具潛力的一種技術。在此背景下，了解增強現實技術在教育中已有的應用來推進其發展具有重要意義。文章以了解正規教育中增強現實應用為主題，采用Arksey和OMalley的五個階段框架，在Web of Science中檢索主題為“augmented reality and education”2016年至今的SSCI文獻，選擇其中31個在正式教育中應用增強現實技術的案例進行分析。研究結果顯示，正式教育中增強現實應用主要是以“移動設備+APP”的形式，教學實驗對象以大學本科生及小學生為主，教學科目以理工科和語言教學為主，同時研究顯示增強現實在正式教學中表現出巨大的潛力，有效提高了學習者的學習態度、動機、滿意度、學習成果等。但是增強現實在教育中的應用仍處于初期階段，還存在許多待解決的問題。

關鍵詞：增強現實；正式教育；研究綜述；高等教育

中圖分類號：G431 文獻標志碼：A 文章編號：1673-8454（2018）04-0072-09

一、引言

增強現實（Augmented reality，以下簡稱AR）是虛擬現實（Virtual reality，以下簡稱VR）的延伸，通過用戶和三維環境間的模擬技術，讓用戶能夠體驗半真實的環境。隨著AR技術不斷發展，它逐漸顯現出優于VR技術的優勢。社交媒體研究網站Social Media Today[41]近日分享了關于VR目前的發展狀況與未來五年內的市場預期、未來營銷趨勢等，但作者提到VR較差的現實交互性，并認為AR才是未來市場營銷的主要方向。AR技術仍在不斷的發展，科技的革命也將一直進行著，從長遠來看，它能夠帶給人們更多的互動體驗，而非虛擬世界與現實世界的隔離，是未來的發展趨勢。

在教學過程中，針對不同的學習領域和教學內容，教師會選擇不同的教學方式和不同形式的媒體，從非互動書籍到高度互動的可以引起各種感官互動的媒體，希望通過動態的內容傳遞方式提高教學效果。AR作為新興技術不僅動態地補充了教學概念，而且整合了多種感官形式，如觸覺、視覺、聽覺。除了在感知上的補充功能，大量的研究揭示了在正式教育中使用AR的潛在益處，如提高學生的學習興趣、學習動機、參與度和學習成績等。

2017新媒體聯盟地平線報告中國高等教育技術展望認為在2-3年內AR和VR會在高等教育中得到廣泛使用[42]，了解AR及在教學過程中如何應用、以及應用效果等具有重要意義。本文我們旨在研究AR在正式教育中的應用現狀，引用Hsiao[43]等人的觀點，我們對正式學習（formal education）的概念界定為有計劃有結構的方式下進行的學習，非正式學習（informal education）是日常生活中或業余活動中的學習。

二、研究背景

1.AR定義

近年來，AR技術取得了巨大突破，逐漸從理論框架研究轉變到實際應用，并因其廣泛使用受到越來越多的關注。AR技術的使用不再局限于某一個特定領域，這種技術在現代生活中很多方面都非常有用。對于AR的定義，不同學者給出了不同的回答。P.Milgram等人在1994年定義AR為“一個用戶可以實時看到虛擬和真實世界物體結合的情境”。Azuma等人[43][44][45]認為AR系統有3種特性：真實和虛擬對象的整合，實時交互性，虛擬和真實對象的3D 配準。Chen[51]描述AR為將3D虛擬對象和外部世界整合，允許用戶實時和這些真實與虛擬對象交互的技術。廣義上AR指能夠將計算機生成的對象，如文檔、圖片、視頻和3D對象投射到用戶對真實世界的感知上的技術。

根據使用的技術，AR被分為基于標記的和無標記的[44]兩類。在基于標記的AR應用中，計算機通過標記和攝像機感知符號圖形，將虛擬信息呈現給用戶。在無標記應用中，例如在基于位置的AR應用中，通過GPS定位技術收集用戶的位置，在該地理位置上向用戶提供與內容相關的虛擬數據。

AR與VR通常同時談論，因為AR被認為是VR的一種或擴展。兩個系統的共同特點如交互性、沉浸性、信息感知[45]以及允許導航[46][47]。但是VR技術是完全將一個用戶沉浸到一個復合環境中，在VR世界中，用戶不能看到他們周圍的真實環境，而AR技術使得用戶能夠看到疊加了虛擬信息的真實世界。AR與VR最大的不同在于VR技術使體驗者完全沉浸在虛擬世界中，因而大多配合智能硬件來實現，而AR則是將一些虛擬的元素添加到現實環境中，以增強虛擬元素的真實感。

2.AR應用于教育的潛力

不同的AR設備特點各有不同，在此我們僅討論AR學習體驗對教育的影響，對比AR和非AR設備對學習者的影響。目前已有的關于在正式教育中使用AR應用的研究表明，這種應用對學習者的態度有著積極的影響。

AR能夠提高學習者的學習動機，“增強學習動機”，“增強積極態度”，“提高滿意度”。Liarokapis等人研究發現AR可以通過增強情境交互來使得高等教育中一些復雜的理論和系統易于理解[45]。同時大量的研究表明，在某些內容的教學中，使用AR比其它媒體如書本、視頻或計算機更有效：①學習空間結構和功能。29%的對比研究發現學習者使用AR學習空間域效果很好[46]，如地理構造、化學結構、天文、人類器官構造等。②學習語言、理解語義。2012年，保加利亞對26名小學兒童進行實證研究通過AR技術學習語言的兒童是否比通過常規手段學習語言的兒童學得更好[47]。 研究結果表明，AR技術有助于促進詞匯學習，并且兒童使用AR進行學習滿意度比較高。③學習動作技能：如維修等工作，這些技能類用AR教學學習更快，錯誤率更低[48]。

雖然技能上的成就和學習動機被認為是開發教學工具的重要原因，但是教育工作者也應該考慮如何將AR與正式教育中的教學策略或教學方法相結合。研究表明，在正式教育中教育工作者可以將AR與各種教學方法相結合，如情境學習、探究式學習和基于游戲的學習。基于以上現狀，我們希望通過分析已有研究，對AR在正式教育中的應用現狀進行了解，旨在為后期對AR用于教學提供借鑒。endprint

三、研究方法和過程

本研究綜述采用了Arksey和OMalley[49]的五階段框架理論：①確定研究問題，②確定研究范圍，③選擇研究內容，④繪制數據表，⑤總結和報告結果。

1.確定研究問題

我們的研究主題是了解增強現實技術目前在正式教育中的應用現狀，包括使用對象、教學內容、教學效果等，為了保證文獻選擇與研究主題相關，我們提出了以下幾個問題作為本次研究的導向：

（1）這些研究使用了哪些形式的AR產品？

（2）實驗對象分布情況。

（3）這些研究將AR產品應用到了哪些學科（內容）中？

（4）使用AR產品教學效果如何？

2.確定相關研究

我們在Web of Science數據庫中進行SSCI來源文獻檢索，檢索公式為“TS=（augmented reality AND education）”，語言選擇英文，文獻類型選擇為“article”，檢索時間為2016年至2017年5月7日。文獻選擇的條件：文獻研究目的是正規教學，如學校課堂教育、有計劃的正規專業技能培訓等；教學中可能采用了多種媒體技術，但是增強現實是主要技術；文獻研究重點是增強現實，而不是虛擬現實、情景感知等。

互聯網巨頭們的進駐以及用戶對VR體驗的渴望，正在推動VR產業進入高速發展期，2016年被稱為VR產業啟動元年，同時也被媒體認為是虛擬現實和增強現實可以以各種電子設備如智能手機的方式進入家家戶戶的一年[34]。在2016年涌現出大量虛擬現實和增強現實產品和公司，隨著這些產品在社會各領域的使用，研究者們越來越多地認識到增強現實和虛擬現實技術在教育中應用的潛力，也不斷開始通過實驗以驗證其可行性。因此我們選擇2016年為論文檢索的時間節點。

3.研究選擇

根據上述的檢索內容和條件，在Web of Science數據庫中檢索得到56篇文獻。通過閱讀題目和摘要，剔除了與研究主題關系不密切的文獻共14篇。我們研究主題是增強現實在正式教育中的應用，而這些文獻的關注點放在虛擬現實、情境感知上，或者是非正式教育。在留下的42篇文獻中，有一篇文獻無法獲取全文，因此也將它剔除了，最后我們保留的文獻一共是41篇。在對這41篇文獻進行閱讀分析后，對文獻進行了分類，其中31篇文獻[1-30，50]是將AR應用到了教育中，而剩下的10篇文獻[31-40]是關于AR產品設計、AR理論研究以及AR文獻綜述。因為我們的研究主要是想了解目前AR在正式教育中的應用現狀，因此下文的表格中只包含了這其中31篇在正式教育中應用了AR的研究。

4.繪制數據表

篩選出來的31篇文獻，針對作者、使用的AR產品、實驗對象、教學內容、實驗過程、實驗效果見表1。

5.分析和總結

這31個實驗研究中，8項研究在臺灣地區進行，8項在西班牙，5項在土耳其，4項在美國，2項在墨西哥，1項在科威特，1項在澳大利亞，1項在加拿大。 除此之外還有分別來自德國、墨西哥和西班牙的三項研究針對解剖學、數學、地理設計了增強現實應用，但未投入應用。這一部分，我們將根據之前提出的問題，對這些篩選出來的研究進行分析。

（1）使用了哪些形式的AR產品？

移動硬件和軟件的發展使得移動增強現實早已成為了可能。在這31篇論文中，大多數的研究者將AR引入到教學中都是基于移動設備的，主要是平板電腦和移動手機，也有部分使用筆記本電腦。研究者們或是引用已有的增強現實應用程序和平臺，或是自己根據特定教學內容設計了應用程序、系統和內容。其中只有兩個研究使用了AR頭戴式設備，一個研究使用了固定設備，還有一個研究使用投影儀。但是這四個研究存在一個共同的特點就是實驗樣本較少，均不足25人，可能的原因是實驗成本比較高?，F在大多數的學習者都擁有至少一件移動設備，欲將增強現實大范圍投入到教育使用中，移動設備+應用程序的方式是最能讓學習者接受，同時也是最便捷的。學習者只需要下載老師所說的應用程序，就可以進行基于增強現實的學習。

（2）實驗對象分布情況

從圖1可知研究實驗參與者中大學本科生所占比例最高，為45%，其次是小學生，占29%。大多數研究選擇了大學本科生來進行實驗，一個原因應該是考慮到AR產品相對復雜，而具備一定信息素養的大學階段學習者使用起來就會比較容易，不需要老師花費過多時間介紹和教授。同時大學階段的學習是分專業的，學習內容更具針對性和實用性，學習者除了理解知識更需要掌握實際操作技能，而增強現實為此提供了條件。如解剖專業的學生可以通過AR形象理解每一個人體器官和構造，醫療護理專業學生可以通過AR學習實操技能等。同時，本科階段的學生相對低年級學生有較強的控制能力和自主學習能力，不易因新技術而轉移注意力。

另一方面，根據皮亞杰的認知發展理論，早期階段的青少年（約6-12歲）處于具體運算階段，他們必須看到、聽到或以其他方式使用其感官來學習。而小學階段的學習者正處于具體運算階段，AR強大的可視化特征對這個階段學生的學習起著重要作用。這可能解釋了為什么小學生是優選的實驗對象。另一個可能的原因是許多孩子花費大量時間玩數字游戲，因此，研究人員可能會發現AR游戲非常適合吸引青少年學習。

（3）AR產品應用到了哪些學科（內容）中？

從圖2可以看到這31篇文獻研究涉及的學科范圍較廣，內容多樣，經過分析，我們將所有涉及的學科最終歸為15類。研究最集中的是語言和自然科學知識的學習。其中關于語言教學的五篇文獻中，有四篇是英語單詞教學，一篇是梅奧語（墨西哥北部一種語言）教學。

通過這31篇文獻可以發現，目前增強現實在理工科類學科上的應用明顯多于文科類的學科，并且其中關于語言學習的五項研究也僅是針對初級單詞的認詞教學。可能的原因是理工科的知識和概念易于用虛擬模型直觀表達，并且理工科知識中存在更多生活中無法實質觀察到的內容，如元素結構、物體運動、數學模型等。而文科中很多知識是生活中可以實際感受到的，同時那些無法感受的知識又過于抽象，如詩詞歌賦、藝術思維等，不易通過虛擬模型進行表達或還原，教學內容不易設計。增強現實技術相對于傳統多媒體教學的優勢是將教學從二維平面轉換到了三維空間，目前在學校應用中仍處于初級階段，研究者們首先會選擇易于設計的教學內容進行實驗以驗證其教學效果。endprint

（4）使用AR產品教學效果如何？

這些研究將AR應用到教學中均產生了較好的效果，大多數研究結果都顯示學習者的學習興趣、動機、注意力、參與度得到了提升，與使用傳統教學方式的學習者相比，AR學習者的學習結果更好，對知識的理解更充分。除此之外，研究（4）（5）（11）（19）顯示學習者的圖形閱讀能力和空間技能得到了提升；研究（7）（28）顯示學習者使用AR學習認知負荷和學習焦慮低于傳統學習者；研究（25）（12）（29）（30）顯示學習者使用AR學習知識的記憶得到了提高，有助于知識儲備；研究（8）顯示AR對于減少學習者的學習拖延現象也有一定作用。

然而，在研究過程中也顯現出了一些問題，由于這些研究大多使用的是移動設備加AR軟件，因此技術上的問題主要是網絡不通暢和初期的使用困難。如研究（1）顯示AR軟件雖然提高了學習者的態度和參與度，但是卻并沒有較高的認知成就。研究（2）顯示部分學習者發現使用AR軟件可以提供學習材料，導致他們在課外不進行實驗操作。

四、總結與討論

本文通過文獻分析對正式教育中增強現實應用現狀進行了研究，主要圍繞著以下幾個問題展開了討論：①這些研究使用了哪些形式的AR產品；②實驗對象分布情況；③這些研究將AR產品應用到了哪些學科（內容）中；④使用AR產品教學效果如何？研究結果顯示這些研究主要采用移動設備+AR軟件的形式，實驗對象以大學本科生和小學生為主，選擇科目主要為理工科課程及語言類課程。AR呈現出一定的教學優勢，但同時仍然存在一些問題。

通過以上研究，我們對AR用于教學持有積極的態度，但是學校想要使用AR得到好的教學效果，仍需要不斷探索與完善。如提供良好的無線上網條件，培養學習者的信息技術能力等。同時，我們發現這些已有的AR應用研究實驗大多數是在一天之內或者在一節課中完成的，即學習者只是短暫地使用了AR產品，只有少數幾個實驗采用具體的教學方法，進行了長期的實驗。這也表明AR仍然只是一個正在初步投入教學使用的新技術，走入課堂還有很長的路要走。

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（編輯：魯利瑞）endprint