基于AR技術的增強體驗學習活動的設計

黃 婕

（長沙航空職業技術學院，湖南 長沙 410014）

隨著信息化和智能化等新興技術的發展，使得增強體驗的學習活動在實踐性教學環境中應用更具條件，在新媒體環境中，利用AR（Augmented Reality增強現實）技術進行“先行后知”的增強體驗的學習活動，讓抽象的學習更豐富，學習形式更加優化。AR技術的虛擬空間與真實空間的有效結合，豐富的數字化教學資源和工具讓學習者對抽象知識的認知過程降低了負荷，也開拓了自主學習的空間。因此，如何利用AR技術進行增強體驗的學習活動的設計是值得分析研究的問題。

1 增強體驗學習的概述

“體驗”從概念定義上說，是有意識成為一種情境或狀態的主體；有意識被某個事件影響，強調體驗的主動性和主體性。增強體驗的學習應以學習者為主體，通過實踐觀察來認識事物，互動反思后獲取知識、技能以及情感態度的一種學習方式[1]。增強體驗的學習是多個事件的組合，有學習的明確目標[2]。

從內涵上說，增強體驗學習的內涵從杜威的“直接經驗+反思”的內涵，經人本主義的影響后轉向了“直接經驗+情感體驗”的內涵[3]。此內涵符合增強體驗學習的定義特征，應該按照此原則開展增強體驗學習實踐。

傳統的增強體驗的學習形式包括實地參觀、訪問、情景演練、實驗等方式，教師從實際出發，基于豐富的情景背景，把抽象難懂的知識和價值、情感轉變為可以感知體驗的生活事實，借助圖片、文字、音頻、視頻等信息化多媒體手段給學習者創設可感知的體驗情境，讓學習者進行知識的探究實踐活動[3]。而隨著增強現實技術、虛擬技術和感知技術的興起，增強體驗的學習被賦予了一種新的內涵，即虛擬化。學習者在增強現實技術創造的真實場景和虛擬對象的學習情境下，通過虛實融合的混合情境體驗，經歷類似親身體驗的直接感受，對抽象知識進行了增強感知，這樣的增強體驗的學習既突破了傳統教學的限制，又擺脫了物理環境的制約。

將人機交互技術、現實技術及跟蹤技等技術融合的增強現實系統，目的是實現虛擬對象和真實世界的無縫連接，此系統需獲取物理位置和當前物理環境的信息，通過系統計算中心運算后能將虛擬對象在真實世界精彩呈現。整個增強現實系統的實現過程大致需要四個步驟，如圖1所示。

圖1 增強現實系統步驟

于20世紀60年代開始的增強現實技術，首次利用頭盔式顯示器進行虛擬現實，作為增強現實設備的使用，此系統通過通過跟蹤人的頭部信息來更新現實的內容，讓使用者有身臨其境的感覺，這便是最早的AR系統[4]。隨著信息技術、網絡技術的發展，增強現實技術在教育等各個領域普及發展，尤其是移動終端給增強現實提供了全新的硬件平臺，一種基于移動設備的增強現實技術即移動增強現實（Mobile Augmented Reality，簡稱MAR）應運而生。該技術則是利用Pad平板電腦或者智能手機，通過APP應用程序和智能設備上的攝像頭獲取物理信息數據，再疊加虛擬信息已達到增強現實感知的作用。

2 增強體驗的學習活動設計

學習過程實際上是知識內化的過程，學習活動的設計尤其重要。增強體驗的學習活動利用增強現實這種新型媒體技術，給增強體驗的學習活動給予了有效的支持，有利于增強體驗的學習活動的設計。

2.1 增強體驗學習的特點

2.1.1 情境特征

增強體驗的學習是利用具體情境獲得的經驗，因此這種經驗的是種直接經驗具有情境特征，學習者利用虛擬融合真實環境的實踐活動達到知識的內化。增強體驗的學習情境可以依賴真實環境，也可以依賴虛擬環境，但在虛擬環境中開展的增強體驗的學習必須和現實世界有關聯[5]，有意義的學習情境有利于增強體驗的學習和探究，因此，在設計增強體驗的學生活動時首先必須遵循情境特征的原則，是增強體驗學習的基礎。

2.1.2 親歷特征

體驗過程是自身行為，是學習者在情境中親身體驗感悟而獲得的經驗，無法傳達和替代的，因此，增強體驗的學習具有親歷特征。這種親歷特征包括兩個方面的體驗，一方面是實踐層面的親歷，學習者在真實環境中直接親身體驗；另一方面的心理層面的親歷，學習者在創設的虛擬情境中親歷，達到類似真實環境的身體感知，在心理層面完成親歷直觀感知。

2.1.3 反思特征

反思特性是增強體驗學習中必不可少的特征，學習者只有通過對直接經驗總結、分析、概括、提煉等系列反思后，才能將實踐知識內化轉換，將實踐經驗的儲備并強化。整個學習過程應當在不斷反思中吸取經驗，才能明確收獲，促進新知識、新技能的積累。

2.1.4 個體特征

增強體驗的學習是自我意識的一個行為活動，通過學習者在情境環境下進行實踐感知、認知結構、認知背景等，但個體在進行自主行為感知時會產生個體差異，在同樣環境、情境下個體感知認同都不同，這與主體的心理、經驗相關，個體的差異特征直接學習行為感知的差異。

2.1.5 探究特征

學習者對知識的理解是基于個體探究、感知體驗為基礎的，而不是直接接受的。增強體驗的學習是在一定的情景環境下與對象發生交互活動，再通過反思活動將知識抽象概括再轉化，因此，增強體驗的學習具備探究特征。而設計好情景和學習活動，使得增強體驗的學習活動能更好的激發學習者主動探究學習，積極調動學習者的積極性，幫助學習者能較好的完成知識經驗的構建。

2.2 增強體驗學習過程

增強體驗的學習是學習者利用身體感知的體驗活動來獲得知識、技能，且采取一種連續、多階段的方式：一階段指出增強體驗的學習需要在具體情境中通過體驗獲取實踐經驗，完成學習；二階段學習者需要完成體驗和反思，循環反復。杜威理論指出，增強體驗的學習需要完成體驗、反思后制定出明確的學習計劃和目標，達到增強的體驗。

庫伯在杜威理論的基礎上，提出增強體驗的學習模型分四個階段，分別是具體感知體驗、反復觀察思考、抽象提升概括、實際行動應用。四個階段是循環體驗的過程，可以從任意一個階段開始體驗，沒有固定模式的開始和結束[6]。增強體驗的學習是學習者一般從具體感知體驗環節開始，在特定情境中感知體驗，觀察分析體驗的影響和結果，反復思考總結經驗，找到適用于這一情境的原則規范，且用這一原則規范指導并解決實際問題。

圖2 增強體驗學習模型

圖2為增強體驗學習模型示意圖。此模型中包含內涵換行和外延轉換兩種含義轉換方式，內涵轉換對應反復思考觀察階段，學習者對于具體結果反復觀察感知；而外延轉換對應實際行動應用，學習者通過對實踐知識的領悟，將抽象概括出的原則規范進行實際應用擴展。這兩種含義轉換方式中，內涵轉換形成的原則規范需要外延轉換來檢驗核實，外延轉換是內涵轉換的拓展、是后續環節。這種感知、體驗、總結、核實、拓展的方式，使得增強體驗的學習能產生知識遷移，并完成學習后的應用，達到學以致用。

2.3 增強體驗學習活動設計模型

基于庫伯的增強體驗的學習模型，提出了一種增強體驗的學習活動的設計模型，按照此模型設計增強體驗的學習活動，如圖3所示。

圖3 增強體驗學習活動設計模型

2.3.1 學習主體

活動的直接執行者就是活動系統中的行為主體，學習主體即行為主體就是學習者。在做增強體驗學習活動設計時，需要考慮學習者的年齡、學習動機、認知成熟度、學習經歷等，還需要考慮學習者是否掌握了學習所需的知識、技能基礎，以便設計好活動模型各個環節。

2.3.2 學習客體

學習客體是指學習主體以為的客觀事物，它能被主體通過一定的行為改變和影響，且通過轉變成為整個活動系統的結果，學習客體是學習活動的學習目標、導向。學習目標描述了學習者在完成任務后需要達到的認知、技能進和情感上的變化，在做增強體驗學習活動的設計之前要分析學習目標，以指導學習活動的設計。

2.3.3 學習資源

增強體驗的學習活動中學習資源是必不可少的，學習者在學習資源的前提下展開增強體驗。在進行增強體驗學習活動設計時，學習資源能隨時隨地讓學習者獲取，能無障礙的使用。

2.3.4 學習情境

學習情境分為真實情境和虛擬情境兩種，Marcus Specht的AICHE模型[7]給出學習情境的設置需要從標志、位置、時間、環境和關系等五個方面描述。在進行增強體驗的學習活動設計學習情境時，必須設計有意義的學習情境，能讓學習者在學習情境中觀察思考，在學習情境中增強體驗，在原有經驗上歸納整理進行知識的內化，這才是有助于增強感知學習活動的學習情境的設計。

3 增強現實特性分析

增強現實（Augmented Reality簡稱AR）技術是在虛擬技術、顯示技術、計算機視覺技術等技術上發展而來的，具備這些技術的可高度擴展性和沉浸性，能給用戶帶來更好的感知體驗，具有實時交互、虛實結合等特點[8]。

3.1 虛實結合特性

AR技術首要特點是虛實結合，即利用計算機系統中的虛擬場景、物體等信息，和真實世界的場景融合，學習者既可以體驗感知虛擬技術的信息也能體驗真實環境的信息，為學習者很好地拓展了物理空間。AR技術給學習者提供了虛實結合的完美的空間體驗感受，有利于實踐知識的內化。

3.2 實時交互特性

AR技術的另一重要特性為實時交互。在AR技術的環境下，學習者利用虛擬環境、虛擬場景中的虛擬對象進行及時交流互動，AR系統也能及時響應學習者的操作，學習者和系統間及時的互動給學習者帶來了一種類似真實的感知體驗。

3.3 三維投影特性

三維投影是利用計算機顯示技術，將虛擬信息投影到圖像平面上，這樣虛擬信息就投射到真實世界中，且是三維的注冊的方式。AR技術能實現虛擬信息和真實世界的同時同步，虛擬信息也能依據真實世界的信息實時變化，讓使用者體驗虛擬信息和真實世界的一致感和整體感。

4 基于AR技術的增強體驗學習活動的設計

4.1 學習活動設計框架

學習活動的設計是一個既復雜又精細的過程，必須從任務目標開始分析，確定好各個環節的活動任務，設計好學習活動的方法、形式、評價體系和學習活動資源等支持。而增強體驗的學習活動更是系列學習事件的組合，一定是學習者親自體驗感知的過程。從根本上看，增強體驗的學習是一種基于情境、過程式的學習方法。在基于AR技術的增強體驗學習活動設計時，首先得將學習情境設計好，再就是活動流程控制好，給AR技術支撐的學習活動以有效的支持。而增強現實技術能進行很好的學習情境的設計，豐富了增強體驗的學習活動，同時基于AR技術的增強體驗學習活動離不開強大的硬件和軟件的支持，需要給學習者提供增強現實技術的應用設備以及配套的軟件。如圖4所示的基于AR技術的增強體驗學習活動的設計框圖。

圖4 基于AR技術的增強體驗的學習活動設計框架

4.2 學習活動設計過程

按照圖4中給出的設計框架，對基于AR技術的增強體驗的學習活動做具體設計。

4.2.1 確定學習目標

在基于AR技術的增強體驗的學習活動的學習目標需要從AR技術和增強體驗的學習兩方面來確定。從AR技術方面，可以從任務描述、思考探索、體驗理解、反復思考、團結協作六個層次分析學習目標；從增強體驗的學習方面，需要從不同類的學習情境中確定不同的學習目標、學習內容和學習過程。增強體驗的學習有認知、行為和體驗的三個步驟，而AR技術有利于增強體驗的學習活動的設計，下面將學習目標進行分類分析，如圖5所示。

圖5 學習目標分類分析

認知體驗的學習活動大致分為六個層次，主要通過學習者的親身體驗獲取知識信息；行為體驗學習活動主要通過學習者的完成動作技能獲取知識信息；而情感體驗的學習活動主要利用情感價值趨向完成知識信息的獲取。三種學習活動都有具體相應步驟完成體驗獲取知識。

4.2.2 分析學習對象

學習對象分析即是對學習者進行分析，是整個學習活動設計的關鍵。在基于AR技術的增強體驗學習活動設計時，要進行學習者的學習能力的分析外，還要分析學習者的學習風格和特征，以便設計出適合學習對象特征的學習活動。一般的學習風格主要是認知風格[9]，即學習者在認知過程中采取的常用的行為模式，如聽覺、視覺、觸覺、嗅覺等；常采用的抽象概括還是具體經驗進行加工類知識的獲取；常采用整體策略還是序列順序的學習順序完成知識獲取。而基于AR技術的增強體驗的學習方式給學習者身臨其境的感官體驗，給學習者創設優良的學習情境，給學習者完美的學習體驗。

4.2.3 設計活動任務

學習活動任務的設定其實包含學習內容、目標、方法、策略、形式和流程系列過程的總體描述[10]。AR技術給學習者創建好學習情境，學習者完成學習活動任務的目標、輸入、輸出等步驟。

4.2.4 設計學習情境

學習情景設計得好壞直接影響學習者的學習行為，學習者在增強體驗的學習中，是利用學習情境來自主探究的，學習情境越逼真，學習效果會越好。設計增強體驗學習活動時，設計者需要留有足夠空間，讓學習者自主構建認知。

學習情境應從真實世界、虛擬世界和虛實融合三方面設計，基于AR技術的增強體驗學習活動的設計中，學習情境應當采用虛實融合的方式設計，在真實世界中融入虛擬對象，讓學習者在學習情境中體會到虛擬信息和真實世界的無縫融合。AR技術是基于身體感知的，能實時獲取學習者、學習設備、學習場所等數據，將數據進行分析處理，能及時了解學習者在增強感知的學習情境中的學習情況，進行學習的及時跟蹤反饋。

AR技術能獲取學習者周圍環境、位置、時間、空間等信息，能完成顯示、位置和關系的情境增強感知。因此，基于AR技術的學習活動的情景設計有兩方面。一方面，主要設計個人學習情境，主要采用以問題為導向進行學習情境設計；另一方面，設計社會學習情境，通過這種方式構建社會化的學習共同體，給學習者一種新穎的交互方式。

4.2.5 設計活動序列

學習活動的序列設計首先得進行活動任務的劃分，將活動任務分成若干子任務，再進行活動序列的設計。在增強體驗的學習活動中，學習活動序列得遵守增強體驗的原則，按照具體體驗感知、觀察反思、抽象概括、行動應用四個階段設計學習活動。

4.2.6 設計活動形式

AR技術的增強感知技術支持位置增強、顯示增強和關系增強三種形式，給學習者提供了全新的呈現方式、交互互動的方式等，幾種常用的增強體驗的學習活動形式有，自主探究、交互反饋、虛擬社區、微博互動等形式。

4.2.7 設計學習評價

學習評價系統與學習者的學習優化直接相關，非常重要。它能幫助學習活動設計者收集學習者的反饋信息，也能幫助學習者判斷學習內容掌握情況，以此決定下一步驟的學習行為。

在設計學習評價時，要基于增強體驗的學習活動進行設計。設計認知體驗的學習活動評價方式，此階段主要是知識性知識的獲得，可采用知識測試進行可量化的評價形式；設計行為體驗的學習活動的評價方式，此階段主要是動作技能的獲取，可采用情境實踐的方式判斷是否掌握該動作技能；設計情感體驗的學習活動的評價方式，可采用心得體會、小組評價、小組匯報等方式。

4.2.8 設計學習資源

增強感知的學習活動的學習資源來源有兩種形式，一方面是已有的微視頻、學習課件、flash動畫等學習資源，另外的是學習活動中形成的學習資源。在基于AR技術的增強體驗學習活動中，學習者通過現有資源和自主探究開發出新的學習資源，讓學習者在虛實融合的學習情境中探索發現新的資源。

5 結論

通過對增強體驗的學習概念進行分析，對增強體驗的學習活動的設計做探究，在分析增強現實的特性后，總結出基于AR技術的增強體驗學習活動的設計方法。增強現實技術的發展和成熟為增強體驗的學習活動的開展提供了強有力的技術支持，推動了增強體驗的學習方式在教育領域的應用發展。

[1] 聶平.增強現實中虛擬遮擋技術的研究現狀[J].數字通信,2015,40(5):34-37.

[2] 高凈業.增強現實人機交互系統的研究[D].杭州:杭州電子科技大學,2016:31-40.

[3] 周見光.增強現實系統中的虛擬交互方法[J].計算機工程,2016，(1):251-252.

[4] 朱杰.增強現實技術簡述[J].科技傳播, 2014，(2):149～152.

[5] 高雁飛.增強現實虛實融合技術研究[J].西安工業大學學報,2017，(5):383-386.

[6] 羅斌.增強現實混合跟蹤技術綜述[J].自動化學報 ,2013，(8):1185～1201.

[7] 武霞.手勢識別研究發展現狀綜述[J].電子科技,2013，(6):171～174.

[8] 石祥濱.一種基于標識的增強現實交互方法[J].沈陽航空航天大學學報,2016，(1):8-10.