增強現(xiàn)實在兒童教育環(huán)境中的非正式學習應用淺析

張 雪

1 增強現(xiàn)實的發(fā)展現(xiàn)狀

作為近年來十分火熱的概念，增強現(xiàn)實技術的應用自2016 年有了近似井噴式的發(fā)展。許多科技巨頭公司也都爭相進入市場進行布局。這種通過介質將數(shù)字化虛擬信息疊加到現(xiàn)實世界上并能進行互動的概念，使得增強現(xiàn)實包裹著一層魔法一般令人期待的魅力。在即將迎來的物聯(lián)網(wǎng)時代，AR 或將成為繼電腦、智能手機后的下一代計算平臺。但是，處于虛擬世界和物理世界的連接的關節(jié)點。需要足夠有說服力的連接介質（硬件）或連接方式（應用）。這是影響當前AR 發(fā)展一個關鍵性問題。也正是因為這這個問題導致AR 在被稱作AR/VR 元年的2016 年的概念爆發(fā)期后，由于技術不成熟，硬件和軟件均不能提供給消費者所期待的用戶體驗，在市場上未能持續(xù)井噴式的增長。經(jīng)歷了2017 年、2018 年的冷卻期。AR/VR 市場已經(jīng)趨于理性，而即將到來的5G 時代，將有望推動AR/VR 真實落地。

關于市場，中國信息通信研究院、華為技術有限公司、京東方科技集團股份有限公司共同編寫的《虛擬（增強）現(xiàn)實白皮書（2018 年）》指出[1]。2018 年全球AR/VR 市場將有望突破700 億，同比增長126%。預計在未來5 年，行業(yè)復合增長率將超70%。2018 年市場硬件端占比63%，應用端占比37%。預計2020 年應用端的占比將上漲至41%。未來的10 年里，軟件端將成為行業(yè)增長的新驅動力。有了廣泛應用的硬件才能真正成為擁有市場的硬件。應用軟件的開發(fā)將直接影響硬件技術的發(fā)展。白皮書還指出，目前在虛擬（增強）現(xiàn)實市場上，軟件增速最快的是行業(yè)應用領域。工業(yè)、醫(yī)療、教育等行業(yè)的應用市場規(guī)模在2018 年為8%，這個數(shù)值預計在2020 將會上增至19%。未來，AR 在教育領域有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 增強現(xiàn)實的兒童教育應用現(xiàn)狀

目前，針對兒童的增強現(xiàn)實技術的教育應用產(chǎn)品按使用環(huán)境主要劃分為教育游戲應用、正式學習應用和非正式學習應用3 個板塊：

教育游戲類：該類應用主要集中在幼兒早教市場中。例如語言類學習卡片游戲、數(shù)學學習卡片、科普游戲、早教認知識圖游戲、早教統(tǒng)感類游戲、以及早教玩具等。

教育游戲類的應用是目前AR 兒童教育應用市場中最為活躍的類別，主要集中在幼兒早教市場。幼兒教育本身是一個比較活躍的市場，由于幼兒期處于人的一生認知發(fā)展的啟蒙階段極為重要。所以作為幼兒市場的主力消費者，幼兒的父母們非常熱衷用體驗各種新型的科技產(chǎn)品。AR 早教產(chǎn)品較傳統(tǒng)早教印刷產(chǎn)品來說更接近與自然認知方式，更有助于幼兒的認知體驗，并且?guī)砹撕軓姷娜の缎浴＿@非常受年輕家長的青睞。且幼兒的認知發(fā)展環(huán)節(jié)的每個階段的周期短，發(fā)展比較快，這使得早教產(chǎn)品具有了一定的快消產(chǎn)品的市場特性。市場發(fā)展較好。

正式教育：AR 正式學習應用的使用場景是在校園中的常規(guī)課堂上。主要作用是對教學課程中一些難以理解或空間性比較強的概念進行可視化的輔助說明。此外還有實驗演示、英語翻譯、英語輔助教學等。

AR 兒童正式學習應用的使用場所是在常規(guī)校園中。在校園中，各種應用的游戲性和互動性都要受到一定的限制。作為輔助教學的工具，其開發(fā)的內容與形式要保證不要過于吸引學童注意以免分散學童在常規(guī)課堂中的注意力影響教學秩序。這使得AR在該環(huán)境中的應用發(fā)展會受到一定的限制。

非正式學習：包括AR 圖書、場館展示、技能培訓等。

AR 圖書是AR 在兒童非正式學習應用中發(fā)展較為成熟的應用模式。圖書一直以來都是文化傳播的主要途徑，更是非正式學習的主要方式。移動終端設備的普及為AR 圖書的發(fā)展提供了有利的基礎。加之出版印刷物對使用標記或圖形識別的AR 應用來說是再合適不過的載體。AR 圖書的成功可以說是水到渠成。

場館展示類，例如在博物館、科技館、藝術館等場館用作對概念的形象化展示或對展品進行信息拓展的展示；技能培訓，例如繪畫，積木構建等；

非正式學習（Informal learning）有別于正式教育，發(fā)生場所及為靈活。根據(jù)Tamir.p 對正式教育和非正規(guī)教育以及非正式學習的劃分[2]。兒童在校園的常規(guī)教育課堂以外的時間里，隨時隨地發(fā)生的學習行為都在非正式學習的范疇之內。除去已經(jīng)有一定應用規(guī)模的AR 圖書，AR 在非正式學習的發(fā)展基本還處于早期階段。兒童階段具有較好的非正式學習能力的年齡集中在基礎教育階段，即K-12階段（約3～12 歲），該階段是知識攝入的重要階段，對非正式學習產(chǎn)品的需求比幼兒早教階段要更多。所以該市場具有更巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 增強現(xiàn)實體現(xiàn)的認知特點適用于基礎教育階段的兒童

于基礎教育階段的K-12 是從幼兒園到12 年紀的教育。兒童在這個階段的認知行為使主體集中獲得知識、培養(yǎng)解決問題的能力。

基礎教育階段兒童認知能力的發(fā)展不是由于認知結構本身的變化所導致的。它是通過不斷地激活兒童原有認知結構的功能并在實踐中不斷提高其應用所認知的內容的熟練程度逐漸實現(xiàn)的[3]。通過實踐進行認知的方法會更有效也容易引起兒童的興趣，激發(fā)他們的認知主動性。由于非正式學習是可以隨時隨地發(fā)生的極具主動性的學習行為。所以更接近真實情境的學習方式會更容易促使兒童主動的發(fā)生非正式學習行為。

在Coiffet 和Burdea，G 的描述中，將VR/AR的重要特征歸納為：沉浸性、交互性、想像性[4]。增強現(xiàn)實以現(xiàn)實世界作為基礎，將2D、3D 或者聲音等信息通過介質疊加在現(xiàn)實世界上。使用者因此產(chǎn)生了在現(xiàn)實世界中的使用者與疊加在現(xiàn)實場景中的虛擬信息進行實時交互的感覺。這種與虛擬信息進行交互的行為需要通過一定的聯(lián)想和邏輯推斷來支撐。現(xiàn)實、介質、虛擬信息、交互作為增強現(xiàn)實的四大要素構成了增強現(xiàn)實使用者體驗模型，如圖1 所示。在這個模型中使用者獲得的沉浸感和交互體驗都是通過以現(xiàn)實世界為基礎與虛擬信息的交互來實現(xiàn)的。虛擬現(xiàn)實以介質、虛擬信息和交互方式作為三大要素構成了使用者體驗模型，如圖2 所示。虛擬現(xiàn)實讓使用者在建立的虛擬場景中與虛擬世界進行交互。因此，在使用虛擬現(xiàn)實進行認知的過程中，使用者是通過在完全虛擬的環(huán)境中與虛擬對象進行交互而獲得的沉浸感和交互體驗。

可見增強現(xiàn)實這種將虛擬的增強信息疊加到現(xiàn)實世界之上的展現(xiàn)模式比虛擬現(xiàn)實更容易實現(xiàn)讓兒童產(chǎn)生貼近實際情境的感受，也更容易讓兒童將所學內容與真實的生活經(jīng)驗相關聯(lián)。且由于目前便攜電子通訊設備的普及作為基礎，不需要考慮虛擬現(xiàn)實所必需的昂貴的硬件設備。因此增強現(xiàn)實類的兒童非正式學習方式更容易被廣泛接受。

4 各階段的兒童對增強現(xiàn)實非正式學習應用的需求區(qū)別

為了了解K-12 各階段兒童對增強現(xiàn)實非正式學習應用的需求特點。本論文針對K-12 教育區(qū)間的三個階段選擇了幼兒園大班、小學三年級、初中一年級三組，每組30 名兒童使用QuiverVision 在ios 系統(tǒng)上的App——QUIVER EDU 進行了AR 非正式學習應用的分齡體驗測試。該分齡實驗通過給不同學習階段的被試兒童在三周內布置了三次（每周一次）與之認知能力相適應的認知試驗任務，并對他們的任務完成時間、任務完成度、主觀態(tài)度進行記錄。每個任務完成一周后對被試兒童再次測試其一周前通過AR 非正式學習任務所習得的知識，以觀察此次AR 非正式學習體驗的學習有效性。

對實驗記錄和結果分析后發(fā)現(xiàn)：

1）幼兒園大班的兒童相比之下需要更多的時間學習和適應操作方法。因為操作能力和閱讀能力較弱，在操作過程中不時需要測試人員的幫助。在第一次測試時降低了兒童的沉浸感和知識獲得的有效性。在隨后的兩次測試中隨著操作熟練程度的提高，有效的提高了沉浸感、交互感和知識獲得的效果。

2）小學三年級和初中一年級的學生的表現(xiàn)有很大的相似性。學生在實驗過程中都能很快掌握操作方法在規(guī)定時間內完成任務。并在一周后的重復測試中仍然記得之前通過試驗任務學習到的信息，這說明了知識獲得的有效性。并且根據(jù)實驗記錄顯示，在熟悉了操作方法后，小學生在進行任務操作時的注意力集中時長有一個比較明顯的躍層。這說明增強現(xiàn)實的展現(xiàn)方式有效吸引了小學生的注意力，可以達到促進其主動認知行為的目的。

5 結論

幼兒園階段的兒童尚處于具體運算認知發(fā)展階段，以表象認知方式為主，注意力集中時間較短。與之相適應的增強現(xiàn)實應用的呈現(xiàn)內容，應該以比較簡單的游戲型應用為主。交互方式簡單、文字的使用量少，圖形動畫和聲音相結合的方式更適合這個年齡階段。因為操作能力相對較弱，對硬件和軟件的操作能力較弱，在使用增強現(xiàn)實應用時需要一定的時間來學習操作方法。因此操作方式應盡量直觀簡單。

小學和初中的兒童在測試中展現(xiàn)出極高的相似性。但由于認知發(fā)展階段的不同導致與之相適應的增強現(xiàn)實應用的開發(fā)在內容和交互方式上要有相對應的區(qū)別。

認知發(fā)展處于前運算階段的小學階段的認知特點以探究為主，對社科和人文類的知識有著大量基礎性的需求，對社交方式的要求相對簡單。非常適合科普和人文知識增強現(xiàn)實應用的開發(fā)。

已基本處于認知發(fā)展的形式運算階段的初中階段的兒童和青少年。其認知特點以推理思維為主，對認知內容從廣度和深度上都有了更高的要求。除此之外，由于該階段的心理特點使其對應用的社交需求增加。因此該階段增強現(xiàn)實應用的開發(fā)對交互方式和內容上也都有了更高的要求。

雖然兒童在認知能力上有很多階段性的相似性。但針對不同年齡階段兒童的AR 非正式學習應用的設計仍應該有更細致劃分的針對性和目的，要與不同階段兒童的認知發(fā)展的要求相適應。

將增強現(xiàn)實應用于教育環(huán)境中，不應僅只作為一種單純教具或者獵奇設備。它應當是一種輔助學習或者認知行為的良性干預手段。它所呈現(xiàn)的不應當僅只是難以理解或想象的事物，而是應當是與認知對象的動態(tài)交互過程的呈現(xiàn)。并以此激發(fā)學習者主動產(chǎn)生學習行為的動力。它不應當僅只是人機交互而應當可以在認知過程中完成人與人，人與群體、群體與群體的交互和合作。