AR電子書對小學生閱讀學習效果影響的實證研究

楊 健（溫州大學教師教育學院）

1 研究背景

電子書具備豐富的多媒體互動功能，利用語音敘述、文字突出顯示、動畫等腳手架工具能夠更好地支持學生閱讀學習。［1］大量的研究表明電子書能夠對學生閱讀學習產生積極的影響，電子書能有效吸引學生的注意力，［2］有助于提升學生對閱讀材料的記憶和理解水平，［3,4］能為學生營造個性化的閱讀學習環境。［5,6］同時，近年來已有研究者開始關注電子書閱讀普及后存在的一些問題。Hanho在研究韓國小學生電子書和紙質書的閱讀行為時，發現與紙質書閱讀相比，學生使用電子書閱讀文本花費更長的時間，而且電子屏幕閱讀更容易引發學生視覺疲勞。［7］Mangen認為盡管具有觸摸屏幕的便攜設備可以創造更豐富和更具觸覺的閱讀體驗，但是學生對電子屏的快速滑動和頁面調整等互動操作仍然會中斷閱讀的進程，使學生偏離其閱讀任務。［8］Baron研究發現由于電子書只在電子屏幕上呈現信息，缺少有形的頁面，與紙質閱讀相比，電子屏幕閱讀可能會增加學生的認知閱讀負擔并降低閱讀表現。［9］可見，在為學生創建合適的電子書方面還需要做更多的工作。

2 AR電子書及相關研究

增強現實（Augmented Reality，AR）電子書在傳統紙質書籍的基礎上，借助攝像頭和顯示設備，將計算機處理過的數字信息疊加在真實的場景中，學習者可以在閱讀印刷書籍時通過平板電腦、手機等設備與疊加在書頁上的視聽內容進行互動，以實現虛實融合的數字化閱讀。［10］根據The New Media Consortium的2011年地平線報告，增強現實技術正在改變電子書閱讀的方式，計算機變得不可見，對電子書的操作不再基于鼠標點擊或觸摸滑動，使用增強現實電子書進行閱讀變得與使用印刷書閱讀一樣簡單、自然。AR顯示器類似于“放大鏡”，通過掃描印刷書頁內容，獲得疊加在真實書頁上的音視頻信息，實現對閱讀內容的“增強顯示”，［11］這種混合了數字和實體的閱讀方式有望在未來K12教育中得到普及。［12］根據皮亞杰的認知發展階段理論，小學生（7-12歲兒童）認知水平正處于具體運算階段，他們必須通過他們的感官來看、聽，或以親身參與操作來支持其思維活動。因此，AR的強大可視化、交互化、沉浸性特征對這個階段學生的學習起著重要作用。

目前，AR電子書已經開始被應用于小學教學中，并初步體現其教育價值與潛力。例如，Kemier等設計和開發了用于小學生幾何知識學習的AR電子書，研究發現AR電子書閱讀對學生的空間能力和認知能力的提升有積極的影響。［13］Vate等開發了用于小學生英語詞匯學習的AR電子書，促進了學生對詞匯的理解，并增強了學生的學習動機。［14］陳建勛等開發了用于小學科學課程的AR電子書，71名五年級小學生使用AR電子書學習“生物食物鏈”課程，研究發現學生能夠積極參與學習活動，并改善了學生的學習態度。［15］Correa等在小學數學課堂中使用AR電子書進行教學，認為AR電子書提供更“自然”的交互界面，可以減少閱讀的認知負荷，并能有效支持學生在閱讀過程開展協作學習活動。［16］盡管已有許多關于AR電子書閱讀方面的研究，然而大部分研究都集中在討論AR電子書如何運用到教育環境中去，以及其對學生學習產生的效果，鮮有研究者關注AR電子書閱讀方式本身，以及其相對于傳統電子書閱讀（純數字閱讀）會對學生閱讀學習產生何種差異性影響。

3 研究目的

本研究以某小學六年級60名學生為實驗被試對象，采用等組實驗設計，分別使用AR電子書和傳統電子書進行閱讀，研究學生在閱讀動機、記憶、理解、認知負荷等維度上是否存在差異。更具體地說，主要解決以下研究問題。① 相對于傳統電子書閱讀，AR電子書閱讀是否對學生產生更高的閱讀動機？② 不同電子書閱讀條件下，學生閱讀動機有何差異？③ 相對于傳統電子書閱讀，AR電子書閱讀是否更有利于促進學生對閱讀內容的記憶與理解？④ 相對于傳統電子書閱讀，AR電子書閱讀是否有利于減少學生的認知負荷？

4 研究設計

4.1 參與者

這項研究的參與者是某小學60名六年級學生，年齡在11-12歲之間，其中男生34人，女生26人。實驗采用平均分組設計，每組人數30人，每組性別人數相同，使用AR電子書閱讀的學生標記為A組，使用傳統電子書閱讀的學生標記為B組。在實驗開始之前，進行了預測試，主要檢查他們與閱讀主題相關的先前知識，以確定學生的同質性，結果表明所有參與實驗的學生都具有相似的科學背景知識。

4.2 實驗設計

在與任課教師協商后，研究人員在2018年11月上旬開展了不同電子書條件下的閱讀學習活動，兩組學生分別使用“AR電子書”和“傳統電子書”開展了三次閱讀學習計劃（見表1），每次閱讀間隔一天。閱讀學習包括三個主題，分別是“我們的太陽系”“恐龍跑出來了”“深海生物”。在閱讀計劃開始之前，教師對三次閱讀主題的內容進行了簡單的介紹，使用IMMS（Instructional Materials Motivation Survey） 問卷中的相關度分量表，［17］調查閱讀材料是否滿足學生閱讀學習需求，并獲得閱讀材料相關度的前測數據。實驗采用多主題閱讀設計，有助于減少閱讀材料相關度對學生閱讀動機的影響。兩組學生一共進行三次閱讀學習，在保證學生有足夠時間完成閱讀學習的前提下，研究者將每次閱讀的時間設置為30分鐘。每次閱讀結束后，對學生進行記憶和理解測試。三次閱讀學習計劃完成后，對每位參與閱讀學習的學生進行閱讀動機和認知負荷調查。實驗采用多次閱讀設計，有利于消除電子設備對學生產生的新鮮感，讓學生逐漸適應新的閱讀環境。

表1 兩組學生的閱讀學習計劃表

4.3 實驗材料

AR閱讀材料來源于中信出版社的IscienceAR電子圖書系列。三個閱讀主題節選自該系列圖書，每個閱讀主題的內容大約3-4個版面，配有專用的AR App，學生通過掃描書頁播放多媒體動畫，可以一邊閱讀紙質書籍，一邊與多媒體動畫進行互動操作。傳統電子書（多媒體電子書）由研究團隊自主開發，電子書的頁面設計與紙質書籍完全一致，學生可以使用電子屏幕瀏覽書頁，通過點擊鏈接文字訪問多媒體動畫。兩種電子書可以實現相同的交互功能，比如放大、縮小、播放、暫停等。為避免電子閱讀設備帶來實驗差異，兩組學生都使用相同型號的平板電腦。

4.4 測量工具

（1）動機測量。IMMS是根據ARCS模型開發的用于衡量學習者動機的量表，［18］該量表在多個研究項目中得到應用，有較高的效度和信度。［19,20］在這項研究中，學生在閱讀學習中使用兩種不同的電子書，第一種是使用基于增強現實技術的電子書進行閱讀，第二種是使用傳統電子書進行閱讀，使用IMMS來評估兩組學生閱讀學習的動機水平。依據Serio等設計的IMMS量表，［17］研究者從IMMS的36個項目中選擇了30個項目，并對項目的表述進行了略微修改，以使其適應電子書研究領域和漢語的表達習慣。問卷采用李克特5點評價量表設計，修改后的量表表克朗巴哈α信度系數為0.916，各分量表的α信度系數均大于0.9，具有較好的信度。IMMS描述了影響閱讀動機的四個激勵因素，分別是注意力、自信心、滿意度和相關度。注意力是指電子書能夠吸引并維持學生的注意力；自信心是指學生對使用電子書完成閱讀學習的自信程度；滿意度是指學生使用電子書進行閱讀后的滿意程度；相關度是指電子書中的知識內容是否滿足學生的閱讀需求，引發學習興趣。四個維度的測量值越高，表示學生的閱讀動機越強（見表2）。

表2 IMMS量表信度檢驗結果

（2）閱讀記憶和理解測量。學生在獨立完成30分鐘的閱讀學習后，進行閱讀記憶和理解測試，測試不限時間，以保證學生都能完成測試。測試試卷由研究團隊編制，試卷共15個選擇題，其中包括8個記憶類選擇題和7個理解類選擇題，記憶類選擇題的答案在電子書中都有明確的文字描述。比如“木星大約有多少顆衛星”“水星與太陽之間的距離大約是多少千米”等。理解類選擇題的答案在電子書中未出現明確的文字描述，但學生可以通過演示動畫和電子書的文本信息推理出對應的選項。比如“太陽系中離地球最遠的行星是哪一顆星球”“與太陽最近的行星叫什么”等。所有試題均為單選，答對一題得1分，分數越高表示學生對閱讀材料的記憶和理解效果越好。

（3）認知負荷測量。認知負荷測量量表源于Leppink等編制的認知負荷測量量表，量表包括10個問題。［21］Cathy Weng等對該量表進行修改，選擇了其中5個問題測量學生在電子書閱讀中的認知負荷水平。改編后的量表克朗巴哈α信度系數為0.766（見表 3）。［22］

5 測試結果與分析

實驗結束后對回收問卷進行分析，未出現漏答或回答不一致的無效問卷。使用SPSS軟件對測試數據進行分析，通過Shapiro-Wilk正態分布檢驗，發現兩組學生的測試數據未滿足正態分布要求（p＜0.05），因此在分析數據過程中，采用了非參數Mann-Whitney U檢驗兩組學生測試數據是否存在統計學差異。

5.1 相對于傳統電子書閱讀，AR電子書閱讀是否對學生產生更高的閱讀動機

兩組學生閱讀動機的測量結果顯示（見表4），兩組學生閱讀動機測量平均值分別為3.64（A組）和3.33（B組）。A組學生注意力分量表（M1=3.80）和滿意度分量表（M1=3.72）的測量平均分較高，相關度分量表測量平均值最低（M1=3.43）。B組學生自信心分量表測量平均分最高（M2=3.48），注意力分量表測量的平均值最低（M2=3.25）。兩組學生的平均分差異較大的測量值分別為注意力（M1-M2=0.55）和滿意度（M1-M2=0.46），平均分差異較小的測量值分別為自信心（M1-M2=0.13）和相關度（M1-M2=0.11）。

使用Mann-Whitney U檢驗兩組學生閱讀動機測量結果是否存在顯著差異。結果表明，兩組學生的閱讀動機存在顯著差異（U=361.00，p＜0.05），A組學生比B組學生具有更高的閱讀動機。

5.2 不同電子書閱讀條件下，學生閱讀動機有何差異

兩組學生在注意力分量表中每個項目測量的結果顯示（見表5），A組學生測量平均分接近4分的項目包括第8項和第11項，A組21名學生對“我能專心使用電子書進行閱讀”表示“贊同”或“非常贊同”，20名學生對“電子書的閱讀方式有助于吸引我的注意力”表示“贊同”或“非常贊同”。在其余項目中，A組學生的測量平均分都超過3.6分，B組學生的各項測量平均分都低于3.5分，各項贊同率也明顯低于A組學生。得分最低的項目為第19項，B組中只有9名學生對“使用電子書閱讀時，我很難長時間保持注意力集中”表示“不贊同”或“非常不贊同”。這些結果反映出相對于傳統電子書閱讀，AR電子書閱讀是有趣的，有利于激發學生的好奇心，能吸引并維持學生的注意力。

表4 AR電子書和傳統電子書對學生閱讀動機影響的比較分析

表5 兩組學生注意力分量表測量結果

兩組學生在自信心分量表中每個項目測量的結果顯示（見表6），兩組學生測量平均分較高的項目為第1、4、28項。其中，A組20名學生和B組21名學生對“使用電子書閱讀時，我有信心從電子書中學到新的知識”表示“贊同”或“非常贊同”，A組19名學生和B組18名學生對“我確信我可以讀懂電子書呈現的信息”表示“贊同”或“非常贊同”，表明不同電子書呈現的信息都易于理解，兩組學生對使用電子書掌握新知識表現出較高的自信心。兩組學生在第22項和第29項的測量平均分較低，A組12名學生和B組11名學生對“在完成電子書閱讀后，我相信能夠獲得好的測試成績”表示“贊同”或“非常贊同”，表明在閱讀測試壓力下，兩組學生的自信心都有所降低。從自信心的測量結果來看，AR電子書閱讀組的學生并沒有表現出明顯的優勢。

表6 兩組學生的自信心分量表測量結果

兩組學生在滿意度分量表中每個項目測量的結果顯示（見表7），A組學生各項測量的平均分都高于3.6分，平均平較高的項目為第26項和第30項。A組18名學生對“完成這次閱讀學習后，我很想更多地使用電子書進行閱讀學習”表示“贊同”或“非常贊同”，19名學生對“這次閱讀學習令人愉快”表示“贊同”或“非常贊同”。B組學生各項測量的平均分都低于3.4分，且每個項目的贊同率明顯低于A組，B組只有10名學生對“我很愿意使用電子書進行閱讀”表示“贊同”或“非常贊同”，13名學生對“這次閱讀學習令人愉快”表示“贊同”或“非常贊同”。表明A組學生在繼續使用電子書進行閱讀的意愿上要明顯高于B組學生，A組學生獲得了更好的閱讀體驗，滿意度更高。

表7 兩組學生的滿意度分量表測量結果

兩組學生在相關度分量表中每個項目測量的結果顯示（見表8），兩組學生測量平均分最高是第23項。A組3名學生和B組2名學生對“因為我讀過類似的書籍，所以這次閱讀活動很無聊”表示為“贊同”或“非常贊同”，表明閱讀材料對絕大多數學生來說是新穎的，基本上符合兩組學生的閱讀需求。兩組學生測試平均分較低的項目是第9項和第25項，A組10名學生和B組11名學生對“閱讀材料與我的生活密切相關”表示“贊同”或“非常贊同”。筆者認為這樣的結果是由于閱讀主題內容在現實世界中都不能被直接細致的觀察到，所以導致學生認為閱讀材料與自己生活中的經驗沒有直接密切的相關性。從相關度各項測量結果來看，兩組數據沒有產生較大的差異。

表8 兩組學生的相關度分量表測量結果

為確定閱讀材料相關度在學生進行電子書閱讀前后是否存在差異，研究者采用威斯康星檢驗法，對兩組學生前后閱讀材料相關度測量值是否存在差異進行分析（見表9）。A組學生前后閱讀材料相關度測量值不存在顯著差異（Z=-0.242,p=0.809），B組學生前后閱讀材料相關度測量值也不存在顯著差異（Z=-0.134,p=0.975），表明不同電子書閱讀都不會對學生閱讀需求變化產生影響。

表9 兩組學生使用電子書前后閱讀材料相關度有序值的比較分析

對閱讀動機的四個關聯因素測量值進行Mann-Whitney U檢驗。結果發現，兩組學生在注意力（U=304.00，p＜0.05） 和滿意 度 （U=293.50，p＜0.05）的測量值存在顯著差異，自信心（U=405.00，p＞0.05）和相關度（U=410.00，p＞0.05）的測量值不存在顯著差異。由此可見，相對于傳統電子書，AR電子書更易吸引學生注意力；同時，學生對AR電子書閱讀的滿意度要高于傳統電子書閱讀，表明在相同條件下，學生更傾向于使用AR電子書進行閱讀學習。影響閱讀動機的另外兩個關聯因素分別是自信心和相關度，從分析數據結果來看，它們都沒有對兩組學生閱讀動機的差異性變化產生重要的影響。

5.3 相對于傳統電子書閱讀，AR電子書閱讀是否更有利于促進學生對閱讀內容的記憶與理解

三次閱讀學習測試的結果見下圖。A組學生在閱讀記憶與理解測試的平均分都要高于B組學生的測試平均分。使用Mann-Whitney U檢驗兩組數據是否存在顯著差異發現，兩組學生之間的第一次記憶測試成績（U=392.50，p＞0.05）和理解測試成績（U=420.00，p＞0.05）均不存在顯著差異（見表10）。接下來的兩次記憶測試成績和理解測試成績均存在顯著差異。由此可見，與傳統電子書相比，使用AR電子書的學生在記憶和理解測試中表現得更好。

圖 兩組學生的記憶與理解測試結果

表10 AR電子書和傳統電子書對學生閱讀記憶與理解測試成績影響的比較分析

從三次測試的結果中可以發現，兩組學生的閱讀成績呈上升趨勢，可能的原因是學生需要時間適應新技術。學生在多次使用電子書進行閱讀后逐漸掌握和熟悉電子書的閱讀互動功能，并改變原有的閱讀習慣以適應新的閱讀環境，因此后續測試成績表現出逐次提升的趨勢。

5.4 相對于傳統電子書閱讀，AR電子書閱讀是否有利于減少學生的認知負荷

與A組學生相比，B組學生具有更高的認知負荷得分。進行Mann-Whitney U檢查兩組學生之間的認知負荷是否存在顯著差異。分析結果顯示，兩組學生之間的認知負荷不存在顯著差異（U=435.00，p＞0.05）（見表 11）。

表11 兩組學生認知負荷比較分析

6 結論與討論

6.1 不同電子書閱讀對學生閱讀動機的影響存在顯著差異

研究結果證實，AR電子書閱讀能有效提高學生閱讀動機水平。與閱讀動機相關聯的四個激勵因素中，不同電子書對學生注意力和滿意度兩個動機激勵因素的影響存在顯著差異，相比傳統電子書，使用AR電子書閱讀能夠更好地吸引并保持學生閱讀期間的注意力，學生對使用AR電子書進行閱讀的滿意度更高。從閱讀方式來看，使用AR電子書進行閱讀與使用紙質印刷書進行閱讀的方法幾乎一樣，操作更加簡單和自然。AR電子書所反饋的數字信息會疊加顯示在印刷書頁上，有助于學生保持閱讀進度和專注度，這種數字增強的顯示方式可以激勵和吸引學生參與閱讀學習過程。純數字閱讀環境下（傳統電子書閱讀），學生需要與電子設備進行頻繁的互動操作，如放大和縮小電子屏幕、點擊文字鏈接等，這些頻繁的互動操作可能會干擾閱讀進度，分散學生閱讀期間的注意力。［8］同時，長時間的電子閱讀更容易引起學生視覺疲勞，也可能會對學生的注意力集中產生負面影響。研究表明，使用不同電子書進行閱讀時，學生的自信心水平不存在顯著差異，不同電子書閱讀也不會影響學生對閱讀內容的興趣。

6.2 不同電子書閱讀對學生閱讀成績的影響存在顯著差異

使用AR電子書閱讀的學生在閱讀記憶和理解測試中的成績比使用傳統電子書閱讀的學生更好。根據前面的討論，我們發現學生在使用AR電子書閱讀時，能夠保持更高的注意力，有可能促進學生對閱讀內容的記憶與理解；Mayer的時間效應表明，當同一時間呈現相同信息的多個表示時，學生會更好地學習。AR電子書將虛擬信息疊加在真實的書頁上，可以使學生對書頁文本和屏幕動畫產生更好的關聯。另一方面，Liu在研究數字閱讀行為時，發現學習者從印刷書籍中獲取信息方式與電子屏幕上獲取信息方式不同，在閱讀電子屏幕時，學習者更傾向于快速瀏覽并有選擇性地關注電子屏幕中的內容，容易造成選擇性閱讀。［23］相對于使用AR電子書閱讀，這可能對使用傳統電子書閱讀的學生產生更多的負面影響，從而降低學生在記憶與理解測試中的表現。

6.3 不同電子書閱讀對學生認知負荷的影響不存在顯著差異

研究表明，在相同時間和相同閱讀內容的條件下，使用AR電子書閱讀學生的認知負荷水平要低于使用傳統電子書學生的認知負荷水平，但差異并不顯著。在本次實驗中，學生的認知負荷主要來源于閱讀材料、閱讀方式的復雜度和閱讀時間。兩組學生使用的是相同的閱讀材料，兩種電子書的頁面排版、動畫、聲音效果完全一樣，閱讀時間相同，因此造成認知負荷差異的原因主要來自于閱讀方式的復雜度。可見，兩種電子書閱讀方式的復雜度水平不存在顯著差異，AR電子書閱讀不會降低學生閱讀的認知負荷水平。

當前已有許多小學開展了基于AR電子書閱讀的課堂教學實踐，通過使用AR電子書的注釋和其它互動功能，能夠幫助學生調整他們的閱讀學習策略，支持更多的自我反思和個性化的學習方法。在未來的研究中，學生與AR電子書的互動過程以及優化課堂環境下AR電子書的使用策略等值得進一步探索和實踐。