中小學階段增強現實技術輔助非正式科學教育探析

邵巾倩 祝懷新

[摘要]AR在教育領域具有很大的發展潛力，早期文獻缺乏對非正式環境下科學教育教學的探討，為了彌補這一空白，基于18篇國外相關文獻的研究，分析了增強現實技術在非正式科學教育中對學習者的影響，以及不同場景下的教學策略。發現該領域主要探討AR在營造沉浸體驗感、提升認知水平、包容性別差異方面的優勢，以及呈現出4種不同的教學策略：基于環境觀察的綜合學習模式、基于游戲敘事探究的角色扮演模式、基于探究教學的發現模式以及基于展品互動的支架模式。

[關鍵詞]增強現實技術（AR）;科學教育;非正式教育;教學策略

[中圖分類號]G642.4

[文獻標識碼]A

[文章編號]1005-4634（2020）01-0085-08

增強現實技術（Augmented Reality，簡稱AR）可以被定義為“與位置和場景有關的虛擬信息與現實世界環境下動態重疊的情況”。在這種情況下，增強現實技術可以為用戶提供技術指導的沉浸式體驗，其中真實世界和虛擬世界交疊融合在一起。2011年的地平線報告中描述了AR在未來教育教學中的發展潛力，AR具有可視化和支持高度交互學習的特征，使得數字模擬疊加的內容如同現實世界中操作一樣簡單，AR還具有對用戶輸入做出及時反饋的特征，這種特征賦予了學習和評估巨大的潛力。學生在與虛擬對象相互作用的基礎上構建新的理解。

按照Gerber等人的定義，發生在學校之外的教育統稱為非正式教育。非正式教育根據是否有課程組織，分為兩個部分：第一部分是專門為支持正規教育成就而在非正式條件下獲得的經驗（如作為學校任務的一部分參觀學習完成學習任務單）：第二部分是采用非正式方法學習具有社會價值知識的活動（如博物館、動物園、植物園等場館參觀體驗）。國外學者曾用二八法則來形象地描述非正式學習的價值，在人們實際用到的知識中，80%來源于非正式學習活動。《人是如何學習》的主編Bransford認為：“我們正步入正式學習、非正式學習和內隱學習共同整合服務學習者的十年中。”

美國國家科學教學研究協會于1999年成立了非正式科學教育特設委員會，專門關注非正式科學領域。據Crane等人的定義：非正式科學教育是指發生在學校環境之外，并非主要為學校使用而開發，沒有發展為正在進行的學校課程的一部分的科學教育。與學校環境相比，非正式環境教育由學習者主導，依賴內在動機。從學校教育的角度來看，非正式環境科學教育經常顯得不連貫。但是，這種學習是內部而不是外部驅動的，因此其作用通常是持久的。從事科學相關的人員表示，早期的非正式科學學習經歷激發了他們對科學的興趣，并加強了他們與學校科學課程的聯系，對他們的職業道路產生了影響。這表明，非正式科學教育在傳統科學教育遇到的學生科學學習動機和志向下降的問題上大有可為，當前，真實情境的體驗和互動成為突破傳統科學教育局限的有力抓手，非正式科學教育成為了學校科學教育必不可少的重要補充。我國發布了《全民科學素質行動計劃綱要（2006-2010-2020）》和《中國中長期教育改革和發展規劃綱要（2010-2020年）》，基本上確立了公民科學素質的總體目標，表明政府政策層面已經意識到非正式科學教育的重要性。科技的迅猛發展，為非正式教育打開了更廣闊的大門，關注新興技術在非正式科學教育的研究，將更加有助于學習者為中心的新學習樣態的構建，研究關注中小學年齡階段的AR使用，目的在于促進基礎教育的技術變革，為基礎教育提供更加豐富的科學學習樣態，使學生在早期獲得學習科學的興趣和動力。

國內外學者對增強現實技術在教育中的應用做過相應的綜述，但討論主要側重于AR概念、使用設備以及在教育教學中的優點和不足。個別學者研究了AR在科學教育視域下的教學應用，但其討論側重點是AR特點在科學教育（主要是化學教育）中的價值以及AR教學發展模型，沒有研究關注AR在非正式情境下的科學教育教學中的使用策略以及非正式科學教育領域AR的優勢。因此，本研究試圖以非正式科學教育為切口，著重關注AR在中小學階段非正式科學教育領域的優勢以及采用的教學策略。

1研究方法

本研究通過ProQuest、EBSCOhost（Academic Search Premier）、Web of Sciences和Scopus數據庫進行文獻檢索，來收集原始文獻。為了盡可能多地包含數據，使用“augmented reality”、“science”OR“scientific”“education”OR“learn*”OR“teach*”OR“Inquiry”OR“investigation”等特定英文構建檢索式在數據庫中進行高級檢索，結果僅限于同行評審的學術期刊，語言限定為英語，時間限定為2011～2018年。將4個數據庫搜索結果導入Endnote文獻管理軟件，剔除重復篇目，從剩下的文獻中層級篩選符合AR輔助科學教育、義務教育階段、非正式情境、實證研究4個條件的文獻。層級篩選主要通過閱讀文章標題和摘要進行，如非正式情境按照非正式的定義，剔除學校課堂上的AR使用：在研究對象方面，特意排除了專門針對大學生、學齡前兒童、教師培訓等文章;在使用AR的學科方面，主要包含科學學科所涉及的物理、化學、生物，排除社會科學、語言學方面的應用。在系統篩選的過程中無可避免地會遺漏一些文章，但是為了提高流程的清晰度、客觀性以及可行性，就要進行一些困難的抉擇。相對其他領域，AR在科學教育領域應用較多，但由于AR作為新興技術進行輔助教學，文章總量較少，尤其是在非正式科學教育領域較為缺乏，最后篩選出最符合條件的18篇，具體信息見表1。筆者重點關注以下問題：（1）AR輔助非正式科學教育教學對學習者有哪些影響;（2）AR輔助非正式科學教育的教學策略有哪些？接下來將重點討論研究結果。

2AR輔助非正式科學教育的優勢

AR輔助非正式科學教育優勢涉及多個方面，該領域的研究者主要關注營造沉浸體驗感，提升認知水平，包容性別差異這幾個方面。

2.1營造沉浸體驗感

“沉浸體驗感”（Immersion）是一種將個人精力完全投注在某活動中所產生的積極情緒感受與體驗，該體驗有助于學生獲得最佳的學習效果。沉浸感可以分為心理沉浸（Psychological immersion）、感官沉浸（Sensory immersion）、敘事和象征性沉浸（Narrative and symbolic immersion）、動作沉浸（Actional immersion）。營造沉浸感是AR較為獨特的優勢，學習者可以在AR中感受到自己的存在，在敘事中摒除懷疑、沉浸其中，在里面進行全神貫注的心理和動作交互。

沉浸體驗感的研究往往在同游戲相結合的AR學習中進行，因游戲性質引入的沉浸感體驗就被AR游戲學習研究考慮其中。研究者著重關注引起沉浸體驗相關因素的考察。例如在Bressler和Bodzin有關法醫科學AR游戲研究案例中，發現學生的沉浸體驗與性別、科學興趣無顯著關系，而與游戲態度呈現顯著相關。然而研究者認為前面兩個無顯著關系可能是研究本身的特殊性導致的，需要進一步研究。Georgiou等人的研究更為具體，關注特定領域的動機和認知動機與沉浸感之間的關系，以及沉浸感與學習成績之間的關系。研究發現十分有趣：低程度的沉浸感在標準化學習收益上比高程度沉浸感更相關，而科學方面的動機與低程度沉浸感相關。然而，正如研究者指出的那樣，高級別的沉浸感并非沒有益處，而是可能與其他類型的學習成果有更強的關系，這有待進一步研究。

2.2提升認知水平

2009年美國國家科學研究委員會（National Research Council，簡稱NRC）報告提出了一種科學學習模式，強調讓兒童參與科學推理和科學活動反思以及科學興趣發展的重要性。AR在提升學生深層次認知能力、創造力和批判性思考上展現出極大的優勢，AR能夠在沉浸式安全的環境中，化抽象為具體，通過模擬體驗縮小理論和實踐的差距，降低認知負荷，通過持續的刺激和反饋，學習者的知識留存度也得到了提升。除此之外，有研究表明，通過AR學習，學習者的注意力和節奏控制能力增強，甚至在學習動力、興趣、自信心等方面都有所提高。

學者對科學博物館的相關研究表明，AR的互動性、動態可視化特征，能夠提供更加細致且聚焦的動態信息，抓住學生的注意力，達到概念理解的目的，不論是簡單概念，還是復雜概念，都能起到促進概念理解的效果。

還有一部分的研究采用對比試驗的方法，證明AR與其他教學方法相比，學習成績有更大的提升。此外，AR還能提高和促進學習動機的注意力、置信度和相關性等。如Huang等人在植物園中，對比試驗了導游組、AR組和AR+導游組3種教學過程，研究表明：AR的引入比傳統導游更能提高學生的成績，促進學生的積極情緒。除了其他教學方式與AR的對比試驗以外，研究者也關注AR本身輔助策略的改善。例如Hwang的蝴蝶生態園研究，在移動AR學習基礎上引入游戲中的競爭博弈策略，發現形成競爭性移動AR游戲更能提高學生的學習成績，激發學生積極的學習態度。

Tscholl和Lindgren的研究表明，在科學中心支持親子對話交互表演AR展品，有助于學生對科學概念的理解和反思，促進學生科學思維的發展。家庭創建邀請反思和迭代的交互式表演空間——MEteor，并在其中明確地加入會話支架（指的是把復雜任務分解，以便于將學習者的理解逐步引向深入），促進了父母與孩子的對話互動，支持了對物體在空間中的運動、重力影響、軌道的性質等行星運動的物理學的理解。這些對話互動不僅包括直接的感知對話支持，還通過提出和回答問題，逐漸迭代地構建對小行星模擬軌跡的理解的對話支持。他們的后續研究進一步證實了這一發現。

另外，支持互動的移動式AR系統也同樣有利于學生科學推理等高階思維的發展。Chiang等人在基于探究的移動AR系統與傳統移動學習在學生的學習模式和互動方面進行差異研究時發現，實驗組（AR組）相比于對照組（傳統）更能實現高階知識建構和高水平的思考和認知，在學習模式中AR組能呈現更多超越引導的探究交互，能夠發生更多的知識構建行為，從而產生更具創造性的結論。

2.3包容性別差異

AR技術能夠提供協作式學習環境，還能幫助不同學習者進行個性化定制，提高學習者對學習的積極性，激勵學習者自主探索。除此之外，AR能夠針對不同群體的學習者提供一個包容的學習環境，在18篇論文中，體現較為明顯的群體差異為男女群體差異，研究者認可敘事+競爭策略的共同引進，以包容男女群體偏好的差異。

在以敘事推動的移動AR游戲中，不同性別在游戲中的表現、對游戲的感知以及互動的方式方面有顯著的差異。Bressler和Bodzin的法醫科學AR游戲的研究發現，游戲過程中，男生和女生有著不同的表現，女生在游戲中看起來更有條理，她們徹底閱讀并穩步前進，男生滿意于技術和游戲形式，有時會更傾向于選擇奔跑至下一個地點。Inal等人認為女生更加關注敘事，男生更加關注游戲規則和游戲，性別可能決定了游戲中哪些方面是令人愉快的口嗣。性別在互動中具有差異這一現象在其他研究中進一步被證實，Atwood-Blaine探討了在敘事性交互AR游戲中，男生和女生之間的游戲感知和互動差異。結果顯示，女性更喜歡努力工作和合作的樂趣，男性則更傾向于輕松有趣和體驗競爭力的樂趣。因此，AR游戲設計同時包含不同性別乃至不同群體（如自閉癥、閱讀障礙）適應性元素，有助于營造一個包容的學習環境，減少學生之間的差距。

3AR輔助非正式科學教學的基本策略

AR學習環境的設計采用了多種教學方法，基于本文研究的文獻，根據最顯著的特征，歸納了4種非正式教學策略。每種策略可能包含幾種學習方法，并且某些子方法可能會重疊。表2呈現了非正式科學教學基本策略的區別。

4種策略中，AR的使用特點各有不同。相較而言，基于環境觀察的綜合學習模式更加注重與物理環境的交互，基于游戲敘事探究角色扮演模式則更加強調將游戲內部的情節、角色扮演、競爭挑戰等嵌入到真實的環境中。前者以現實環境為主，后者以虛擬環境為主。基于探究教學的發現模式，強調相關領域的探索發現，注重探究過程中問題的設計。而基于展品互動的支架模式，一般發生在以概念原理為展覽主體的科技場館，為了某一事物概念或原理的理解和掌握，設置一系列任務讓學習者去完成，逐步加深對知識的理解。

AR輔助非正式科學教學的策略與非正式環境息息相關，在植物園環境下，AR技術與人工導覽相結合的方式更能輔助學習者的知識構建;在以教育游戲為學習載體的環境下，AR游戲內嵌入故事敘述方式、個人或團體競爭策略能明顯包容性別差異;在池塘和生態園等實地考察環境下，融入探究教學設計的AR輔助能激發學生有意識地進行探究并深入了解相關概念;科技館中展品本身為AR載體，輔以相應的學習支架，能讓學習效果最佳。

3.1基于環境觀察的綜合學習模式

在植物園探究式生態教育中，學生往往依賴環境的觀察和環境的互動，且以植物園中的植物（或動物）為學習主線。這種基于環境觀察的“技術一人”綜合學習模式不會給學生帶來額外的認知負擔，而是產生互補效應。工作人員的友好指導有助于彌補學生因使用不熟悉的技術而產生的潛在異化，而個性化技術則克服了人力資源缺乏所帶來的問題，有利于學習效果的最大化。

Zimmerman等人利用移動AR設備和自然工作者輔助的方式進行學習，其中自然工作者起到導覽、鼓勵掃描二維碼、鼓勵家庭成員之間進行談話、使移動設備中的內容與現實環境中植物特征相對應的作用。研究者發現，雖然自然教育工作者基本不提供科學內容信息，但他們能夠很好地調節家庭的注意力，從而促進現場觀察、理解和反思的相互作用。但研究者不確定自然工作者輔助支架是否是臨時性的支架。

與Zimmerman的研究中強調的自然工作者輔助作用不同，Huang等人的研究直接證實了“技術一人”結合模式在生態教育中的有效性。他們將AR+自然工作者作為實驗組B，該組通過AR系統和自然工作者共同指導完成學習。其他兩組分別是AR組和導游組。研究表明，B組對學生情緒、參與水平、學生成績都有最顯著的積極影響。相比而言，AR組學生僅依靠系統的建議學習和導游組，只能進行有限的信息搜索、觀察、記憶和理解植物相關信息，混合學習組更具有優勢。因此，雖然技術可以實現信息傳遞，但人機交往和支持對于提高學習者參與度仍然至關重要。

3.2基于游戲敘事探究的角色扮演模式

早期關于教育游戲中性別差異的研究表明，相較于男孩，女孩玩視頻游戲的經驗普遍少于男孩，女孩對視頻游戲的關注度往往比較低。對于移動AR科學教育游戲而言，那些在玩視頻游戲方面更有經驗的人更有可能接受使用數字游戲學習。因此，更好地理解女孩與教育游戲互動的不同方式，對于如何通過教育游戲讓女孩參與科學教育具有重要意義。

研究表明，敘事推動的基于探究的角色扮演AR游戲，對男孩和女孩都具有強大的吸引力（性別差異在互動形式上的差異已經在上文“包容群體差異”中詳述，這里不再贅述）。它通過敘事吸引女孩，女孩可以基于游戲故事線索，在與其他角色協作的過程中獲得樂趣。它也為男孩提供了吸引人的游戲特征，男孩體驗游戲作為學習的輕松形式，在合作中與其他小組產生對抗和競爭，享受競技的樂趣。由此，男生和女生都能夠具有類似程度的沉浸體驗。

3.3基于探究教學的發現模式

當AR課程關注探究式教學本身時，AR應用本身就需要遵循探究學習互動教學法進行設計。Chiang等人根據Bruce和Bishop提出的圍繞學生學習4大類水生植物的形態特征、結構和分類的學習目標，利用基于探究的學習活動五步法設計AR設備的引導和學習內容，即詢問、調查、創造、分享、反思。該設備側重創造、分享的討論過程，學習者通過知識共享參與探究學習，促進知識轉移創新，達到個人知識構建的目的。

除五步探究教學法以外，Huang等人將AR技術與Kolb的經驗學習周期的4個階段相結合，構建了基于生態發現的AR學習模型EDALM。包括具體經驗、反思觀察、抽象概念、積極體驗4個部分，具體如圖1所示，該系統主要起到引導學習者關注學習區域，豐富現實世界的探究體驗的作用。

3.4基于展品互動的支架模式

支架思想來源于維果茨基的“最近發展區”理論，學生在教師搭建的輔助支架的基礎上學習，跨越最近發展區。科學中心或科學博物館中以AR技術為依托呈現的展品，往往以較為具體的概念作為學習內容的切入點（如伯努利概念、重力星球軌道、磁體和磁場等），幫助學生理解相關概念。基于展品互動的探究模式涉及增強現實支架、基于文本支架、協作支架的配合使用，用來增進對具體科學概念的理解。

增強現實和各種其他學習支架如何在科學博物館中促進參觀者更深層次的概念和認知理解？Yoon為主的研究團隊對此展開了一系列研究，并為如何展開基于AR展品探究學習提供了有益的建議。研究發現，數字增強、發布問題和參與協作組可能是改善概念學習（內容知識）的最佳設計，這種設計在改善概念學習時能夠同時保留非正式參與行為。

研究團隊進一步深入探究增強現實支架、文本支架、協作支架對學習者協作最重要的方面，分別在于訪問隱藏信息的能力、提供如何進行展覽交互的說明、接受有關自己理解的反饋3個方面。AR用來顯示隱藏的信息，文本支架提供了信息和討論主題（學生試圖回答的問題是科學的基本方面），協作支架幫助他們獲取其他學生的想法以及小組對自己想法的反饋。實驗數據最終表明，與只使用一部分支架的人相比，能夠運用所有支架的學生對概念有著更加深入的理解。

4結論與未來展望

研究發現，首先雖然有少數的研究者關注更高階科學思維的發展，以及情感中沉浸體驗的獲得，但絕大多數研究者關注AR對學生知識方面的積累和提升，直觀的成績影響和間接與成績相關的影響經常被考慮在內，兩者與科學教育的知識與技能培養目的相關聯。AR輔助知識增長的確是需要考慮的重要范圍，但大部分的實驗僅僅是短期的測試結果，長期的效果并未證實，學生剛接觸AR教學的新鮮感可能會對實驗有一定影響，長期接觸是否會有不同的效果，該猜測尚未證實。

其次，相對于知識增長而言，AR在未來對科學教育的態度、興趣等心理層面，以及情感層面的提升和科學思維的發展等，能夠對學習者產生深遠的影響，但這些層面更加隱晦，研究者關注較少，也是未來研究需要繼續探索的方向。

再次，AR可以幫助教學達到個性化學習的目的，對不同需求人群學習需求的關注則能更好地推動AR輔助教學的發展。研究中主要出現了對不同性別人群需求的分析，讓更多人在AR輔助下在非正式場景中享受學習科學的樂趣。

最后，研究還發現，非正式環境的不同，AR的輔助模式需要發生相應的轉變，呈現出不同的教學策略。植物園中的非正式教育采用的探究模式基于觀察，以物為學習主線，在“技術一人”綜合學習模式下能夠體現較好的教學效果。游戲敘事推動角色扮演探究模式有助于平衡性別差異，幫助女學生體驗到與男學生同等的沉浸效果。在探究教學的發現模式中，AR學習系統設計遵循探究教學的理論模式，更能滿足戶外探究學習的需求。在科學場館中，AR互動展品在多種支架的配合下能夠達到更好的知識建構和內容理解。2013年，教育部首次提出并倡導“研學旅行”，由此研學旅行在全國范圍內如火如荼地開展起來，在此背景下，非正式環境下的學習也逐漸成為了中國學生學習的一部分，正在發揮著越來越大的作用，根據非正式環境的特點為學生提供科學學習的教學策略，能夠為學生帶來更優質的學習體驗、更深入的探究和自我提升。

基于研究，筆者發現在AR輔助非正式科學教育方面，還有存在諸多值得深入挖掘的地方。研究中主要涵蓋的科學主題為物理和生命科學，AR在其他科學領域，單科的如化學或者多學科交叉融合主題AR到底有什么發展潛能，需要更多的研究關注。研究中關注的學習成績往往是對概念內容的理解測試，對于概念應用于具體問題的解決以及其他技能方面的發展沒有過多地深入研究，研究也缺乏動機對學習成績影響機制探究。除了在性別方面，AR在不同學習層次的學生，如身體障礙的學生中又有怎樣的差異體現？也有待探索。上述研究上的局限也意味著增強現實技術輔助非正式科學教育仍需要進一步的研究。

在本研究中，筆者歸納梳理了不同的教學策略，未來的研究也許可以在同一學習內容的情況下，探究不同學習策略之間的差異，展開對“技術一人”模式中“人”的輔助是臨時的還是永久的討論，以及探索或者補充更多有效的教學策略。

[責任編輯 馬曉寧]