基于增強現實的翻轉學習設計方法對學生學習的影響

張韶宸，黃國禎，莫 燦

（1.臺灣科技大學 數字學習與教育研究所；2.廣州航海學院 藝術設計學院，廣東 廣州 510725）

一、緒論

在傳統教學中，教師大部分的課堂時間都是在講課；因此，學生很少有機會應用知識、練習，或與他們的同齡人和教師互動。一些學者進一步指出培養學生解決問題和批判性思維等高層次思維能力的重要性，這在21世紀是至關重要的。隨著計算機和多媒體技術的發展，技術強化學習已成為教育發展的重要趨勢。研究人員和學校教師試圖就將技術納入教育環境，使學生處于信息豐富和促進互動的學習環境中。翻轉課堂是一種通過課前瀏覽教學視頻，使學生參與到自主學習模式中的學習方式，可以進行更多的課堂活動，促進同伴互動、練習和師生互動。翻轉學習的目的之一就是培養學生的高級思維。研究者強調了開展學習活動的重要性，讓學生在學校所學知識的基礎上理解和解決復雜問題。項目化學習是一種以學生為中心的教學模式，以教師講授的內容為中心，讓學生探索和解決問題，通過生產過程獲得知識和技能。因此，本研究提出了一種基于AR的翻轉學習系統方法，以提高學生在小學自然科學課程中進行科學項目時的學習表現和批判性思維傾向，以及學習動機和群體自我效能感。

二、基于增強現實的翻轉學習指導方法

本研究開發了基于AR的翻轉課堂教學活動和翻轉學習系統。本研究的結構包括基于AR的翻轉學習系統、翻轉課堂與活動管理系統、電子學習平臺、服務器數據庫管理機制；此外，基于AR的翻轉學習系統包含多個數據庫，包括學習資料數據庫、學生檔案數據庫、學習檔案數據庫和教材數據庫。學習資料數據庫用于存儲補充資料、學習表和指導說明。學生檔案數據庫和學習檔案數據庫分別用來存儲學生的個人信息和學習記錄。此外，教材數據庫是為存儲教師提供的教學視頻而設計的。在本研究中，學習內容基于電磁學的概念，包含在基礎自然與生活技術課程中。學生需要登錄翻轉學習系統學習課前學習內容。學習平臺為學生提供課前學習“電磁學原理”單元內容的教學視頻。學生可以在課堂上反復觀看視頻，并做注釋，提出問題，與同學和教師進行討論。完成學習內容后，學生需要完成工作表，工作表的內容是視頻內容的延伸。例如，他們可能會被要求給出他們生活中電磁鐵應用的例子。學生完成課前學習后，教師將解釋AR的功能，系統引導學生開始電磁實驗操作。系統會引導學生準備實驗設備和道具，并在平面屏幕上顯示操作指導動畫，指導學生如何操作實驗道具。如果學生在操作過程中的步驟出現錯誤，或者將道具放置錯了位置，系統會主動提醒或告知他們，以便他們能夠快速進入學習狀態。該系統根據學生個人在實驗過程中的進步情況進行指導，直至學生完成實驗過程。如果學生想在操作過程中再次測試操作，他們可以選擇他們想再次練習的部分。AR操作系統為他們提供了重新實踐的機會。

三、實驗設計

為了評價基于AR的翻轉學習系統的有效性，在小學科學課堂上進行了一項實驗，比較學生的學習成績、批判性思維、小組自我效能感、學習動機和心理負荷。所選的學科單元為小學自然科學課程“磁力”單元。本單元的目的是培養學生的電磁效應和電磁鐵應用能力。

1.參與者。這項實驗的參與者是來自四個班級的111名五年級學生。將56名學生的兩個班級隨機分配到實驗組，實驗組以基于AR的翻轉學習系統為指導。另外，兩個班55名學生為對照組，采用傳統的翻轉學習方法進行學習。

2.實驗過程。為期6周的實驗過程。在學習活動期間，所有的學生都參與了翻轉課堂。他們必須在家里看課前的視頻和完成作業。因此，實驗組學生在課堂上使用AR操作指導系統進行學習和討論。另一方面，對照組的學生在教師的指導下完成科學項目、工作表和課堂討論。學生完成學習任務的時間，即開發一個電磁鐵電機的時間，在2周內共計210分鐘。兩組在翻轉學習活動中使用相同的學習內容，包括圖片和視頻。此外，教師講授的學習內容與AR指導系統中的內容相同。學習活動結束后，學生參加后測，完成批判性思維、群體自我效能、學習動機、心理負荷等問卷調查。最后，從每組中選出5名學習者進行訪談。

3.測量工具。本研究的研究工具包括測量學生“學習動機”“批判性思維”“群體自我效能感”的問卷，以及測量使用不同方法的兩組認知負荷的問卷。活動開始之前進行的第一個項目與電磁的實施有關。學生們需要利用與帶電粒子之間的物理相互作用有關的知識來制作電磁鐵。在實驗結束時，他們被要求完成另一個項目作為項目的后測試。這兩個項目都是由兩位有經驗的教師評分，他們教授自然科學課程近10年。評分標準包括四個維度：準確性、完整性、復雜性和持久性。滿分為100分。學習動機問卷是在Keller（2010）的基礎上進行修改的，本研究共有6個項目。本問卷采用李克特五點評分法，1分表示高度同意，5分表示高度不同意。問卷的Cronbach's alpha值為0.90。批判性思維傾向問卷包括6個項目和一個5分的評分方案。問卷的Cronbach's alpha值為0.71，內部一致性具有良好的可靠性。小組自我效能感問卷由7個項目組成，使用李克特五點量表，范圍1—5。問卷的Cronbach's alpha值為0.82，說明問卷是可靠的。認知負荷問卷包括兩個維度的八個項目；即“心理負荷”項為5項，“心理努力”項為3項。問卷和兩個維度的Cronbach's alpha值分別為0.97和0.88。本研究的訪談問題由七個問題組成，收集學生對學習活動的看法。將訪談內容錄制為音頻文件進行分析。面試問題的例子包括“這種學習方法最大的好處是什么？”“你為什么這么認為？”“請舉例說明‘這次學習活動的經歷和你之前的學習經歷有什么不同？’”

四、實驗結果

實驗結束后，采用ANCOVA（協方差分析）分別排除前測試成績和前問卷評分的影響，從不同維度考察學生的自然科學學習成績和對學習活動的看法。

1.知識考試學習成果分析。在進行ANCOVA分析學生學習成績之前，對兩組學生的前測試成績進行回歸系數的同質性檢驗，并確認F=1.26（p＞0.05），說明ANCOVA可以用于分析兩組學生的后測試成績。對照組的測試后得分的調整平均值和標準誤差為84.53和1.10，實驗組為86.98和1.10。結果顯示（F=2.49，p＞0.05），兩組知識測試得分差異無統計學意義；也就是說，AR操作指導系統對于學生在翻轉課堂中獲取知識的益處并不比傳統方法多。

2.分析項目績效。在進行ANCOVA分析學生的項目表現之前，對兩組學生的第一個項目得分進行回歸系數的同質性檢驗，并確認F=0.70（p＞0.05），說明ANCOVA可以用來分析兩組學生的第二個項目得分。對照組第2個項目得分的調整平均值和標準誤差分別為85.08和1.10，實驗組為93.97和1.09。結果顯示（F=33.21，p＜0.001），兩組之間存在顯著差異；也就是說，采用AR操作指導系統翻轉課堂學習方法的學生同采用傳統翻轉課堂學習方法學習的學生相比，項目績效顯著提高。此外，η2的價值為0.43，表一個溫和的效果。

3.學習科學的動力。在學習動機方面，在進行ANCOVA分析學生的學習動機之前，對兩組學習動機評分的回歸系數的同質性進行了測試，并確認了F=0.01（p＞0.05），表明ANCOVA可以用來分析兩組的學習動機評分。對照組學習動機評分的調整均值和標準誤差分別為2.56和0.89，實驗組為4.10和0.88。根據結果（F=139.00，p＜0.001），兩組之間存在顯著差異。即采用AR操作指導系統的翻轉課堂學習方式對提高學生的學習動機有顯著影響。η2的值為0.56，代表一個溫和的效果。

4.批判性思維傾向分析。對照組的測試前評分的平均值和標準偏差分別為3.91和0.61，實驗組為3.36和0.35。在驗證了F=0.401不違背回歸同質性假設（p=0.528＞0.05）后，很明顯ANCOVA可以用于分析兩組的批判性思維等級。對照組測試后得分的調整平均值和標準誤差為2.59和0.11，實驗組為4.13和0.10。結果顯示（F=95.66，p＜0.001），兩組之間存在顯著差異；也就是說，采用AR操作指導系統的翻轉課堂學習方法學習的學生同采用傳統翻轉課堂學習方法學習的學生相比，學習成績顯著提高。η2值為0.49，表明適度的效果。

5.群體自我效能感分析。在學習動機方面，在進行ANCOVA分析學生群體自我效能感之前，對兩組的自我效能評分進行回歸系數的同質性檢驗，并確認F=0.40（p＞0.05），表明ANCOVA可以用來分析兩組的群體自我效能評級。對照組問卷后得分的調整平均值和標準誤差為2.24和0.85，實驗組為4.17和0.84。結果顯示（F=57.75，p＜0.001），兩組之間存在顯著差異。即采用AR操作指導系統的翻轉課堂學習方式能夠顯著提高學生的群體自我效能感。η2的值為0.46，表明適度的效果。

6.認知負荷分析。為了比較使用AR操作指導系統的翻轉課堂學習方法和傳統翻轉課堂學習方法學習的學生的認知負荷，采用t檢驗檢驗兩組的差異。對照組和實驗組問卷后得分均值均為2.36分，兩組比較差異無統計學意義。

7.訪談結果。訪談以焦點小組的形式進行，時長20分鐘。一組是實驗組的5名學生，另一組是對照組的5名學生。通過分析學生的反饋，發現實驗組學生一般對翻轉學習中使用AR操作指導方法持有三種觀點，也就是說，他們可以“按照自己的節奏練習”，提供“個性化指導操作”和“增加了感興趣的活動”。例如，A10說：“當老師在課堂上教我們的時候，很多步驟我都不知道該怎么做。”但是增強現實操作指導方法可以讓我再次重復這個操作。A07表示：“增強現實系統既有趣又智能。”它知道我當前的進度速度，并提供我需要的提示和指示。因此，實驗組學生可以通過AR系統的引導，按照自己的進度進行學習。同時，在學習過程中，他們可以找到必要的步驟和技巧來幫助他們在學習過程中完成電磁馬達。

五、討論和結論

本研究提出了一種基于AR的翻轉學習系統方法。實驗結果發現，在AR引導機制的幫助下，學生的學習成績，即學習動機、批判性思維傾向、群體自我效能感均有顯著提高。實驗結果和學生訪談的結果證實一些研究人員提出的概念，即通過在學習過程中從學習系統中提供AR組件（文本、動畫、圖片等），學生能夠學習課程內容并以更有效的方式完成學習任務以及提高他們的練習技能。因此，采用AR操作指導系統的翻轉課堂學習方式能夠鼓勵學生進行更多的互動和練習。