增強現實技術對設計類學生學習績效影響的實證研究

范大偉 王新燕

摘要：本研究以產品設計課程為例，運用增強現實技術進行課堂教學，并將之與傳統教學方式進行實證對比，研究分析設計類課程教學活動中學生元認知水平、自我效能、學習態度因素對學習績效產生的交互作用影響。通過描述性分析、獨立樣本t檢定及回歸分析探討兩種教學方式下，學生的元認知、自我效能及學習態度之間的差異，以及三者與學習績效的影響關系。元認知、自我效能與學習態度三者均對學習績效具有積極正向影響。其中元認知與自我效能對學習績效的影響已達顯著。在課堂教學中合理運用增強現實技術，有助于提高學生的元認知水平，并進而對學生學習績效產生積極正面影響。

關鍵詞：增強現實技術學習績效元認知自我效能學習態度

中圖分類號：G642

文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2021）05-0109-03

引言

增強現實（Augmented Reality，以下簡稱AR）技術是指通過計算機技術將虛擬信息（如三維模型、圖像和文本信息）融合入真實世界，同時結合視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺等多感官刺激，使觀者產生一種超現實的感覺。近年來，隨著AR技術的迅速發展及其在移動終端設備使用上的成熟，國內外對其在教育領域的應用做了很多探索研究，如工程類學科、人文社會學科和藝術類學科。不同的學科與AR技術結合的角度不同，但落實到具體的課堂上，AR技術均能對課堂教學環節產生較強的促進作用。研究表明，AR技術可以在課堂教學中提高學生的學習績效[2]，它可以讓學生在三維視圖中查看學習內容，通過從不同的角度觀察三維物體或課堂材料來幫助學生理解。另外，AR技術還可以促進學生對學習內容的理解，激發學習興趣與學習動力3。

然而，AR技術在教育領域的應用并非沒有挑戰，例如使用AR應用程序的難度和時間消耗問題。這種情況通常會降低學生的學習信心與認知，給學生帶來消極的學習態度。因此，本研究將AR技術融入課堂教學實踐，并與傳統教學進行實證對比研究，以確定AR教學是否提高了學生的學習績效，并針對學生的元認知、自我效能及學習態度三者與學習績效的關系進行深入探討分析，以期為AR技術在教學實踐中的應用提供實證經驗與未來研究建議。

一、文獻探討

（一）AR教學：AR技術實現了虛擬對象與真實世界的實時共存與自然交互，國內外當前研究顯示，AR技術可以顯著提高學生的學習績效。然而，現階段有關研究較多專注于分析某一獨立因素影響，忽略了實際教學活動中大多同時存在多種因素且對學習績效產生交互作用影響。傳統教學是最具代表性的主流教學方式，較多采用PPT講解結合課程講義的方式，教學結構是以老師為主導的金字塔形封閉式，較難達成教與學的良性動態平衡。而AR技術作為一種新興的教學手段，可以通過真實信息與虛擬信息的疊加為學生提供一種全新的學習體驗和沉浸式的學習環境。AR教學雖然不能完全取代傳統教學，但用AR技術來強化傳統教學并在教學活動中綜合運用這兩種方法，可以達到最好的教學效果，讓學習者樂在其中。

以工業設計專業課程教學為例，本專業教授內容較多基于學生對三維空間的理解與學習，當介紹三維概念時，僅僅使用二維方式呈現教學內容很難幫助學生獲得透徹的理解。即使是空間學習能力較強的學生，在學習三維概念時，也要比學習其他類型的概念付出更多的努力。另一方面，高質量的教學需要學生具有積極參與的學習態度。然而，當使用傳統的教學方法來教授三維概念時，由于空間想象難度較大，學生往往會失去興趣，在課堂上投入少，甚至會出現逃課現象。

相較于傳統教學方式，AR教學更容易培養學生的創造力和想象力，有助于學生按照自己的節奏控制學習進度。尤其在設計類專業的課程教學中，需要學生在課堂上具有良好的空間想象能力和發散的創新思維能力。研究表明，AR技術可以有效提高課堂教學效果4。例如，AR技術可以吸引和激勵學生從不同的角度主動探索學習資料，還可以幫助學生理解復雜的空間概念。除此之外，AR技術對于提高學生認知能力也有一定幫助。

綜上，在教育中使用AR技術可以有效地提高學生的學習績效。因此，在課堂上合理運用AR技術，可以使學習者在虛實結合的教學情境中全身心沉浸于學習內容，除了極大地提升學生學習興趣[5]、學習動機以及增強學習信心之外，更是為提高學習者的學習績效提供了可能。

（二）學習績效及其影響因素

1.學習績效：Katzetal.（2011）[6]指出，學業成績、學習成果、學業成就或學習成就這幾個詞表達的是相同的思想，即學生的學習績效，或通過學習所取得的持續性結果。學習績效是衡量學習者學習效果的重要指標，也是評價教學質量高低的主要項目。Kirkpatrick&Kirkpatrick（2006）[7]提出績效評估的四層次模式（four-level traininge valuations model），依次為反應、學習、行為、成果四項（圖1）。其中，反應層次是指學習者對學習課程的喜愛程度，衡量依據為學習者關于課程的學習體驗，如課程內容、教師、課程教學安排等滿意程度;學習層次指學習者是否學習到知識、技能;行為層次是指學習者在學習結束后是否改變其行為;成果層次則衡量學習者將學習內容加以應用的程度。

本研究中的學習績效評估基于Kirkpatrick&Kirkpatrick四層次評估模式，著重于學生的學習體驗與知識、技能方面的學習成就感。如學習很好地激發了學習興趣，感覺學習到了有價值的東西，并希望老師繼續采用此種教學方式，愿意向同學推薦此種學習方式;通過學習，知識和技能都得到了很好的提高，增加了學習課程的信心與動力等。

2.學習績效影響因素：影響學習績效的因素較多，其中一個重要因素是學習態度。學生的學習態度會對學習績效產生重大影響，較低的學習績效通常與學習態度不佳有關。同時，學生態度是衡量學生對教學方式及激勵措施接受程度的重要指標，許多教學過程面臨的最大難題就在于如何培養學生積極的學習態度。實證發現，大部分學生的學習態度和AR技術的使用呈正相關[8]。

另一重要因素為學生的自我效能。Bandura（1993），Bouffard-Bouchard T（1991）[9，10]的研究表明，自我效能高的學習者在面對困難時會更加堅定，在學習活動和問題解決能力上表現也更好。Pajares F（1996）[1]等人也認為，當學習者對自己的學習能力有信心時，會為自己設定更高的學習目標，并愿意參與富有挑戰性的學習任務與活動。學習信心是自我效能高低的具體表現，自我效能的高低決定了學生的學習信心與自主性，進而影響其學習態度與學習動力。AR教學對學生獨立學習能力具有一定要求，需要學生具有較高的自我效能進行自我調節并不斷激勵自己完成學習過程。因此，自我效能高的學生很有可能在數字化學習環境中取得成功。

此外，研究表明，學習者的元認知水平是學習績效高低的最強預測因子之一[12]，它被稱為“反思、理解和控制一個人學習的能力”，可以提高學習者的理解能力與水平[13]。元認知對數字化學習者的學習過程有著非常重要的影響。具有較高元認知水平的學習者傾向于應用更多的認知策略，元認知水平較高的學生往往具有更好的自我監控和自我調節學習的能力，進而可以取得較為理想的學習績效。

現階段有關學習績效的研究較多專注于分析某一單獨因素影響，但實際教學活動中以上因素均有可能同時存在且對學習績效產生交互作用。因此，本研究基于Kirkpatrick&Kirkpatrick（2006）的學習績效四層次評估模式，研究不同教學模式下，學習者的學習態度、自我效能及元認知水平對學習績效的影響差異，擬通過課堂實證回答以下四個問題：

（1）教學方式是否以及如何對學習者的學習績效造成影響;（2）教學方式對學習者的學習態度、自我效能及元認知是否造成影響;（3）教學方式是否會對不同性別學習者的學習績效造成影響;（4）元認知、自我效能、學習態度三者與學習績效之間的影響關系。

三、研究設計

本研究選擇《產品造型設計》課程中的關于產品色彩搭配的知識點（以水杯設計為例），學生采用HelloAR應用軟件進行知識點學習，該應用可以通過手機掃描二維碼進行免費安裝。為減少選擇偏差，獲得更準確的效果，受測者被隨機分配到兩個組：傳統組與AR組。所有學生在實驗結束后均可共享課程資源。實驗過程記錄見圖2。

（一）研究框架：為確保受測者處于同一專業水平，受測者選擇工業設計專業大一新生。兩組大一學生（每組48人）分別在《產品造型設計》課程上進行了一次專業內容學習，知識點為“色彩在產品設計中的重要性”。學生可以通過軟件界面的操作，完成產品色彩的搭配設計。課程結束后，學生需要根據所學內容完成一項色彩設計任務。然后，教師對兩組學生的課堂表現及任務完成情況進行教學評估，并指導學生完成調查問卷填寫。研究框架見圖3。

（二）問卷設計：在參考相關文獻的基礎上結合專業特色，最終將研究問卷題目分為四大部分：第一部分為基本資料，第二部分為元認知測試，第三部分為自我效能測試，第四部分為學習態度測試。各量表依Likert五點量表設計，受測者依“非常不同意”至“非常同意”的程度分別給予1-5分，圈選分數越高，同意程度越高，而分數越低，則同意程度越低。另外，為使正式問卷的題項敘述更能代表各研究變項，在問卷設計完成后邀請30位同學進行了問卷前測的填寫。為提升本研究問卷的信度與效度，于前測問卷回收且經由統計分析后，針對問卷的語意對問題進行修正與改善，獲得最終正式問卷。

1.專家效度：專家效度亦屬于內容效度，本研究邀請相關教育領域專家，包括兩位具備設計專業教學十年以上教齡的副教授與兩位教育服務領域專家，協助檢查問卷的內容與格式，對問卷內容編排、問題針對性等進行審核與修正。本研究依據專家學者所提供的修正意見加以整理，確立問卷的專家效度。

2.信度分析：本研究對調查問卷進行信度分析，分析結果顯示其Cronbachs alpha內部一致性系數為0.91;吳明隆（2010）認為量表的內部一致性信度系數最好在0.60以上。本研究問卷經過信度分析驗證后，總量表信度介于0.617到0.829之間，已達量表信度標準，具有良好的內部一致性信度。

四、分析與結果

（一）傳統教學與AR教學對學習績效的影響分析：對兩組學生的學習績效進行獨立樣本t檢定，分析結果如表1。結果發現：傳統教學與AR教學在學生的學習績效方面存在顯著差異（t（94）=-3.018，p=0.0003），傳統組學習績效（M=4.27，SD=0.65）小于AR組（M=4.60SD=0.42）。即，采用AR技術教學的學生組的學習績效顯著高于傳統教學組。研究表明，相較于傳統教學方式，AR技術在教學上的運用確實有助于提高學生的學習績效。

（二）教學方式對不同性別學生的學習績效影響：以二因子獨立樣本ANOVA分析教學方式、性別對學習績效的影響，各描述統計如表2。研究發現：教學方式對學習績效存在顯著影響見表3，F（1，92）=7.298，p=0.008，傳統教學組（M=4.27，SD=0.65）學習績效顯著低于AR教學組（M=4.60，SD=0.42）。另外，教學方式與性別不存在顯著交互作用，F（1，92）=3.047，p=0.084。即教學方式對學習績效的影響，并不視性別而定。AR教學方式下，所有學生均顯著提高了學習績效。

（三）不同教學模式對元認知、自我效能及學習態度的影響分析：針對兩組學生的元認知、自我效能及學習態度進行獨立樣本t檢定，分析結果如表4。結果發現：傳統組與AR組在學生的元認知水平存在顯著差異（t（94）=-3.00，p=0.004），傳統組（M=3.83，SD=0.92）小于AR組（M=4.30，SD=0.55）。即，采用AR技術教學的學生元認知水平顯著高于傳統教學組，AR技術在教學上的運用促進了學生的元認知能力的提升。然而我們并未發現兩組學生在自我效能與學習態度上存在顯著差異。這有可能是由于學生對于數字化學習的認識不夠，在觀念上把AR教學當作一種“教輔”，導致學習態度的松懈。另一方面，大部分受測者之前從未接觸過AR技術，在教學互動過程中有可能喪失信心，不相信自己能夠通過AR互動將知識整合成符合常規的知識體系并加以利用，最終導致AR組學生的自我效能較低。

（四）元認知、自我效能、學習態度三者之間的關系：本研究通過傳統教學與AR教學兩組實證分析，探討教學方式對學生學習績效的影響差異，并以回歸分析探討元認知、自我效能、學習態度與學習績效的關系。由表5可知，三者對學習績效均具有正向影響，其中元認知與自我效能對學習績效具有顯著影響效果。整體而言，元認知、自我效能、學習態度三個向度可解釋學習績效69%變異。

以回歸分析檢驗元認知、自我效能、學習態度與學習績效之間的關系。結果顯示，在考慮其他變項下，元認知與學習績效有顯著關系（B=0.72，p《0.001），即學生的元認知水平越高，學習績效也越好;同時，自我效能對學習績效亦具有顯著正向影響（=0.17，p=0.024）。然而本實驗中并未發現學生的學習態度（=0.13，p=0.11）對學習績效具有任何顯著影響效果。

結論

本研究基于Kirkpatrick&Kirkpatrick（2006）的學習績效四層次評估模式，以產品造型設計中的知識點學習為例，將AR教學與傳統教學方式進行課堂實證對比研究，通過描述性分析、獨立樣本t檢定及回歸分析，探討不同教學方式下學生的元認知、自我效能及學習態度之間的差異，以及三者與學習績效的影響關系。研究表明：

第一，元認知、自我效能及學習態度三者可以解釋學習績效近七成的變異量，且三者均對學習績效具有正向影響，其中元認知與自我效能對學習績效的影響已達顯著。本研究發現，將AR技術運用于教學實踐，特別是設計類專業課教學中有助于提高學生的元認知水平，并直接作用于學習績效的提高，且該影響并不與學生性別相關。第二，研究中未發現AR技術對學生的自我效能以及學習態度存在任何顯著影響，該點可能是由于AR教學方式尚未普及，學生對待數字化教育的態度以及接受程度普遍較差而導致的。

基于以上研究結果，本研究提出以下建議：第一，學校管理者與教師重視AR技術在教學中的應用，幫助學生樹立正確的數字化學習態度，積極增加學生對數字化學習的期待;第二，在學生初次使用AR技術進行自主學習時，教師如果可以鼓勵并引導學生更好地了解并使用AR技術，學生會有更加明確的學習目標與學習自信心，同時也會對學習成果具有較高的期待，擁有較高的自我效能，從而進一步提升學生的數字化學習績效;第三，在設計類專業課程教學和學習過程中，教師和學生應積極應用AR技術，提升教學和學習成效。

本研究后續將擴大研究對象范圍，針對學習者的信息與文化素養進行差異性分析，以建立更加完整的實證資料，使研究結果更具普遍性;另外，本研究的三個向度元認知、自我能效感及學習態度皆以相關文獻為依據，但由歷年的研究可知，元認知、自我能效的分構面甚多，后續將繼續考量不同分構面來進行深入探討分析，使研究結果更具針對性。。

基金項目：江蘇高校“青藍工程”資助項目（蘇教師[2018]12號）;2020年度江蘇高校哲學社會科學研究項目（2020SJA2221）;2018年度江蘇高校哲學社會科學研究項目（2018SJA2093）;南航金城學院2019年教育教學改革研究重點項目（2019-Z-08）。

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