AR教育游戲環境下的學習投入識別模型構建

方開亮 高俊杰 何玲

10.3969/j.issn.1671-489X.2022.04.035

摘 要 針對AR教育游戲支持的游戲化學習場景，從課堂學習體驗的視角，以游戲化學習理論、情境認知學習理論、動機理論和建構主義學習理論為支撐，通過在小學科學課中應用AR教育游戲，分析課堂錄像中的學習投入，構建基于AR游戲化學習環境的學習者學習投入識別模型，為促進在AR教育游戲環境中的學習者學習投入提供實際參考，為新技術促進課堂教學效果提供依據。

關鍵詞 AR教育游戲；學習投入識別模型；游戲化學習；小學科學

中圖分類號：G642.0 文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2022）04-0035-05

Construction of Learning Engagement Recognition Model

in AR Educational Game Environment//FANG Kailiang， GAO Junjie， HE Ling

Abstract This study will focus on the game-based learning scenario supported by AR educational games， from the per-

spective of classroom learning experience， supported by game-

based learning theory， situational cognitive learning theory，

motivation theory and constructivism learning theory， through

the application of AR educational games in primary school

science class， analyze the learning engagement in classroom video， this paper constructs a recognition model of learners learning engagement based on AR game-based learning en-vironment， which provides practical reference for promoting

learners learning engagement in AR educational game en-

vironment， and provides basis for new technology to promote

classroom teaching effect.

Key words AR educational games; learning engagement recog-

nition model; game-based learning; primary school science

0 引言

游戲化教學在教育領域具有廣闊的應用前景，尤其是教育游戲這一在游戲領域衍生出的新的教育形式。其中，以移動終端為代表的數字化游戲因其自身的便捷性和易擴展性，使它容易與教育信息化時代的一些新技術相結合，從而呈現出新的教育功能。增強現實（Augmented Reality，AR）便是在信息化背景下產生的一種將虛擬化的物品或場景融合到現實環境中的技術。AR教育游戲通過選取不適用傳統教學方法的教學內容，讓知識呈現在游戲化元素中，從而降低學生的學習焦慮。但是，AR教育游戲應用到教學中存在兩個問題：一是在AR教育游戲環境下教師該如何進行教學；二是新的教學形式下如何判斷學生是否發生學習投入?；诖?，在AR教育游戲化環境下構建學習投入識別模型是有必要的，對今后運用AR教育游戲進行教學具有一定的啟發。

1 AR教育游戲環境下的學習投入識別模

型構建的理論基礎

Polona Caserman等[1]將嚴肅游戲分為健康游戲和教育游戲。教育游戲通常是指用來提高玩家學習動機水平和增強學習效果的一個可靠而有效的工具。AR教育游戲即指采用AR技術開發的具有教育性的游戲工具，采取這一新的教學工具的環境被稱為AR教育游戲環境。學習投入指學生在學習過程中采取的學習態度和活動。學習投入是衡量學習效果的一個重要參考，也是AR教育游戲環境下檢測學習滿意度的重要指標。依據在AR游戲化學習環境下所特有的理論體系來支撐學習投入識別模型的構建，能夠有效促進利用AR游戲化教學對課堂教學質量的提升，增強學生的參與感和自我效能感，提高學生的學習投入。

1.1 游戲化學習理論

游戲化學習（Game-based Learning）指教師在教學過程中采用游戲化的教學形式，讓學生以輕松愉悅的游戲方式來獲取知識，能夠在愉快的學習體驗中獲得知識、技能與態度等[2]。游戲化學習是以游戲的各種形式開展教學活動，將游戲作為輔助教學的手段，提供支架式的教學引導，不僅僅是作為微觀層面的使用[3]。本文主要依托游戲化學習中的三種核心教育價值，利用移動終端的AR游戲開展教學來探究學生的學習投入和構建識別模型。

1.2 情境認知學習理論

情境認知學習理論由美國心理學家馬斯洛和羅杰斯創立并且進一步發展。它認為知識是在一定的情境中獲取的，基于情境化的學習有助于學習者得到知識的建構協商[4]。學習活動本身并不是獨立的，需要結合一定的教學場景來開展。學習者進行知識獲取時，不僅有單向的信息獲取環節，還有對信息進行加工處理并作出反饋的過程。利用AR技術開發的教育游戲應用將虛擬場景和真實場景結合，支持學習者通過移動設備在規定的虛擬場景中與真實情境產生互動，促使學習者在情境中進行學習，基于AR特殊的教學環境來提升學習者的學習投入度，以期利用新的教學手段增強教學效果。

1.3 動機理論

動機是影響學習者學習成效的重要因素之一。心理學家將動機解釋為一個能引發并且保持某種傾向的過程。利用動機理論指導教學，必須為預期發生的學習行為采取一定的動機激發策略。AR教育游戲具有放松玩家身心的特性，還具有為教育服務的特性，它的游戲性可以誘發學習者在學習過程中的參與度，它的教育性可以維持學習行為的持續性。

1.4 建構主義學習理論

建構主義最早由心理學家皮亞杰提出，主要觀點是倡導以學習者為中心的教學。建構主義認為，知識的習得是學習者在特定的社會背景下，通過教師或他人的輔助引導來完成的，提倡學習者通過情境、協助、交流來完成有意義知識的自我建構 [5]。建構主義強調以學習者為中心的教學觀點，為學習投入識別模型的構建提供了理論基礎，在整個模型構建過程中要考慮學習者的主觀能動性，幫助學習者體驗各種游戲場景以及和同伴的相互討論，實現知識的自我建構。

2 AR教育游戲環境下的學習投入研究

2.1 研究目標

本研究通過對小學課程中學生學習投入的內涵及其構成維度進行分析，參考UWES-S學習投入量表中文版并根據實際情況設計《AR教育游戲環境下小學科學課堂學習投入調查問卷》，問卷以參與、交互、專注、持續四個維度構成，問卷題目以自我評價為主，包括正向和反向評價。同時，采用李克特五點記分法，“完全符合”記5分，“比較符合”記4分，“不確定”記3分，“比較不符合”記2分，“非常不符合”記1分。對于正向題，總分越高表明學習投入的程度越高；對于反向題，總分越高說明學習投入的程度越低。

使用問卷調查法對小學生在AR教育游戲環境下的學習投入現狀進行調查，對收集的問卷數據在SPSS 24.0軟件中進行分析，找出AR教學課堂中學習投入方面存在的問題，針對現狀及暴露出的問題采取改進策略來更好地支撐AR教育游戲環境下學習投入識別模型的構建。

2.2 研究內容

學習投入為基于AR教學的課堂學習行為數據分析提供了重要視角，學生的學習行為體現了學習活動中維持的學習狀態和學習過程[6]。為了進一步分析AR課堂教學環境下的學習投入，本研究以南昌市某小學的六年級學生為調查對象，隨機選取六年級兩個班共100人，在科學課上應用一款AR教育游戲，發放問卷100份，回收有效問卷79份。

2.2.1 AR教育游戲環境下的學習投入分類 對

問卷數據進行信效度檢驗，以驗證問卷數據的可靠性。KMO的度量標準：0.9以上表示非常適合；0.8表示適合；0.7表示一般；0.6表示不太適合；0.5以下表示極不適合。KMO的取值在0和1之間，越接近于1，意味著變量間的相關性越強，原有變量越適合作因子分析；越接近于0，意味著變量間的相關性越弱，原有變量越不適合作因子分析。Bart-

lett球形檢驗用于檢驗相關陣中各變量間的相關性，檢驗各個變量是否各自獨立。由檢驗結果可知，KMO為0.852，大于0.7，說明本研究中的問卷數據是適合作因子分析的。對問卷數據進行因子分析，結果如圖1所示。基于特征值大于1時的累積百分比為70.977%，大于60%，說明當前探索出來的四個維度能夠較好地代表整個數據。

綜合旋轉成分矩陣的結果，在提取的學習投入的四個因子當中：第一列，最大的因子載荷系數為0.788；第二列，最大的因子載荷系數為0.773；第三列，最大的因子載荷系數為0.679；第四列，最大的因子載荷系數為0.840。這說明四個因子載荷系數對應問卷中的四個項目可以很好地表達本研究中學習投入的四個維度。對四個項目進行歸結，將學習投入分為認知投入、教師輔助性投入、情感投入、非學習性投入。具體分類結果如表1所示。

2.2.2 AR教育游戲環境下的學習投入編碼 本

研究使用ITIAS課堂觀察量表對課堂學習投入打點編碼。觀察記錄的方式依照課堂教和學的行為先后順序進行排序，間隔30秒記錄一次學生行為。以一節課的時間為記錄的總時間，記錄一節課中學生的主要行為。觀看的課堂教學視頻來源于應用AR教育游戲教學的一堂小學科學課。將課堂觀察量表中所有課堂教學行為按照順序依次在一款定量分析學習行為的軟件GSEQ中輸入，然后運用觀察量表打點記錄課堂數據，按照行為發生的順序錄入，最后運用GSEQ軟件進行處理，可得到圖2所示行為轉換頻率結果。

為了更為直觀地分析行為轉換結果，繪制圖3所示行為轉換直方圖。由圖3可知，在整個課堂教學中，行為轉換頻率較高的有：教師講授→教師講授，此行為序列發生6次；教師指示→教師指示，此行為序列發生4次；教師講授→教師指示，此行為序列發生3次；教師指示→無助于教學的混亂，此行為序列發生3次；學生應答（主動反應）→學生應答（主動反應），此行為序列發生28次。

根據游戲化學習理論所倡導的游戲精神，在今后的AR課堂教學中，教師應該最大限度地保證學生在AR教育游戲中的參與度，增強學生在AR教育游戲中的體驗感和情境認知學習理論所蘊含的沉浸感。在運用新技術教學時，教師應注意適當降低學生應答次數，注重教育技術、新的教學形式應用于課堂教學時，對學生傳統課堂學習認知的改變及新的學習觀念的塑造。此外，根據建構主義學習理論，在采用AR技術進行課堂教學時，教學要以學生為中心，所以在今后的AR課堂教學中，教師應避免過多的講授，應該讓學生在技術環境下主動探索，利用教育游戲來激發學生的學習興趣，培養學生的動手實踐能力，讓學生形成自我建構。所以，在進行學習投入識別模型構建時，應該設計對于學習行為序列監測分析的環節，并根據實時監測數據作出相應的教學策略調整。

3 AR教育游戲環境下的學習投入識別模

型構建

3.1 學習投入識別模型的行為序列分類

根據圖3，將上述分析中行為轉換頻率較高的五種學習行為序列按照認知投入、教師輔助投入、情感投入、非學習性投入四個維度進行分類，如圖4所示。教師輔助投入是指在運用AR技術進行教學時，教師對于AR教育游戲的示范、演示操作。在AR教育游戲環境下，教師需要先對學生進行引導，通過講解和示范性動作來指示學生進行AR教育游戲的操作性學習。Connell[7]認為，學生的情感投入是一個連續變量，該變量包含六個成分，即孤僻、遵守規范、反叛、順從、革新和投入。在高度投入的時候，學生表現得主動并具有積極的情感體驗，如興趣和快樂；在不投入的時候，學生表現得被動并具有消極的情感體驗，如憂慮和憤怒。同樣，AR課堂也需要學生產生積極的情感支持。非學習性投入主要是指教師在指示學生如何進行新技術的操作學習后，學生隨即產生的一系列無助于促進教學的其他行為。

3.2 學習投入識別模型的構建

基于對課程視頻錄像的觀看和分析，學習投入持續發生在整個教學活動過程中。AR教育游戲環境是由學生、教室環境、AR教學工具、教學活動和學習活動、教師行為和學生行為等組成的復雜系統。該系統中，學習投入持續發生，包括個體和個體之間、個體與小組之間、小組和小組之間。研究設計基于AR課堂教學表現的學習投入識別模型，如圖5所示。該模型由四個模塊組成：

1）學習行為獲取模塊，主要是由教室內的錄像設備采集視頻完成；

2）學習投入編碼模塊，主要是根據課堂行為觀察量表對學習投入進行編碼，根據打點記錄表格進行數據的錄入，然后運用相關軟件進行學習投入的行為序列分析；

3）學習投入分類模塊，主要是依據模塊二中的分析結果，選取行為轉換頻率較高的學習行為序列，通過判斷行為信息，結合AR課堂學習投入調查問卷的數據分析結果，對學習投入進行分類，依據建構主義學習理論強調以學生為中心的觀點，并對分類維度進行解釋；

4）教師調整模塊，主要是根據學生實時的學習投入現狀，有針對性地作出教學策略的調整，以適應學生的學習節奏。

4 結束語

本研究通過在小學科學課堂中應用AR教育游戲進行游戲化教學，主要采用視頻分析法對課堂錄像中學生的學習投入進行分類識別，構建基于AR課堂教學表現的學習投入識別模型，一方面讓學生在學習過程中根據自身的學習投入情況作出相應的學習行為序列的調整與轉換；另一方面輔助教師在運用新技術時，可以根據實際課堂教學情況來采取相應的教學策略提升教學成效。此外，由于編碼選取的時間間隔不同，可能會對得出的學習投入行為序列的數據產生一定的偏差，因此在后續的研究中會進一步細化時間段，選取盡可能多的不同學科、不同班級的學生進行教學實驗，加入可視化工具對學習投入進行檢測，以期為AR技術應用于課堂教學提供更加普適、完善的識別模型。

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*基金項目：江西省高校人文社會科學研究2019年度項目“AR教育游戲支持下的學習者學習行為投入測度與提升研究”（基金編號：JY19118）。

作者：方開亮，江西服裝學院藝術設計學院，南昌VR感知交互重點實驗室，研究方向為虛擬現實；高俊杰，江西服裝學院藝術設計學院，研究方向為虛擬現實（330200）；何玲，江西科技師范大學，碩導，副教授，南昌VR感知交互重點實驗室，研究方向為虛擬現實技術教育應用、游戲化學習與教育游戲（330038）。