增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)的教育研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢*
——基于2011-2016中英文期刊文獻分析

于翠波李 青、2劉 勇

（1.北京郵電大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院，北京 100088；2.北京師范大學(xué) 未來教育高精尖創(chuàng)新中心，北京 100875）

增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)的教育研究現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢*
——基于2011-2016中英文期刊文獻分析

于翠波1李 青1、2劉 勇1

（1.北京郵電大學(xué) 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院，北京 100088；2.北京師范大學(xué) 未來教育高精尖創(chuàng)新中心，北京 100875）

增強現(xiàn)實（Augmented Reality,AR）技術(shù)是繼泛在學(xué)習(xí)、移動學(xué)習(xí)之后，人們寄予厚望能夠革新傳統(tǒng)教育的一項技術(shù)，該技術(shù)在三維空間或現(xiàn)實的物理世界上疊加一層計算機產(chǎn)生輔助信息，提供了觀察和認知世界的新視角。國內(nèi)外已有許多研究者對AR技術(shù)如何應(yīng)用于教育以及應(yīng)用效果進行了較為深入的研究，已有的研究發(fā)現(xiàn)：將AR技術(shù)應(yīng)用到教育中能夠加深學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解；給學(xué)習(xí)者提供動手操作的機會進而提升學(xué)習(xí)者的實踐能力；促進學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)參與度及學(xué)習(xí)者之間的協(xié)作；提供維持學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)動機的外部激勵。但現(xiàn)階段的AR作為一項新的教育技術(shù)，還存在著一些如優(yōu)質(zhì)AR教育資源稀缺、AR定位精度與邊界不清晰等需要克服的問題。

增強現(xiàn)實；AR；教學(xué)環(huán)境；教學(xué)資源；情景化學(xué)習(xí)

一、引言

教育機構(gòu)與從業(yè)人員總是試圖利用最新、最先進的科學(xué)技術(shù)來革新教育，提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)效率。跟隨著計算機與互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)發(fā)展的腳步，用于教育中的技術(shù)依次有多媒體技術(shù)、移動學(xué)習(xí)、泛在學(xué)習(xí)、社會性網(wǎng)絡(luò)（SNS）技術(shù)等，現(xiàn)在最新的技術(shù)則是增強現(xiàn)實技術(shù)。

增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）是波音公司的研究員托馬斯·考德爾（Thomas Caudell）[1]于1990年造的一個新詞，主要指給三維空間或現(xiàn)實的物理世界上疊加一層計算機產(chǎn)生輔助信息的技術(shù)。由于AR技術(shù)綜合運用了多媒體、音頻、視頻、三維（3D）、動畫等多種技術(shù)，能夠給真實物體上“貼上”一層解釋、顯示操作的關(guān)鍵信息或標明物體的相對位置等，因此，AR技術(shù)一開始主要廣泛用于軍事訓(xùn)練[2]、波音公司裝配工培訓(xùn)[3]及南斯塔福德郡學(xué)院砌墻培訓(xùn)[4]或外科手術(shù)培訓(xùn)[5]中。研究表明，AR技術(shù)能夠明顯提高受訓(xùn)者的操作速度與精確度。

隨著移動技術(shù)的發(fā)展、智能手機與平板電腦的普及，為AR技術(shù)在工業(yè)、軍事、技能培訓(xùn)領(lǐng)域中廣泛應(yīng)用提供了堅實的物質(zhì)基礎(chǔ)。特別是2016年AR技術(shù)的成熟與流行，使得人們將2016年稱為“AR/ VR元年”[6]。

AR在其他領(lǐng)域的成功應(yīng)用，促使人們期待將其應(yīng)用到教育教學(xué)中的效果。于是，研究人員分別就AR技術(shù)應(yīng)用于自然科學(xué)、醫(yī)藥、工程學(xué)、語言、歷史、藝術(shù)等眾多學(xué)科，在幼兒園、小學(xué)、中學(xué)、大學(xué)、實驗室、博物館、公園、動物園等不同的教學(xué)與學(xué)習(xí)環(huán)境分別進行了若干實驗研究。

研究表明，樂于接受新事物的青少年學(xué)習(xí)者認為，AR技術(shù)便于操作，能夠幫助注意力集中，因而非常愿意使用[7]；而且相比于虛擬現(xiàn)實（Virtual Reality，VR）技術(shù)，AR是一種更好的寓教于樂的娛教技術(shù)[8]，因此，接受試驗的學(xué)生更愿意用與實際環(huán)境匹配的AR方式來學(xué)習(xí)游戲操作。鑒于AR教育應(yīng)用的特殊性，我們有必要回顧一下AR技術(shù)及其在教育中的應(yīng)用，總結(jié)已有研究的經(jīng)驗與教訓(xùn)，作為下一步AR技術(shù)教育應(yīng)用或研究的基礎(chǔ)。

二、研究現(xiàn)狀

增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)是一個比較寬泛的概念，不同行業(yè)背景的人對其有不同的定義。米爾格拉姆[9]提出了一個現(xiàn)實環(huán)境與虛擬環(huán)境的連續(xù)統(tǒng)，（AR）在這個連續(xù)統(tǒng)中的位置如圖1所示。一般人認為，“任何在特定位置結(jié)合現(xiàn)實與虛擬的技術(shù)”都可稱為增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)，其中現(xiàn)實物體與虛擬信息都起非常重要的作用[10]；計算機軟件設(shè)計、開發(fā)的從業(yè)人員認為，AR技術(shù)是“以計算機技術(shù)為核心，綜合使用各種新技術(shù)，融視、聽、觸覺為一體的模仿現(xiàn)實的三維空間再現(xiàn)的技術(shù)”，它涉及計算機圖形學(xué)、人機交互技術(shù)、模式識別、傳感技術(shù)、人工智能等領(lǐng)域[11]；而教育相關(guān)的從業(yè)人員認為，AR技術(shù)是指 “給三維空間或現(xiàn)實的物理世界疊加一層計算機輔助數(shù)據(jù)信息而產(chǎn)生一個新的世界的技術(shù)”，有時稱為“混合現(xiàn)實”。AR技術(shù)給現(xiàn)實世界增加了一層虛擬信息，因此，它給教育帶來新的機會[12]。

圖1 從現(xiàn)實環(huán)境到虛擬環(huán)境的連續(xù)統(tǒng)

AR技術(shù)有三個主要特征，分別是“虛擬物體是真實物體精確3D再現(xiàn)”、“連結(jié)物理現(xiàn)實世界與虛擬世界”、“實時交互”。不管是哪種定義，AR系統(tǒng)的實現(xiàn)都是由中央處理器CPU、顯示設(shè)備 （如，PC顯示器、手機屏幕、頭帶顯示器等）、追蹤系統(tǒng)（如，攝像頭、GPS、無線網(wǎng)絡(luò)定位系統(tǒng)等）、計算機圖形處理器與應(yīng)用軟件等幾部分構(gòu)成[13]。

目前，國內(nèi)已經(jīng)有若干AR技術(shù)教育應(yīng)用的綜述研究。其中，齊立森等[14]將增強現(xiàn)實在教育中的應(yīng)用分為網(wǎng)頁瀏覽與信息獲取、三維導(dǎo)航與游戲場景、虛擬仿真與互動教學(xué)，并認為增強現(xiàn)實技術(shù)擴展了人類的認知領(lǐng)域。胡智標等[15]認為，AR教育應(yīng)用能夠創(chuàng)設(shè)智慧學(xué)習(xí)環(huán)境、革新教育模式、拓展學(xué)習(xí)空間，提供沉浸式學(xué)習(xí)環(huán)境、實現(xiàn)情景化學(xué)習(xí)。汪存友等[16]對已有的增強現(xiàn)實教育產(chǎn)品進行研究，將其分為了AR閱讀、教學(xué)演示、動作指引和教育游戲與開發(fā)工具五大類，并認為基于增強現(xiàn)實的教育應(yīng)用新產(chǎn)品具有以圖像識別為主要跟蹤技術(shù)的、功能多樣化、平臺移動化、小型化、觸屏交互技術(shù)、可達性與普及度提高等新特點。通過文獻及AR教育應(yīng)用實例進行分析，蔡蘇等[17]認為，通過AR技術(shù)學(xué)習(xí)者可以使用自然方式與學(xué)習(xí)對象交互，并且AR能夠把正式學(xué)習(xí)與非正式學(xué)習(xí)相結(jié)合，將抽象的學(xué)習(xí)內(nèi)容可視化，支持泛在環(huán)境下的情境式學(xué)習(xí)，提升學(xué)習(xí)者的存在感、直覺和專注度等特征。王德宇等[18]認為，AR技術(shù)的實時交互特性使得它可以作為教學(xué)工具，而新穎性又使得它可以作為教學(xué)內(nèi)容，因此，應(yīng)用AR技術(shù)能夠改善教學(xué)過程。

綜上所述，目前，國內(nèi)關(guān)于AR教育應(yīng)用的綜述研究多集中在AR的概念介紹及典型應(yīng)用的描述性回顧，尚沒有關(guān)于AR教育應(yīng)用研究的系統(tǒng)性綜述分析。因此，本文即采用定性與定量相結(jié)合的文獻分析方法，著重回顧AR教育應(yīng)用的發(fā)展、現(xiàn)狀及未來的趨勢。

三、研究問題與研究方法

AR本身是一個正在發(fā)展中的技術(shù)，AR在教育中的嘗試應(yīng)用研究也正在不斷進行中，已有的AR在教育中應(yīng)用研究及文獻說明，AR對教育的各方面都有良好的影響。但不容否認，也有一些研究發(fā)現(xiàn)，教育中應(yīng)用AR存在著不足或問題等。

為了全面了解AR教育應(yīng)用的有效性、益處與不足，為將來的AR教育應(yīng)用與研究開發(fā)提供基礎(chǔ)，我們有必要綜合回顧一下AR技術(shù)的教育應(yīng)用對教學(xué)各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的影響。由此，本研究的研究問題為：

——哪些學(xué)科領(lǐng)域的教學(xué)中使用到AR技術(shù)，教學(xué)過程使用AR技術(shù)的目的如何，采用了何種類型的AR技術(shù)？

——AR技術(shù)教育應(yīng)用的研究采用了哪些研究方法，研究數(shù)據(jù)是如何采集得到的？

——AR技術(shù)用到教育教學(xué)中有哪些好的影響，存在哪些不足？

本文將研究定位于學(xué)術(shù)文獻分析，研究關(guān)于AR在教育中應(yīng)用的實例、方法、策略及遇到的問題，研究對象為將AR應(yīng)用于教育中的實證研究論文。在方法論上采用定性研究的框架，結(jié)合定量分析來評估每篇文獻。根據(jù)定義的研究問題，確定如下搜索策略及選取論文的準則：

首先，考慮到研究的質(zhì)量，本文僅選擇那些經(jīng)過同行評審發(fā)表的中、英文實證研究論文。中文文獻來自于“中國知網(wǎng)”中文期刊全文數(shù)據(jù)庫，英文文獻來自于SSCI引文索引數(shù)據(jù)庫web of knowledge。

其次，為了初步搜索研究材料，中文用于檢索的關(guān)鍵字有“增強現(xiàn)實與教育”或“AR與教育”；英文用于檢索的關(guān)鍵字為 “augmented reality AND education”或“AR AND education”。

第三，考慮到技術(shù)及應(yīng)用的發(fā)展演進過程，時限選為2011-2016年刊發(fā)的論文。

通過初步檢索，我們得到符合條件的中文論文37篇，英文論文51篇，總計88篇文獻進入下一階段的分析。為了得到最終分析所需要的論文，本研究分為以下幾個步驟進行：

首先，通過粗讀對上一步得到的論文集做進一步篩選，剔除那些不合乎規(guī)則的論文，如，非實證的研究[19]、教育AR系統(tǒng)開發(fā)[20]、非中文與英語的研究[21]文獻。

接著，對樣本論文集的每篇論文進行詳細分析、提取所需信息。在此分析過程中，繼續(xù)丟棄那些不符合上述入選原則的研究，如，AR教育應(yīng)用系統(tǒng)開發(fā)[22]或AR教育應(yīng)用的算法[23]研究。

最終得到符合要求的論文共計38篇，其中中文論文6篇、英文論文32篇，作為進一步分析的基礎(chǔ)。

在研究分析的過程中，先由兩位研究者獨立對符合要求的文獻進行分析、分類；由第三位研究者對兩種分類結(jié)果進行評估、綜合；最終提取了AR教育應(yīng)用的學(xué)科領(lǐng)域、目標人群、目的、類型、研究的樣本數(shù)、研究與數(shù)據(jù)采集方法六類特性進行分析，我們的分析都是基于已有文獻給出的信息。

四、研究結(jié)果

我們對上述論文中的每一篇論文提取的信息進行綜合、分析。關(guān)于AR教育應(yīng)用的學(xué)科領(lǐng)域、AR教育應(yīng)用的目標人群、AR教育應(yīng)用的用途、AR教育應(yīng)用的類型、AR教育應(yīng)用研究的樣本數(shù)量、研究方法與數(shù)據(jù)采集方法的提取結(jié)果如下。

（一）AR教育應(yīng)用的學(xué)科領(lǐng)域

根據(jù)中華人民共和國學(xué)科分類與代碼國家標準（GBT 13745-2009），AR技術(shù)在教育應(yīng)用研究的學(xué)科分布情況，如表1所示。

表1 AR應(yīng)用的學(xué)科領(lǐng)域

從表1中我們可以清楚地看出，AR教育應(yīng)用最多的學(xué)科是“自然科學(xué)”（42.1%），這說明多數(shù)AR教育應(yīng)用的研究，關(guān)注于如何用AR技術(shù)改善或提升自然科學(xué)的教學(xué)。這可能是因為AR能夠非常有效地展示自然科學(xué)的教學(xué)內(nèi)容：首先，AR能夠?qū)⑵匠顟B(tài)下不可見的內(nèi)容可視化。微觀的內(nèi)容如物質(zhì)構(gòu)成[24]、宏觀的內(nèi)容如天文中的月相[25]，抽象概念如彈性碰撞[26]、力學(xué)分解[27]、天線理論[28]等，通過AR技術(shù)的三維虛擬再現(xiàn)功能都變成可見、能夠動手操作的內(nèi)容；第二，AR技術(shù)提供的實時交互操作途徑讓學(xué)習(xí)者能夠進行情景化的學(xué)習(xí)，如，觀察水生植物[29]、實地考察[30]。

緊跟自然科學(xué)之后的第二常用的AR教育應(yīng)用領(lǐng)域是“人文與社會科學(xué)”（26.3%）。人文與社會科學(xué)中 AR應(yīng)用的研究，集中于語言學(xué)習(xí)[31-34]、藝術(shù)欣賞[35-36]、歷史[37]、圖書館[38]等。由此可見，AR技術(shù)的疊加信息與情景化能力，給各種層次的語言學(xué)習(xí)提供了新的學(xué)習(xí)機會與可能。而且，由于AR能夠在真實的畫作或藝術(shù)品上疊加計算機產(chǎn)生的輔助信息，因此，美術(shù)館與博物館的訪客利用AR，能夠更好的欣賞與理解那些藝術(shù)作品。

在表1中第三常用的AR教育應(yīng)用是 “其他”（18.4%）類。這類應(yīng)用主要有教育游戲[39-41]與實地參觀[42]。AR技術(shù)的3D動畫功能，給嬰幼兒早期教育中認識世界、認識物體提供強有力的工具，而基于位置的AR技術(shù)給校園、城市等的參觀瀏覽提供良好的信息支持。

“工程與技術(shù)科學(xué)”排在AR教育應(yīng)用的第四位。AR在工程與技術(shù)科學(xué)中的應(yīng)用主要是給學(xué)習(xí)者提供動手實驗的機會，如，電氣工程中遠程實驗[43]應(yīng)用、建筑學(xué)中的可視化建模[44]、創(chuàng)新教育[45]及職業(yè)教育[46]中的模擬實驗等。

最后，在文獻中僅發(fā)現(xiàn)1篇關(guān)于AR在“醫(yī)藥科學(xué)”領(lǐng)域教學(xué)應(yīng)用的研究（2.6%），沒有發(fā)現(xiàn)AR在“農(nóng)業(yè)科學(xué)”領(lǐng)域教學(xué)應(yīng)用的研究。因此，未來我們可以更多地關(guān)注如何將AR技術(shù)應(yīng)用于醫(yī)藥科學(xué)與農(nóng)業(yè)科學(xué)方面的研究。

（二）AR教育應(yīng)用的目標人群

目標人群指的是在AR教育應(yīng)用實驗研究中參加者的學(xué)段層次，結(jié)果如表2所示。

由表2可以看出：首先，絕大多數(shù)AR教育應(yīng)用實驗集中在高等教育（大學(xué)）階段（34.2%）與義務(wù)教育（小學(xué)與初中）階段（31.6%）中進行。在大學(xué)與義務(wù)教育階段中應(yīng)用AR，主要為了改善學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗、鼓勵主動學(xué)習(xí)、激勵學(xué)生利用AR技術(shù)的交互功能與學(xué)習(xí)資料或同學(xué)之間進行互動。第二，AR在高中（10.5%）教學(xué)中主要用來解釋說明概念[47-48]，增強教學(xué)信息；而學(xué)前教育（“嬰幼兒早教”）的應(yīng)用受制于嬰幼兒自身條件，如，嬰幼兒自己不能獨立閱讀、不會操作跟蹤標記等，所以，AR在此階段的教育應(yīng)用（7.9%）主要以識字卡[49]、教育游戲[50]等形式存在。而且，學(xué)習(xí)過程還有老師或父母在旁邊協(xié)助指導(dǎo)。第三，AR在非正式學(xué)習(xí)（10.5%）的研究主要是在博物館或展覽館中如何應(yīng)用AR技術(shù)來吸引與幫助參觀者，而唯一關(guān)于職業(yè)教育[51]的研究說明，AR技術(shù)的互動能力能夠有效地提升學(xué)習(xí)者的動手操作能力，由此可以幫助職業(yè)教育的學(xué)生更好地適應(yīng)實際工作的要求。第四，在其他（5.3%）類中的兩個研究主題是AR教育游戲，它們研究AR的哪些特性吸引學(xué)習(xí)者參與到游戲中。最后，在研究中沒有發(fā)現(xiàn)關(guān)于碩士與博士研究生階段AR教育應(yīng)用的研究，這可能是因為在碩士與博士研究生階段，研究者已經(jīng)能夠設(shè)計、開發(fā)用于其他學(xué)段的AR教育應(yīng)用了。

表2 AR教育應(yīng)用的目標人群

（三）在教育中應(yīng)用AR的目的

關(guān)于教育應(yīng)用AR的目的分析結(jié)果見表3。雖然多數(shù)教育應(yīng)用AR研究都實現(xiàn)了多個教育目標，但在分析過程中我們只關(guān)注研究的主要目標。

表3 在教育中應(yīng)用AR的研究目的

從表3中可以看出，大多數(shù)的AR教育應(yīng)用是為了解釋說明主題（42.1%）與增強信息（26.3%）。解釋說明主題指的是使用AR技術(shù)幫助學(xué)習(xí)某問題或概念；而增強信息指AR通過標記或位置給學(xué)習(xí)者提供相應(yīng)的數(shù)字輔助信息。

在教育中采用 AR技術(shù)進行 “動手實驗”（13.2%）與“教育游戲”（15.8%）的研究數(shù)量很接近。其原因在于在真實環(huán)境中存在多種條件限制，學(xué)習(xí)者不能夠進行實際操作，如，物流專業(yè)的學(xué)生不能進入真的倉庫中學(xué)習(xí)倉儲管理[52]、遠程教育的學(xué)生不能進行真的實驗操作[53]等。而AR的3D再現(xiàn)與交互能力，給學(xué)習(xí)者提供了實際操作的機會，能夠提升學(xué)習(xí)者的實驗與動手操作的能力。而AR試驗一旦建成，虛擬的成分可以循環(huán)使用。因此，將來AR實驗研究還可以關(guān)注如何降低實驗成本、為某些殘疾人提供包容性實驗環(huán)境。

目前AR在“教育游戲”中的作用研究，主要聚焦于考察AR幫助低齡兒童建立認知方面的作用上。而AR教育游戲?qū)逃挠绊懭杂写谶M行更深入的研究，包括：考察AR教育游戲的特征、對教育的正面作用與負面影響等。

（四）AR教育應(yīng)用的類型

教育應(yīng)用AR的類型研究結(jié)果見表4。陳智明等將AR技術(shù)分為三類：分別是基于標記AR、無標記AR與基于位置的AR[54]?；跇擞汚R是使用人工生成的標記或標簽進行目標識別，標記或標簽包括彩色或黑白矩陣式二維條形碼（QR）、AR標記、射頻標簽（RFID）或其他人工生成的標簽。無標記的AR系統(tǒng)是使用目標物體真實的自然特征來識別目標，可識別目標的特征有圖書封面、海報、地標或其他的標志特征，不使用任何人工生成的標記。而基于位置的AR系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)備地理位置傳感器獲取的地理位置信息來跟蹤目標，可用的地理位置信息獲取裝置有GPS、數(shù)字羅盤、加速計等。

表4 AR教育應(yīng)用的類型

表4的結(jié)果顯示，大多數(shù)的AR教育應(yīng)用研究使用 “基于標記AR”（71.1%）。這意味著大多數(shù)的AR教育應(yīng)用程序是基于標記進行設(shè)計開發(fā)的。對這一結(jié)果可能解釋為：與無標記AR與基于位置AR的跟蹤過程相比，基于標記AR的對象跟蹤識別技術(shù)更好和更穩(wěn)定，而且使用靜態(tài)標記可以減少跟蹤處理及識別對象所需要的處理時間。因此，在教育環(huán)境中使用基于標記AR可給學(xué)生提供一個更好的學(xué)習(xí)體驗。雖然，目前較少AR教育應(yīng)用研究采用無標記技術(shù)（2.6%），但無標記AR卻是AR技術(shù)的發(fā)展方向。隨著計算機模式識別技術(shù)的發(fā)展，使用目標對象的自然特征做標識，能夠更好適應(yīng)情景化學(xué)習(xí)的需要。

在AR教育應(yīng)用研究中，基于位置跟蹤識別學(xué)習(xí)對象的應(yīng)用有18.4%，這與寬帶移動通信技術(shù)的發(fā)展密不可分。特別是智能手機、平板電腦的大大普及，使得學(xué)習(xí)者使用它們隨時隨地可以獲取AR信息；另外，位置傳感器如加速度計、陀螺儀、數(shù)字羅盤和GPS技術(shù)的成熟，使得智能設(shè)備可以很方便地獲取用戶的方位，而智能移動設(shè)備的大屏幕給信息顯示提供便利。這一切，都促進了移動學(xué)習(xí)AR應(yīng)用的開發(fā)與使用。

（五）AR教育應(yīng)用研究的樣本數(shù)

關(guān)于AR教育應(yīng)用研究的參與實驗的樣本數(shù)量結(jié)果見表5。結(jié)果表明，有一半的研究采用中等研究樣本，即“51和200之間”（50%），還有近一半的研究樣本數(shù)量在“50人及以下”（44.7%）。在此次研究的論文中，僅有1例研究的樣本數(shù)量為292人（“201及以上”）（2.6%），那個樣本來自在科技館用AR進行非正式教學(xué)的研究。AR教育應(yīng)用研究樣本數(shù)量集中在200人以下的可能原因有：首先，早期進行的AR教育應(yīng)用的研究大部分屬于試點研究，主要考察AR教育應(yīng)用的可行性，這類研究一般在小范圍內(nèi)進行，所以樣本數(shù)目比較??；其次，由于AR教育應(yīng)用研究的所有參與實驗者都需要有一套設(shè)備 （手機、PC、攝像頭及其他的實驗材料），大的研究樣本需要的設(shè)備數(shù)量多、成本較高。

表5 AR教育應(yīng)用研究的樣本數(shù)

（六）AR教育應(yīng)用的研究與數(shù)據(jù)采集方法

研究采用哪種研究方法，一般由研究的目標決定。AR教育應(yīng)用的研究一般都有多個目標，除了解釋說明主題概念之外，還希望應(yīng)用AR技術(shù)增強學(xué)習(xí)者之間的協(xié)作、互動，激勵學(xué)生更多地參與到學(xué)習(xí)中，因此，大部分AR教育應(yīng)用的研究采用定性與定量相結(jié)合的“混合法”（63.1%）；其次采用較多的研究方法是“定性研究”（31.6%）；少量研究采用“定量研究”（5.3%），結(jié)果如表6所示。

表6 AR教育應(yīng)用研究的研究方法

AR教育應(yīng)用研究的數(shù)據(jù)采集方法，分析結(jié)果見表7。一項研究采用何種數(shù)據(jù)采集方法，與研究方法、研究目的有關(guān)，也與數(shù)據(jù)采集方法本身的難易程度、是否便于操作處理有關(guān)。采用定性與定量相結(jié)合的混合法的研究，可以采用超過一種的數(shù)據(jù)采集方法。表 7表明，大多數(shù)的研究采用 “問卷調(diào)查”（65.8%）、“測試”（52.6%）與“訪談”（36.9%）方法來采集數(shù)據(jù)，少數(shù)研究采用“記錄觀察”（13.2%）與“開放問題回答”（10.5%）方法來收集數(shù)據(jù)。

表7 AR教育應(yīng)用研究的數(shù)據(jù)采集方法

五、AR教育應(yīng)用的優(yōu)勢與存在的問題

（一）AR教育應(yīng)用的優(yōu)勢

AR教育應(yīng)用系統(tǒng)建立在建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論[55-56]基礎(chǔ)之上，而AR技術(shù)能夠充分實現(xiàn)多媒體原理[57]、情境認知[58-59]與協(xié)同學(xué)習(xí)[60]等學(xué)習(xí)理論提出的教學(xué)設(shè)計原則。因此，與傳統(tǒng)的教學(xué)方式相比，AR教育應(yīng)用擁有諸多優(yōu)點。

1.增進對學(xué)習(xí)內(nèi)容的深度理解

使用增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)后，課程內(nèi)容的展現(xiàn)發(fā)生了很大變化，不再是單純的文字或二維幻燈片，而是變換成了三維物體、動畫、視頻，此時微觀的內(nèi)容如物質(zhì)構(gòu)成[61]、化學(xué)反應(yīng)[62]，宏觀的如月相[63]等，抽象概念如彈性碰撞[64]、力學(xué)分解[65]、法醫(yī)學(xué)[66]等，這些內(nèi)容都變得直觀、可視，相應(yīng)地就更容易理解。另外，學(xué)習(xí)內(nèi)容可視化之后，有助于學(xué)習(xí)者掌握空間結(jié)構(gòu)與功能[67-68]、學(xué)習(xí)外語（主要是英語）[69-70]。

2.提升動手實踐能力

增強現(xiàn)實（AR）最開始就是波音公司用來培訓(xùn)員工，提升裝配速度與精確度的系統(tǒng)。增強現(xiàn)實（AR）系統(tǒng)可以讓人們通過一些手勢或動作來操作虛擬物體，因此，可以提升學(xué)習(xí)者的動手能力。一些研究利用已有的用于教學(xué)目的的模型，將不可見的微觀物理現(xiàn)象與可見的宏觀物理現(xiàn)象連結(jié)起來，即AR能夠?qū)⒄鎸嵉默F(xiàn)象與虛擬對象連結(jié)起來，從而培養(yǎng)學(xué)生動手動腦的能力[71]；通過對大學(xué)生為期5周的實驗課跟蹤研究表明，增強現(xiàn)實（AR）能夠明顯提高大學(xué)生的實驗?zāi)芰?，培養(yǎng)物理實驗興趣[72]，提升建筑專業(yè)學(xué)生的制圖與空間能力[73]。

3.促進學(xué)生的參與度和協(xié)作行為

利用AR系統(tǒng)的視覺化、沉浸式特性，學(xué)生們在使用系統(tǒng)學(xué)習(xí)的過程中，可以自然地進行相互交流、團隊協(xié)作。在林宗進[74]的實驗中，以AR仿真系統(tǒng)進行協(xié)助教學(xué)，兩個學(xué)生一組并給定學(xué)習(xí)任務(wù)進行觀察、討論，結(jié)果證明，移動協(xié)作AR仿真系統(tǒng)能夠促進知識構(gòu)建和提升學(xué)習(xí)效果。Kamarainen對教育實地考察[75]實驗結(jié)果表明，基于AR的學(xué)習(xí)過程能夠加強學(xué)生之間的協(xié)作，并加深對學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解。

4.提供外部激勵，維持學(xué)習(xí)動機

由于AR系統(tǒng)內(nèi)容的多種媒體表達方式，打破傳統(tǒng)文字信息的單調(diào)性，能夠適應(yīng)不同學(xué)生不同學(xué)習(xí)方式的需要。因此，多數(shù)研究結(jié)果都證明，AR系統(tǒng)能夠更好的支持學(xué)習(xí)[76-78]，激勵學(xué)生參與的積極性。因為應(yīng)用AR，學(xué)生以更少的認知付出卻得到更好的學(xué)習(xí)效果[79]：短時間內(nèi)成績明顯提升[80]，協(xié)助實地探究，提升了滿意度與學(xué)習(xí)注意力[81]，提高了學(xué)習(xí)興趣[82]。

（二）現(xiàn)階段AR教育應(yīng)用存在的問題

雖然AR教育應(yīng)用研究揭示了上述各種優(yōu)點，但作為一種新型教育技術(shù)，AR教育應(yīng)用還存在需要進一步研究、改進的問題。

1.優(yōu)質(zhì)的教學(xué)資源稀缺

AR教育應(yīng)用有諸多益處，但要將其大規(guī)模地應(yīng)用到教學(xué)中，還存在著眾多問題，其中最大的問題是資源的問題。在現(xiàn)有研究中大多數(shù)AR系統(tǒng)都是原型系統(tǒng)或?qū)槟硞€項目開發(fā)的系統(tǒng)，難以推廣[83]。另外，在目前AR制作軟件還沒有普及的情形下，AR系統(tǒng)作為一種計算機技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)中，需要開發(fā)出合適的教育資源。在AR教學(xué)資源開發(fā)過程中，既需要有精通計算機軟件設(shè)計、開發(fā)的計算機專家，也需要有熟悉教育教學(xué)規(guī)律、方法及教學(xué)內(nèi)容的教育學(xué)專家，二者缺一不可。然而，目前同時具備這兩個不同行業(yè)知識的專家很少[84-85]，這給AR教育資源的開發(fā)帶來很大困難，也是AR技術(shù)的教育應(yīng)用沒有廣泛開展的重要原因。

要解決AR教育資源問題，除了可以整合利用如Discovery VR、Alchemy VR等商用系統(tǒng)的資源之外，還需要投入資金、整合計算機專家與教育專家一起合作，開發(fā)更多的教育學(xué)科專用資源。

2.AR注意力隧道效應(yīng)及學(xué)習(xí)者差別

與純文本信息相比較，AR系統(tǒng)的活動圖片、音視頻混合展示的方式更加豐富、有趣，因而用在教學(xué)中，學(xué)生們可能會將注意力更加集中在內(nèi)容展示的形式上，而忽略需要學(xué)習(xí)或理解的重要內(nèi)容，甚至有些學(xué)生因此更加不愿意閱讀文字信息[86]。如此一來，AR系統(tǒng)的作用相當于一個隧道，對學(xué)習(xí)者形成注意力隧道效應(yīng)，縮小了學(xué)習(xí)者的關(guān)注面。為了解決這個問題，要求教師們在設(shè)計AR課程時，應(yīng)該考慮將基礎(chǔ)理論內(nèi)容如何從靜態(tài)文字描述轉(zhuǎn)化成音/視頻內(nèi)容，以吸引學(xué)生們學(xué)習(xí)。

雖然使用AR能夠提升學(xué)生的成績，但并不是所有的學(xué)生都能夠從AR使用中獲益。學(xué)習(xí)成績中等偏下的學(xué)習(xí)者使用AR后成績提升更多，而成績好的學(xué)生則差別不大[87]。相反，成績好的學(xué)生在傳統(tǒng)的課堂中收益更多。這可能是因為現(xiàn)階段AR資源比較少，基于AR的教學(xué)內(nèi)容面普遍比較窄，教學(xué)內(nèi)容信息量比較少，這在一定程度上限制了優(yōu)等生的思維發(fā)展。

另外，并不是所有的學(xué)生都對AR系統(tǒng)持有積極態(tài)度，有的學(xué)生因為之前沒有用過智能手機，因此認為基于位置的移動AR系統(tǒng)很難用[88]。

要解決學(xué)習(xí)者存在差別的問題，還是需要開發(fā)豐富的AR教育教學(xué)資源，應(yīng)該既提供基于位置的移動AR資源，也提供基于標簽的桌面AR資源。通過建設(shè)更豐富的資源，一方面，可以讓各種層次的學(xué)生都有適應(yīng)自己能力的資源可以選擇，使所有學(xué)生的學(xué)習(xí)都能夠從先進的教學(xué)技術(shù)中獲益；另一方面，由于有多種不同的AR資源可用，學(xué)習(xí)者可以從中選擇使用自己熟悉的設(shè)備與系統(tǒng)進行學(xué)習(xí)，由此避免因?qū)W生對某種具體的設(shè)備不熟悉而影響學(xué)習(xí)效果的情況出現(xiàn)。

3.AR定位精度與邊界問題

基于位置的AR技術(shù)依賴于無線網(wǎng)絡(luò)或GPS定位，GPS的定位精度直接影響AR系統(tǒng)的工作性能及學(xué)習(xí)者的使用感受。因此，在教學(xué)設(shè)計時，就需要考慮學(xué)習(xí)目標的尺寸、學(xué)習(xí)目標之間的距離等問題[89]。

波音公司研究員戴維斯[90]認為，AR技術(shù)的挑戰(zhàn)是“封閉性”，即如何區(qū)分虛擬疊加信息與真實物體的邊界問題。虛擬物體可以在不同的時間、不同的位置遮擋真實物體，而不同設(shè)置方式將影響人們對事物的理解。

可見，基于位置AR技術(shù)定位精度問題的解決，一方面依賴定位技術(shù)的成熟；另一方面不管是基于無線網(wǎng)絡(luò)的定位還是基于GPS的定位，AR應(yīng)用都需要接收位置指示信號來確定位置。因此，將來設(shè)計基于位置的AR教育應(yīng)用時，需要考慮將AR系統(tǒng)放置在易于接收無線或GPS信號的空間內(nèi)。

六、結(jié)論與展望

在所有的學(xué)科領(lǐng)域中，“自然科學(xué)”領(lǐng)域的教育教學(xué)過程中使用AR技術(shù)最多，這與AR本身的技術(shù)特點緊密相關(guān)，高校的AR技術(shù)研究者們更愿意在教學(xué)實踐中應(yīng)用該技術(shù)。另外，由于AR技術(shù)能夠提供學(xué)習(xí)者與教學(xué)信息互動環(huán)境，這特別適合于語言的學(xué)習(xí)，所以，“人文與社會科學(xué)”也順理成章成為AR技術(shù)第二大應(yīng)用領(lǐng)域。由于基于標記的AR技術(shù)易于實現(xiàn)且便于移植，因此，多數(shù)教育應(yīng)用都利用基于標記的AR攜帶輔助信息的特點，或是增加圖片顯示，或是增加文字解釋說明?？傊孉R技術(shù)幫助學(xué)習(xí)者更好的學(xué)習(xí)教學(xué)主題。

在AR教育應(yīng)用的研究中，研究主要通過定性、定量或定性與定量相結(jié)合的混合方法，通過問卷調(diào)查、測試、訪談、記錄觀察或開放問題回答等，獲取老師與學(xué)習(xí)者使用AR的效果與感受。AR的互動技術(shù)優(yōu)勢，能夠幫助學(xué)習(xí)者切實、自然地與教學(xué)內(nèi)容互動，并引導(dǎo)學(xué)習(xí)者將注意力集中到學(xué)習(xí)內(nèi)容上。但由于AR自身還處在發(fā)展過程中，還存在著定位精度不高、優(yōu)質(zhì)AR教學(xué)資源不足的問題。

要將AR真正推廣應(yīng)用到日常的教學(xué)過程中，我們還需要集中計算機技術(shù)、教育教學(xué)及政策等多方力量，克服上述AR教育應(yīng)用中存在的諸多問題、開發(fā)更多更好的教學(xué)資源、探索更好的教學(xué)設(shè)計。

正如聯(lián)合國教科文組織（UNESCO）在The Future of Mobile Learning Implication for Policy Makers and Planners2013中指出，在未來15年內(nèi)，移動增強現(xiàn)實技術(shù)能夠通過適應(yīng)不同的環(huán)境來引領(lǐng)和支持學(xué)習(xí)者，促進有用與持久的個人學(xué)習(xí)[91-92]，新媒體聯(lián)盟《2016年地平線報告：高等教育版》[93]也認為，增強現(xiàn)實與虛擬現(xiàn)實是未來2-3年內(nèi)可以實現(xiàn)的技術(shù)。

由于我們將本研究對象定義為2011-2016年CSSCI與SSCI期刊發(fā)表的中文與英文實證研究論文，因此，排除了其他語種及在會議、其他期刊上發(fā)表的研究成果。這樣在客觀上會影響我們更全面地了解AR的教育應(yīng)用及研究結(jié)論，這需要在今后的研究中加以改進。

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The Research Status and Trend of Educational Application of Augmented Reality：Based on Chinese and English Journal Papers Published from 2011 to 2016

Yu Cuibo1，Li Qing1，2&Liu Yong1
（1.College of Network Education，Beijing University of Posts and Telecommunications，Beijing 100088；2.Advanced Innovation Center for Future Education,Beijing Normal University，Beijing 100875）

Augmented reality（AR）is the most promising technology for reforming the traditional education system after ubiquitous learning and mobile learning.The assisted information was overlaid upon objects from the 3-D space or real world.Academic researchers have done a lot researches about how to use AR in teaching and learning.They find that AR-based educational applications are able to help learners facilitate understanding of the abstract concepts，provide opportunity of practice to improve the practical operational abilities and enhance engagement and collaboration among students.What’s more，AR technology can provide and maintain the learners’learning motivation.In spite of the advantages of the usage of AR technology in teaching and learning，AR educational applications are still in its infancy，there are many challenges needed to be addressed:shortage of usable AR resources such as teaching contents and authoring software,inaccurate positioning AR technology and blurring boundary between real world and virtual objects introduced by the AR technology.

Augmented reality；AR；Educational setting；Teaching resources；Situated learning

G420

A

1672-0008（2017）04—0104—09

于翠波，北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院副教授、博士，研究方向：數(shù)字媒體設(shè)計，教育數(shù)據(jù)挖掘，學(xué)習(xí)分析；李青，北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院教授、博士，研究方向：數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境與學(xué)習(xí)資源，移動學(xué)習(xí)，教育信息技術(shù)標準化；劉勇，北京郵電大學(xué)網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院副教授、博士，研究方向：教育數(shù)據(jù)分析、數(shù)據(jù)挖掘。

2017年4月2日

責(zé)任編輯：陳 媛

本文系中國博士后科學(xué)基金第八批特別資助項目“泛在學(xué)習(xí)環(huán)境下基于情境感知的協(xié)同認知空間建構(gòu)研究”（2015T80049）的研究成果。