基于AR技術(shù)的增強體驗學習活動的設(shè)計

黃 婕

（長沙航空職業(yè)技術(shù)學院，湖南 長沙 410014）

隨著信息化和智能化等新興技術(shù)的發(fā)展，使得增強體驗的學習活動在實踐性教學環(huán)境中應(yīng)用更具條件，在新媒體環(huán)境中，利用AR（Augmented Reality增強現(xiàn)實）技術(shù)進行“先行后知”的增強體驗的學習活動，讓抽象的學習更豐富，學習形式更加優(yōu)化。AR技術(shù)的虛擬空間與真實空間的有效結(jié)合，豐富的數(shù)字化教學資源和工具讓學習者對抽象知識的認知過程降低了負荷，也開拓了自主學習的空間。因此，如何利用AR技術(shù)進行增強體驗的學習活動的設(shè)計是值得分析研究的問題。

1 增強體驗學習的概述

“體驗”從概念定義上說，是有意識成為一種情境或狀態(tài)的主體；有意識被某個事件影響，強調(diào)體驗的主動性和主體性。增強體驗的學習應(yīng)以學習者為主體，通過實踐觀察來認識事物，互動反思后獲取知識、技能以及情感態(tài)度的一種學習方式[1]。增強體驗的學習是多個事件的組合，有學習的明確目標[2]。

從內(nèi)涵上說，增強體驗學習的內(nèi)涵從杜威的“直接經(jīng)驗+反思”的內(nèi)涵，經(jīng)人本主義的影響后轉(zhuǎn)向了“直接經(jīng)驗+情感體驗”的內(nèi)涵[3]。此內(nèi)涵符合增強體驗學習的定義特征，應(yīng)該按照此原則開展增強體驗學習實踐。

傳統(tǒng)的增強體驗的學習形式包括實地參觀、訪問、情景演練、實驗等方式，教師從實際出發(fā)，基于豐富的情景背景，把抽象難懂的知識和價值、情感轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢愿兄w驗的生活事實，借助圖片、文字、音頻、視頻等信息化多媒體手段給學習者創(chuàng)設(shè)可感知的體驗情境，讓學習者進行知識的探究實踐活動[3]。而隨著增強現(xiàn)實技術(shù)、虛擬技術(shù)和感知技術(shù)的興起，增強體驗的學習被賦予了一種新的內(nèi)涵，即虛擬化。學習者在增強現(xiàn)實技術(shù)創(chuàng)造的真實場景和虛擬對象的學習情境下，通過虛實融合的混合情境體驗，經(jīng)歷類似親身體驗的直接感受，對抽象知識進行了增強感知，這樣的增強體驗的學習既突破了傳統(tǒng)教學的限制，又擺脫了物理環(huán)境的制約。

將人機交互技術(shù)、現(xiàn)實技術(shù)及跟蹤技等技術(shù)融合的增強現(xiàn)實系統(tǒng)，目的是實現(xiàn)虛擬對象和真實世界的無縫連接，此系統(tǒng)需獲取物理位置和當前物理環(huán)境的信息，通過系統(tǒng)計算中心運算后能將虛擬對象在真實世界精彩呈現(xiàn)。整個增強現(xiàn)實系統(tǒng)的實現(xiàn)過程大致需要四個步驟，如圖1所示。

圖1 增強現(xiàn)實系統(tǒng)步驟

于20世紀60年代開始的增強現(xiàn)實技術(shù)，首次利用頭盔式顯示器進行虛擬現(xiàn)實，作為增強現(xiàn)實設(shè)備的使用，此系統(tǒng)通過通過跟蹤人的頭部信息來更新現(xiàn)實的內(nèi)容，讓使用者有身臨其境的感覺，這便是最早的AR系統(tǒng)[4]。隨著信息技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的發(fā)展，增強現(xiàn)實技術(shù)在教育等各個領(lǐng)域普及發(fā)展，尤其是移動終端給增強現(xiàn)實提供了全新的硬件平臺，一種基于移動設(shè)備的增強現(xiàn)實技術(shù)即移動增強現(xiàn)實（Mobile Augmented Reality，簡稱MAR）應(yīng)運而生。該技術(shù)則是利用Pad平板電腦或者智能手機，通過APP應(yīng)用程序和智能設(shè)備上的攝像頭獲取物理信息數(shù)據(jù)，再疊加虛擬信息已達到增強現(xiàn)實感知的作用。

2 增強體驗的學習活動設(shè)計

學習過程實際上是知識內(nèi)化的過程，學習活動的設(shè)計尤其重要。增強體驗的學習活動利用增強現(xiàn)實這種新型媒體技術(shù)，給增強體驗的學習活動給予了有效的支持，有利于增強體驗的學習活動的設(shè)計。

2.1 增強體驗學習的特點

2.1.1 情境特征

增強體驗的學習是利用具體情境獲得的經(jīng)驗，因此這種經(jīng)驗的是種直接經(jīng)驗具有情境特征，學習者利用虛擬融合真實環(huán)境的實踐活動達到知識的內(nèi)化。增強體驗的學習情境可以依賴真實環(huán)境，也可以依賴虛擬環(huán)境，但在虛擬環(huán)境中開展的增強體驗的學習必須和現(xiàn)實世界有關(guān)聯(lián)[5]，有意義的學習情境有利于增強體驗的學習和探究，因此，在設(shè)計增強體驗的學生活動時首先必須遵循情境特征的原則，是增強體驗學習的基礎(chǔ)。

2.1.2 親歷特征

體驗過程是自身行為，是學習者在情境中親身體驗感悟而獲得的經(jīng)驗，無法傳達和替代的，因此，增強體驗的學習具有親歷特征。這種親歷特征包括兩個方面的體驗，一方面是實踐層面的親歷，學習者在真實環(huán)境中直接親身體驗；另一方面的心理層面的親歷，學習者在創(chuàng)設(shè)的虛擬情境中親歷，達到類似真實環(huán)境的身體感知，在心理層面完成親歷直觀感知。

2.1.3 反思特征

反思特性是增強體驗學習中必不可少的特征，學習者只有通過對直接經(jīng)驗總結(jié)、分析、概括、提煉等系列反思后，才能將實踐知識內(nèi)化轉(zhuǎn)換，將實踐經(jīng)驗的儲備并強化。整個學習過程應(yīng)當在不斷反思中吸取經(jīng)驗，才能明確收獲，促進新知識、新技能的積累。

2.1.4 個體特征

增強體驗的學習是自我意識的一個行為活動，通過學習者在情境環(huán)境下進行實踐感知、認知結(jié)構(gòu)、認知背景等，但個體在進行自主行為感知時會產(chǎn)生個體差異，在同樣環(huán)境、情境下個體感知認同都不同，這與主體的心理、經(jīng)驗相關(guān)，個體的差異特征直接學習行為感知的差異。

2.1.5 探究特征

學習者對知識的理解是基于個體探究、感知體驗為基礎(chǔ)的，而不是直接接受的。增強體驗的學習是在一定的情景環(huán)境下與對象發(fā)生交互活動，再通過反思活動將知識抽象概括再轉(zhuǎn)化，因此，增強體驗的學習具備探究特征。而設(shè)計好情景和學習活動，使得增強體驗的學習活動能更好的激發(fā)學習者主動探究學習，積極調(diào)動學習者的積極性，幫助學習者能較好的完成知識經(jīng)驗的構(gòu)建。

2.2 增強體驗學習過程

增強體驗的學習是學習者利用身體感知的體驗活動來獲得知識、技能，且采取一種連續(xù)、多階段的方式：一階段指出增強體驗的學習需要在具體情境中通過體驗獲取實踐經(jīng)驗，完成學習；二階段學習者需要完成體驗和反思，循環(huán)反復(fù)。杜威理論指出，增強體驗的學習需要完成體驗、反思后制定出明確的學習計劃和目標，達到增強的體驗。

庫伯在杜威理論的基礎(chǔ)上，提出增強體驗的學習模型分四個階段，分別是具體感知體驗、反復(fù)觀察思考、抽象提升概括、實際行動應(yīng)用。四個階段是循環(huán)體驗的過程，可以從任意一個階段開始體驗，沒有固定模式的開始和結(jié)束[6]。增強體驗的學習是學習者一般從具體感知體驗環(huán)節(jié)開始，在特定情境中感知體驗，觀察分析體驗的影響和結(jié)果，反復(fù)思考總結(jié)經(jīng)驗，找到適用于這一情境的原則規(guī)范，且用這一原則規(guī)范指導(dǎo)并解決實際問題。

圖2 增強體驗學習模型

圖2為增強體驗學習模型示意圖。此模型中包含內(nèi)涵換行和外延轉(zhuǎn)換兩種含義轉(zhuǎn)換方式，內(nèi)涵轉(zhuǎn)換對應(yīng)反復(fù)思考觀察階段，學習者對于具體結(jié)果反復(fù)觀察感知；而外延轉(zhuǎn)換對應(yīng)實際行動應(yīng)用，學習者通過對實踐知識的領(lǐng)悟，將抽象概括出的原則規(guī)范進行實際應(yīng)用擴展。這兩種含義轉(zhuǎn)換方式中，內(nèi)涵轉(zhuǎn)換形成的原則規(guī)范需要外延轉(zhuǎn)換來檢驗核實，外延轉(zhuǎn)換是內(nèi)涵轉(zhuǎn)換的拓展、是后續(xù)環(huán)節(jié)。這種感知、體驗、總結(jié)、核實、拓展的方式，使得增強體驗的學習能產(chǎn)生知識遷移，并完成學習后的應(yīng)用，達到學以致用。

2.3 增強體驗學習活動設(shè)計模型

基于庫伯的增強體驗的學習模型，提出了一種增強體驗的學習活動的設(shè)計模型，按照此模型設(shè)計增強體驗的學習活動，如圖3所示。

圖3 增強體驗學習活動設(shè)計模型

2.3.1 學習主體

活動的直接執(zhí)行者就是活動系統(tǒng)中的行為主體，學習主體即行為主體就是學習者。在做增強體驗學習活動設(shè)計時，需要考慮學習者的年齡、學習動機、認知成熟度、學習經(jīng)歷等，還需要考慮學習者是否掌握了學習所需的知識、技能基礎(chǔ)，以便設(shè)計好活動模型各個環(huán)節(jié)。

2.3.2 學習客體

學習客體是指學習主體以為的客觀事物，它能被主體通過一定的行為改變和影響，且通過轉(zhuǎn)變成為整個活動系統(tǒng)的結(jié)果，學習客體是學習活動的學習目標、導(dǎo)向。學習目標描述了學習者在完成任務(wù)后需要達到的認知、技能進和情感上的變化，在做增強體驗學習活動的設(shè)計之前要分析學習目標，以指導(dǎo)學習活動的設(shè)計。

2.3.3 學習資源

增強體驗的學習活動中學習資源是必不可少的，學習者在學習資源的前提下展開增強體驗。在進行增強體驗學習活動設(shè)計時，學習資源能隨時隨地讓學習者獲取，能無障礙的使用。

2.3.4 學習情境

學習情境分為真實情境和虛擬情境兩種，Marcus Specht的AICHE模型[7]給出學習情境的設(shè)置需要從標志、位置、時間、環(huán)境和關(guān)系等五個方面描述。在進行增強體驗的學習活動設(shè)計學習情境時，必須設(shè)計有意義的學習情境，能讓學習者在學習情境中觀察思考，在學習情境中增強體驗，在原有經(jīng)驗上歸納整理進行知識的內(nèi)化，這才是有助于增強感知學習活動的學習情境的設(shè)計。

3 增強現(xiàn)實特性分析

增強現(xiàn)實（Augmented Reality簡稱AR）技術(shù)是在虛擬技術(shù)、顯示技術(shù)、計算機視覺技術(shù)等技術(shù)上發(fā)展而來的，具備這些技術(shù)的可高度擴展性和沉浸性，能給用戶帶來更好的感知體驗，具有實時交互、虛實結(jié)合等特點[8]。

3.1 虛實結(jié)合特性

AR技術(shù)首要特點是虛實結(jié)合，即利用計算機系統(tǒng)中的虛擬場景、物體等信息，和真實世界的場景融合，學習者既可以體驗感知虛擬技術(shù)的信息也能體驗真實環(huán)境的信息，為學習者很好地拓展了物理空間。AR技術(shù)給學習者提供了虛實結(jié)合的完美的空間體驗感受，有利于實踐知識的內(nèi)化。

3.2 實時交互特性

AR技術(shù)的另一重要特性為實時交互。在AR技術(shù)的環(huán)境下，學習者利用虛擬環(huán)境、虛擬場景中的虛擬對象進行及時交流互動，AR系統(tǒng)也能及時響應(yīng)學習者的操作，學習者和系統(tǒng)間及時的互動給學習者帶來了一種類似真實的感知體驗。

3.3 三維投影特性

三維投影是利用計算機顯示技術(shù)，將虛擬信息投影到圖像平面上，這樣虛擬信息就投射到真實世界中，且是三維的注冊的方式。AR技術(shù)能實現(xiàn)虛擬信息和真實世界的同時同步，虛擬信息也能依據(jù)真實世界的信息實時變化，讓使用者體驗虛擬信息和真實世界的一致感和整體感。

4 基于AR技術(shù)的增強體驗學習活動的設(shè)計

4.1 學習活動設(shè)計框架

學習活動的設(shè)計是一個既復(fù)雜又精細的過程，必須從任務(wù)目標開始分析，確定好各個環(huán)節(jié)的活動任務(wù)，設(shè)計好學習活動的方法、形式、評價體系和學習活動資源等支持。而增強體驗的學習活動更是系列學習事件的組合，一定是學習者親自體驗感知的過程。從根本上看，增強體驗的學習是一種基于情境、過程式的學習方法。在基于AR技術(shù)的增強體驗學習活動設(shè)計時，首先得將學習情境設(shè)計好，再就是活動流程控制好，給AR技術(shù)支撐的學習活動以有效的支持。而增強現(xiàn)實技術(shù)能進行很好的學習情境的設(shè)計，豐富了增強體驗的學習活動，同時基于AR技術(shù)的增強體驗學習活動離不開強大的硬件和軟件的支持，需要給學習者提供增強現(xiàn)實技術(shù)的應(yīng)用設(shè)備以及配套的軟件。如圖4所示的基于AR技術(shù)的增強體驗學習活動的設(shè)計框圖。

圖4 基于AR技術(shù)的增強體驗的學習活動設(shè)計框架

4.2 學習活動設(shè)計過程

按照圖4中給出的設(shè)計框架，對基于AR技術(shù)的增強體驗的學習活動做具體設(shè)計。

4.2.1 確定學習目標

在基于AR技術(shù)的增強體驗的學習活動的學習目標需要從AR技術(shù)和增強體驗的學習兩方面來確定。從AR技術(shù)方面，可以從任務(wù)描述、思考探索、體驗理解、反復(fù)思考、團結(jié)協(xié)作六個層次分析學習目標；從增強體驗的學習方面，需要從不同類的學習情境中確定不同的學習目標、學習內(nèi)容和學習過程。增強體驗的學習有認知、行為和體驗的三個步驟，而AR技術(shù)有利于增強體驗的學習活動的設(shè)計，下面將學習目標進行分類分析，如圖5所示。

圖5 學習目標分類分析

認知體驗的學習活動大致分為六個層次，主要通過學習者的親身體驗獲取知識信息；行為體驗學習活動主要通過學習者的完成動作技能獲取知識信息；而情感體驗的學習活動主要利用情感價值趨向完成知識信息的獲取。三種學習活動都有具體相應(yīng)步驟完成體驗獲取知識。

4.2.2 分析學習對象

學習對象分析即是對學習者進行分析，是整個學習活動設(shè)計的關(guān)鍵。在基于AR技術(shù)的增強體驗學習活動設(shè)計時，要進行學習者的學習能力的分析外，還要分析學習者的學習風格和特征，以便設(shè)計出適合學習對象特征的學習活動。一般的學習風格主要是認知風格[9]，即學習者在認知過程中采取的常用的行為模式，如聽覺、視覺、觸覺、嗅覺等；常采用的抽象概括還是具體經(jīng)驗進行加工類知識的獲?。怀２捎谜w策略還是序列順序的學習順序完成知識獲取。而基于AR技術(shù)的增強體驗的學習方式給學習者身臨其境的感官體驗，給學習者創(chuàng)設(shè)優(yōu)良的學習情境，給學習者完美的學習體驗。

4.2.3 設(shè)計活動任務(wù)

學習活動任務(wù)的設(shè)定其實包含學習內(nèi)容、目標、方法、策略、形式和流程系列過程的總體描述[10]。AR技術(shù)給學習者創(chuàng)建好學習情境，學習者完成學習活動任務(wù)的目標、輸入、輸出等步驟。

4.2.4 設(shè)計學習情境

學習情景設(shè)計得好壞直接影響學習者的學習行為，學習者在增強體驗的學習中，是利用學習情境來自主探究的，學習情境越逼真，學習效果會越好。設(shè)計增強體驗學習活動時，設(shè)計者需要留有足夠空間，讓學習者自主構(gòu)建認知。

學習情境應(yīng)從真實世界、虛擬世界和虛實融合三方面設(shè)計，基于AR技術(shù)的增強體驗學習活動的設(shè)計中，學習情境應(yīng)當采用虛實融合的方式設(shè)計，在真實世界中融入虛擬對象，讓學習者在學習情境中體會到虛擬信息和真實世界的無縫融合。AR技術(shù)是基于身體感知的，能實時獲取學習者、學習設(shè)備、學習場所等數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)進行分析處理，能及時了解學習者在增強感知的學習情境中的學習情況，進行學習的及時跟蹤反饋。

AR技術(shù)能獲取學習者周圍環(huán)境、位置、時間、空間等信息，能完成顯示、位置和關(guān)系的情境增強感知。因此，基于AR技術(shù)的學習活動的情景設(shè)計有兩方面。一方面，主要設(shè)計個人學習情境，主要采用以問題為導(dǎo)向進行學習情境設(shè)計；另一方面，設(shè)計社會學習情境，通過這種方式構(gòu)建社會化的學習共同體，給學習者一種新穎的交互方式。

4.2.5 設(shè)計活動序列

學習活動的序列設(shè)計首先得進行活動任務(wù)的劃分，將活動任務(wù)分成若干子任務(wù)，再進行活動序列的設(shè)計。在增強體驗的學習活動中，學習活動序列得遵守增強體驗的原則，按照具體體驗感知、觀察反思、抽象概括、行動應(yīng)用四個階段設(shè)計學習活動。

4.2.6 設(shè)計活動形式

AR技術(shù)的增強感知技術(shù)支持位置增強、顯示增強和關(guān)系增強三種形式，給學習者提供了全新的呈現(xiàn)方式、交互互動的方式等，幾種常用的增強體驗的學習活動形式有，自主探究、交互反饋、虛擬社區(qū)、微博互動等形式。

4.2.7 設(shè)計學習評價

學習評價系統(tǒng)與學習者的學習優(yōu)化直接相關(guān)，非常重要。它能幫助學習活動設(shè)計者收集學習者的反饋信息，也能幫助學習者判斷學習內(nèi)容掌握情況，以此決定下一步驟的學習行為。

在設(shè)計學習評價時，要基于增強體驗的學習活動進行設(shè)計。設(shè)計認知體驗的學習活動評價方式，此階段主要是知識性知識的獲得，可采用知識測試進行可量化的評價形式；設(shè)計行為體驗的學習活動的評價方式，此階段主要是動作技能的獲取，可采用情境實踐的方式判斷是否掌握該動作技能；設(shè)計情感體驗的學習活動的評價方式，可采用心得體會、小組評價、小組匯報等方式。

4.2.8 設(shè)計學習資源

增強感知的學習活動的學習資源來源有兩種形式，一方面是已有的微視頻、學習課件、flash動畫等學習資源，另外的是學習活動中形成的學習資源。在基于AR技術(shù)的增強體驗學習活動中，學習者通過現(xiàn)有資源和自主探究開發(fā)出新的學習資源，讓學習者在虛實融合的學習情境中探索發(fā)現(xiàn)新的資源。

5 結(jié)論

通過對增強體驗的學習概念進行分析，對增強體驗的學習活動的設(shè)計做探究，在分析增強現(xiàn)實的特性后，總結(jié)出基于AR技術(shù)的增強體驗學習活動的設(shè)計方法。增強現(xiàn)實技術(shù)的發(fā)展和成熟為增強體驗的學習活動的開展提供了強有力的技術(shù)支持，推動了增強體驗的學習方式在教育領(lǐng)域的應(yīng)用發(fā)展。

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