國外增強現(xiàn)實教育應用的研究進展*
——基于104篇國際教育技術期刊論文的質(zhì)性元分析

趙文靜 ，曹 忠

（1.廣州大學 實驗中心，廣東 廣州 510006；2.廣州大學 網(wǎng)絡與現(xiàn)代教育技術中心，廣東 廣州510006；3.廣州大學 物理與電子工程學院，廣東 廣州 510006）

一、研究背景

技術的每一次飛躍都為教與學領域帶來了巨大的變革，信息網(wǎng)絡通訊技術的進一步發(fā)展為技術促進的有意義學習提供了新的契機。增強現(xiàn)實（AR，Augmented Reality）作為本世紀最重要的新技術之一，是將圖像、視頻、音頻等數(shù)字信息通過虛實信息疊加，形成三維交互式立體畫面，使用戶在真實環(huán)境中與數(shù)字對象進行交互的技術[1,2]。這項技術一經(jīng)問世，就以其浸入式、生動性、可視化的學習體驗和虛實結合、無縫交互等獨特的教育特性受到了國內(nèi)外教育界的廣泛關注。《新媒體聯(lián)盟地平線報告2016高等教育版》[3]中，AR也被列為未來五年內(nèi)驅動技術規(guī)劃和決策制定的中期趨勢，并認為AR的響應式互動促使學習者構建更廣泛的理解，進而促進學習者對底層數(shù)據(jù)的新認識，達到更深層次的認知。

近年來，隨著軟硬件技術的迅速發(fā)展，增強現(xiàn)實教育應用研究也進行得如火如荼，成果顯著。本研究采用質(zhì)性元分析方法，對2010-2018年間國際權威教育技術期刊發(fā)表的增強現(xiàn)實教育應用研究進行梳理，針對其時間分布、雜志分布、領域與主題、研究目的、研究方法五個維度加以分析，梳理增強現(xiàn)實學習體驗的定義和理論發(fā)展歷程，分析其影響學習行為的具體表征，總結增強現(xiàn)實教育應用的主要呈現(xiàn)方式，進而在已有評價研究的基礎上總結出系統(tǒng)設計評價需遵循的十個原則，以期為我國增強現(xiàn)實教育應用的研究和發(fā)展提供借鑒。

二、研究設計

1.研究對象與抽樣

為了搜索出較權威的研究數(shù)據(jù)，我們以（“augmented reality”）AND （educat*OR instruct*OR learn*OR teach*OR train*）作為關鍵詞，針對國際權威的教育技術期刊《Computers&Education》《Journal of Science Education and Technology》《Computers in Human Behavior》《Educational Technology&Society》《British Journal of E-ducational Technology》 《Journal of Computer Assisted Learning》，運用谷歌學術搜索引擎進行高級搜索，共得到2010至2018年間394篇研究論文。

因為本文的目的是研究國外增強現(xiàn)實教育應用的研究進展，因此確定以下文獻篩選標準：①研究涉及的AR指狹義的AR技術，因此排除廣義理解的增強現(xiàn)實相關研究；②AR的應用范圍應在K-12基礎教育、高等教育和職業(yè)教育范圍內(nèi)；③為保證研究的科學性和準確性，研究論文全文能夠從文獻資源庫獲取；④為了保證研究的可操作性，研究的語言應為英語。因此，我們?nèi)コc本研究相關性較小的文獻，并最終確立能夠全文獲取數(shù)據(jù)的104篇相關研究作為研究樣本。

2.分析方法與編碼框架

本文將從發(fā)表年代、雜志分布、領域與主題、研究目的、研究方法和研究結果六個維度進行分析，編碼框架如下：

（1）發(fā)表年代與雜志分布。根據(jù)發(fā)表時間和雜志分布將研究樣本進行統(tǒng)計和編碼。

（2）領域與主題。根據(jù)教育對象的不同，本文將研究領域分為K-12基礎教育、高等教育和職業(yè)教育三大領域。研究主題分為增強現(xiàn)實教育應用的理論研究、AR技術與課程融合的成效研究、AR教學系統(tǒng)的設計研究、AR學習體驗的評價研究四大類。

（3）研究目的。研究目的分為理論綜述研究、AR體驗影響學習行為動機研究、AR體驗影響學習成效研究、AR學習系統(tǒng)的設計應用研究。

（4）研究方法。常用的研究方法有文獻分析法、調(diào)查問卷法、訪談法、量表與測量、內(nèi)容分析、實證研究等，但在實際的研究工作中，為保證研究的準確性，往往是多種研究方法縱橫交叉綜合運用。因此，我們采用定性分析、定量分析、綜合分析的編碼框架。

（5）研究結果。理論研究常以教學模式、教學策略、設計原則作為研究結果，而實證研究的結果較具體，含AR對學習行為動機、學生學業(yè)成就、學習者心理體驗、認知負荷等的影響。因此，我們根據(jù)研究結果的不同進行分析和編碼。

3.研究數(shù)據(jù)的收集與編碼

本研究的編碼工作由筆者和另一名團隊成員共同完成。在數(shù)據(jù)收集完成后，經(jīng)過對分析框架及編碼規(guī)則進行討論并達成一致后，兩名編碼員從研究樣本中隨機抽取了25篇論文進行背對背預編碼。統(tǒng)計結果表明兩位編碼員的編碼一致性為87%。

三、研究結果與討論

1.發(fā)表年代

圖1 樣本數(shù)量趨勢圖

通過統(tǒng)計研究發(fā)現(xiàn)，2010年符合抽樣條件的論文只有2篇，而2018年則上升至21篇，且在九年間各雜志抽取的樣本數(shù)量基本呈逐年上升趨勢，如圖1所示。AR技術自本世紀初出現(xiàn)以來，一直呈現(xiàn)高速發(fā)展的態(tài)勢。2010至2018年，可穿戴設備的逐漸普及和三維數(shù)字圖像處理等技術的快速發(fā)展為AR的教育應用奠定了有利的軟硬件技術條件。

2.雜志分布

分別統(tǒng)計這九年間六份國際教育技術權威期刊發(fā)現(xiàn)，《Computers&Education》雜志上發(fā)表的AR教育應用相關論文數(shù)量最多，抽樣總數(shù)共計51篇，約占樣本總數(shù)的 49.0%。其次為 《British Journal of Educational Technology》 和 《Journal of Science Education and Technology》，分別為15篇和13篇，占樣本總數(shù)的14.4%和12.5%?！禘ducational Technology&Society》和《Journal of Computer Assisted Learning》雜志中的樣本數(shù)量相對較少，論文數(shù)量總數(shù)均為8篇，各年份和雜志抽樣數(shù)量分布如表1所示。

3.領域與主題

根據(jù)文獻樣本的研究領域和研究主題進行分類發(fā)現(xiàn)，在104篇論文中，有6篇論文屬于增強現(xiàn)實教育應用的理論綜述研究，11篇論文主要針對AR教學系統(tǒng)的設計，3篇涉及到增強現(xiàn)實學習體驗的評價，而其他的84篇論文都是屬于AR教學實驗及實證研究范疇。AR的應用領域涉及教育的各個階段，包括K-12基礎教育、高等教育、職業(yè)教育和繼續(xù)教育階段，其中在K-12基礎教育階段進行的教學實驗和實證研究數(shù)量最多，共計51篇，占實證研究論文的81%。文獻樣本具體針對以下四個主題展開研究：

表1 發(fā)表年代與雜志分布表

（1）增強現(xiàn)實學習體驗的理論研究

綜合分析這些理論研究發(fā)現(xiàn)，文獻樣本中的理論研究樣本偏少，且多以綜述形式梳理AR目前的教育應用現(xiàn)狀，其相關概念界定和研究范疇分界多以具體語言描述為主，鮮有嚴格意義上的概念解析、理論框架分析以及從相關學科的理論基礎出發(fā)的研究出現(xiàn)。

（2）AR技術與課程融合的成效研究

目前已有的AR教育應用相關研究多屬此類，選擇某一具體學科，設計開發(fā)出基于AR的系統(tǒng)或工具，然后通過實證研究對系統(tǒng)的可用性和實際效果進行驗證。例如，哈佛大學將AR應用到環(huán)境科學戶外實踐教學中，并進行實證研究發(fā)現(xiàn)，AR的應用對教學活動有多重意義，技術提供了“以學生為中心”的教學策略，使互助學習、協(xié)作學習及教師一對一的指導變得容易[11]。臺灣科技大學和新加坡國立大學的教師設計并使用移動協(xié)作AR仿真系統(tǒng)協(xié)助學生進行大學物理的 “彈性碰撞”實驗，研究發(fā)現(xiàn)：AR組學生通過從不同角度觀察3D模型，實驗過程的可視化為學習者在體驗真實情境時提供相關參考信息[12]。西班牙馬德里卡洛斯三世大學和委內(nèi)瑞拉西蒙玻利瓦爾大學的教師設計并實現(xiàn)AR教學系統(tǒng)，并評估在電磁學實驗教學中AR對學生學習成績及學習動機的影響[13]。

綜合分析這些教學實踐案例發(fā)現(xiàn)，AR對學習的影響表現(xiàn)在學習情境、抽象概念、學習資源、教學內(nèi)容、交互方式、思維方式和認知負荷七個方面，如表2所示。

表2 ARLEs影響學習行為的表征

①學習情境可視化：向學習者提供與現(xiàn)實世界良好契合的模擬情境，使學習者能夠在可視化、身臨其境中思考問題解決的方法。

②抽象概念具體化：能夠將時間、空間等抽象的概念具體化，闡釋現(xiàn)實世界和虛擬世界之間的關系，并在現(xiàn)實物體上進行文本或符號注釋，有助于學習者的深層理解，化繁為簡，進而解決一些相對復雜的問題。

③學習資源豐富化：用多媒體信息代替文字表述，使學習資源更加豐富。雙向的知識建構有利于學習者對知識的理解和應用，有助于發(fā)揮學習者的主觀能動性，進而優(yōu)化教學。

④教學內(nèi)容生動化：用多媒體技術來輔助教學，以逼真、生動的畫面，動聽悅耳的音響來創(chuàng)造教學的文體化情景，使抽象的教學內(nèi)容生動化、清晰化，提高學習者的學習興趣。

2.銀企信息不對稱影響融資效率。融資扶持政策、融資產(chǎn)品信息化傳播效率不高，企業(yè)對一些融資政策不了解；企業(yè)稅務、水電、行政處罰、訴訟等信息分散，影響銀行貸前調(diào)查效率。

⑤交互方式協(xié)作化：較傳統(tǒng)教學更加注重交互，形成了真實世界與虛擬世界、學習者與AR系統(tǒng)的人機交互以及學習者與學習者之間的三重交互方式，使互助學習、協(xié)作學習和教師一對一的指導變得更加容易。

⑥思維方式高階化：將模擬情境和現(xiàn)實環(huán)境相結合，使學習者在學習和實驗過程中不斷與現(xiàn)實結合對照，進行判斷、思考和反思，進而促進高階認知的建構和批判性思維的形成。

⑦認知負荷最優(yōu)化：使枯燥、單調(diào)、抽象的學習內(nèi)容具體化、生動化，給學習者帶來強烈的好奇心和濃厚的學習興趣，減少認知負荷，使他們很輕松地獲得流暢體驗和學習成就感。

同時，通過對84篇實證研究論文進行綜合分析，我們發(fā)現(xiàn)AR為學習者提供與現(xiàn)實融合的浸入式、生動性、可視化的學習體驗，有助于學習者的抽象內(nèi)容理解、虛擬世界可控、情感流暢與歸屬感的獲得。同時也顯現(xiàn)出一些目前仍存在的問題：優(yōu)質(zhì)AR教育資源稀缺、AR定位精度與邊界不清晰，AR教育應用研究還處于簡單呈現(xiàn)、交互不深入的初級階段，技術與教育教學仍停留在簡單的線性疊加，還未實現(xiàn)有效的融合。

（3）AR教學系統(tǒng)的設計研究

文獻樣本中，11篇論文屬于AR教學系統(tǒng)開發(fā)范疇。根據(jù)資源呈現(xiàn)形式的不同，將目前常見的ARLEs分為以下三類：增強書籍、基于注釋的ARLEs和基于位置的ARLEs。

①增強書籍。增強書籍是ARLEs最主要的資源組織形式。將虛擬信息通過AR標記疊加在普通書籍的頁面上，通過AR視覺追蹤提供理想的圖像，為學習者提供了廣闊的視角。在人們熟悉的紙質(zhì)頁面上，彈出數(shù)字窗口，形象生動的3D模型就會從書頁上升起，在某些情況下還可以支持簡單的交互。在現(xiàn)實世界使用這種書籍，使書籍顯得很神奇，給學習者魔幻的感覺。學習者對于那些自然互動方式的書籍已經(jīng)習以為常，而對于這種魔幻書籍則充滿了好奇心，甚至年幼的孩子都知道如何打開和閱讀書籍。目前，已出現(xiàn)一種商業(yè)的AR書籍創(chuàng)作工具Zooburst[14]能夠用來創(chuàng)作屬于學習者的個性化的增強書籍。

②基于注釋的ARLEs?；谧⑨尩腁RLEs是將虛擬注釋信息疊加到現(xiàn)實世界中的一個特定對象上，幫助學習者全方位、多角度地觀察和學習。Rahman等人[15]開發(fā)了一種創(chuàng)建AR注釋的工具，教師在攝像機前呈現(xiàn)學習對象，并使用注釋工具在實時視頻的幫助下對其加以注釋。同時，他們還使用圖像設備來捕捉彩色圖像和相應的深度信息。如果他們使用“多邊形注釋方案”，教師可以在屏幕上畫出一個多邊形，學習者便可以看到他們想要用信息標注的對象。在文獻[16]中，Simeone和Iaconesi設計了Minkisi系統(tǒng)，組織者通過桌面系統(tǒng)和Minkisi在真實的雕塑上標注虛擬信息，教師和學生便可調(diào)用相應的在線注釋信息，幫助他們識別雕塑藝術品的各個部分。同時，參觀者也通過欣賞藝術作品并根據(jù)精確度和實用性來進行作品評估。

③基于位置的ARLEs?；谖恢玫腁RLEs是另一種表現(xiàn)形式，使用配備射頻識別標簽讀取器和GPS定位的手持設備，為現(xiàn)實世界中的物體提供有關的輔助信息。這種增強方式通常用在為建筑物或藝術品提供基于位置的相關輔助信息，將虛擬信息直接整合到目標現(xiàn)實世界中，為學習者提供有效的展示。Klopfer和Sheldon[17]開發(fā)了AR游戲構建器，允許用戶在特定的位置創(chuàng)造教育移動游戲。系統(tǒng)提供預定義的地圖和GPS坐標，以便用戶添加相關的虛擬信息，例如某地的特征描述等。同時，允許改變地理位置，用戶也能夠根據(jù)自己的需求二次開發(fā)，創(chuàng)造屬于他們自己的游戲。

（4）AR學習系統(tǒng)的評價研究

分析樣本發(fā)現(xiàn)，對于AR學習系統(tǒng)的評價還僅僅處于起步階段，只有3篇論文涉及到了AR教學系統(tǒng)設計的設計原則和評價規(guī)范。例如，Neven等[18]分別從學習者和教師的角度提出ARLEs的設計原則；Matt Dunleavy[19]則從文獻分析的角度提出ARLEs設計需遵循的原則。我們將這些原則和規(guī)范進行分析并整合，得到ARLEs設計的十個原則。

①真實科學原則。ARLEs呈現(xiàn)給學習者的學習過程和學習資源應以真實的物質(zhì)世界為基礎，設計的問題應是有意義的學習內(nèi)容，且有助于引導學習者深入思考，進而解決實際的復雜問題。

②主動參與原則。學習者能夠主動參與活動，通過ARLEs觀察現(xiàn)象和結果。同時，學習者是有意識地主動自發(fā)的個體，有能力去追求學習目標并能夠適時調(diào)整學習方法。

③探究學習原則。設計ARLEs內(nèi)容時，注重探究學習的設計，使學習者能夠通過探究和反思的過程來構建關于主題的想法，使學習的過程成為非線性的狀態(tài)。學習者能在探究學習的過程中形成開放性的思維模式，進而達到高階學習目標。

④協(xié)作學習原則。Weiberger和Fischer的協(xié)作知識建構理論[20]強調(diào)在學習共同體內(nèi)進行知識建構，認為知識是教師與共同體內(nèi)其他成員相互作用的建構過程，不能獨立于個人所處的社會文化情境而存在，教師與共同體內(nèi)其他成員具有共同的學習目的，并通過協(xié)作、交流而共享成果。因此，設計ARLEs時應考慮促進學習者之間的交互學習，使學習者之間的信息溝通渠道暢通。學習活動應專注于互動，以學習共同體成員之間進行合作互動的方式來促進學習。

⑤持續(xù)沉浸原則。AR的沉浸感使學習者身臨其境地學習，但常常無法使學習者能持續(xù)保持這種沉浸感。因此，設計ARLEs時須考慮學習者的注意力因素，如何使他們能持續(xù)保持在穩(wěn)定的水平，這是設計者需要考慮的問題。

⑥整合原則。將教學環(huán)境整合成工作流的策略將有效地降低教師的工作負荷，在AR學習環(huán)境中，教學數(shù)據(jù)和資源能夠在學習共同體內(nèi)流暢地傳遞，將有效降低教師的工作負荷。

⑦授權原則。ARLEs設計時，若能使教師處于主導地位，將降低教師的工作負荷，即教師能夠有效地主導技術支持的教學活動。

⑧意識原則。對學生的情況有較全面的了解將會有效降低教師的工作負荷，即AR支持的學習情境應考慮呈現(xiàn)學習者的認知水平，并能實時追蹤學習者的認知過程和認知水平。

⑨靈活原則。ARLEs的設計應足夠靈活，以應對學習者、學習資源及周圍環(huán)境發(fā)生的臨時變動，并做出適時調(diào)整和變化。

⑩精簡原則。ARLEs學習情景的設計應去繁就簡，在呈現(xiàn)功能和界面的前提下盡量精簡，以減少使用者的視覺疲勞和認知負擔。

4.研究目的

分析104個文獻樣本的研究目的發(fā)現(xiàn)，增強現(xiàn)實教育應用研究的目的主要集中在以下幾個方面：一是梳理應用研究現(xiàn)狀；二是分析ARLEs對學習行為動機的影響；三是分析ARLEs對學習者學業(yè)成就的影響；四是注重ARLEs系統(tǒng)的設計。因為文獻樣本中實證研究樣本占多數(shù)，設計AR學習系統(tǒng)并運用到教學實踐中進行實證研究，較多的論文通過ARCS動機模型測量ARLEs對學習行為動機在注意力、相關性、自信心和滿意度方面的表現(xiàn)。

5.研究方法

針對不同的研究目的，研究采用不同的研究方法，主要分為定性分析、定量分析和綜合分析三類，具體數(shù)據(jù)收集方法有文獻分析法、調(diào)查問卷法、訪談法、內(nèi)容分析法、文本分析法和網(wǎng)絡行為分析法等。理論研究樣本多采用文獻分析法，而實證研究則多以綜合運用定性分析和定量分析方法，采用調(diào)查問卷和訪談法收集學習者和教師對于ARLEs的看法和意見，然后用計算效應值的測量方法來收集ARLEs對學習者學習行為動機和學習成效的影響，并計算其認知負荷，同時多采用t檢驗等統(tǒng)計方法測量控制組和實驗組的差異。學習者行為動機調(diào)查問卷則多采用科勒的ARCS動機模型進行設計。具體數(shù)據(jù)分布見表3、表4。

表3 研究方法分布

表4 數(shù)據(jù)收集方法分布

6.研究結果

104篇論文中，理論研究的結果多以教學模式、教學策略和教學原則的形式存在，提出ARLEs的設計原則，梳理AR在教育領域的應用趨勢以及構建基于AR的教學模式等。實證研究占多數(shù)，研究結果多是介紹自主設計的AR學習系統(tǒng)，并進行教學實驗，測量對學習者學習行為動機、學業(yè)成就、認知負荷和心理體驗的影響，具體數(shù)據(jù)分布如表5。

表5 研究結果分布

四、結束語

本文分析國外增強現(xiàn)實教育應用的研究現(xiàn)狀，通過對2010至2018年九年間國際權威教育技術期刊中的104篇學術論文在發(fā)表時間、雜志分布、領域與主題、研究目的、研究方法和研究結果六個維度的詳細分析發(fā)現(xiàn)，增強現(xiàn)實教育應用的研究數(shù)量呈逐年上升趨勢，在《Computers&Education》雜志發(fā)表的相關研究數(shù)量最多；同時，隨著研究的深入，ARLEs與K-12階段各學科的融合及實證研究已成為研究的重點，人們更加重視AR對學習者學習動機、學習參與度及學習效果的影響。多數(shù)的研究發(fā)現(xiàn)，ARLEs對學習者的學習動機、學習參與度及學習效果影響顯著，能夠為學習者提供與現(xiàn)實融合的浸入式、生動性、可視化的學習體驗，且有助于學習者的抽象內(nèi)容理解、虛擬世界可控、情感流暢與歸屬感的獲得。同時，部分研究也顯現(xiàn)出一些問題，如AR學習體驗的理論定位與研究邊界不清晰；缺乏有針對性的AR設計理論和規(guī)范，以致于優(yōu)質(zhì)AR教育資源稀缺，AR教育應用研究還處于簡單呈現(xiàn)、交互不深入的初級階段，技術與教育教學仍停留在簡單的線性疊加，還未實現(xiàn)有效的融合等問題。因此，如何加強AR與教育教學的深度融合，進而將技術促進有意義學習的效用最大化，將是教育研究工作者目前亟需考慮優(yōu)化的問題。