沉浸式增強現(xiàn)實仿真對教學的啟示和局限性

馬特·鄧利維 克里斯·戴德 麗貝卡·米切爾

【摘 要】本研究的目的是記錄教師和學生如何描述和理解參與式增強現(xiàn)實（AR）模擬輔助或阻礙教學的方式。與作為網(wǎng)絡(luò)游戲基礎(chǔ)的多用戶虛擬環(huán)境（MUVE）界面一樣，AR是一種很好的用于進行模擬即時協(xié)作仿真的媒介，但與MUVEs相比，它有不同的優(yōu)勢和局限性。在一個基于設(shè)計的研究項目中，研究人員對美國東北部的兩所中學（6年級和7年級）和一所高中（10年級）進行了多項定性案例研究，從學生和教師的角度記錄AR模擬的可承受性和局限性。研究人員通過正式和非正式的訪談、直接觀察、網(wǎng)站帖子和網(wǎng)站文檔收集數(shù)據(jù)。教師和學生報告說，以技術(shù)為媒介的敘述和AR模擬交互式的互動、定位、協(xié)作解決問題的能力非常吸引人，特別是在那些曾經(jīng)向教師提出行為和學術(shù)挑戰(zhàn)的學生中。然而，雖然AR模擬提供了潛在的變革性附加價值，但它同時也對教學提出了獨特的技術(shù)、管理和認知挑戰(zhàn)。

【關(guān)鍵詞】增強現(xiàn)實;沉浸式參與式模擬;課堂技術(shù)實踐;手持設(shè)備;GPS設(shè)備

中圖分類號：G42 ? 文獻標志碼：A? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1007-0125（2019）29-0135-09

一、緒論

在過去幾年里，年輕人玩電子游戲的數(shù)量呈爆炸式增長，兒童和青少年使用移動手持技術(shù)（如便攜式音樂播放器、游戲平臺和智能手機）的數(shù)量也呈爆炸式增長。隨著學校系統(tǒng)在如何更好地應(yīng)對這種文化和技術(shù)轉(zhuǎn)變的問題上苦苦掙扎，這項技術(shù)很可能會繼續(xù)向功能更強大、支持GPS、位置感知、能提供高質(zhì)量、多媒體和計算機處理能力的WIFI掌上電腦發(fā)展。教育技術(shù)的主要研究人員認為這種現(xiàn)象既不是靈丹妙藥也不是瘟疫，他們強調(diào)需要更多的研究來探索這些技術(shù)是否以及如何能夠用于增強學習。

三個互補的技術(shù)接口正在塑造人們的學習方式，對K-12教育有多重影響。

熟悉的“從世界到桌面”界面通過網(wǎng)絡(luò)媒體提供跨時空訪問分布式知識和專業(yè)知識。學生們坐在自己的筆記本電腦或工作站前，可以訪問遠程專家和檔案館，與同齡人交流，并參與師徒關(guān)系和虛擬實踐社區(qū)。該界面提供了學習模型， 現(xiàn)在成為K-12教育中大多數(shù)工具，應(yīng)用程序和媒體的基礎(chǔ)。

新興的多用戶虛擬環(huán)境（MUVE）界面為學生提供了一種引人入勝的“愛麗絲夢想”體驗，其中他們在圖形虛擬環(huán)境中的數(shù)字使者積極參與其他參與者的頭像和計算機化代理的體驗。MUVE提供了豐富的環(huán)境，參與者可以在其中與數(shù)字對象和工具交互，例如歷史照片或虛擬顯微鏡。此外，這個界面還可以通過文本聊天和虛擬手勢等媒介，促進虛擬角色之間的新型交流。這種“介入沉浸式”（數(shù)字增強背景下的普遍體驗）類型，介于現(xiàn)實世界和K-12課堂上的數(shù)字繪畫練習之間的復(fù)雜性中間，允許教學設(shè)計師構(gòu)建在學校環(huán)境中不可能實現(xiàn)的共享模擬體驗。研究人員正在探索這種學習模式在K-12教育中的作用。

增強現(xiàn)實（AR）接口支持“無處不在的計算”模型。學生們在真實世界的環(huán)境中通過攜帶著移動無線設(shè)備，參與到疊加在物理景觀上的虛擬信息中（比如一棵描述其植物學特征的樹或一張與當前場景形成對比的歷史照片）。這種中介浸入式教學將數(shù)字資源注入整個現(xiàn)實世界，增加學生的體驗和互動。研究人員開始研究這些學習模型如何幫助學生的參與和理解。

沉浸在虛擬環(huán)境和增強現(xiàn)實中，會以全新的方式塑造參與者的學習風格、優(yōu)勢和偏好，這超出了迄今為止使用復(fù)雜的計算機和通信技術(shù)所產(chǎn)生的影響，對K-12教育產(chǎn)生了多重影響。Dede（2005）將基于MUVE和AR接口的分布式學習社區(qū)的中介沉浸式學習風格描述為：一是多媒體流暢性;二是以集體尋求、篩選和綜合經(jīng)驗為基礎(chǔ)的學習，而不是單獨地從某個單一最佳來源尋找和吸收信息;三是基于經(jīng)驗（真實和模擬）的主動學習，包括經(jīng)常有機會進行反思;四是通過非線性的聯(lián)想網(wǎng)絡(luò)，而不是線性的“故事”表達（例如，創(chuàng)作模擬和網(wǎng)頁來表達理解，而不是一篇論文）;五是根據(jù)個人需要和喜好，共同設(shè)計個性化的學習體驗。

如果我們考察學生在校外使用科技的情況，我們會發(fā)現(xiàn)這些學習方式的轉(zhuǎn)變發(fā)生在他們非正式的、自愿的教育活動中。例如，雖然坐在控制臺前的一個玩家的游戲模型仍然普遍存在，但協(xié)作性、中介性的游戲玩法正在興起。大型多人在線游戲（MMOG），如魔獸世界（暴雪娛樂）和Everquest（索尼在線娛樂），將玩家聚集在一起，讓他們能夠在一個虛擬的、沉浸式的、協(xié)作的環(huán)境中進行互動。新興社區(qū)如“modding”（用戶為游戲創(chuàng)建新內(nèi)容）和“machinima”（用戶通過視頻捕捉技術(shù)創(chuàng)建新內(nèi)容）正在進一步塑造我們國家的學生在校外通過協(xié)作數(shù)字體驗表達自己的方式。使用手機、便攜式游戲平臺或個人數(shù)字助理，孩子們在現(xiàn)實世界中移動時也會注入虛擬資源。例如，他們用手機給朋友發(fā)短信，遠距離拍照和發(fā)送照片，訪問流媒體音頻和視頻文件，甚至打電話。在他們的學習過程中，在許多兒童分布的社區(qū)與21世紀知識工作場所的專業(yè)人員的活動相似。

在考慮學習的沉浸式參與式模擬時，MUVE和AR界面形成了有趣的對比。在MUVE中，學生實際上是體現(xiàn)在一個數(shù)字世界中。他們遇到的一切都是虛擬的，包括與他們合作的同學。他們的每一個動作都被界面捕捉并打上了時間戳：他們?nèi)チ四睦铮麄兟牭搅耸裁?，說了什么，他們收集或訪問了什么數(shù)據(jù)，等等。他們可以與隊友面對面的交流，而不是像MUVEs那樣，在角色之間進行中介式的互動。他們的一些行為會被捕捉，比如他們走到哪里，收集了什么數(shù)據(jù);其他行為，比如他們彼此說的話，則更難收集。MUVEs的獨特功能包括能夠進行魔術(shù)（例如，從一個地方傳送到另一個地方），以及捕捉學習體驗的各個方面以進行形成性和總結(jié)性評估。AR的獨特功能包括真實世界環(huán)境的更大逼真度、團隊成員在多個維度上與它的帶寬面對面交流的能力，以及通過豐富的感官空間背景通過物理運動促進運動學習的能力。

然而，盡管學校以外的復(fù)雜技術(shù)的應(yīng)用越來越多，典型的教室仍然通過浸入式參與式模擬利用上述MUVE和AR接口進行教學。本文介紹了AR的早期研究，試圖評估其目前在典型課堂環(huán)境下對學生參與和學習的優(yōu)勢和限制。我們特別研究了在增強現(xiàn)實游戲《異形接觸》中，如何在支持教學的同時兼顧技術(shù)、管理和認知挑戰(zhàn)。

二、增強現(xiàn)實在教育中的應(yīng)用的理論基礎(chǔ)

關(guān)于人們?nèi)绾螌W習的研究表明，學習和認知是分布在思想、活動、空間和時間的復(fù)雜社會現(xiàn)象。學生作為學習者的參與和身份是由他或她在社區(qū)和團體中的親身參與以及這些社區(qū)的實踐和信仰決定的。然而，創(chuàng)建一個允許學生參與涉及學習社區(qū)的真實實踐的課堂活動是具有挑戰(zhàn)性的，特別是當涉及到真正的科學實踐時。例如，幾位調(diào)查人員開發(fā)了課程活動，試圖驗證情境學習理論的部分內(nèi)容，但由于難以在K-12課堂的約束下實施情境學習，他們被迫修改了自己的研究設(shè)計。作為學校實踐之外的一種替代方法，將學生帶到當?shù)蒯t(yī)院與流行病學家和醫(yī)生一起研究百日咳的爆發(fā)，可能為學生掌握科學內(nèi)容和探究技能提供一個真實、有意義和具有激勵作用的背景。然而，這是不可行的，原因有很多，包括高昂的成本和管理上的挑戰(zhàn)。直到最近，研究人員還在努力對K-12教育中處于復(fù)雜而真實的課堂實踐中的自然和新興學習進行研究。

情境學習理論視角的核心是相信學習是嵌入在特定的物理和文化環(huán)境中、由其決定并與之不可分割的。分析的單位既不是個人也不是環(huán)境，而是兩者之間的關(guān)系，正如學生的參與程度所顯示的。從這個角度來看，學習和認知都被理解為沿著實踐社區(qū)的軌跡的進步，也被理解為身份的持續(xù)轉(zhuǎn)變。通過參與學?；顒?，學生們塑造了培養(yǎng)他們作為學習者身份的參與模式，包括他們參與學習的方式和對自己學習能力的信念。作為一種軌跡，身份不是一個人一次性擁有的對象;它是隨著時間的推移而定義、演進的，并且有自己的發(fā)展勢頭。身份是賦予人們參與的各種參與形式的具有靈活連續(xù)性的東西。

此外，以技術(shù)為媒介的模擬和游戲提供了“以清晰而有意義的方式招募身份并鼓勵身份認同和反思的機會……”Gee（2003）定義了電子游戲具有獨特的激活、招募和培養(yǎng)投射性身份感的能力，這種投射性身份感充當學生真實世界身份與虛擬或游戲身份之間的中介。通過游戲環(huán)境，學生可以創(chuàng)建和培養(yǎng)模擬或游戲身份，其目標和價值相互交叉并與他們的真實身份相互作用。如果學生購買并擁有這些虛擬身份，那么可以利用虛擬身份來影響和塑造現(xiàn)實世界身份的持續(xù)轉(zhuǎn)變。這種身份原則的轉(zhuǎn)化潛力是本文所述AR項目的組成部分。

在兩期關(guān)于游戲特殊主題和沉浸式參與式模擬的專題JSET中，Squire和Jan（2007）將AR描述為：“……在數(shù)字設(shè)備（pda，手機）的支持下，現(xiàn)實世界中的游戲，在現(xiàn)實世界的背景上創(chuàng)造了一個虛構(gòu)的層……基于位置的增強現(xiàn)實游戲是在特定的現(xiàn)實世界地點（歷史、地理位置）進行的，并使用帶有全球定位系統(tǒng)的掌上電腦，通過附加數(shù)據(jù)（文本、數(shù)字數(shù)據(jù)、音頻、視頻）來增強用戶對空間的體驗（p.6）?！?/p>

類似的，我們使用手持計算機和全球定位系統(tǒng)（GPS）設(shè)備相結(jié)合來開發(fā)門外AR模擬。然而，我們開發(fā)了一個與位置無關(guān)的AR模擬，它可以疊加到任何物理區(qū)域，而不是依賴于位置的方法。由于在學校環(huán)境中進行多次實地考察可能會有問題，我們想要一個基于“AR”技術(shù)的課程，教師可以立即在學校建筑區(qū)域如學校操場，操場，或停車場實施。借助視頻游戲和娛樂行業(yè)中反復(fù)出現(xiàn)的流行主題，例如，光環(huán)3（微軟）、外星人和捕食者，等等。我們的研究團隊開發(fā)了一種名為Alien Contact的AR模擬。

（一）外星人接觸（Alien Contact）！模擬概述

在美國教育部的資助下，在麻省理工學院和威斯康星大學麥迪遜分校的合作下，我們設(shè)計了外星人接觸（Alien Contact）！向中學生和高中生傳授數(shù)學、語言藝術(shù)和科學素養(yǎng)。這種敘述驅(qū)動的、基于探究的AR模擬是在戴爾Axim X51掌上電腦上進行的，使用GPS技術(shù)將學生的真實世界位置與模擬數(shù)字世界中的虛擬位置關(guān)聯(lián)起來（圖1）。

學生移動一個物理位置，比如他們的學校操場上或者體育場（圖2），他們手持地圖顯示數(shù)字對象存在于一個基于“AR”技術(shù)的世界和虛擬人物疊加在真實空間中（圖3）。當學生距離這些數(shù)字工件約30英尺時，AR和GPS軟件會觸發(fā)視頻，音頻和文本文件，這些文件提供敘述，導(dǎo)航和協(xié)作提示以及學術(shù)挑戰(zhàn)。

在外星人接觸！學生們面對的情景是：外星人已經(jīng)登陸地球，似乎正在準備采取一些替代行動，包括和平接觸、入侵、掠奪，或者只是返回自己的家園。在團隊中工作（每個團隊4名學生），學生們必須探索AR世界，采訪虛擬角色，收集數(shù)字物品，解決數(shù)學、語言藝術(shù)和科學素養(yǎng)謎題，以確定外星人為什么登陸地球。

每個小組有四個角色：化學家、密碼專家、電腦黑客和聯(lián)邦調(diào)查局特工。根據(jù)他或她的角色，每個學生將看到不同的和不完整的證據(jù)。為了成功地在AR環(huán)境中導(dǎo)航并解決各種難題，學生必須與他們的團隊成員分享信息并進行協(xié)作。例如，當呈現(xiàn)一段外星飛船殘骸的數(shù)字片段時，每個團隊成員都會接收到殘骸的不同維度以進行測量，或者接收到如何測量的獨特線索。如果學生不合作并拼湊拼圖他們各自的信息碎片，他們將無法解決問題，并推進到下一個階段。隨著學生探索物理空間和收集數(shù)字數(shù)據(jù)時，他們將發(fā)現(xiàn)證據(jù)支持外星人可能降落的替代可能性。在本研究中，無論學術(shù)優(yōu)勢和劣勢如何，這些角色是隨機分配給學生的。然而，未來的實施可能會有目的地使用角色和特定于角色的內(nèi)容來適應(yīng)、利用、修復(fù)或強化各個學生的各種技能。

外星人接觸！是基于馬薩諸塞州的標準和培養(yǎng)多種高層次的思維技能。在設(shè)計這個單元時，研究團隊針對的是中學生通常難以掌握的數(shù)學、語言藝術(shù)和科學素養(yǎng)方面的概念。以2005年春季馬薩諸塞州8年級綜合評估系統(tǒng)（MCAS）測試為參考，確定高需求領(lǐng)域，研究人員主要集中在比率、比例和間接測量（數(shù)學標準 6.M.3， 8.M.4， 8.N.3）結(jié)合英語詞匯如何受到拉丁和希臘語言的影響（ELA標準4.18，4.21，4.24）。然而，其他的數(shù)學和英語語言藝術(shù)標準被嵌入到單元中，例如閱讀圖表（數(shù)學6.P），以及小組討論和演講（ELA 2.4，3.8， 3.9， 3.11， 3.13）。

此外，模擬內(nèi)容和結(jié)構(gòu)的設(shè)計旨在允許教師在未來的迭代中構(gòu)建多個入口點。該設(shè)計允許教師能夠靈活地強調(diào)：第一，不同的學術(shù)標準;第二，不同內(nèi)容領(lǐng)域（數(shù)學、英語/語文藝術(shù)、科學、社會研究/歷史）;第三，不同的時事（能源危機、石油短缺、全球核威脅、文化差異）。另外，外星人聯(lián)系！具有多個復(fù)雜的潛在層。例如，在游戲中，學生被要求解決數(shù)學難題，以獲得解鎖包含證據(jù)的虛擬建筑的四位數(shù)的代碼。得到的代碼的序列表示斐波那契序列，即1，1，2，3，5，8，13，21，34。

本設(shè)計的基本原理有三方面：一是為教師構(gòu)建多個入口點;二是建立數(shù)學和語言模式，當被認可時，就能揭示數(shù)學和語言的普遍性和神秘性;三是構(gòu)建多層次的復(fù)雜性，無論學生的能力如何，這種復(fù)雜性都將吸引和挑戰(zhàn)學生，并為教師提供差異化的機會。在研究人員試圖讓學生參與數(shù)學、語言藝術(shù)和科學的同時，他們也在試圖利用這些領(lǐng)域的一些內(nèi)在特性（比如斐波那契數(shù)列、黃金分割、古代語言和文化），這些特性超出了特定的學術(shù)標準。此外，我們借鑒了良好的教育學原理，如前面討論的改進的拼圖法。拼圖法是外星人接觸不可分割的組成部分！而且似乎非常適合AR的可供性，AR能夠向每個學生呈現(xiàn)不同且不完整的數(shù)據(jù)片段或游戲空間。這種方法與互動式教學、分布式知識和其他社會文化學習方法有很大的重疊。

除了良好的教學方法和與學術(shù)概念建立聯(lián)系外，這些單元的設(shè)計旨在利用高質(zhì)量游戲設(shè)計的原則。AR和外星人聯(lián)系！特別是結(jié)合流行電子游戲的幾個元素來增加學習和參與：一是敘事和背景;二是差異化角色扮演;三是掌握目標分子任務(wù);四是交互性;五是選擇;六是協(xié)作。在外星人接觸！故事和背景是外星人與地球互動的傳奇故事。

課程單元的主要目標是發(fā)現(xiàn)外星人登陸的原因。然而，為了收集足夠的證據(jù)形成假設(shè)，學生必須成功地完成需要數(shù)學、語言藝術(shù)和科學素養(yǎng)技能的多個子任務(wù)。在整個場景中，學生與虛擬角色、數(shù)字物品以及彼此之間的豐富交互來導(dǎo)航游戲空間。選擇和協(xié)作被嵌入到整個單元中。最后，整個場景是開放式的，對于外星人登陸的原因有多種可能的解釋。

（二）方法

本研究的目的是了解中學、高中教師和學生如何在參與式AR模擬中描述教與學;因此，采用了一種基于設(shè)計的方法，重點是多案例研究設(shè)計。本研究旨在了解教師和學生在參與Alien聯(lián)系過程中是如何理解和使用AR的！選取三個案例研究地點對這一現(xiàn)象進行深入研究。在這三個案例研究中，研究人員從數(shù)學、科學和英語的核心學科領(lǐng)域共抽取了6名教師作為樣本，以全面了解AR模擬在不同的學校背景和內(nèi)容領(lǐng)域中的現(xiàn)象。

隨著研究的深入，設(shè)計正式化，從而將注意力集中在從概念框架中派生的上下文變量上（參見附錄A，影響AR仿真設(shè)計的可取性、實用性和有效性）;研究人員通過使用多種類型的數(shù)據(jù)（觀察、訪談、文檔）、多種來源（教師、學生）和multip研究人員對數(shù)據(jù)進行三角測量。兩個主要的研究問題是：第一，學生如何描述和理解玩AR模擬的方式有助于或阻礙他們對數(shù)學及其識字技能發(fā)展的理解？第二，教師如何在課堂上使用AR課程來描述和理解他們的生活方式？

（三）地點與參與者

本研究的參與者是美國東北部兩所中學（六年級和七年級）和一所高中（十年級）的學生和教師。 研究人員主要通過便利抽樣（參與意愿）確定了這些學校。 在這一年中，研究團隊收集了六位教師和大約80名中學生和高中生的數(shù)據(jù)。 表1列出了人口統(tǒng)計信息，從中抽取了本文分析的樣本。

a.免費和減少午餐的百分比;b.非洲裔美國人，西班牙裔，亞洲人，帕西人

（四）數(shù)據(jù)采集

一個由7名研究人員組成的團隊在2006-2007學年實地考察了三所學校，收集了大約100個小時的數(shù)據(jù)。從研究人員與教師的比例可以推斷出，在實施過程中為教師提供足夠的支持至關(guān)重要。該研究小組平均有三個人在課堂/領(lǐng)域支持教師并收集數(shù)據(jù)。這足以把兩者都做得很好。這些高級教師支持數(shù)直接影響可擴展性的可行性，這將在“含義和結(jié)論”部分中詳細說明。數(shù)據(jù)來源包括正式和非正式訪談，直接觀察，網(wǎng)站文檔和web站點帖子。研究人員對改良版的教學觀察協(xié)議（RTOP）進行了觀察，該協(xié)議旨在記錄科學和數(shù)學課堂中的教學實踐。使用RTOP的理由之一是存在強大的培訓材料和在線視頻資源，以提高多個觀察者之間和評估者之間的可靠性（Sawada等人，2002）。整個研究團隊進行了在線培訓，以提高評估者之間的可靠性。訪談對象為：所有六名參與的教師;每個站點的學生樣本。訪談和焦點小組圍繞一組來自概念框架和研究問題中衍生出來的問題進行組織。所有的內(nèi)部意見都被錄了下來，同時研究人員做了記??錄。研究人員系統(tǒng)地觀察了每位教師平均約9小時。教師們自愿參加AR研究，并意識到他們將在整個實施過程中被觀察。觀察是使用符合概念框架和研究問題的觀察協(xié)議進行的。收集觀察記錄、現(xiàn)場記錄和視頻數(shù)據(jù)，進行案例內(nèi)分析和跨案例分析。

（五）數(shù)據(jù)分析

1.現(xiàn)場數(shù)據(jù)分析。研究人員使用定性分析程序Atlas，基于研究的概念框架和第一輪開放編碼，使用結(jié)構(gòu)化編碼方案分析了觀察現(xiàn)場筆記和訪談記錄。 第一輪開放式編碼產(chǎn)生了30個描述性代碼。 這些描述性代碼用于現(xiàn)場模式匹配分析的迭代過程中，每一輪編碼都在逐步地提高推論性和解釋性。 研究人員利用這一級編碼過程收集的數(shù)據(jù)，分析了有效學習環(huán)境理論框架與AR能力之間可能存在聯(lián)系的代碼報告。

2.跨站點數(shù)據(jù)分析。個案研究用于跨案例分析?？缯军c分析的重點是從概念框架中確定的各種因素;因此，重點放在這些案件在現(xiàn)象和利害因素方面的相似性。使用現(xiàn)象的變化和這些變化的因果解釋不是本研究的重點。回到理論和組織的概念框架，作者創(chuàng)建了一個案例有序的跨站點數(shù)據(jù)矩陣，相應(yīng)地對數(shù)據(jù)進行分類。模式匹配分析（其中每個案例作為另一個案例的比較背景）用于確定是否存在重要的使用模式，這些模式利用了跨站點的AR的獨特可供性以及跨站點的顯著限制模式。用于模式匹配的策略是在案例之間進行比較和對比，以及計算跨案例使用或挑戰(zhàn)的頻率。

通過案例研究，作者記錄了高度的學生參與，這是教師和學生歸因于AR模擬的獨特啟示。 然而，作者還記錄了AR環(huán)境中重要的教學和學習挑戰(zhàn)，在研究和開發(fā)周期的這一點上，這使得大規(guī)模的AR實現(xiàn)非常困難。

（六）結(jié)果

1.學生參與度高。研究團隊記錄了這一年中三所大學學生參與度很高的情況。盡管高積極性和參與度似乎是合乎邏輯的，而且?guī)缀跏菍W生們帶著手持電腦外出尋找外星人線索時的必然結(jié)果，但在AR設(shè)計開發(fā)的第一年，這仍然是一個需要達到的關(guān)鍵門檻。此外，鑒于AR研究的新生狀態(tài)和基于設(shè)計的研究方法的使用，確定學生和教師認為最能激勵他們的特定元素對于更有效地開發(fā)AR課程至關(guān)重要。學生和老師報告了最激勵和/或最吸引外國人接觸的因素，是：使用手持設(shè)備和GPS學習。

學生們最常報告說，使用掌上電腦和GPS導(dǎo)航和收集數(shù)據(jù)是非常激勵人心的。 以下學生訪談和聊天室的回復(fù)代表了這一發(fā)現(xiàn)：

手持設(shè)備很酷。我們不是在課堂上學習數(shù)學和英語，而是在手持設(shè)備之外學習...它使得它比在教室里寫作更有趣（學生面試11/22/06）。

使用手持設(shè)備非常有趣。這是新的……沒有（比如）我們在學校真的做的……令人興奮的（學生面試11/22/06）。

它讓我們有機會離開學校學習數(shù)學和英語。此外，您還可以學習團隊合作，并學習如何使用這些酷炫的掌上電腦（學生聊天室發(fā)布日期11/19/06）。

此外，觀察數(shù)據(jù)顯示，學生交換手持設(shè)備是為了交流信息和合作解決問題。學生們經(jīng)常交換機器來觀察彼此的問題，或者這種行為表明他們對新技術(shù)或不熟悉的技術(shù)具有高水平的可觀察舒適感。

最后，研究團隊記錄了另外兩個與手持設(shè)備相關(guān)的行為，雖然這些行為似乎表明與掌上電腦的高度互動，但也可能帶來AR獨有的教學和學習挑戰(zhàn)。當學生在游戲空間中航行時，經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)他們忽略了周圍的物理空間，專注于通過掌上電腦呈現(xiàn)的數(shù)據(jù)。研究小組記錄了許多學生如此投入游戲環(huán)境的例子，他們忘記了他們的真實環(huán)境。除了學生在城市環(huán)境中行走時忽視環(huán)境所帶來的明顯的安全問題外，如果AR模擬設(shè)計的目的是將物理空間融入學習體驗中，這種實際情況實際上可能會適得其反。此外，學生們往往變得過于專注于通過紅外功能向彼此發(fā)送信息，以至于他們沒有時間完成更重要的活動，例如查找和分析數(shù)據(jù)或與隊友分享和討論數(shù)據(jù)。

2.收集數(shù)據(jù)外。學生和老師也報告了對學校場地的物理探索（即操場、運動田野、鄰居）是非常激勵人的。

以下的學生訪談和聊天室的回復(fù)代表了這一發(fā)現(xiàn)：

這個項目也讓我們有機會走出學校去學習更多的東西 （學生聊天室11/19/06）。

……事實上，我們一次外出的時間超過了一天……這是不同的和有趣的，大部分在學校我們只是坐在這里，基本上什么也不做（學生采訪11/22/06）。

為了回答他們對現(xiàn)實的喜好的問題時，學生們經(jīng)常提到外出：

……通常我們不會像以前那樣出去和人交流（學生采訪， 11/22/06）。

當我們外出時，我們使用我們的手持設(shè)備來嘗試和我們的環(huán)境互動（學生采訪， 11/22/06）。

當被問及為什么戶外活動有益時，大多數(shù)學生談到了戶外活動的新奇之處，并以一種非典型的方式進行數(shù)學運算。對學生和老師來說，從事數(shù)學任務(wù)的現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的數(shù)學任務(wù)，無論是數(shù)字的或物理的，也感覺更真實，更像一個真正的科學家可能使用數(shù)學作為工具來解決一個問題。由于學生們在課堂之外從事學術(shù)研究，這看起來更像是真正的工作。一些學生沉浸在外星人墜毀的背景中，以至于他們會問研究人員，他們的學校里“外星人真的墜毀了”，還是研究人員“真的是FBI特工”。

與此同時，AR開發(fā)者可能會考慮一些關(guān)于外部游戲玩法的問題。首先，天氣太熱或太冷的時候，學生參與度顯著下降， 雨水（雖然將機器包裹在三明治袋中，適用于小雨）通常意味著呆在室內(nèi)， 妨礙學生充分參與AR。第二，許多學生很難根據(jù)他們在掌上電腦中出現(xiàn)的位置，在現(xiàn)實世界中自我定位。研究小組經(jīng)常觀察到學生在相反的方向上尋找角色，當角色離棒球場較遠時，他們就朝棒球場走去。獲得定向運動策略可能是學生使用AR課程的意外學習成果。

AR固有的物理組件不僅具有激勵作用，而且還提供了獨特的機會來創(chuàng)建真實和新穎的學習環(huán)境，在戶外物理空間中利用真實和數(shù)字項目。在外星人接觸！學生通過他們的手持設(shè)備接觸到數(shù)字產(chǎn)品，通過環(huán)境接觸到物理制品，當它們結(jié)合在一起時，要求他們解決數(shù)學、讀寫和科學方面的挑戰(zhàn)。根據(jù)學生和老師的報告，這種體驗式沉浸式AR讓學生對敘事和物理空間產(chǎn)生強烈的參與感。

3.分布式知識，積極的相互依賴和角色。在AR模擬過程中，每個學生都將接收到不同的和不完整的數(shù)據(jù)片段，這些數(shù)據(jù)片段需要他或她與團隊成員協(xié)作才能成功地導(dǎo)航該區(qū)域并解決問題。例如，當學生遇到一個代表外星人機翼的實物時，研究小組的每個成員都通過手持設(shè)備接收到一段不同的數(shù)字數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)幫助他們測量機翼并確定其重要性（圖6-8）。

團隊的第四名成員，計算機黑客，也接收信息并提示問題，幫助團隊組織數(shù)據(jù)并討論策略。

如本例所示，研究團隊創(chuàng)建了基于團隊的解決問題的挑戰(zhàn)，每個學生都提供了獨特的、必要的和互補的知識領(lǐng)域。 這種拼圖教學法充分利用了掌上AR的功能，為每個學生提供差異化的信息。 絕大多數(shù)學生報告說，他們團隊的這種相互依存的特性是AR最具吸引力和最有趣的特征之一：

這個項目讓我們有機會與隊友溝通解決問題，共同努力（解決）問題。 只要我們一起工作，我們就會得到我們期望得到的東西（學生聊天室發(fā)布于11/19/06）。

我喜歡的部分是我們都有不同的東西（信息）（學生訪談11/22/06）。 你需要每個人的幫助來找出代碼（學生面試4/9/07）。

除了積極的相互依賴外，學生們還報告說，有關(guān)角色的問題也是令人鼓舞的：

我喜歡這樣的事實，即我們都在同一個團體中，但我們并不是完全相同的人......我們每個人都有不同的角色，所以我們都是一個團隊，但我們也有我們自己的東西，但我們?nèi)匀恍枰總€人，以便有一個完整的畫面或想法發(fā)生了什么。它給你一種獨立的感覺，但它也給你一個想法，當你需要幫助的時候，你必須尋求幫助（學生面試11/22/06）。

我喜歡小組活動，喜歡成為一個你不像FBI探員、化學家、語言學家那樣的人。我非常喜歡（學生訪談11/22/06）。

我喜歡這個項目，因為......在正常的項目中，我們沒有特殊的角色，現(xiàn)在我們有角色，我們需要彼此，這讓我們更加了解彼此，并且（有）更好的團隊合作（學生面試6/8/07）。

當被問及她如何看待學生的角色時，一位參與的老師回答說：

他們都有了自己的身份。他們都強烈地感到自己是這方面的專家......如果他們沒有角色，他們可能不會那么渴望合作，因為他們確實需要每個人（教師訪談6/8/07）。

學生和教師的引文都捕捉到了投射身份的本質(zhì)，可以在AR模擬中利用它來激勵學生并以新穎和潛在的變革方式加強教學。

（七）后勤方面的局限性

除了與上面詳細介紹的AR模擬可用性相關(guān)的高參與度之外，還記錄了AR環(huán)境特有的重大挑戰(zhàn)。挑戰(zhàn)一般分為三類，按重要性排序：一是硬件和軟件問題;二是后勤保障和教務(wù)管理;三是學生認知超載。

圖7密碼學家翼信息

軍用航天器數(shù)據(jù)

最高機密

根據(jù)美國中央情報局的數(shù)據(jù)，在軍用航天器中，最長邊與最短邊的比值是5/3。換句話說，如果這些碎片是來自一個軍事外星翼，它將有一部分最長邊=5;最短邊=3。

1.硬件和軟件問題。學生和教師報告的AR模擬最大的局限性是GPS錯誤。可以肯定的是，隨著技術(shù)的發(fā)展，本研究中記錄的大部分錯誤很可能會被消除。然而，目前GPS的誤差對于大規(guī)模實現(xiàn)來說是非常高的。在研究期間觀察到GPS失敗率為15-30%，這是一個巨大的挑戰(zhàn)。作者記錄了錯誤的兩個主要來源：（1）軟件不穩(wěn)定; （2）研究小組錯誤地設(shè)置了手持配置。 兩個來源都會影響可擴展性，稍后會進一步討論。當學生被問及他們不喜歡使用AR學習時，GPS錯誤是最常見的回答：

計算機問題真的很煩人（學生訪談4/9/07）。

當計算機死機時，人們被拋在后面（學生訪談4/9/07）。

我的GPS沒有工作10分鐘，我不得不讓我的團隊回來（學生訪談6/8/07）。

更加嚴重的問題是基于團隊的相互依賴的方法，這種方法可以通過AR為舞蹈提供便利，也是Alien Contact不可或缺的一部分。正如最后兩個引文所反映的那樣，如果四個學生團隊中的一個成員在同一個位置時沒有觸發(fā)角色/項目，則問題會在多個層面上層疊：管理、參與、學習、團隊凝聚力，以及拼圖合作。

參與調(diào)查的教師也認為GPS錯誤問題非常棘手。當被要求確定該計劃中最關(guān)鍵的部分時，一位參與的老師回答說：

讓GPS工作……對于我來說，這是整個項目中最令人沮喪的事情，因為我們在那里度過了最激動人心的時光……有那么多無助的孩子，他們什么也做不了，這對他們來說是一種巨大的打擊，其他人都跑來跑去，很興奮，他們只是坐在那里……你需要弄明白……如果這是一個手持式和GPS驅(qū)動的項目（教師訪談6/8）/07）。

老師的這句話突出了AR開發(fā)人員和研究人員面臨的最大挑戰(zhàn)。由于GPS的高誤差，研究團隊需要提供大量的支持和材料管理。

2.后勤支援及管理。數(shù)據(jù)中出現(xiàn)的主題之一是AR模擬實現(xiàn)所伴隨的高管理開銷。觀察和訪談數(shù)據(jù)清楚地反映了一個或兩個教師無法按照目前設(shè)計的方式實施AR單元的現(xiàn)實。除了在實施過程中維護GPS信號外，支持團隊還需做到：第一，對所有硬件進行分發(fā)和采集;第二，努力保持團隊的團結(jié);第三，回答內(nèi)容和手持界面問題;第四，為使用機器的學生提供可選的手持設(shè)備已經(jīng)崩潰（平均每班15人中有2人）;第五，將學生趕出街道。雖然其中一些問題無法完全消除，但有些問題會隨著設(shè)計的改進及硬件和軟件的完善而減輕。當被問及他們?nèi)绾文軌蜃约簩嵤〢R單元時，教師強調(diào)需要額外的支持：

……從老師的角度來看，我認為這對我來說是非常難以承受的（教師訪談11/22/06）。讓孩子們出來，分發(fā)他們的手把，找出所有的小故障，做這個活動，回憶他們的手把，讓他們回到大樓里，這絕對限制了你能做什么（教師訪談6/8/07）。

如果你們（研究人員）不介入并提供幫助……這將以失敗告終。有太多的小故障，如果……對我們來說是成敗在此一游，否則我們就會沉淪（教師訪談6/8/07）。

由于管理要求高，在實施過程中為教師提供足夠的支持至關(guān)重要。平均而言，每個班級或每區(qū)都有三名支援人員來支持。研究人員記錄說，為了支持實施和收集數(shù)據(jù)，至少需要兩名現(xiàn)場人員和最多三名現(xiàn)場人員。如果刪除了諸如數(shù)據(jù)收集之類的研究任務(wù)，除了課堂教師之外，大約兩個人就足以管理硬件并通過實施來維護GPS信號。對可擴展使用而言，這是一種極高水平的后勤支持。

3.學生認知超載。學生們報告說，在模擬過程中，他們經(jīng)常被要求處理的大量材料和復(fù)雜任務(wù)搞得不知所措。當被問及這一現(xiàn)象時，學生和老師強調(diào)了一些主要問題：

……有些代碼令人困惑……所以我們就想放棄了（學生訪談11/14/06）。

他們中的一些人說他們一直都很無能為力。在嘗試學習技術(shù)的同時解決問題太難了（Tea cher采訪4/13/07）。

……綜合能力對六年級學生來說是一項困難的技能，這個項目需要大量的理解和綜合能力（教師訪談6/8/07）。

正如上面引文中所提到的，學生們接觸并需要快速應(yīng)用多種復(fù)雜技能：地理空間導(dǎo)航，協(xié)作解決問題，手持操作，以及敘述中呈現(xiàn)的數(shù)學和識字問題。雖然可以斷言，孤立地說，這些技能中的任何一項都很容易完成，但綜合所有這些技能是有問題的。

（八）意料之外的新興主題

1.競爭。研究人員記錄了大多數(shù)（但不是所有）團隊都有強烈的群體認同感和競爭意識。視頻數(shù)據(jù)顯示，當其他團隊的學生靠近時，學生們會在隊友之間竊竊私語，以避免分享信息。案例研究小組在測量異形機翼模型時記錄了一個強有力的例子（見圖8）。其他學生指責該小組“霸占”機翼，而該小組則指責另一名學生在試圖了解該小組通過測量機翼發(fā)現(xiàn)的信息時作弊。當另一名來自不同地點的學生被問及如何幫助其他球隊時，他回答說：“我們沒有幫助任何人，我們想贏?！?（觀察現(xiàn)場注釋4/9/07）

與比賽直接相關(guān)的是，學生們也被觀察到通過模擬比賽來試圖“擊敗”其他隊伍。在學生和老師看來，這種沖/跑現(xiàn)象似乎是三個因素造成的：一是團隊之間不可預(yù)見的競爭發(fā)展（如上所述），這導(dǎo)致了一種“通過it比賽”的心態(tài);二是每天的人物和項目太多，迫使學生匆匆忙忙完成那天的活動;三是由于團隊之間的距離較近，模擬空間較小，學生們試圖通過聽或看的方式從其他團隊那里得到答案。讓兩個團隊并排走，遇到相同的數(shù)據(jù)，似乎很自然地會讓他們覺得這是一場比賽，看誰能先解決問題。

2.在混合學習環(huán)境中工作的挑戰(zhàn)。研究人員在這個特定的研究領(lǐng)域遇到了一些獨特的挑戰(zhàn)，其中涉及使用數(shù)字和真實工具來創(chuàng)建學習環(huán)境。最明顯的挑戰(zhàn)來自于使用不是為戶外使用而設(shè)計的硬件。例如，雖然手持屏幕的分辨率、清晰度和對比度在室內(nèi)非常出色，但由于強光，在陽光明媚的日子里，屏幕上的信息往往難以閱讀。與此相關(guān)的一個挑戰(zhàn)是，學生在相對嘈雜的室外環(huán)境中，很難聽到重要的信息。手持式揚聲器適合在室內(nèi)收聽，但在周圍有街道和行人噪音的大型開放區(qū)域，聲音往往會被沖掉，變得難以聽到。結(jié)果，研究人員觀察到，學生們甚至在觀看視頻時也將手持設(shè)備放在耳朵上，以便聽到信息。很明顯，這與呈現(xiàn)視覺信息的目的背道而馳，因為學生們在聽演講者講話的時候看不到屏幕。一種廉價而有效的音頻解決方案是使用耳機和防眩光屏幕，并取得了不同程度的成功。

最后，正如前面所討論的，研究團隊記錄了多個學生沉迷于手持游戲環(huán)境而忘記了真實環(huán)境的例子。盡管這似乎是高中生參與度的一個積極指標，但學生們在任何環(huán)境中行走時，忽視周圍的物理空間，只專注于手持設(shè)備，這對身體安全構(gòu)成了真正的威脅。在城市環(huán)境的實施過程中，研究人員不得不反復(fù)提醒學生離開街道，走到人行道上去。此外，雖然這種專注似乎表明高度投入，但最初與物理空間產(chǎn)生強烈的投入感，然后將空間作為學習環(huán)境的一部分加以利用，則會適得其反。

（九）以前的學生

這項研究中一個更有趣的發(fā)現(xiàn)是，以前對學校不感興趣的學生的參與和動機被記錄在案。在不同的網(wǎng)站上，教師報告說，與正常的課堂行為相比，AR實施過程中學生的行為和參與度存在顯著差異：

我看到很多孩子……那些在今年這個時候被拒之門外的成績靠后的學生……這些孩子是最投入的（6/8/07教師訪談）。

在我的課上，他們大部分時間都能完成作業(yè)，但他們很容易偏離軌道。他們喜歡聊天和談話，但在這一周半的時間里，他們都很專注，很投入，他們真的想找出問題所在是……認為這個團隊對我來說是一個最強大的變化，因為他們以前一起工作過（教師訪談11/20/06）。

一些參加IEPs的孩子……我確實注意到有ADD的孩子，有幾個孩子根本不坐在教室里，他們100%的投入（教師訪談6/8/07）。

對于課堂教師來說，最大的挑戰(zhàn)之一是如何讓那些在傳統(tǒng)課堂上沒有積極性的學生參與進來。這些學生在AR單元中高度投入的發(fā)現(xiàn)是重要的，也是令人鼓舞的。

（十）討論

如前言所述，與我們一起工作的學生已經(jīng)在使用他們的手機無縫地與他們的同齡人交流和分享信息。這項研究的結(jié)果強調(diào)了僅僅通過使用類似的工具來學習，學生就會變得多么投入。盡管由于固有的新穎性效應(yīng)，無論內(nèi)容如何，這種使用都將繼續(xù)是一種激勵因素，但我們可以有把握地預(yù)測，隨著學生逐漸習慣這種學習方法，這種新穎性投入將逐漸消失。因此，確定學生感興趣或不感興趣的特定于課程特征和技術(shù)特征對于AR課程的未來發(fā)展至關(guān)重要?？梢院侠淼財嘌?，如果這些工具與良好的教學方法相結(jié)合，以教授有意義的技能，那么本研究中記錄的高參與度是可以保持的。

利用積極的相互依存關(guān)系提供了獨特的社會文化機會和挑戰(zhàn)。研究結(jié)果中最明顯的主題之一就是AR的迭代是如何依賴于學生合作的。如上所述，角色的使用和積極的相互依賴是外星人接觸（Alien Contact）的組成部分，并且非常適合AR的可提供性，AR能夠向每個學生提供不同的、收入豐富的數(shù)據(jù)。此外，學生們報告說，他們團隊的角色和相互依賴的本質(zhì)是吸引人的和有趣的特征。然而，挑戰(zhàn)來自于這樣一個事實，如果學生不習慣這種類型的學習，如果沒有對這種技能的重要建模、促進和構(gòu)建，就很難成功地實現(xiàn)一個相互依賴的AR單元。團隊合作是一種必須培養(yǎng)的技能，它可以有效地轉(zhuǎn)化為期望的行為，如互惠教學、合作解決問題或其他基于社會建構(gòu)主義的行為。

研究人員還需要探索是否有可能設(shè)計一個不完全依賴于每個團隊成員在場的相互依賴的增強現(xiàn)實游戲。也就是說，如果其中一個角色缺席，它將嚴格限制游戲。由于不可避免的缺勤和調(diào)度沖突，我們創(chuàng)建了幾個更大的學生組，這反過來又創(chuàng)建了冗余的角色（例如，同一個團隊中的兩個化學家）。我們記錄了在較大的群體中較少的合作活動，因為一些學生僅僅依靠7個成員中的一兩個來完成大部分的工作。有時冗余的角色一起工作，但更多的時候，冗余的角色會導(dǎo)致其中一個學生被忽略，因為他或她的信息不是唯一的，因此是不必要的。結(jié)果，在解決問題上最成功的學生能夠積極參與，而不那么成功的學生則被忽視。角色的使用和積極的相互依賴與互惠教學、分布式知識和其他社會文化學習方法的領(lǐng)域有很大的交集，但是未來的AR實現(xiàn)必須確定如何最好地利用這些可提供性。