增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在兒童教育環(huán)境中的非正式學(xué)習(xí)應(yīng)用淺析

張 雪

1 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的發(fā)展現(xiàn)狀

作為近年來十分火熱的概念，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的應(yīng)用自2016 年有了近似井噴式的發(fā)展。許多科技巨頭公司也都爭相進(jìn)入市場進(jìn)行布局。這種通過介質(zhì)將數(shù)字化虛擬信息疊加到現(xiàn)實(shí)世界上并能進(jìn)行互動(dòng)的概念，使得增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)包裹著一層魔法一般令人期待的魅力。在即將迎來的物聯(lián)網(wǎng)時(shí)代，AR 或?qū)⒊蔀槔^電腦、智能手機(jī)后的下一代計(jì)算平臺(tái)。但是，處于虛擬世界和物理世界的連接的關(guān)節(jié)點(diǎn)。需要足夠有說服力的連接介質(zhì)（硬件）或連接方式（應(yīng)用）。這是影響當(dāng)前AR 發(fā)展一個(gè)關(guān)鍵性問題。也正是因?yàn)檫@這個(gè)問題導(dǎo)致AR 在被稱作AR/VR 元年的2016 年的概念爆發(fā)期后，由于技術(shù)不成熟，硬件和軟件均不能提供給消費(fèi)者所期待的用戶體驗(yàn)，在市場上未能持續(xù)井噴式的增長。經(jīng)歷了2017 年、2018 年的冷卻期。AR/VR 市場已經(jīng)趨于理性，而即將到來的5G 時(shí)代，將有望推動(dòng)AR/VR 真實(shí)落地。

關(guān)于市場，中國信息通信研究院、華為技術(shù)有限公司、京東方科技集團(tuán)股份有限公司共同編寫的《虛擬（增強(qiáng)）現(xiàn)實(shí)白皮書（2018 年）》指出[1]。2018 年全球AR/VR 市場將有望突破700 億，同比增長126%。預(yù)計(jì)在未來5 年，行業(yè)復(fù)合增長率將超70%。2018 年市場硬件端占比63%，應(yīng)用端占比37%。預(yù)計(jì)2020 年應(yīng)用端的占比將上漲至41%。未來的10 年里，軟件端將成為行業(yè)增長的新驅(qū)動(dòng)力。有了廣泛應(yīng)用的硬件才能真正成為擁有市場的硬件。應(yīng)用軟件的開發(fā)將直接影響硬件技術(shù)的發(fā)展。白皮書還指出，目前在虛擬（增強(qiáng)）現(xiàn)實(shí)市場上，軟件增速最快的是行業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域。工業(yè)、醫(yī)療、教育等行業(yè)的應(yīng)用市場規(guī)模在2018 年為8%，這個(gè)數(shù)值預(yù)計(jì)在2020 將會(huì)上增至19%。未來，AR 在教育領(lǐng)域有著巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的兒童教育應(yīng)用現(xiàn)狀

目前，針對(duì)兒童的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教育應(yīng)用產(chǎn)品按使用環(huán)境主要?jiǎng)澐譃榻逃螒驊?yīng)用、正式學(xué)習(xí)應(yīng)用和非正式學(xué)習(xí)應(yīng)用3 個(gè)板塊：

教育游戲類：該類應(yīng)用主要集中在幼兒早教市場中。例如語言類學(xué)習(xí)卡片游戲、數(shù)學(xué)學(xué)習(xí)卡片、科普游戲、早教認(rèn)知識(shí)圖游戲、早教統(tǒng)感類游戲、以及早教玩具等。

教育游戲類的應(yīng)用是目前AR 兒童教育應(yīng)用市場中最為活躍的類別，主要集中在幼兒早教市場。幼兒教育本身是一個(gè)比較活躍的市場，由于幼兒期處于人的一生認(rèn)知發(fā)展的啟蒙階段極為重要。所以作為幼兒市場的主力消費(fèi)者，幼兒的父母們非常熱衷用體驗(yàn)各種新型的科技產(chǎn)品。AR 早教產(chǎn)品較傳統(tǒng)早教印刷產(chǎn)品來說更接近與自然認(rèn)知方式，更有助于幼兒的認(rèn)知體驗(yàn)，并且?guī)砹撕軓?qiáng)的趣味性。這非常受年輕家長的青睞。且幼兒的認(rèn)知發(fā)展環(huán)節(jié)的每個(gè)階段的周期短，發(fā)展比較快，這使得早教產(chǎn)品具有了一定的快消產(chǎn)品的市場特性。市場發(fā)展較好。

正式教育：AR 正式學(xué)習(xí)應(yīng)用的使用場景是在校園中的常規(guī)課堂上。主要作用是對(duì)教學(xué)課程中一些難以理解或空間性比較強(qiáng)的概念進(jìn)行可視化的輔助說明。此外還有實(shí)驗(yàn)演示、英語翻譯、英語輔助教學(xué)等。

AR 兒童正式學(xué)習(xí)應(yīng)用的使用場所是在常規(guī)校園中。在校園中，各種應(yīng)用的游戲性和互動(dòng)性都要受到一定的限制。作為輔助教學(xué)的工具，其開發(fā)的內(nèi)容與形式要保證不要過于吸引學(xué)童注意以免分散學(xué)童在常規(guī)課堂中的注意力影響教學(xué)秩序。這使得AR在該環(huán)境中的應(yīng)用發(fā)展會(huì)受到一定的限制。

非正式學(xué)習(xí)：包括AR 圖書、場館展示、技能培訓(xùn)等。

AR 圖書是AR 在兒童非正式學(xué)習(xí)應(yīng)用中發(fā)展較為成熟的應(yīng)用模式。圖書一直以來都是文化傳播的主要途徑，更是非正式學(xué)習(xí)的主要方式。移動(dòng)終端設(shè)備的普及為AR 圖書的發(fā)展提供了有利的基礎(chǔ)。加之出版印刷物對(duì)使用標(biāo)記或圖形識(shí)別的AR 應(yīng)用來說是再合適不過的載體。AR 圖書的成功可以說是水到渠成。

場館展示類，例如在博物館、科技館、藝術(shù)館等場館用作對(duì)概念的形象化展示或?qū)φ蛊愤M(jìn)行信息拓展的展示；技能培訓(xùn)，例如繪畫，積木構(gòu)建等；

非正式學(xué)習(xí)（Informal learning）有別于正式教育，發(fā)生場所及為靈活。根據(jù)Tamir.p 對(duì)正式教育和非正規(guī)教育以及非正式學(xué)習(xí)的劃分[2]。兒童在校園的常規(guī)教育課堂以外的時(shí)間里，隨時(shí)隨地發(fā)生的學(xué)習(xí)行為都在非正式學(xué)習(xí)的范疇之內(nèi)。除去已經(jīng)有一定應(yīng)用規(guī)模的AR 圖書，AR 在非正式學(xué)習(xí)的發(fā)展基本還處于早期階段。兒童階段具有較好的非正式學(xué)習(xí)能力的年齡集中在基礎(chǔ)教育階段，即K-12階段（約3～12 歲），該階段是知識(shí)攝入的重要階段，對(duì)非正式學(xué)習(xí)產(chǎn)品的需求比幼兒早教階段要更多。所以該市場具有更巨大的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

3 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體現(xiàn)的認(rèn)知特點(diǎn)適用于基礎(chǔ)教育階段的兒童

于基礎(chǔ)教育階段的K-12 是從幼兒園到12 年紀(jì)的教育。兒童在這個(gè)階段的認(rèn)知行為使主體集中獲得知識(shí)、培養(yǎng)解決問題的能力。

基礎(chǔ)教育階段兒童認(rèn)知能力的發(fā)展不是由于認(rèn)知結(jié)構(gòu)本身的變化所導(dǎo)致的。它是通過不斷地激活兒童原有認(rèn)知結(jié)構(gòu)的功能并在實(shí)踐中不斷提高其應(yīng)用所認(rèn)知的內(nèi)容的熟練程度逐漸實(shí)現(xiàn)的[3]。通過實(shí)踐進(jìn)行認(rèn)知的方法會(huì)更有效也容易引起兒童的興趣，激發(fā)他們的認(rèn)知主動(dòng)性。由于非正式學(xué)習(xí)是可以隨時(shí)隨地發(fā)生的極具主動(dòng)性的學(xué)習(xí)行為。所以更接近真實(shí)情境的學(xué)習(xí)方式會(huì)更容易促使兒童主動(dòng)的發(fā)生非正式學(xué)習(xí)行為。

在Coiffet 和Burdea，G 的描述中，將VR/AR的重要特征歸納為：沉浸性、交互性、想像性[4]。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)以現(xiàn)實(shí)世界作為基礎(chǔ)，將2D、3D 或者聲音等信息通過介質(zhì)疊加在現(xiàn)實(shí)世界上。使用者因此產(chǎn)生了在現(xiàn)實(shí)世界中的使用者與疊加在現(xiàn)實(shí)場景中的虛擬信息進(jìn)行實(shí)時(shí)交互的感覺。這種與虛擬信息進(jìn)行交互的行為需要通過一定的聯(lián)想和邏輯推斷來支撐?，F(xiàn)實(shí)、介質(zhì)、虛擬信息、交互作為增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的四大要素構(gòu)成了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)使用者體驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如圖1 所示。在這個(gè)模型中使用者獲得的沉浸感和交互體驗(yàn)都是通過以現(xiàn)實(shí)世界為基礎(chǔ)與虛擬信息的交互來實(shí)現(xiàn)的。虛擬現(xiàn)實(shí)以介質(zhì)、虛擬信息和交互方式作為三大要素構(gòu)成了使用者體驗(yàn)?zāi)Ｐ?，如圖2 所示。虛擬現(xiàn)實(shí)讓使用者在建立的虛擬場景中與虛擬世界進(jìn)行交互。因此，在使用虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行認(rèn)知的過程中，使用者是通過在完全虛擬的環(huán)境中與虛擬對(duì)象進(jìn)行交互而獲得的沉浸感和交互體驗(yàn)。

可見增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)這種將虛擬的增強(qiáng)信息疊加到現(xiàn)實(shí)世界之上的展現(xiàn)模式比虛擬現(xiàn)實(shí)更容易實(shí)現(xiàn)讓兒童產(chǎn)生貼近實(shí)際情境的感受，也更容易讓兒童將所學(xué)內(nèi)容與真實(shí)的生活經(jīng)驗(yàn)相關(guān)聯(lián)。且由于目前便攜電子通訊設(shè)備的普及作為基礎(chǔ)，不需要考慮虛擬現(xiàn)實(shí)所必需的昂貴的硬件設(shè)備。因此增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)類的兒童非正式學(xué)習(xí)方式更容易被廣泛接受。

4 各階段的兒童對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)非正式學(xué)習(xí)應(yīng)用的需求區(qū)別

為了了解K-12 各階段兒童對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)非正式學(xué)習(xí)應(yīng)用的需求特點(diǎn)。本論文針對(duì)K-12 教育區(qū)間的三個(gè)階段選擇了幼兒園大班、小學(xué)三年級(jí)、初中一年級(jí)三組，每組30 名兒童使用QuiverVision 在ios 系統(tǒng)上的App——QUIVER EDU 進(jìn)行了AR 非正式學(xué)習(xí)應(yīng)用的分齡體驗(yàn)測(cè)試。該分齡實(shí)驗(yàn)通過給不同學(xué)習(xí)階段的被試兒童在三周內(nèi)布置了三次（每周一次）與之認(rèn)知能力相適應(yīng)的認(rèn)知試驗(yàn)任務(wù)，并對(duì)他們的任務(wù)完成時(shí)間、任務(wù)完成度、主觀態(tài)度進(jìn)行記錄。每個(gè)任務(wù)完成一周后對(duì)被試兒童再次測(cè)試其一周前通過AR 非正式學(xué)習(xí)任務(wù)所習(xí)得的知識(shí)，以觀察此次AR 非正式學(xué)習(xí)體驗(yàn)的學(xué)習(xí)有效性。

對(duì)實(shí)驗(yàn)記錄和結(jié)果分析后發(fā)現(xiàn)：

1）幼兒園大班的兒童相比之下需要更多的時(shí)間學(xué)習(xí)和適應(yīng)操作方法。因?yàn)椴僮髂芰烷喿x能力較弱，在操作過程中不時(shí)需要測(cè)試人員的幫助。在第一次測(cè)試時(shí)降低了兒童的沉浸感和知識(shí)獲得的有效性。在隨后的兩次測(cè)試中隨著操作熟練程度的提高，有效的提高了沉浸感、交互感和知識(shí)獲得的效果。

2）小學(xué)三年級(jí)和初中一年級(jí)的學(xué)生的表現(xiàn)有很大的相似性。學(xué)生在實(shí)驗(yàn)過程中都能很快掌握操作方法在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成任務(wù)。并在一周后的重復(fù)測(cè)試中仍然記得之前通過試驗(yàn)任務(wù)學(xué)習(xí)到的信息，這說明了知識(shí)獲得的有效性。并且根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄顯示，在熟悉了操作方法后，小學(xué)生在進(jìn)行任務(wù)操作時(shí)的注意力集中時(shí)長有一個(gè)比較明顯的躍層。這說明增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的展現(xiàn)方式有效吸引了小學(xué)生的注意力，可以達(dá)到促進(jìn)其主動(dòng)認(rèn)知行為的目的。

5 結(jié)論

幼兒園階段的兒童尚處于具體運(yùn)算認(rèn)知發(fā)展階段，以表象認(rèn)知方式為主，注意力集中時(shí)間較短。與之相適應(yīng)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的呈現(xiàn)內(nèi)容，應(yīng)該以比較簡單的游戲型應(yīng)用為主。交互方式簡單、文字的使用量少，圖形動(dòng)畫和聲音相結(jié)合的方式更適合這個(gè)年齡階段。因?yàn)椴僮髂芰ο鄬?duì)較弱，對(duì)硬件和軟件的操作能力較弱，在使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用時(shí)需要一定的時(shí)間來學(xué)習(xí)操作方法。因此操作方式應(yīng)盡量直觀簡單。

小學(xué)和初中的兒童在測(cè)試中展現(xiàn)出極高的相似性。但由于認(rèn)知發(fā)展階段的不同導(dǎo)致與之相適應(yīng)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的開發(fā)在內(nèi)容和交互方式上要有相對(duì)應(yīng)的區(qū)別。

認(rèn)知發(fā)展處于前運(yùn)算階段的小學(xué)階段的認(rèn)知特點(diǎn)以探究為主，對(duì)社科和人文類的知識(shí)有著大量基礎(chǔ)性的需求，對(duì)社交方式的要求相對(duì)簡單。非常適合科普和人文知識(shí)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的開發(fā)。

已基本處于認(rèn)知發(fā)展的形式運(yùn)算階段的初中階段的兒童和青少年。其認(rèn)知特點(diǎn)以推理思維為主，對(duì)認(rèn)知內(nèi)容從廣度和深度上都有了更高的要求。除此之外，由于該階段的心理特點(diǎn)使其對(duì)應(yīng)用的社交需求增加。因此該階段增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用的開發(fā)對(duì)交互方式和內(nèi)容上也都有了更高的要求。

雖然兒童在認(rèn)知能力上有很多階段性的相似性。但針對(duì)不同年齡階段兒童的AR 非正式學(xué)習(xí)應(yīng)用的設(shè)計(jì)仍應(yīng)該有更細(xì)致劃分的針對(duì)性和目的，要與不同階段兒童的認(rèn)知發(fā)展的要求相適應(yīng)。

將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用于教育環(huán)境中，不應(yīng)僅只作為一種單純教具或者獵奇設(shè)備。它應(yīng)當(dāng)是一種輔助學(xué)習(xí)或者認(rèn)知行為的良性干預(yù)手段。它所呈現(xiàn)的不應(yīng)當(dāng)僅只是難以理解或想象的事物，而是應(yīng)當(dāng)是與認(rèn)知對(duì)象的動(dòng)態(tài)交互過程的呈現(xiàn)。并以此激發(fā)學(xué)習(xí)者主動(dòng)產(chǎn)生學(xué)習(xí)行為的動(dòng)力。它不應(yīng)當(dāng)僅只是人機(jī)交互而應(yīng)當(dāng)可以在認(rèn)知過程中完成人與人，人與群體、群體與群體的交互和合作。