增強現(xiàn)實技術(shù)對高校學生學習的影響

龍紫陽 李鳳英

摘 要：文章通過對21篇英文文獻的系統(tǒng)梳理，分析了2010年至2019年增強現(xiàn)實技術(shù)在高等教育階段的應用。首先分析增強現(xiàn)實技術(shù)在高等教育階段的學科分布、研究方法和對學生學習影響的現(xiàn)狀，然后從學習準備、學習過程和學習結(jié)果三個階段總結(jié)出增強現(xiàn)實技術(shù)對高校學生學習的具體影響。研究發(fā)現(xiàn)，近十年間，增強現(xiàn)實技術(shù)在高等教育階段的研究廣泛分布于工程學科和人文學科，研究較多的專業(yè)包括工程科學、計算機科學、建筑學、物理、地理和歷史等。大多數(shù)研究者通過對比實驗探究增強現(xiàn)實技術(shù)對學生學習的影響，增強現(xiàn)實技術(shù)對高校學生學習具有促進作用。同時，教育實踐者應該盡量避免增強現(xiàn)實技術(shù)在高等教育階段應用中可能出現(xiàn)的問題。

關(guān)鍵詞：增強現(xiàn)實技術(shù);高等教育;學生學習;文獻綜述

中圖分類號：G434 ? ? 文獻標志碼：A ? ? ? ? 文章編號：1673-8454（2020）12-0008-07

隨著互聯(lián)網(wǎng)、人工智能和大數(shù)據(jù)等技術(shù)的快速發(fā)展，人類已經(jīng)邁入知識經(jīng)濟時代，培養(yǎng)高素質(zhì)的創(chuàng)新型人才成為世界各國的重要發(fā)展戰(zhàn)略。各國積極推動教育信息化，促進科學技術(shù)與傳統(tǒng)教學模式的融合。在眾多新興技術(shù)中，增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）技術(shù)憑借其真實性、交互性、實時性等特點受到國外教育研究者的關(guān)注，國外研究者在將增強現(xiàn)實技術(shù)與教育結(jié)合方面做出了很多探索和努力。本研究通過對國外相關(guān)研究的綜述，分析增強現(xiàn)實技術(shù)在國外高校的應用現(xiàn)狀及其對國外高校學生學習的影響，以便總結(jié)國外高校利用增強現(xiàn)實技術(shù)打造高效率的學習空間的經(jīng)驗，為國內(nèi)高校發(fā)展增強現(xiàn)實技術(shù)、促進教學提供建議。

一、AR在教育領(lǐng)域中的研究概述

1.概念界定

增強現(xiàn)實的概念源于20世紀90年代，AR最先應用于航空領(lǐng)域，作為航空公司和空軍飛行員的訓練工具[1]。增強現(xiàn)實技術(shù)是在虛擬現(xiàn)實基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項新技術(shù)，它將計算機生成的場景融合到真實世界中，擴張和補充真實世界而不是完全替代真實世界，從而強化用戶對現(xiàn)實的感官和認知。AR具有真實性、交互性和實用性等特點，已被應用于醫(yī)學、軍事、旅游等領(lǐng)域。近年來，隨著教育信息化的推廣，AR逐步被運用于小學至大學的各個學習階段，研究者依據(jù)AR在教育領(lǐng)域的應用狀況開展了一系列的研究。

2.相關(guān)研究

增強現(xiàn)實技術(shù)與教育的結(jié)合推動了教學的發(fā)展。Wu等人表明在真實物體旁邊顯示虛擬元素，AR讓學生觀察到肉眼無法觀察到的事物，可提升學生的學習興趣和動機[2]。Dunleavy等人指出AR最顯著的優(yōu)勢在于為學生打造沉浸式的學習環(huán)境，AR創(chuàng)造的融合虛擬世界和現(xiàn)實世界的混合學習環(huán)境有助于提升學習者批判性思考、溝通協(xié)作以及解決問題等各方面的能力[3]。Cuendet等人認為提高空間想象力是學生理解科學現(xiàn)象的關(guān)鍵，而AR恰好給予了學生提高空間想象力的可能性[4]。由此可知，AR對提高學生的學習動機、空間想象能力和批判性思考能力等都具有促進作用。

不過，增強現(xiàn)實技術(shù)對教育教學可能造成一些困擾。部分學生反映他們在使用AR時經(jīng)常會遇到技術(shù)問題，類似頭戴式顯示器等AR設備不夠輕便、使用不便等[5][6]。授課教師指出如果想要在教育中有效地使用AR，往往需要較多的額外講課時間，這將延長學習時間，增加學生的學習負擔[7]。因此，AR應用于教育領(lǐng)域，既可能因為技術(shù)因素給學習者帶來困擾，也可能因為非技術(shù)因素遭到學習者的抵觸。

隨著教育信息化進程推進，國外將AR應用于教育領(lǐng)域的研究越來越多，大部分的研究關(guān)注AR對某一學科領(lǐng)域的學習成效的具體作用。國內(nèi)關(guān)于AR與教育結(jié)合的研究較少，教育領(lǐng)域的AR應用研究還不成熟。為了分析增強現(xiàn)實技術(shù)對學生學習的影響，本文梳理近十年來國外的相關(guān)文獻，力求總結(jié)AR在教育領(lǐng)域的應用經(jīng)驗，為開展相關(guān)研究和在教育領(lǐng)域合理使用AR提供參考。

二、研究問題與數(shù)據(jù)來源

1.研究問題

文獻綜述可以揭示某一領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀，為尋求合適研究主題的研究者提供線索[8]。高等教育是各個國家和地區(qū)培養(yǎng)科技人才的重要階段，本文以增強現(xiàn)實技術(shù)對高校學生學習的影響為主線，選取最近十年（2010—2019年）高等教育階段關(guān)于AR的實證研究，通過分析總結(jié)，力求回答以下兩個具體的研究問題：①增強現(xiàn)實技術(shù)在高等教育階段的研究現(xiàn)狀是怎樣的？②增強現(xiàn)實技術(shù)對高校學生的學習產(chǎn)生了哪些影響？

2.文獻搜索的過程

研究者利用EBSCO、知網(wǎng)、百度學術(shù)等數(shù)據(jù)庫，以“augmented reality”“AR”“mixed reality”“增強現(xiàn)實技術(shù)”等作為關(guān)鍵詞搜索相關(guān)文獻，在文獻搜索過程中，將文獻發(fā)表時間控制在2010年至2019年，文獻來源控制在SSCI索引，初步收集35篇相關(guān)文獻。

為了能夠準確地回答研究問題，本研究依據(jù)如下三條標準對文獻進行了篩選：以增強現(xiàn)實技術(shù)為研究主題，研究探討的是增強現(xiàn)實技術(shù)在教育領(lǐng)域的應用，研究對象所處的學業(yè)階段為高等教育階段。最終，本研究選定21篇英文文獻作為研究資料。

三、研究發(fā)現(xiàn)

對文獻進行梳理歸納后，本文從學科分布、研究方法以及增強現(xiàn)實技術(shù)對高校學生學習的影響等方面展開分析。首先，從21篇文獻涉及的學科領(lǐng)域和所使用的研究方法兩方面，歸納增強現(xiàn)實技術(shù)在高等教育階段的研究現(xiàn)狀;然后，通過逐層編碼探析增強現(xiàn)實技術(shù)對高校學生學習的具體影響。

1.增強現(xiàn)實技術(shù)在高等教育階段的研究現(xiàn)狀

近十年來，國外高等教育階段應用增強現(xiàn)實技術(shù)的學科多種多樣，研究頻率較高的學科包括工程科學、計算機科學、物理、地理以及歷史等;研究方法集中為實驗研究，大多數(shù)的研究結(jié)果表明AR促進了高校學生的學習。

如圖1所示，從學科領(lǐng)域分析，超過50%的研究來自STEM學科，7篇研究歸屬于人文社科，另外1篇是多學科綜合型研究?？傮w而言，AR在理工科專業(yè)領(lǐng)域的研究成果較多，人文社會科學的研究相對較少。具體分析可知，STEM學科中計算機、工程科學、解剖學、建筑學等專業(yè)應用AR技術(shù)較多;在人文社科領(lǐng)域中，地理、歷史和紡織學等專業(yè)在過去十年間陸續(xù)將AR引入到教育實踐中。無論是STEM學科領(lǐng)域還是人文社會科學領(lǐng)域，融合AR進行教學實踐的往往是對學生實踐能力要求較高的專業(yè)。例如，解剖學和紡織學都要求學生親自動手實踐，教師在講解知識時融合AR技術(shù)，抽象信息通過AR變得具體，有助于形成高效的學習環(huán)境，降低學生的認知負荷，有效地提升學生的動手實踐能力[9]。Carboaell指出AR具有呈現(xiàn)3D地形等優(yōu)勢，對距離、空間等立體感要求較高的地理學科而言，是輔助教學的有效技術(shù)手段[9]。

從研究方法分析，21篇文獻都采用實驗研究。實驗研究一般用于測試某一變量對另一變量的影響，研究者通過分析研究參與者在不同的特定研究場景中的變化，分析研究變量的作用[10]。如圖2所示，11篇文獻采用實驗組和控制組的兩組對比實驗方法，6篇文獻采用單組實驗對研究參與者進行前后測試，4篇文獻設置了三組及以上組別進行多組別對比實驗。Ferrer-Torregrosa等人將來自七所西班牙公立和私立大學的211名學生分為兩組，對照組學生體驗由紙質(zhì)書籍和教學視頻等構(gòu)成的標準教學課程，實驗組在標準教學課程基礎(chǔ)上，使用ARBOOK工具輔助學習，研究結(jié)果表明AR有助于提高學生在解剖學學習過程中的學習動機、學習專注力和空間思維能力[11]。Zarraonandia等通過課堂單組實驗，觀察基于AR的課堂反饋系統(tǒng)能否有效提升師生之間的溝通，研究結(jié)果表明基于AR的課堂反饋系統(tǒng)有效地改善了課堂的溝通和互動[12]。Bursztyn等為了研究基于AR實地考察練習對學生學習地球科學的興趣的影響，將來自五個不同學校的874名學生劃分為四組，設置三個實驗組和一個對照組，實驗組的學生分別完成三個、兩個和一個AR地理空間導向模塊的練習，對照組學生不參與AR地理空間導向模塊的練習，研究結(jié)果表明學生完成AR地理空間導向模塊的數(shù)量與學習地球科學的興趣成正相關(guān)關(guān)系[13]。

從研究結(jié)果分析，大多數(shù)研究認為增強現(xiàn)實技術(shù)對高校學生學習具有積極的影響，不過各個研究的側(cè)重點存在差異。例如，Lin等側(cè)重研究AR對學生的學習興趣和對學習效果的影響，Cheng重點研究AR對學生學習動機和學習態(tài)度的轉(zhuǎn)變，Ak？觭aylr等關(guān)注AR對提升學生實驗素養(yǎng)和實驗能力的作用。部分研究指出增強現(xiàn)實技術(shù)在教學實踐中的不足，F(xiàn)onseca等發(fā)現(xiàn)AR確實提高了學生的課程參與度和學習動機，但是對于管理水平較高、管理細節(jié)較多的項目，AR系統(tǒng)難以提供有效支持[14]。總體而言，過去十年的研究表明增強現(xiàn)實技術(shù)一定程度上能夠促進高校學生的學習。

2.增強現(xiàn)實技術(shù)對高校學生學習的影響

本文重點分析了增強現(xiàn)實技術(shù)對高校學生學習的影響。通過批注和摘錄文獻資料，列出了類似“better academic performance”“increase learning interest”“higher learning motivation”等主題。研究者對所有主題進行歸納并劃分類屬，確定各類屬的編碼，以此分析出AR對高校學生學習的影響，并按照學習的過程將這些影響劃分為前中后三個階段，最終的分析結(jié)果如表1所示。

（1）學習準備

學習的第一個階段被編碼為學習準備（Learning preparation）。增強現(xiàn)實技術(shù)對學生學習準備的影響主要包括兩個方面，分別是提升學習興趣（Increase learning interest）和增強學習動機（Enhance learning motivation），學習興趣和學習動機是獲得好的學習結(jié)果的基礎(chǔ)，AR對學生學習興趣和學習動機的促進作用得到了多項研究的證實。

①提升學習興趣（Increase learning interest）。Bursztyn等人證實了AR可以提高學生的學習興趣，該研究以易于使用的移動設備作為向?qū)W習者提供模擬實地考察體驗的手段，探究AR實地考察練習對學生的興趣水平的影響，結(jié)果表明完成三個地理空間導向游戲模塊的學生對學習地球科學的興趣遠遠大于僅完成一個模塊的學生，AR提升了學生學習地球科學的興趣[13]。

②增強學習動機（Enhance learning motivation）。相較于提升學習興趣，研究AR技術(shù)提高學生學習動機的文獻明顯較多，Andújar、Yen、Kai和Turan等團隊先后證實了AR技術(shù)能夠提升計算機科學、天文學、歷史和地理等學科學生的學習動機。Kai等人采用了基于AR的移動學習系統(tǒng)，通過該系統(tǒng)將歷史學課程中的相關(guān)知識傳授給實驗組的學生。實驗結(jié)果表明，AR學習系統(tǒng)基于其技術(shù)優(yōu)勢，使得實驗組的學生更加確定其所學的知識和自身的表現(xiàn)，有利于增加學生獲得新知識的信心，從而提高整體學習表現(xiàn)和動機。

（2）學習過程

學習的第二個階段被編碼為學習過程（Learning process）。增強現(xiàn)實技術(shù)對學生學習過程的影響主要表現(xiàn)在以下四個方面：

①促進互動溝通（Facilitate communications）。AR促進高校學生學習過程中的互動，既體現(xiàn)在促進學習者和講授者之間的互動，也體現(xiàn)在促進學習者和學習資料之間的互動。當研究參與者配備頭戴式AR顯示器教學時，教師可以隨時觀測到學生的學習狀態(tài)并即時接收和反饋學生的個性化信息，這種技術(shù)為那些害怕在同學面前表達個人觀點的學生提供了便捷私密的溝通渠道，研究結(jié)果表明，AR可以改善課堂的師生、生生互動[12]。在紡織工業(yè)中，許多制造工藝需要深入了解機器運動，例如針織涉及一系列動態(tài)過程，在傳統(tǒng)教學視頻中，學生經(jīng)常難以理解具體的操作順序，而AR視頻鼓勵學生和學習材料之間的互動。AR學習系統(tǒng)允許學習者通過選擇學習序列設計個性化的學習過程，AR觸發(fā)的多媒體資源與用戶的動作相互作用，促進了學習者與學習資料的互動[16]。

②提高參與度（Raise engagement level）。通過比較AR模擬系統(tǒng)和傳統(tǒng)的2D模擬系統(tǒng)中學生的協(xié)作學習行為，研究表明兩種模擬系統(tǒng)中學生都表現(xiàn)出高頻率的查詢行為，AR模擬系統(tǒng)在調(diào)查過程中更加徹底地吸引了學生，提高了學生的學習參與度[17]。

③降低認知負擔（Decrease cognitive load）。增強現(xiàn)實是虛擬世界和現(xiàn)實世界的結(jié)合體，AR可以將抽象的物象形象化，促進學生對抽象和復雜知識點的認知與理解。Turan等通過成就測試、認知負荷量表和半結(jié)構(gòu)化面試等方法收集數(shù)據(jù)，研究發(fā)現(xiàn)AR提高了學生的成績，并且能夠有效降低學生的認知負荷水平[18]。Kü？觭ük等和Cheng同樣論證了這一點。

④提升學習效率（Improve learning efficiency）。技術(shù)助力學習的目的之一是提高學習效率。Hsun等和Liou 等分別從學習者和講授者角度論述了增強現(xiàn)實技術(shù)對學習效率的促進作用，Zarraonandia等提到AR技術(shù)有效地改善了師生之間的溝通，AR有助于使課程的節(jié)奏適應學生的知識水平和學習狀態(tài)，只有在學習者需要時講授者才會提供輔助理解的例子，這表明AR系統(tǒng)能夠提高學習效率[12]。

（3）學習結(jié)果

學習的第三個階段被編碼為學習結(jié)果（Learning outcome）。增強現(xiàn)實技術(shù)不僅影響學習準備和學習過程，而且廣泛地影響了學習結(jié)果的各個方面。AR深化學生對知識點的理解（Better understanding）、提高學習成績（Enhance learning achievement）、增強學習滿意度（Enhance learning satisfaction）;同時，AR與教育的結(jié)合有利于改善學習態(tài)度（Provide positive attitude）、提升學生邏輯思維、實驗技能和自學水平等各項能力（Improve learning abilities）。

①深化知識理解（Better understanding）。AR技術(shù)具備3D映射和人機交互等優(yōu)點，促進了學生對地質(zhì)地貌的3D立體化的理解[19]。Chin等人的研究表明基于AR的新穎的交互式無處不在的學習系統(tǒng)有力地支持了學生對文化遺產(chǎn)相關(guān)知識的理解[20]。Lin等和Turan等分別表明AR加深了學生對物理實驗和地理知識的理解。

②提高學習成績（Enhance learning achievement）。AR對學生學習最直觀的影響是學生的學習成績，F(xiàn)onseca等紛紛證實了AR技術(shù)對學生學習成績的促進作用。對建筑學大三學生的研究表明，基于AR的可視化學習系統(tǒng)受到了學生的歡迎，新的方法運用到學習中提高了學生在學術(shù)課程中的參與度和動機，并提高了學生的學習成績[14]。

③增強學習滿意度（Enhance learning satisfaction）。學習滿意度往往與學生的學習成績和自我效能緊密相關(guān)，F(xiàn)onseca 等不僅表明AR有助于提高學生的學習成績，而且學生的滿意度問卷的總體評估值較高，學生對學習中融入使用AR技術(shù)感到滿意[14]。Yip等同樣表明相較于對照組，實驗組的學生在學習成績和學習效率方面表現(xiàn)更好，并且他們認為基于AR的學習是令人滿意的學習體驗[16]。

④改善學習態(tài)度（Provide positive attitude）。學習者適應新技術(shù)的過程主要與他們的態(tài)度有關(guān)，基于技術(shù)接受模型的研究已經(jīng)證明，當學習者認為新技術(shù)易于使用且有用時，他們往往表現(xiàn)出積極的學習態(tài)度[21]。一項跨工程科學、社會科學和藝術(shù)學科的多學科研究表明學生認為ARBOOK有助于他們的閱讀，他們對AR書籍閱讀活動持積極態(tài)度[22]。

⑤提升學習能力（Improve learning abilities）。AR對學習者最有意義和最深遠的影響是將知識轉(zhuǎn)化為能力，不同的研究證實了AR對學生邏輯思維能力、實驗操作能力和自我學習能力的塑造作用。在解剖學教學中引入ARBOOK，深化了學生對肌肉組織運動的理解，提升了學生的空間理解和邏輯思維能力[11]。Ak？觭aylr 等人通過對大一學生長達五周的物理實驗的考察，證明AR技術(shù)顯著提高了大學生實驗技能的發(fā)展[23]。Wang 等人則認為增強現(xiàn)實技術(shù)有助于培養(yǎng)學生的科學探究能力，提高他們的科學素養(yǎng)[17]。

通過對21篇英文文獻的梳理，本文從學習準備、學習過程和學習結(jié)果三個階段總結(jié)出增強現(xiàn)實技術(shù)對高校學生學習的促進作用。AR有利于深化學生對知識點的理解、改善學生學習成績、提高學生學習能力。不過，新技術(shù)與教育的融合會有一些沖突和挑戰(zhàn)，首先，AR技術(shù)對學生來說存在使用困難，如果沒有良好的設計界面，學生在使用AR技術(shù)時可能會遇到困難[6]。其次，AR使用初期需要學習者投入更多的時間和精力。Gavish等人表明與非AR組相比，AR組學生平均需要更長的訓練時間[24]。此外，全球定位系統(tǒng)錯誤導致的AR應用感知方位錯誤，以及觸發(fā)識別中靈敏度低等可能會降低學習效率，降低學生的學習興趣。不過，這些挑戰(zhàn)一般出現(xiàn)在增強現(xiàn)實技術(shù)應用于中小學教育階段的研究中，在高等教育階段的研究中很少提及，這可能是因為隨著學習層次的提高，學生接受新事物的能力提升，能夠迅速適應并使用學習過程中的新技術(shù)。因此，在高等教育階段，增強現(xiàn)實技術(shù)對學生學習的影響主要表現(xiàn)為積極影響。

四、總結(jié)與討論

近十年間，增強現(xiàn)實技術(shù)在高等教育階段的英文研究廣泛分布于工程學科和人文學科，研究較多的專業(yè)包括工程科學、計算機科學、建筑學、物理、地理和歷史等。研究者們多通過對比實驗研究探究AR對學生學習的一個方面或多個方面的影響，絕大多數(shù)的研究結(jié)果表明AR促進了高校學生的學習。

增強現(xiàn)實技術(shù)對高等教育階段學生的學習影響涵蓋學習的全過程。在學習準備階段，AR能夠提升學生的學習興趣和學習動機，促進學生對學習的渴望。在學習過程中，AR可以促進課堂互動溝通、提高學生參與度、降低學生的認知負擔并提升學習的效率。在學習結(jié)果階段，AR在深化理解知識、提高學習成績、增強學習滿意度、改善學習態(tài)度和提升學習能力等方面均有促進作用。

在大力推進“雙一流”建設和教育信息化的時代，我國的高?？梢越梃b國外經(jīng)驗，多開展增強現(xiàn)實技術(shù)與教育結(jié)合的探索，將AR的技術(shù)優(yōu)勢融入到教育大數(shù)據(jù)的分析實踐中，提升學習效果。充分利用AR“虛實結(jié)合、自然交互”的技術(shù)特點，將難以理解的抽象知識通過AR具象化，促進學生對抽象概念的理解;利用AR“強交互性”的特性，鍛煉學生的實踐操作能力，增強學習者之間、學習者與講授者以及學習者與學習資料的互動。此外，在教育中探索增強現(xiàn)實技術(shù)時，應該充分考慮學習者的技能水平和學科的特點，盡量避免AR與教育融合的初期可能出現(xiàn)的挑戰(zhàn)，優(yōu)化學習者的AR學習體驗，真正做到技術(shù)助力學習。

本研究梳理2010年至2019年增強現(xiàn)實技術(shù)與高等教育結(jié)合的英文文獻，分析AR在高等教育階段的研究現(xiàn)狀，并通過逐層編碼分析AR對高校學生學習過程的三個階段的不同影響，豐富了關(guān)于增強現(xiàn)實技術(shù)對高等教育學生學習具體影響的研究。不過，本研究僅梳理最近十年的英文文獻，未能涵蓋增強現(xiàn)實技術(shù)對高校所有學科學生學習的影響，這有待往后的研究進行探索和補充。

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（編輯：魯利瑞）