增強現(xiàn)實技術(shù)對設(shè)計類學(xué)生學(xué)習(xí)績效影響的實證研究

范大偉 王新燕

摘要：本研究以產(chǎn)品設(shè)計課程為例，運用增強現(xiàn)實技術(shù)進行課堂教學(xué)，并將之與傳統(tǒng)教學(xué)方式進行實證對比，研究分析設(shè)計類課程教學(xué)活動中學(xué)生元認知水平、自我效能、學(xué)習(xí)態(tài)度因素對學(xué)習(xí)績效產(chǎn)生的交互作用影響。通過描述性分析、獨立樣本t檢定及回歸分析探討兩種教學(xué)方式下，學(xué)生的元認知、自我效能及學(xué)習(xí)態(tài)度之間的差異，以及三者與學(xué)習(xí)績效的影響關(guān)系。元認知、自我效能與學(xué)習(xí)態(tài)度三者均對學(xué)習(xí)績效具有積極正向影響。其中元認知與自我效能對學(xué)習(xí)績效的影響已達顯著。在課堂教學(xué)中合理運用增強現(xiàn)實技術(shù)，有助于提高學(xué)生的元認知水平，并進而對學(xué)生學(xué)習(xí)績效產(chǎn)生積極正面影響。

關(guān)鍵詞：增強現(xiàn)實技術(shù)學(xué)習(xí)績效元認知自我效能學(xué)習(xí)態(tài)度

中圖分類號：G642

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1003-0069（2021）05-0109-03

引言

增強現(xiàn)實（Augmented Reality，以下簡稱AR）技術(shù)是指通過計算機技術(shù)將虛擬信息（如三維模型、圖像和文本信息）融合入真實世界，同時結(jié)合視覺、聽覺、觸覺、味覺、嗅覺等多感官刺激，使觀者產(chǎn)生一種超現(xiàn)實的感覺。近年來，隨著AR技術(shù)的迅速發(fā)展及其在移動終端設(shè)備使用上的成熟，國內(nèi)外對其在教育領(lǐng)域的應(yīng)用做了很多探索研究，如工程類學(xué)科、人文社會學(xué)科和藝術(shù)類學(xué)科。不同的學(xué)科與AR技術(shù)結(jié)合的角度不同，但落實到具體的課堂上，AR技術(shù)均能對課堂教學(xué)環(huán)節(jié)產(chǎn)生較強的促進作用。研究表明，AR技術(shù)可以在課堂教學(xué)中提高學(xué)生的學(xué)習(xí)績效[2]，它可以讓學(xué)生在三維視圖中查看學(xué)習(xí)內(nèi)容，通過從不同的角度觀察三維物體或課堂材料來幫助學(xué)生理解。另外，AR技術(shù)還可以促進學(xué)生對學(xué)習(xí)內(nèi)容的理解，激發(fā)學(xué)習(xí)興趣與學(xué)習(xí)動力3。

然而，AR技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用并非沒有挑戰(zhàn)，例如使用AR應(yīng)用程序的難度和時間消耗問題。這種情況通常會降低學(xué)生的學(xué)習(xí)信心與認知，給學(xué)生帶來消極的學(xué)習(xí)態(tài)度。因此，本研究將AR技術(shù)融入課堂教學(xué)實踐，并與傳統(tǒng)教學(xué)進行實證對比研究，以確定AR教學(xué)是否提高了學(xué)生的學(xué)習(xí)績效，并針對學(xué)生的元認知、自我效能及學(xué)習(xí)態(tài)度三者與學(xué)習(xí)績效的關(guān)系進行深入探討分析，以期為AR技術(shù)在教學(xué)實踐中的應(yīng)用提供實證經(jīng)驗與未來研究建議。

一、文獻探討

（一）AR教學(xué)：AR技術(shù)實現(xiàn)了虛擬對象與真實世界的實時共存與自然交互，國內(nèi)外當(dāng)前研究顯示，AR技術(shù)可以顯著提高學(xué)生的學(xué)習(xí)績效。然而，現(xiàn)階段有關(guān)研究較多專注于分析某一獨立因素影響，忽略了實際教學(xué)活動中大多同時存在多種因素且對學(xué)習(xí)績效產(chǎn)生交互作用影響。傳統(tǒng)教學(xué)是最具代表性的主流教學(xué)方式，較多采用PPT講解結(jié)合課程講義的方式，教學(xué)結(jié)構(gòu)是以老師為主導(dǎo)的金字塔形封閉式，較難達成教與學(xué)的良性動態(tài)平衡。而AR技術(shù)作為一種新興的教學(xué)手段，可以通過真實信息與虛擬信息的疊加為學(xué)生提供一種全新的學(xué)習(xí)體驗和沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境。AR教學(xué)雖然不能完全取代傳統(tǒng)教學(xué)，但用AR技術(shù)來強化傳統(tǒng)教學(xué)并在教學(xué)活動中綜合運用這兩種方法，可以達到最好的教學(xué)效果，讓學(xué)習(xí)者樂在其中。

以工業(yè)設(shè)計專業(yè)課程教學(xué)為例，本專業(yè)教授內(nèi)容較多基于學(xué)生對三維空間的理解與學(xué)習(xí)，當(dāng)介紹三維概念時，僅僅使用二維方式呈現(xiàn)教學(xué)內(nèi)容很難幫助學(xué)生獲得透徹的理解。即使是空間學(xué)習(xí)能力較強的學(xué)生，在學(xué)習(xí)三維概念時，也要比學(xué)習(xí)其他類型的概念付出更多的努力。另一方面，高質(zhì)量的教學(xué)需要學(xué)生具有積極參與的學(xué)習(xí)態(tài)度。然而，當(dāng)使用傳統(tǒng)的教學(xué)方法來教授三維概念時，由于空間想象難度較大，學(xué)生往往會失去興趣，在課堂上投入少，甚至?xí)霈F(xiàn)逃課現(xiàn)象。

相較于傳統(tǒng)教學(xué)方式，AR教學(xué)更容易培養(yǎng)學(xué)生的創(chuàng)造力和想象力，有助于學(xué)生按照自己的節(jié)奏控制學(xué)習(xí)進度。尤其在設(shè)計類專業(yè)的課程教學(xué)中，需要學(xué)生在課堂上具有良好的空間想象能力和發(fā)散的創(chuàng)新思維能力。研究表明，AR技術(shù)可以有效提高課堂教學(xué)效果4。例如，AR技術(shù)可以吸引和激勵學(xué)生從不同的角度主動探索學(xué)習(xí)資料，還可以幫助學(xué)生理解復(fù)雜的空間概念。除此之外，AR技術(shù)對于提高學(xué)生認知能力也有一定幫助。

綜上，在教育中使用AR技術(shù)可以有效地提高學(xué)生的學(xué)習(xí)績效。因此，在課堂上合理運用AR技術(shù)，可以使學(xué)習(xí)者在虛實結(jié)合的教學(xué)情境中全身心沉浸于學(xué)習(xí)內(nèi)容，除了極大地提升學(xué)生學(xué)習(xí)興趣[5]、學(xué)習(xí)動機以及增強學(xué)習(xí)信心之外，更是為提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)績效提供了可能。

（二）學(xué)習(xí)績效及其影響因素

1.學(xué)習(xí)績效：Katzetal.（2011）[6]指出，學(xué)業(yè)成績、學(xué)習(xí)成果、學(xué)業(yè)成就或?qū)W習(xí)成就這幾個詞表達的是相同的思想，即學(xué)生的學(xué)習(xí)績效，或通過學(xué)習(xí)所取得的持續(xù)性結(jié)果。學(xué)習(xí)績效是衡量學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效果的重要指標(biāo)，也是評價教學(xué)質(zhì)量高低的主要項目。Kirkpatrick&Kirkpatrick（2006）[7]提出績效評估的四層次模式（four-level traininge valuations model），依次為反應(yīng)、學(xué)習(xí)、行為、成果四項（圖1）。其中，反應(yīng)層次是指學(xué)習(xí)者對學(xué)習(xí)課程的喜愛程度，衡量依據(jù)為學(xué)習(xí)者關(guān)于課程的學(xué)習(xí)體驗，如課程內(nèi)容、教師、課程教學(xué)安排等滿意程度;學(xué)習(xí)層次指學(xué)習(xí)者是否學(xué)習(xí)到知識、技能;行為層次是指學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)結(jié)束后是否改變其行為;成果層次則衡量學(xué)習(xí)者將學(xué)習(xí)內(nèi)容加以應(yīng)用的程度。

本研究中的學(xué)習(xí)績效評估基于Kirkpatrick&Kirkpatrick四層次評估模式，著重于學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗與知識、技能方面的學(xué)習(xí)成就感。如學(xué)習(xí)很好地激發(fā)了學(xué)習(xí)興趣，感覺學(xué)習(xí)到了有價值的東西，并希望老師繼續(xù)采用此種教學(xué)方式，愿意向同學(xué)推薦此種學(xué)習(xí)方式;通過學(xué)習(xí)，知識和技能都得到了很好的提高，增加了學(xué)習(xí)課程的信心與動力等。

2.學(xué)習(xí)績效影響因素：影響學(xué)習(xí)績效的因素較多，其中一個重要因素是學(xué)習(xí)態(tài)度。學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度會對學(xué)習(xí)績效產(chǎn)生重大影響，較低的學(xué)習(xí)績效通常與學(xué)習(xí)態(tài)度不佳有關(guān)。同時，學(xué)生態(tài)度是衡量學(xué)生對教學(xué)方式及激勵措施接受程度的重要指標(biāo)，許多教學(xué)過程面臨的最大難題就在于如何培養(yǎng)學(xué)生積極的學(xué)習(xí)態(tài)度。實證發(fā)現(xiàn)，大部分學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度和AR技術(shù)的使用呈正相關(guān)[8]。

另一重要因素為學(xué)生的自我效能。Bandura（1993），Bouffard-Bouchard T（1991）[9，10]的研究表明，自我效能高的學(xué)習(xí)者在面對困難時會更加堅定，在學(xué)習(xí)活動和問題解決能力上表現(xiàn)也更好。Pajares F（1996）[1]等人也認為，當(dāng)學(xué)習(xí)者對自己的學(xué)習(xí)能力有信心時，會為自己設(shè)定更高的學(xué)習(xí)目標(biāo)，并愿意參與富有挑戰(zhàn)性的學(xué)習(xí)任務(wù)與活動。學(xué)習(xí)信心是自我效能高低的具體表現(xiàn)，自我效能的高低決定了學(xué)生的學(xué)習(xí)信心與自主性，進而影響其學(xué)習(xí)態(tài)度與學(xué)習(xí)動力。AR教學(xué)對學(xué)生獨立學(xué)習(xí)能力具有一定要求，需要學(xué)生具有較高的自我效能進行自我調(diào)節(jié)并不斷激勵自己完成學(xué)習(xí)過程。因此，自我效能高的學(xué)生很有可能在數(shù)字化學(xué)習(xí)環(huán)境中取得成功。

此外，研究表明，學(xué)習(xí)者的元認知水平是學(xué)習(xí)績效高低的最強預(yù)測因子之一[12]，它被稱為“反思、理解和控制一個人學(xué)習(xí)的能力”，可以提高學(xué)習(xí)者的理解能力與水平[13]。元認知對數(shù)字化學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)過程有著非常重要的影響。具有較高元認知水平的學(xué)習(xí)者傾向于應(yīng)用更多的認知策略，元認知水平較高的學(xué)生往往具有更好的自我監(jiān)控和自我調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)的能力，進而可以取得較為理想的學(xué)習(xí)績效。

現(xiàn)階段有關(guān)學(xué)習(xí)績效的研究較多專注于分析某一單獨因素影響，但實際教學(xué)活動中以上因素均有可能同時存在且對學(xué)習(xí)績效產(chǎn)生交互作用。因此，本研究基于Kirkpatrick&Kirkpatrick（2006）的學(xué)習(xí)績效四層次評估模式，研究不同教學(xué)模式下，學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)態(tài)度、自我效能及元認知水平對學(xué)習(xí)績效的影響差異，擬通過課堂實證回答以下四個問題：

（1）教學(xué)方式是否以及如何對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)績效造成影響;（2）教學(xué)方式對學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)態(tài)度、自我效能及元認知是否造成影響;（3）教學(xué)方式是否會對不同性別學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)績效造成影響;（4）元認知、自我效能、學(xué)習(xí)態(tài)度三者與學(xué)習(xí)績效之間的影響關(guān)系。

三、研究設(shè)計

本研究選擇《產(chǎn)品造型設(shè)計》課程中的關(guān)于產(chǎn)品色彩搭配的知識點（以水杯設(shè)計為例），學(xué)生采用HelloAR應(yīng)用軟件進行知識點學(xué)習(xí)，該應(yīng)用可以通過手機掃描二維碼進行免費安裝。為減少選擇偏差，獲得更準(zhǔn)確的效果，受測者被隨機分配到兩個組：傳統(tǒng)組與AR組。所有學(xué)生在實驗結(jié)束后均可共享課程資源。實驗過程記錄見圖2。

（一）研究框架：為確保受測者處于同一專業(yè)水平，受測者選擇工業(yè)設(shè)計專業(yè)大一新生。兩組大一學(xué)生（每組48人）分別在《產(chǎn)品造型設(shè)計》課程上進行了一次專業(yè)內(nèi)容學(xué)習(xí)，知識點為“色彩在產(chǎn)品設(shè)計中的重要性”。學(xué)生可以通過軟件界面的操作，完成產(chǎn)品色彩的搭配設(shè)計。課程結(jié)束后，學(xué)生需要根據(jù)所學(xué)內(nèi)容完成一項色彩設(shè)計任務(wù)。然后，教師對兩組學(xué)生的課堂表現(xiàn)及任務(wù)完成情況進行教學(xué)評估，并指導(dǎo)學(xué)生完成調(diào)查問卷填寫。研究框架見圖3。

（二）問卷設(shè)計：在參考相關(guān)文獻的基礎(chǔ)上結(jié)合專業(yè)特色，最終將研究問卷題目分為四大部分：第一部分為基本資料，第二部分為元認知測試，第三部分為自我效能測試，第四部分為學(xué)習(xí)態(tài)度測試。各量表依Likert五點量表設(shè)計，受測者依“非常不同意”至“非常同意”的程度分別給予1-5分，圈選分數(shù)越高，同意程度越高，而分數(shù)越低，則同意程度越低。另外，為使正式問卷的題項敘述更能代表各研究變項，在問卷設(shè)計完成后邀請30位同學(xué)進行了問卷前測的填寫。為提升本研究問卷的信度與效度，于前測問卷回收且經(jīng)由統(tǒng)計分析后，針對問卷的語意對問題進行修正與改善，獲得最終正式問卷。

1.專家效度：專家效度亦屬于內(nèi)容效度，本研究邀請相關(guān)教育領(lǐng)域?qū)＜?，包括兩位具備設(shè)計專業(yè)教學(xué)十年以上教齡的副教授與兩位教育服務(wù)領(lǐng)域?qū)＜?，協(xié)助檢查問卷的內(nèi)容與格式，對問卷內(nèi)容編排、問題針對性等進行審核與修正。本研究依據(jù)專家學(xué)者所提供的修正意見加以整理，確立問卷的專家效度。

2.信度分析：本研究對調(diào)查問卷進行信度分析，分析結(jié)果顯示其Cronbachs alpha內(nèi)部一致性系數(shù)為0.91;吳明?。?010）認為量表的內(nèi)部一致性信度系數(shù)最好在0.60以上。本研究問卷經(jīng)過信度分析驗證后，總量表信度介于0.617到0.829之間，已達量表信度標(biāo)準(zhǔn)，具有良好的內(nèi)部一致性信度。

四、分析與結(jié)果

（一）傳統(tǒng)教學(xué)與AR教學(xué)對學(xué)習(xí)績效的影響分析：對兩組學(xué)生的學(xué)習(xí)績效進行獨立樣本t檢定，分析結(jié)果如表1。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)教學(xué)與AR教學(xué)在學(xué)生的學(xué)習(xí)績效方面存在顯著差異（t（94）=-3.018，p=0.0003），傳統(tǒng)組學(xué)習(xí)績效（M=4.27，SD=0.65）小于AR組（M=4.60SD=0.42）。即，采用AR技術(shù)教學(xué)的學(xué)生組的學(xué)習(xí)績效顯著高于傳統(tǒng)教學(xué)組。研究表明，相較于傳統(tǒng)教學(xué)方式，AR技術(shù)在教學(xué)上的運用確實有助于提高學(xué)生的學(xué)習(xí)績效。

（二）教學(xué)方式對不同性別學(xué)生的學(xué)習(xí)績效影響：以二因子獨立樣本ANOVA分析教學(xué)方式、性別對學(xué)習(xí)績效的影響，各描述統(tǒng)計如表2。研究發(fā)現(xiàn)：教學(xué)方式對學(xué)習(xí)績效存在顯著影響見表3，F(xiàn)（1，92）=7.298，p=0.008，傳統(tǒng)教學(xué)組（M=4.27，SD=0.65）學(xué)習(xí)績效顯著低于AR教學(xué)組（M=4.60，SD=0.42）。另外，教學(xué)方式與性別不存在顯著交互作用，F(xiàn)（1，92）=3.047，p=0.084。即教學(xué)方式對學(xué)習(xí)績效的影響，并不視性別而定。AR教學(xué)方式下，所有學(xué)生均顯著提高了學(xué)習(xí)績效。

（三）不同教學(xué)模式對元認知、自我效能及學(xué)習(xí)態(tài)度的影響分析：針對兩組學(xué)生的元認知、自我效能及學(xué)習(xí)態(tài)度進行獨立樣本t檢定，分析結(jié)果如表4。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：傳統(tǒng)組與AR組在學(xué)生的元認知水平存在顯著差異（t（94）=-3.00，p=0.004），傳統(tǒng)組（M=3.83，SD=0.92）小于AR組（M=4.30，SD=0.55）。即，采用AR技術(shù)教學(xué)的學(xué)生元認知水平顯著高于傳統(tǒng)教學(xué)組，AR技術(shù)在教學(xué)上的運用促進了學(xué)生的元認知能力的提升。然而我們并未發(fā)現(xiàn)兩組學(xué)生在自我效能與學(xué)習(xí)態(tài)度上存在顯著差異。這有可能是由于學(xué)生對于數(shù)字化學(xué)習(xí)的認識不夠，在觀念上把AR教學(xué)當(dāng)作一種“教輔”，導(dǎo)致學(xué)習(xí)態(tài)度的松懈。另一方面，大部分受測者之前從未接觸過AR技術(shù)，在教學(xué)互動過程中有可能喪失信心，不相信自己能夠通過AR互動將知識整合成符合常規(guī)的知識體系并加以利用，最終導(dǎo)致AR組學(xué)生的自我效能較低。

（四）元認知、自我效能、學(xué)習(xí)態(tài)度三者之間的關(guān)系：本研究通過傳統(tǒng)教學(xué)與AR教學(xué)兩組實證分析，探討教學(xué)方式對學(xué)生學(xué)習(xí)績效的影響差異，并以回歸分析探討元認知、自我效能、學(xué)習(xí)態(tài)度與學(xué)習(xí)績效的關(guān)系。由表5可知，三者對學(xué)習(xí)績效均具有正向影響，其中元認知與自我效能對學(xué)習(xí)績效具有顯著影響效果。整體而言，元認知、自我效能、學(xué)習(xí)態(tài)度三個向度可解釋學(xué)習(xí)績效69%變異。

以回歸分析檢驗元認知、自我效能、學(xué)習(xí)態(tài)度與學(xué)習(xí)績效之間的關(guān)系。結(jié)果顯示，在考慮其他變項下，元認知與學(xué)習(xí)績效有顯著關(guān)系（B=0.72，p《0.001），即學(xué)生的元認知水平越高，學(xué)習(xí)績效也越好;同時，自我效能對學(xué)習(xí)績效亦具有顯著正向影響（=0.17，p=0.024）。然而本實驗中并未發(fā)現(xiàn)學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度（=0.13，p=0.11）對學(xué)習(xí)績效具有任何顯著影響效果。

結(jié)論

本研究基于Kirkpatrick&Kirkpatrick（2006）的學(xué)習(xí)績效四層次評估模式，以產(chǎn)品造型設(shè)計中的知識點學(xué)習(xí)為例，將AR教學(xué)與傳統(tǒng)教學(xué)方式進行課堂實證對比研究，通過描述性分析、獨立樣本t檢定及回歸分析，探討不同教學(xué)方式下學(xué)生的元認知、自我效能及學(xué)習(xí)態(tài)度之間的差異，以及三者與學(xué)習(xí)績效的影響關(guān)系。研究表明：

第一，元認知、自我效能及學(xué)習(xí)態(tài)度三者可以解釋學(xué)習(xí)績效近七成的變異量，且三者均對學(xué)習(xí)績效具有正向影響，其中元認知與自我效能對學(xué)習(xí)績效的影響已達顯著。本研究發(fā)現(xiàn)，將AR技術(shù)運用于教學(xué)實踐，特別是設(shè)計類專業(yè)課教學(xué)中有助于提高學(xué)生的元認知水平，并直接作用于學(xué)習(xí)績效的提高，且該影響并不與學(xué)生性別相關(guān)。第二，研究中未發(fā)現(xiàn)AR技術(shù)對學(xué)生的自我效能以及學(xué)習(xí)態(tài)度存在任何顯著影響，該點可能是由于AR教學(xué)方式尚未普及，學(xué)生對待數(shù)字化教育的態(tài)度以及接受程度普遍較差而導(dǎo)致的。

基于以上研究結(jié)果，本研究提出以下建議：第一，學(xué)校管理者與教師重視AR技術(shù)在教學(xué)中的應(yīng)用，幫助學(xué)生樹立正確的數(shù)字化學(xué)習(xí)態(tài)度，積極增加學(xué)生對數(shù)字化學(xué)習(xí)的期待;第二，在學(xué)生初次使用AR技術(shù)進行自主學(xué)習(xí)時，教師如果可以鼓勵并引導(dǎo)學(xué)生更好地了解并使用AR技術(shù)，學(xué)生會有更加明確的學(xué)習(xí)目標(biāo)與學(xué)習(xí)自信心，同時也會對學(xué)習(xí)成果具有較高的期待，擁有較高的自我效能，從而進一步提升學(xué)生的數(shù)字化學(xué)習(xí)績效;第三，在設(shè)計類專業(yè)課程教學(xué)和學(xué)習(xí)過程中，教師和學(xué)生應(yīng)積極應(yīng)用AR技術(shù)，提升教學(xué)和學(xué)習(xí)成效。

本研究后續(xù)將擴大研究對象范圍，針對學(xué)習(xí)者的信息與文化素養(yǎng)進行差異性分析，以建立更加完整的實證資料，使研究結(jié)果更具普遍性;另外，本研究的三個向度元認知、自我能效感及學(xué)習(xí)態(tài)度皆以相關(guān)文獻為依據(jù)，但由歷年的研究可知，元認知、自我能效的分構(gòu)面甚多，后續(xù)將繼續(xù)考量不同分構(gòu)面來進行深入探討分析，使研究結(jié)果更具針對性。。

基金項目：江蘇高?！扒嗨{工程”資助項目（蘇教師[2018]12號）;2020年度江蘇高校哲學(xué)社會科學(xué)研究項目（2020SJA2221）;2018年度江蘇高校哲學(xué)社會科學(xué)研究項目（2018SJA2093）;南航金城學(xué)院2019年教育教學(xué)改革研究重點項目（2019-Z-08）。

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