正式教育中增强现实应用现状研究

许梦幻　李小平

摘 要：增强现实技术能帮助学习者在更贴近真实世界的丰富情境中学习知识，被新媒体联盟地平线报告认为是在教育中极具潜力的一种技术。在此背景下，了解增强现实技术在教育中已有的应用来推进其发展具有重要意义。文章以了解正规教育中增强现实应用为主题，采用Arksey和OMalley的五个阶段框架，在Web of Science中检索主题为“augmented reality and education”2016年至今的SSCI文献，选择其中31个在正式教育中应用增强现实技术的案例进行分析。研究结果显示，正式教育中增强现实应用主要是以“移动设备+APP”的形式，教学实验对象以大学本科生及小学生为主，教学科目以理工科和语言教学为主，同时研究显示增强现实在正式教学中表现出巨大的潜力，有效提高了学习者的学习态度、动机、满意度、学习成果等。但是增强现实在教育中的应用仍处于初期阶段，还存在许多待解决的问题。

关键词：增强现实；正式教育；研究综述；高等教育

中图分类号：G431 文献标志码：A 文章编号：1673-8454（2018）04-0072-09

一、引言

增强现实（Augmented reality，以下简称AR）是虚拟现实（Virtual reality，以下简称VR）的延伸，通过用户和三维环境间的模拟技术，让用户能够体验半真实的环境。随着AR技术不断发展，它逐渐显现出优于VR技术的优势。社交媒体研究网站Social Media Today[41]近日分享了关于VR目前的发展状况与未来五年内的市场预期、未来营销趋势等，但作者提到VR较差的现实交互性，并认为AR才是未来市场营销的主要方向。AR技术仍在不断的发展，科技的革命也将一直进行着，从长远来看，它能够带给人们更多的互动体验，而非虚拟世界与现实世界的隔离，是未来的发展趋势。

在教学过程中，针对不同的学习领域和教学内容，教师会选择不同的教学方式和不同形式的媒体，从非互动书籍到高度互动的可以引起各种感官互动的媒体，希望通过动态的内容传递方式提高教学效果。AR作为新兴技术不仅动态地补充了教学概念，而且整合了多种感官形式，如触觉、视觉、听觉。除了在感知上的补充功能，大量的研究揭示了在正式教育中使用AR的潜在益处，如提高学生的学习兴趣、学习动机、参与度和学习成绩等。

2017新媒体联盟地平线报告中国高等教育技术展望认为在2-3年内AR和VR会在高等教育中得到广泛使用[42]，了解AR及在教学过程中如何应用、以及应用效果等具有重要意义。本文我们旨在研究AR在正式教育中的应用现状，引用Hsiao[43]等人的观点，我们对正式学习（formal education）的概念界定为有计划有结构的方式下进行的学习，非正式学习（informal education）是日常生活中或业余活动中的学习。

二、研究背景

1.AR定义

近年来，AR技术取得了巨大突破，逐渐从理论框架研究转变到实际应用，并因其广泛使用受到越来越多的关注。AR技术的使用不再局限于某一个特定领域，这种技术在现代生活中很多方面都非常有用。对于AR的定义，不同学者给出了不同的回答。P.Milgram等人在1994年定义AR为“一个用户可以实时看到虚拟和真实世界物体结合的情境”。Azuma等人[43][44][45]认为AR系统有3种特性：真实和虚拟对象的整合，实时交互性，虛拟和真实对象的3D 配准。Chen[51]描述AR为将3D虚拟对象和外部世界整合，允许用户实时和这些真实与虚拟对象交互的技术。广义上AR指能够将计算机生成的对象，如文档、图片、视频和3D对象投射到用户对真实世界的感知上的技术。

根据使用的技术，AR被分为基于标记的和无标记的[44]两类。在基于标记的AR应用中，计算机通过标记和摄像机感知符号图形，将虚拟信息呈现给用户。在无标记应用中，例如在基于位置的AR应用中，通过GPS定位技术收集用户的位置，在该地理位置上向用户提供与内容相关的虚拟数据。

AR与VR通常同时谈论，因为AR被认为是VR的一种或扩展。两个系统的共同特点如交互性、沉浸性、信息感知[45]以及允许导航[46][47]。但是VR技术是完全将一个用户沉浸到一个复合环境中，在VR世界中，用户不能看到他们周围的真实环境，而AR技术使得用户能够看到叠加了虚拟信息的真实世界。AR与VR最大的不同在于VR技术使体验者完全沉浸在虚拟世界中，因而大多配合智能硬件来实现，而AR则是将一些虚拟的元素添加到现实环境中，以增强虚拟元素的真实感。

2.AR应用于教育的潜力

不同的AR设备特点各有不同，在此我们仅讨论AR学习体验对教育的影响，对比AR和非AR设备对学习者的影响。目前已有的关于在正式教育中使用AR应用的研究表明，这种应用对学习者的态度有着积极的影响。

AR能够提高学习者的学习动机，“增强学习动机”，“增强积极态度”，“提高满意度”。Liarokapis等人研究发现AR可以通过增强情境交互来使得高等教育中一些复杂的理论和系统易于理解[45]。同时大量的研究表明，在某些内容的教学中，使用AR比其它媒体如书本、视频或计算机更有效：①学习空间结构和功能。29%的对比研究发现学习者使用AR学习空间域效果很好[46]，如地理构造、化学结构、天文、人类器官构造等。②学习语言、理解语义。2012年，保加利亚对26名小学儿童进行实证研究通过AR技术学习语言的儿童是否比通过常规手段学习语言的儿童学得更好[47]。 研究结果表明，AR技术有助于促进词汇学习，并且儿童使用AR进行学习满意度比较高。③学习动作技能：如维修等工作，这些技能类用AR教学学习更快，错误率更低[48]。

虽然技能上的成就和学习动机被认为是开发教学工具的重要原因，但是教育工作者也应该考虑如何将AR与正式教育中的教学策略或教学方法相结合。研究表明，在正式教育中教育工作者可以将AR与各种教学方法相结合，如情境学习、探究式学习和基于游戏的学习。基于以上现状，我们希望通过分析已有研究，对AR在正式教育中的应用现状进行了解，旨在为后期对AR用于教学提供借鉴。endprint

三、研究方法和过程

本研究综述采用了Arksey和OMalley[49]的五阶段框架理论：①确定研究问题，②确定研究范围，③选择研究内容，④绘制数据表，⑤总结和报告结果。

1.确定研究问题

我们的研究主题是了解增强现实技术目前在正式教育中的应用现状，包括使用对象、教学内容、教学效果等，为了保证文献选择与研究主题相关，我们提出了以下几个问题作为本次研究的导向：

（1）这些研究使用了哪些形式的AR产品？

（2）实验对象分布情况。

（3）这些研究将AR产品应用到了哪些学科（内容）中？

（4）使用AR产品教学效果如何？

2.确定相关研究

我们在Web of Science数据库中进行SSCI来源文献检索，检索公式为“TS=（augmented reality AND education）”，语言选择英文，文献类型选择为“article”，检索时间为2016年至2017年5月7日。文献选择的条件：文献研究目的是正规教学，如学校课堂教育、有计划的正规专业技能培训等；教学中可能采用了多种媒体技术，但是增强现实是主要技术；文献研究重点是增强现实，而不是虚拟现实、情景感知等。

互联网巨头们的进驻以及用户对VR体验的渴望，正在推动VR产业进入高速发展期，2016年被称为VR产业启动元年，同时也被媒体认为是虚拟现实和增强现实可以以各种电子设备如智能手机的方式进入家家户户的一年[34]。在2016年涌现出大量虚拟现实和增强现实产品和公司，随着这些产品在社会各领域的使用，研究者们越来越多地认识到增强现实和虚拟现实技术在教育中应用的潜力，也不断开始通过实验以验证其可行性。因此我们选择2016年为论文检索的时间节点。

3.研究选择

根据上述的检索内容和条件，在Web of Science数据库中检索得到56篇文献。通过阅读题目和摘要，剔除了与研究主题关系不密切的文献共14篇。我们研究主题是增强现实在正式教育中的应用，而这些文献的关注点放在虚拟现实、情境感知上，或者是非正式教育。在留下的42篇文献中，有一篇文献无法获取全文，因此也将它剔除了，最后我们保留的文献一共是41篇。在对这41篇文献进行阅读分析后，对文献进行了分类，其中31篇文献[1-30，50]是将AR应用到了教育中，而剩下的10篇文献[31-40]是关于AR产品设计、AR理论研究以及AR文献综述。因为我们的研究主要是想了解目前AR在正式教育中的应用现状，因此下文的表格中只包含了这其中31篇在正式教育中应用了AR的研究。

4.绘制数据表

筛选出来的31篇文献，针对作者、使用的AR产品、实验对象、教学内容、实验过程、实验效果见表1。

5.分析和总结

这31个实验研究中，8项研究在台湾地区进行，8项在西班牙，5项在土耳其，4项在美国，2项在墨西哥，1项在科威特，1项在澳大利亚，1项在加拿大。 除此之外还有分别来自德国、墨西哥和西班牙的三项研究针对解剖学、数学、地理设计了增强现实应用，但未投入应用。这一部分，我们将根据之前提出的问题，对这些筛选出来的研究进行分析。

（1）使用了哪些形式的AR产品？

移动硬件和软件的发展使得移动增强现实早已成为了可能。在这31篇论文中，大多数的研究者将AR引入到教学中都是基于移动设备的，主要是平板电脑和移动手机，也有部分使用笔记本电脑。研究者们或是引用已有的增強现实应用程序和平台，或是自己根据特定教学内容设计了应用程序、系统和内容。其中只有两个研究使用了AR头戴式设备，一个研究使用了固定设备，还有一个研究使用投影仪。但是这四个研究存在一个共同的特点就是实验样本较少，均不足25人，可能的原因是实验成本比较高。现在大多数的学习者都拥有至少一件移动设备，欲将增强现实大范围投入到教育使用中，移动设备+应用程序的方式是最能让学习者接受，同时也是最便捷的。学习者只需要下载老师所说的应用程序，就可以进行基于增强现实的学习。

（2）实验对象分布情况

从图1可知研究实验参与者中大学本科生所占比例最高，为45%，其次是小学生，占29%。大多数研究选择了大学本科生来进行实验，一个原因应该是考虑到AR产品相对复杂，而具备一定信息素养的大学阶段学习者使用起来就会比较容易，不需要老师花费过多时间介绍和教授。同时大学阶段的学习是分专业的，学习内容更具针对性和实用性，学习者除了理解知识更需要掌握实际操作技能，而增强现实为此提供了条件。如解剖专业的学生可以通过AR形象理解每一个人体器官和构造，医疗护理专业学生可以通过AR学习实操技能等。同时，本科阶段的学生相对低年级学生有较强的控制能力和自主学习能力，不易因新技术而转移注意力。

另一方面，根据皮亚杰的认知发展理论，早期阶段的青少年（约6-12岁）处于具体运算阶段，他们必须看到、听到或以其他方式使用其感官来学习。而小学阶段的学习者正处于具体运算阶段，AR强大的可视化特征对这个阶段学生的学习起着重要作用。这可能解释了为什么小学生是优选的实验对象。另一个可能的原因是许多孩子花费大量时间玩数字游戏，因此，研究人员可能会发现AR游戏非常适合吸引青少年学习。

（3）AR产品应用到了哪些学科（内容）中？

从图2可以看到这31篇文献研究涉及的学科范围较广，内容多样，经过分析，我们将所有涉及的学科最终归为15类。研究最集中的是语言和自然科学知识的学习。其中关于语言教学的五篇文献中，有四篇是英语单词教学，一篇是梅奥语（墨西哥北部一种语言）教学。

通过这31篇文献可以发现，目前增强现实在理工科类学科上的应用明显多于文科类的学科，并且其中关于语言学习的五项研究也仅是针对初级单词的认词教学。可能的原因是理工科的知识和概念易于用虚拟模型直观表达，并且理工科知识中存在更多生活中无法实质观察到的内容，如元素结构、物体运动、数学模型等。而文科中很多知识是生活中可以实际感受到的，同时那些无法感受的知识又过于抽象，如诗词歌赋、艺术思维等，不易通过虚拟模型进行表达或还原，教学内容不易设计。增强现实技术相对于传统多媒体教学的优势是将教学从二维平面转换到了三维空间，目前在学校应用中仍处于初级阶段，研究者们首先会选择易于设计的教学内容进行实验以验证其教学效果。endprint

（4）使用AR產品教学效果如何？

这些研究将AR应用到教学中均产生了较好的效果，大多数研究结果都显示学习者的学习兴趣、动机、注意力、参与度得到了提升，与使用传统教学方式的学习者相比，AR学习者的学习结果更好，对知识的理解更充分。除此之外，研究（4）（5）（11）（19）显示学习者的图形阅读能力和空间技能得到了提升；研究（7）（28）显示学习者使用AR学习认知负荷和学习焦虑低于传统学习者；研究（25）（12）（29）（30）显示学习者使用AR学习知识的记忆得到了提高，有助于知识储备；研究（8）显示AR对于减少学习者的学习拖延现象也有一定作用。

然而，在研究过程中也显现出了一些问题，由于这些研究大多使用的是移动设备加AR软件，因此技术上的问题主要是网络不通畅和初期的使用困难。如研究（1）显示AR软件虽然提高了学习者的态度和参与度，但是却并没有较高的认知成就。研究（2）显示部分学习者发现使用AR软件可以提供学习材料，导致他们在课外不进行实验操作。

四、总结与讨论

本文通过文献分析对正式教育中增强现实应用现状进行了研究，主要围绕着以下几个问题展开了讨论：①这些研究使用了哪些形式的AR产品；②实验对象分布情况；③这些研究将AR产品应用到了哪些学科（内容）中；④使用AR产品教学效果如何？研究结果显示这些研究主要采用移动设备+AR软件的形式，实验对象以大学本科生和小学生为主，选择科目主要为理工科课程及语言类课程。AR呈现出一定的教学优势，但同时仍然存在一些问题。

通过以上研究，我们对AR用于教学持有积极的态度，但是学校想要使用AR得到好的教学效果，仍需要不断探索与完善。如提供良好的无线上网条件，培养学习者的信息技术能力等。同时，我们发现这些已有的AR应用研究实验大多数是在一天之内或者在一节课中完成的，即学习者只是短暂地使用了AR产品，只有少数几个实验采用具体的教学方法，进行了长期的实验。这也表明AR仍然只是一个正在初步投入教学使用的新技术，走入课堂还有很长的路要走。

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（編辑：鲁利瑞）endprint