增强现实技术对设计类学生学习绩效影响的实证研究

范大伟 王新燕

摘要：本研究以产品设计课程为例，运用增强现实技术进行课堂教学，并将之与传统教学方式进行实证对比，研究分析设计类课程教学活动中学生元认知水平、自我效能、学习态度因素对学习绩效产生的交互作用影响。通过描述性分析、独立样本t检定及回归分析探讨两种教学方式下，学生的元认知、自我效能及学习态度之间的差异，以及三者与学习绩效的影响关系。元认知、自我效能与学习态度三者均对学习绩效具有积极正向影响。其中元认知与自我效能对学习绩效的影响已达显著。在课堂教学中合理运用增强现实技术，有助于提高学生的元认知水平，并进而对学生学习绩效产生积极正面影响。

关键词：增强现实技术学习绩效元认知自我效能学习态度

中图分类号：G642

文献标识码：A

文章编号：1003-0069（2021）05-0109-03

引言

增强现实（Augmented Reality，以下简称AR）技术是指通过计算机技术将虚拟信息（如三维模型、图像和文本信息）融合入真实世界，同时结合视觉、听觉、触觉、味觉、嗅觉等多感官刺激，使观者产生一种超现实的感觉。近年来，随着AR技术的迅速发展及其在移动终端设备使用上的成熟，国内外对其在教育领域的应用做了很多探索研究，如工程类学科、人文社会学科和艺术类学科。不同的学科与AR技术结合的角度不同，但落实到具体的课堂上，AR技术均能对课堂教学环节产生较强的促进作用。研究表明，AR技术可以在课堂教学中提高学生的学习绩效[2]，它可以让学生在三维视图中查看学习内容，通过从不同的角度观察三维物体或课堂材料来帮助学生理解。另外，AR技术还可以促进学生对学习内容的理解，激发学习兴趣与学习动力3。

然而，AR技术在教育领域的应用并非没有挑战，例如使用AR应用程序的难度和时间消耗问题。这种情况通常会降低学生的学习信心与认知，给学生带来消极的学习态度。因此，本研究将AR技术融入课堂教学实践，并与传统教学进行实证对比研究，以确定AR教学是否提高了学生的学习绩效，并针对学生的元认知、自我效能及学习态度三者与学习绩效的关系进行深入探讨分析，以期为AR技术在教学实践中的应用提供实证经验与未来研究建议。

一、文献探讨

（一）AR教学：AR技术实现了虚拟对象与真实世界的实时共存与自然交互，国内外当前研究显示，AR技术可以显著提高学生的学习绩效。然而，现阶段有关研究较多专注于分析某一独立因素影响，忽略了实际教学活动中大多同时存在多种因素且对学习绩效产生交互作用影响。传统教学是最具代表性的主流教学方式，较多采用PPT讲解结合课程讲义的方式，教学结构是以老师为主导的金字塔形封闭式，较难达成教与学的良性动态平衡。而AR技术作为一种新兴的教学手段，可以通过真实信息与虚拟信息的叠加为学生提供一种全新的学习体验和沉浸式的学习环境。AR教学虽然不能完全取代传统教学，但用AR技术来强化传统教学并在教学活动中综合运用这两种方法，可以达到最好的教学效果，让学习者乐在其中。

以工业设计专业课程教学为例，本专业教授内容较多基于学生对三维空间的理解与学习，当介绍三维概念时，仅仅使用二维方式呈现教学内容很难帮助学生获得透彻的理解。即使是空间学习能力较强的学生，在学习三维概念时，也要比学习其他类型的概念付出更多的努力。另一方面，高质量的教学需要学生具有积极参与的学习态度。然而，当使用传统的教学方法来教授三维概念时，由于空间想象难度较大，学生往往会失去兴趣，在课堂上投入少，甚至会出现逃课现象。

相较于传统教学方式，AR教学更容易培养学生的创造力和想象力，有助于学生按照自己的节奏控制学习进度。尤其在设计类专业的课程教学中，需要学生在课堂上具有良好的空间想象能力和发散的创新思维能力。研究表明，AR技术可以有效提高课堂教学效果4。例如，AR技术可以吸引和激励学生从不同的角度主动探索学习资料，还可以帮助学生理解复杂的空间概念。除此之外，AR技术对于提高学生认知能力也有一定帮助。

综上，在教育中使用AR技术可以有效地提高学生的学习绩效。因此，在课堂上合理运用AR技术，可以使学习者在虚实结合的教学情境中全身心沉浸于学习内容，除了极大地提升学生学习兴趣[5]、学习动机以及增强学习信心之外，更是为提高学习者的学习绩效提供了可能。

（二）学习绩效及其影响因素

1.学习绩效：Katzetal.（2011）[6]指出，学业成绩、学习成果、学业成就或学习成就这几个词表达的是相同的思想，即学生的学习绩效，或通过学习所取得的持续性结果。学习绩效是衡量学习者学习效果的重要指标，也是评价教学质量高低的主要项目。Kirkpatrick&Kirkpatrick（2006）[7]提出绩效评估的四层次模式（four-level traininge valuations model），依次为反应、学习、行为、成果四项（图1）。其中，反应层次是指学习者对学习课程的喜爱程度，衡量依据为学习者关于课程的学习体验，如课程内容、教师、课程教学安排等满意程度;学习层次指学习者是否学习到知识、技能;行为层次是指学习者在学習结束后是否改变其行为;成果层次则衡量学习者将学习内容加以应用的程度。

本研究中的学习绩效评估基于Kirkpatrick&Kirkpatrick四层次评估模式，着重于学生的学习体验与知识、技能方面的学习成就感。如学习很好地激发了学习兴趣，感觉学习到了有价值的东西，并希望老师继续采用此种教学方式，愿意向同学推荐此种学习方式;通过学习，知识和技能都得到了很好的提高，增加了学习课程的信心与动力等。

2.学习绩效影响因素：影响学习绩效的因素较多，其中一个重要因素是学习态度。学生的学习态度会对学习绩效产生重大影响，较低的学习绩效通常与学习态度不佳有关。同时，学生态度是衡量学生对教学方式及激励措施接受程度的重要指标，许多教学过程面临的最大难题就在于如何培养学生积极的学习态度。实证发现，大部分学生的学习态度和AR技术的使用呈正相关[8]。

另一重要因素为学生的自我效能。Bandura（1993），Bouffard-Bouchard T（1991）[9，10]的研究表明，自我效能高的学习者在面对困难时会更加坚定，在学习活动和问题解决能力上表现也更好。Pajares F（1996）[1]等人也认为，当学习者对自己的学习能力有信心时，会为自己设定更高的学习目标，并愿意参与富有挑战性的学习任务与活动。学习信心是自我效能高低的具体表现，自我效能的高低决定了学生的学习信心与自主性，进而影响其学习态度与学习动力。AR教学对学生独立学习能力具有一定要求，需要学生具有较高的自我效能进行自我调节并不断激励自己完成学习过程。因此，自我效能高的学生很有可能在数字化学习环境中取得成功。

此外，研究表明，学习者的元认知水平是学习绩效高低的最强预测因子之一[12]，它被称为“反思、理解和控制一个人学习的能力”，可以提高学习者的理解能力与水平[13]。元认知对数字化学习者的学习过程有着非常重要的影响。具有较高元认知水平的学习者倾向于应用更多的认知策略，元认知水平较高的学生往往具有更好的自我监控和自我调节学习的能力，进而可以取得较为理想的学习绩效。

现阶段有关学习绩效的研究较多专注于分析某一单独因素影响，但实际教学活动中以上因素均有可能同时存在且对学习绩效产生交互作用。因此，本研究基于Kirkpatrick&Kirkpatrick（2006）的学习绩效四层次评估模式，研究不同教学模式下，学习者的学习态度、自我效能及元认知水平对学习绩效的影响差异，拟通过课堂实证回答以下四个问题：

（1）教学方式是否以及如何对学习者的学习绩效造成影响;（2）教学方式对学习者的学习态度、自我效能及元认知是否造成影响;（3）教学方式是否会对不同性别学习者的学习绩效造成影响;（4）元认知、自我效能、学习态度三者与学习绩效之间的影响关系。

三、研究设计

本研究选择《产品造型设计》课程中的关于产品色彩搭配的知识点（以水杯设计为例），学生采用HelloAR应用软件进行知识点学习，该应用可以通过手机扫描二维码进行免费安装。为减少选择偏差，获得更准确的效果，受测者被随机分配到两个组：传统组与AR组。所有学生在实验结束后均可共享课程资源。实验过程记录见图2。

（一）研究框架：为确保受测者处于同一专业水平，受测者选择工业设计专业大一新生。两组大一学生（每组48人）分别在《产品造型设计》课程上进行了一次专业内容学习，知识点为“色彩在产品设计中的重要性”。学生可以通过软件界面的操作，完成产品色彩的搭配设计。课程结束后，学生需要根据所学内容完成一项色彩设计任务。然后，教师对两组学生的课堂表现及任务完成情况进行教学评估，并指导学生完成调查问卷填写。研究框架见图3。

（二）问卷设计：在参考相关文献的基础上结合专业特色，最终将研究问卷题目分为四大部分：第一部分为基本资料，第二部分为元认知测试，第三部分为自我效能测试，第四部分为学习态度测试。各量表依Likert五点量表设计，受测者依“非常不同意”至“非常同意”的程度分别给予1-5分，圈选分数越高，同意程度越高，而分数越低，则同意程度越低。另外，为使正式问卷的题项叙述更能代表各研究变项，在问卷设计完成后邀请30位同学进行了问卷前测的填写。为提升本研究问卷的信度与效度，于前测问卷回收且经由统计分析后，针对问卷的语意对问题进行修正与改善，获得最终正式问卷。

1.专家效度：专家效度亦属于内容效度，本研究邀请相关教育领域专家，包括两位具备设计专业教学十年以上教龄的副教授与两位教育服务领域专家，协助检查问卷的内容与格式，对问卷内容编排、问题针对性等进行审核与修正。本研究依据专家学者所提供的修正意见加以整理，确立问卷的专家效度。

2.信度分析：本研究对调查问卷进行信度分析，分析结果显示其Cronbachs alpha內部一致性系数为0.91;吴明隆（2010）认为量表的内部一致性信度系数最好在0.60以上。本研究问卷经过信度分析验证后，总量表信度介于0.617到0.829之间，已达量表信度标准，具有良好的内部一致性信度。

四、分析与结果

（一）传统教学与AR教学对学习绩效的影响分析：对两组学生的学习绩效进行独立样本t检定，分析结果如表1。结果发现：传统教学与AR教学在学生的学习绩效方面存在显著差异（t（94）=-3.018，p=0.0003），传统组学习绩效（M=4.27，SD=0.65）小于AR组（M=4.60SD=0.42）。即，采用AR技术教学的学生组的学习绩效显著高于传统教学组。研究表明，相较于传统教学方式，AR技术在教学上的运用确实有助于提高学生的学习绩效。

（二）教学方式对不同性别学生的学习绩效影响：以二因子独立样本ANOVA分析教学方式、性别对学习绩效的影响，各描述统计如表2。研究发现：教学方式对学习绩效存在显著影响见表3，F（1，92）=7.298，p=0.008，传统教学组（M=4.27，SD=0.65）学习绩效显著低于AR教学组（M=4.60，SD=0.42）。另外，教学方式与性别不存在显著交互作用，F（1，92）=3.047，p=0.084。即教学方式对学习绩效的影响，并不视性别而定。AR教学方式下，所有学生均顯著提高了学习绩效。

（三）不同教学模式对元认知、自我效能及学习态度的影响分析：针对两组学生的元认知、自我效能及学习态度进行独立样本t检定，分析结果如表4。结果发现：传统组与AR组在学生的元认知水平存在显著差异（t（94）=-3.00，p=0.004），传统组（M=3.83，SD=0.92）小于AR组（M=4.30，SD=0.55）。即，采用AR技术教学的学生元认知水平显著高于传统教学组，AR技术在教学上的运用促进了学生的元认知能力的提升。然而我们并未发现两组学生在自我效能与学习态度上存在显著差异。这有可能是由于学生对于数字化学习的认识不够，在观念上把AR教学当作一种“教辅”，导致学习态度的松懈。另一方面，大部分受测者之前从未接触过AR技术，在教学互动过程中有可能丧失信心，不相信自己能够通过AR互动将知识整合成符合常规的知识体系并加以利用，最终导致AR组学生的自我效能较低。

（四）元认知、自我效能、学习态度三者之间的关系：本研究通过传统教学与AR教学两组实证分析，探讨教学方式对学生学习绩效的影响差异，并以回归分析探讨元认知、自我效能、学习态度与学习绩效的关系。由表5可知，三者对学习绩效均具有正向影响，其中元认知与自我效能对学习绩效具有显著影响效果。整体而言，元认知、自我效能、学习态度三个向度可解释学习绩效69%变异。

以回归分析检验元认知、自我效能、学习态度与学习绩效之间的关系。结果显示，在考虑其他变项下，元认知与学习绩效有显著关系（B=0.72，p《0.001），即学生的元认知水平越高，学习绩效也越好;同时，自我效能对学习绩效亦具有显著正向影响（=0.17，p=0.024）。然而本实验中并未发现学生的学习态度（=0.13，p=0.11）对学习绩效具有任何显著影响效果。

结论

本研究基于Kirkpatrick&Kirkpatrick（2006）的学习绩效四层次评估模式，以产品造型设计中的知识点学习为例，将AR教学与传统教学方式进行课堂实证对比研究，通过描述性分析、独立样本t检定及回归分析，探讨不同教学方式下学生的元认知、自我效能及学习态度之间的差异，以及三者与学习绩效的影响关系。研究表明：

第一，元认知、自我效能及学习态度三者可以解释学习绩效近七成的变异量，且三者均对学习绩效具有正向影响，其中元认知与自我效能对学习绩效的影响已达显著。本研究发现，将AR技术运用于教学实践，特别是设计类专业课教学中有助于提高学生的元认知水平，并直接作用于学习绩效的提高，且该影响并不与学生性别相关。第二，研究中未发现AR技术对学生的自我效能以及学习态度存在任何显著影响，该点可能是由于AR教学方式尚未普及，学生对待数字化教育的态度以及接受程度普遍较差而导致的。

基于以上研究结果，本研究提出以下建议：第一，学校管理者与教师重视AR技术在教学中的应用，帮助学生树立正确的数字化学习态度，积极增加学生对数字化学习的期待;第二，在学生初次使用AR技术进行自主学习时，教师如果可以鼓励并引导学生更好地了解并使用AR技术，学生会有更加明确的学习目标与学习自信心，同时也会对学习成果具有较高的期待，拥有较高的自我效能，从而进一步提升学生的数字化学习绩效;第三，在设计类专业课程教学和学习过程中，教师和学生应积极应用AR技术，提升教学和学习成效。

本研究后续将扩大研究对象范围，针对学习者的信息与文化素养进行差异性分析，以建立更加完整的实证资料，使研究结果更具普遍性;另外，本研究的三个向度元认知、自我能效感及学习态度皆以相关文献为依据，但由历年的研究可知，元认知、自我能效的分构面甚多，后续将继续考量不同分构面来进行深入探讨分析，使研究结果更具针对性。。

基金项目：江苏高校“青蓝工程”资助项目（苏教师[2018]12号）;2020年度江苏高校哲学社会科学研究项目（2020SJA2221）;2018年度江苏高校哲学社会科学研究项目（2018SJA2093）;南航金城学院2019年教育教学改革研究重点项目（2019-Z-08）。

参考文献

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