刘 潇, 王志军, 曹晓静, 韩美琪

(天津师范大学 教育科学学院，天津 300387)

0 引 言

“技术赋能学习”强调以学习者为中心，技术为学习者的学习提供支持[1]。增强现实(Augmented Reality，AR)技术实现了物理世界和虚拟世界的无缝融合，有助于学习者高阶思维能力的发展[2]，因而引起了教育领域学者的广泛关注。

根据Gartner公司发布的2017年新兴科技技术成熟度曲线，AR技术已经开始步入成熟期[3]，其教育应用潜力也愈加凸显。如今，该技术已经渗透到科学、语言、艺术等学科的教学当中。其中，科学教育是AR教育应用的主要阵地，AR所提供的贴近自然的交互方式对于帮助学习者理解科学学科中复杂的空间关系和抽象概念大有裨益。

1 AR技术对科学教育的促进作用

科学教育是社会进步、技术发展的必然要求。然而，学生在常规科学教育中的科学探究体验非常有限，科学教育甚至被异化为让学生接受科学知识的过程[4]。AR技术的出现，为解决这些难题创造了条件，其对科学教育的促进作用主要体现在如下3个方面：

(1) 将抽象、微观的知识内容可视化。科学学科中的很多核心概念(如动能、细胞等)都带有抽象性、微观性，脱离学习者的生活情境，不便于其掌握和理解。AR技术可以帮助学习者利用3D模型来增强对现实情境的视觉感知能力[5]，学习者既可以通过不同视角来观看AR模型，也可以通过亲自接触并操纵3D模型来增强学习体验[6]。在这类概念的学习中，AR起到了“建构模型和转化表征”的作用，可有效提升学习者对科学概念及其表征的理解程度。

(2) 将复杂的空间关系可视化。科学学科中常常存在各种各样复杂的空间关系(如化学中的键长与键角)，对学习者的空间认知能力提出了更高的要求。传统的材料画面常常以二维平面来展示物质的空间结构，一方面受呈现媒介尺寸的影响较大，另一方面也不符合学习者的三维认知习惯。AR技术提供给学习者的3D模型相比二维图片更具真实感，学习者对3D模型所进行的缩放、移动、旋转等操作也使得其以一种更为“具身”的方式建构对空间关系的认知，进而提升空间想象和思维能力。

(3) 支持泛在环境下的情境式学习。随着移动AR技术的普及，越来越多的学习者仅需利用常见的手持设备(智能手机、平板电脑等)便可随时随地开展合作、探究等学习活动。特别是在科学材料方面，不同于传统纸质材料在内容表达形式上的僵化，也不同于传统数字材料在有形性、真实感方面的欠缺，AR材料提供了一种介于传统纸、数材料的折衷方案，允许学习者在一种泛在的情境中实现对知识内容的深度理解。

2 相关研究现状

为了解AR技术应用于科学教育的研究现状，本文对CNKI和Web of Science中主题为“增强现实”的教育类核心文献进行了检索和分析，总结和归纳了已有的研究及其存在的不足。

2.1 AR技术应用于科学教育的主要研究

长期以来，许多研究者针对AR应用于科学教育的有效性进行了孜孜不倦地探索。理论研究方面，Cheng等[7]发现在科学学习中，基于图像AR对提升学习者的空间能力、操作技能和概念理解能力有很大的帮助，基于位置AR则更有利于学习者探究能力的培养；张四方等[8]构建了科学教育视域下包含认知层次、应用层次和技术层次的3层次模型，指出AR技术只有在教学论、设计者、学习者三方融合中才能更好地发挥其科学教育的价值。实践研究方面，以蔡苏等[9]为代表的诸多学者尝试设计、开发AR教育资源并测试了其教学应用有效性。例如，“凸透镜成像”实验表明，AR工具对提升学习者的学习动机、态度有显著作用；“微观粒子交互式”实验表明，AR工具有助于学习者实验探究能力的提高；“探秘微观细胞”实验表明，在知识掌握情况和学习态度方面，AR教学效果远好于传统教学方式。

2.2 相关研究存在的不足

大量研究证明了AR技术可有效促进科学教育，然而多数研究仅设计了AR组和非AR组的对比实验，对于学习者、教师、媒介等教学环境要素的特征关注不足。特别是学习者特征包含性别、年龄、学习风格、空间能力、知识基础等诸多变量，这些变量是否与学习材料的类型存在交互作用，是否会对实验结论有所影响，不得而知。其中，对于空间能力而言，部分研究者将其作为因变量处理，着力探究AR技术对提升空间认知水平的作用，然而却鲜少将其设为自变量，考虑其对学习效果的影响。

3 研究问题与方法

针对已有研究存在的不足，本文将通过实验研究的方法探讨空间能力水平和学习材料类型的相互作用对科学学习效果的影响。

3.1 实验目的

探究不同类型的学习材料对不同空间能力学习者的学习成绩、认知负荷和学习动机的影响，从而判断AR技术是否能有效促进科学学习。

3.2 实验设计

本实验采用2(学习材料，被试间变量)×2(空间能力，被试间变量)两因素混合实验设计。自变量包括学习材料(传统图文材料、AR材料)、空间能力(低空间能力、高空间能力)；因变量包括学习成绩(保持测试成绩、迁移测试成绩、总测试成绩)、认知负荷(心理努力程度、感知难度、总认知负荷)和学习动机(注意、关联、信心、满足、总学习动机)；无关变量包括被试的先前知识水平、学科背景、年龄。

3.3 实验假设

AR材料较传统图文材料更有助于科学学习，这种优势尤其对低空间能力的学习者更为明显。

3.4 被试

从T大学本科生中招募自愿参加实验的被试，对其进行空间能力测试，根据测试的结果，筛选出60名学生(年龄在18～22岁区间)参加实验，将其按照空间能力分为低空间能力组和高空间能力组2个组别，每组30人。然后，对这2组被试进行组内随机分配，共得到4组被试，每组15人。

3.5 实验仪器

平板电脑1部，用于呈现AR效果，型号为小米平板MI PAD 4。

3.6 实验材料

(1) 学习材料。实验所需的学习材料共2份(传统图文材料、AR材料)，主题为“烷烃结构”。其中，传统图文材料以图片的方式呈现烷烃的结构(见图1)；AR材料则允许被试通过扫描图片获得烷烃结构的3D模型，并通过手势交互的方式操纵模型，以多角度观察烷烃结构(见图2)。

图1 图文材料界面图2 AR材料界面

AR材料的制作经历了建模和编程两大阶段：首先通过3Dmax软件绘制烷烃分子模型，然后将模型导入AR/VR云设计平台，经过编辑处理发布AR特效至AR云播放器中，便于学生利用MI PAD进行观看。

(2) 测试材料。①被试基本信息问卷1份，用于获取被试的性别、年龄、专业等基本信息。②空间能力测试题1份，采用经典的标准MRT测试题测试被试的心理旋转水平，即想象物体旋转的空间智能转换能力。③先前知识测试题1份，用于测量与学习材料中学习内容相关的被试先前知识水平。测试共包含6道题目，答对1道计1分，满分为6分。若被试的前测成绩高于3分，则将其视作高基础被试，予以剔除。④学习效果测试材料1份，包含保持性测试和迁移性测试。保持性测试主要用于检测学习的数量，即学习者记住了多少学过的内容；迁移性测试：主要用于检测学习的质量，即学习者能灵活运用已学材料的程度。测试共包含21道题目，其中保持性测试12道，迁移性测试9道。⑤认知负荷自评量表1份，采用经典的Paas量表。利用SPSS对预实验的数据进行信度分析，发现该量表的Cronbachα系数为0.690(介于0.6～0.7之间)，说明数据信度可接受。⑥学习动机自评量表1份，采用根据ARCS模型改编的IMMS动机测量量表。利用SPSS对预实验的数据进行信度分析，发现该量表的Cronbachα系数为0.941(高于0.8)，说明研究数据信度质量很高。

3.7 实验过程

试验过程分为3步:①各组被试依次填写基本信息问卷、先前知识测验。空间能力测试已在实验前完成，并作为分组依据之一。②各组被试依次学习由主试指定的学习材料。③被试结束学习后，完成学习效果测试、认知负荷自评和学习动机自评。

4 数据分析

4.1 学习成绩

使用SPSS19.0统计软件对被试的测试成绩进行分析，可得到各项目的平均值和标准差，如表1所示。

表1 不同实验组的学习效果测试情况(M±SD)

由表1可见，不同空间能力的学习者在使用传统图文材料和AR材料后，其保持测试成绩、迁移测试成绩和总测试成绩均存在差异。整体而言，无论针对哪类空间能力的学习者，AR材料相比传统图文材料都体现出其优越性，且低空间能力学习者在学习效果方面从AR材料中获益更多。

为进一步了解学习材料类型和空间能力水平对学习成绩的交互作用，本文对各组的三项成绩进行了两因素被试间方差分析，发现：在保持测试中，两因素的P值分别为0.117和0.934，均大于0.05，说明学习材料类型和空间能力水平对于保持测试成绩的交互作用不明显；在迁移测试中，两因素的P值分别为0.000和0.001，均小于0.05，说明学习材料类型和空间能力水平对于迁移测试成绩均存在明显的交互作用；图文材料与AR材料、低空间能力与高空间能力对学习效果的不同影响也体现在总测试成绩中。

4.2 认知负荷

使用SPSS19.0统计软件对被试的认知负荷进行分析，可得到各项目的平均值和标准差，如表2所示。

由表2可见，不同空间能力的学习者在使用传统图文材料和AR材料后，其心理努力程度、感知难度和总认知负荷均存在差异，但区别不大。整体而言，AR材料可有效减少低空间能力学习者的认知负荷。

表2 不同实验组的认知负荷测量情况(M±SD)

为进一步了解学习材料类型和空间能力水平对认知负荷的交互作用，本文对各组的3项认知负荷测评指标进行了两因素被试间方差分析，发现：从心理努力程度看，两因素的P值分别为1.000和0.501，均大于0.05，说明学习材料类型和空间能力水平对于心理努力程度的交互作用不明显；从感知难度看，两因素的P值分别为0.404和0.676，均大于0.05，说明学习材料类型和空间能力水平对于感知难度的交互作用不明显；同样的，学习材料类型和空间能力水平的不同组合也并未对认知负荷产生显著差异影响。

4.3 学习动机

使用SPSS19.0统计软件对被试的学习动机进行分析，可得到各项目的平均值和标准差，如表3所示。

表3 不同实验组的学习动机测量情况(M±SD)

由表3可见，不同空间能力的学习者在使用传统图文材料和AR材料后，其注意、关联、信心、满足和总动机评分均存在差异。整体而言，无论针对哪类空间能力的学习者，AR材料相比传统图文材料都能使学习者获得更高的学习动机。

为进一步了解学习材料类型和空间能力水平对学习动机的交互作用，本文对各组的5项学习动机测评指标进行了两因素被试间方差分析，发现：从“注意”动机看，两因素的P值分别为0.005(<0.05)和0.882(>0.05)，学习材料类型对于“注意”动机的交互作用明显；从“关联”动机看，两因素的P值分别为0.119和0.910，均大于0.05，学习材料类型和空间能力水平对于“关联”动机的交互作用均不明显；从“信心”动机看，两因素的P值分别为0.074和0.606，均大于0.05，学习材料类型和空间能力水平对于“信心”动机的交互作用均不明显；从“满足”动机看，两因素的P值分别为0.019(<0.05)和0.854(>0.05)，学习材料类型对于“满足”动机的交互作用明显；从总动机看，两因素的P值分别为0.016(<0.05)和0.924(>0.05)，学习材料类型对于总动机的交互作用明显。

4.4 AR材料组学习成绩、认知负荷和学习动机关系

为了进一步检验学习者在使用AR材料时的学习成绩、认知负荷和学习动机之间的关系，本研究筛选出AR材料组的数据，并进行了一系列Pearson相关分析，结果如表4所示。

表4 学习成绩、认知负荷和学习动机关系

注BC：保持性测试，QC：迁移性测试，ZC：总测试，XN：心理努力程度，RN：感知任务难度，ZF：总认知负荷，ZY：注意，GL：关联，XX：信心，MZ：满足，ZD：总学习动机;**P<.01,*P<.05

研究发现：①学习者的学习成绩与认知负荷呈非显著负相关(r=-0.18，P>0.05)；②学习者的学习成绩与学习动机呈显著正相关(r=0.61，P<0.01)，其中保持性测试成绩与注意(r=0.62，P<0.01)、关联(r=0.55，P<0.01)、信心(r=0.42，P<0.01)、满足(r=0.62，P<0.01)均呈显著正相关，迁移性测试成绩与注意(r=0.49，P<0.01)、关联(r=0.44，P<0.01)呈显著正相关；③学习者的认知负荷与学习动机呈负相关，但相关作用不明显(r=-0.08，P>0.05)。

5 讨 论

基于实验所得的数据，本研究从学习成绩、认知负荷、学习动机及3者相互关系等方面讨论AR技术对科学教育的影响。

(1) AR技术对学习成绩的影响。在提升学习者学习成绩(特别是迁移性测试成绩)方面，实验得出了和相关研究类似的结论：AR材料相比图文材料具有显著优势，且这种优势尤其适用于低空间能力学习者，说明AR确实能起到可视化微观知识、可视化空间关系的作用。学习者在观察并操纵3D模型的同时，建立起抽象概念与具体物质之间的表征关联，从而促进了知识的理解和迁移。

(2) AR技术对认知负荷的影响。在降低学习者的认知负荷方面，实验得出了和相关研究类似的结论：AR材料的优势体现得并不明显，认知负荷与学习成绩并无关联[10]，也无法对学习者的学习成绩进行预测[11]。Cheng[12]认为，AR技术所提供的自然交互功能，并不能直接导致学习的成功，学习者感知的认知负荷并非影响其学习结果的唯一本质因素。本研究中，AR技术未能有效降低认知负荷，可能源于3个方面：①学习者对AR工具的使用尚缺乏足够的熟悉度和适应性；②学习材料本身的难度所带来的内在认知负荷难以被大幅调整；③AR材料的设计尚未达到理想状态，因而增加了学习者的外在认知负荷。

(3) AR技术对学习动机的影响。在提升学习者的学习动机方面，实验得出了和相关研究类似的结论：AR材料相比图文材料具有显著优势，学习者的空间能力在其中起一定作用但并非关键作用。在学习动机各维度中，AR技术在帮助学习者集中“注意”、获得“满足”方面产生着重要的影响，这暗示了感知注意力对AR学习的重要性。本研究中，大多数学习者均是初次接触AR材料，3D模型的呈现极大地吸引了他们的注意，促使他们带着强烈的兴趣开展学习。值得注意的是，研究者必须要警惕“哇”效应的产生，即：学习者的学习动机并非来自于AR与知识的关联，而是来自于其初次接触AR而产生的好奇，在对AR逐渐熟悉之后，原本不稳定的学习动机可能会消失殆尽。

(4) AR技术对学习成绩、认知负荷和学习动机的综合影响。有效学习需经历“环境要素—动力机制—过程机制—结果要素”的学习过程生态链[13]。AR技术可以为学习者营造情境化的学习环境，学习动机的激发与维持可以提供学习的动力机制，认知负荷的合理控制可以使学习者以更加轻松、自在的方式进行学习，而学习成绩则可作为衡量有效学习是否达成的结果指标。

从对AR材料组学习成绩、认知负荷和学习动机关系分析结果来看，AR技术所提供的动力机制对学习结果产生了正向影响，但在过程机制的优化方面还有待提升。Plass等[14]认为，基于人类认知结构的特征，可以将认知负荷视为预测学习结果的指示器。根据认知负荷理论，认知负荷可分为内在认知负荷、外在认知负荷和关联认知负荷。其中，外在认知负荷是由学习材料的设计所引发的，属于无效认知负荷，需要被着力降低。本研究中，认知负荷对学习成绩的负相关作用未能充分发挥，说明AR学习资源的设计还有待优化。

6 结 语

研究证明，AR技术确有促进科学教育的积极作用。目前，教育领域关于AR学习资源的设计与开发研究正在如火如荼地进行，相信在不久的将来，“AR技术赋能科学学习”的教育潜力必将得到充分发挥。在绘制美好愿景的同时，必须脚踏实地做好眼前的工作。进一步研究将围绕“AR学习资源的优化设计”而展开，一条有效的途径是遵循“多媒体画面语言学”所提供的设计框架[15]，从画面语义、画面语用和画面语构的3个层次，全方位考量教学内容、教学环境各要素对AR画面设计的影响，通过合理的画面要素搭配，将由AR学习资源带来的认知负荷控制在合理的范围，进而促使“环境要素—动力机制—过程机制—结果要素”的学习过程生态链日趋通达而完善。