正式教育中增强现实应用现状研究*

许梦幻，李小平

（北京理工大学 教育技术研究所，北京100081）

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，虚拟和真实对象的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。

三、研究方法和过程

本研究综述采用了Arksey和O’Malley[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。

作者 A R产品 实验对象 科目/教学内容 实验过程 A R应用效果(1 0)A m m a r H.S a f a r移动设备+软件（A R动物字母认字卡软件）4 2位学龄前儿童 英语单词该研究比较了两组：（a）实验，使用平板电脑和A R应用程序进行学习，（b）使用传统的面对面方法进行教学。（1）对照组（传统组）和实验组（A R 组）在课堂上与英文字母交互程度有显著差异，实验组更优;（2）对照组与实验组在英文字母测验中的得分有显著差异，和儿童与英文字母课的互动关系及其在A R组英文字母测验中的分数有很强的线性关系。(1 1)W e r n-h u a r T a r n g移动设备+软件 （开发出了具备运动感应和自动定位功能的通用星座图。）7 1位小学五年级学生自然科学：“天文观测”我们将结果与使用不同工具（G o o g l e天空地图和纸质星座图）进行比较。根据实验设计，三组分别采用不同的观察工具。A组使用通用星座图，B组使用G o o g l e S k y M a p，C组在在课堂上使用纸质星座图，课后观测星空。实验结果表明，三组学生的学习成绩差异无显著性，表明普遍的平面和其他工具在维持学习成绩方面有效。然而，学生的观察技能以及学习成果在使用通用星座图时得到了显著改善。问卷调查结果显示，大多数学生认为通用星座图的运行及其用户界面易于使用。此外，它可以帮助他们快速找到目标星座，并使学习过程更有趣。(1 2)C h i e n-H s u C h e n A R动物3 D模型7 1位五年级小学生。自然科学：自然界的食物链实验组使用认知图谱A R教学法，会先给出食物链知识图谱，再用A R材料学习。而控制组仅提供A R教学材料。学生们喜欢认知图谱A R教学法，认为学习材料更容易理解，并且结构优良，可以简化显示知识的手段。(1 3)J a v i e r F e r r e r -T o r r e g r o s a移动设备+软件1 7 1位大学生，分别来自医学、物理疗法和足部医疗专业解剖学：脚外部肌肉。A组：可使用教授关于脚部外在肌肉主题所做的笔记，解剖图谱。B组：可使用相同的教授的笔记以及标注了每一个身体结构、带有声音解说的解剖视频。C组：可使用教授笔记和A R软件，笔记有内置标记，能呈现可视化三维物体。用A R学习效果明显优于用视频的学习效果，并且都显著高于用笔记的学习效果。学生认为A R有助于实现三维理解，这对理解复杂科目如解剖学是一个理想的补充。增强现实有助于吸引学生的注意力和改善学习曲线。(1 4)J a s o n M.H a r l e y移动设备+软件（两个软件：M T L U r b a n M u s e u m 和M e t a G u i d e）3 1位大学生了解历史地点的变化A组：使用G o o g l e E a r t h S t r e e t V i e w程序，学习者在虚拟的历史地点前，通过全景图像来改变他们的观察视野。B组：学习者亲身体验历史地点，学习者使用M T L U r b a n M u s e u m移动A P P的G P S系统寻找位置，将历史图像与真实场景比较。结果表明，这两个应用程序都可以有效地用于支持历史学习，并引导学生产生积极情绪。学习者在户外学习识别差异效果更好，需要较少的建构来识别差异。学习者在这两项研究中都表现出高度的享受，但更喜欢户外学习。(1 5)T e e m u H.L a i n e移动设备+软件（用讲故事的方法把知识放到故事情境的游戏中）6 1位韩国五年级小学生数学：教学基础的图形结构如三角形、圆形、长方形提出S c i e n c e S p o t A R的概念和架构，设计了L e o m e t r y游戏，并请6 1个韩国五年级小学生对L e o m e t r y的测试版本进行使用评估。通过问卷调查和访谈获得的数据显示，尽管游戏有轻微的缺陷，但是平台的概念是可行的，并且构建科学的学习游戏是有潜力的。(1 6)K a s e y J.C a r l s o n由威斯康星麦迪逊分校开发的A R I S平台3 2位医疗保健代表人员，包括模拟技师，模拟专家、院长和医护人员。医疗保健(1 7)E r a s m o M i r a n d a B o j ó r q u e z移动设备+软件 （设计了一个梅奥语学习的A R A P P）8 5位墨西哥自治大学本科生语言：梅奥语选择了其中的四个情境进行测试，在测试之前花四个小时了解和熟悉A R I S E项目。然后试验这四个情境，针对其是否符合课程教学提供自己的反馈和意见。大家提出的建议主要是：提供更多的学生反馈，根据需要参考实验室和订单的能力；以及更多的交互式文档。 有人担心在某些情况下导航不清楚和提示不足。 受访者认为该项目不是模拟的替代品，但是最适用于实验室。 他们认为这个想法是一个“优秀的开始”，并且“期待着新的场景”。学习者使用旨在学习梅奥语言 （墨西哥西北部语言）的移动增强现实（M A R）应用程序结果显示A R应用程序很好的帮助了学习者的个人学习，并且如果提供合作学习会易于使用(1 8)M a r i a-B l a n c a I b a n e z设计了一个A R模拟系统A R-S a B E r 8 2位九年级学生中学物理：电流、电压和电阻的概念;导体和绝缘体的导电情况;电路主要组件等控制组使用A R-S a B E r，无其他活动。实验小组有个性化的额外辅导，旨在帮助学习者关注他们没有掌握的主题。研究发现，实验组的学习者比控制组的学习成绩更好。并且来自实验组的学习者会在实验之前浏览有关的信息，阅读了课前内容。(1 9)M i c h a e l D a v i s移动设备+I n-g r e s s A R游戏选修了自然地理要素课程的大一新生地理：自然地理 使用I n g r e s s探索家乡和当地的校园社区使用该方法学习的学生相对其他人学习成绩更好；学习者学习兴趣得到了提高；

作者 A R产品 实验对象 科目/教学内容 实验过程 A R应用效果(2 0)W e r n-h u a r T a r n g移动设备+软件（移动端月相观测系统，以帮助学生轻松观察和记录月球阶段。）5 6位四年级学生自然科学：“月相观察”进行为期一个月的学习，实验组的学习者使用A R月相观测系统进行学习，控制组的学习者采用传统的教学方法，记录月相表。最后进行一个测试。实验结果表明，实验组的学习效果明显高于对照组。问卷调查和面试结果表明，大多数学生倾向于使用系统观察月相，可系统有效查找月球和记录月球数据的条款。此外，大多数学生同意系统易于操作，如果将来有类似的要求，他们也想再次使用它(2 1)A l e j a n-d r o M o n-r o y R e y e s A R眼镜（设计了一个移动增强现实系统）1 6位大学机电一体化工程专业学生机械处理 （车床机，铣床）提供关于A R和M A R系统的基本操作介绍，介绍完之后参与者即可马上使用其中一个设备 （O R A-1 A R眼镜或V R-P R O）来测试系统。参与者测试每个课程，提出反馈。大多数学生将系统评为是了解关于车床和铣削操作基础知识的有价值且吸引人的工具。(2 2)M P u e r-t o P a u l e -R u i z移动设备+S A-M I音乐学习软件4 3位幼儿园三年级学生音乐：听力训练、声音辨别和音乐作曲将学生分成两组，分别使用两种不同的学习方法：传统的方式，使用A R软件S A M I。使用移动S A M I技术有助于自主学习(2 3)W e i-K a i L i o u采用A R技术和V R技术，配合翻转课堂教学模式，提出了一种高交互云课堂9 2位台湾科技大学二年级本科生（1 9-2 0岁）基础材料科学：晶体结构和燃料电池晶体结构部分采用A R技术，学习者通过有交互动画和视频的3 D模型学习简单立方、体心立方、面心立方、六方密集结构。燃料电池部分内容采用虚拟现实技术进行教学。实验组使用H I C（高交互云课堂）方法，控制组使用传统教学方法。使用高交互云课堂方法在了解、理解、应用三个方面的效果均优于传统教学方法。(2 4)E k r e m-S o l a k增强现实3 D动画6 1位小学五年级学生 英语单词实验组：目标词汇采用3 D增强现实技术先通过动画引入，然后在课堂中给出单词的发音和一个例句。对照组：通过传统方法介绍目标词汇。每个词汇都写在黑板上，练习发音、读例句、造句，然后学生重复练习。研究结果表明，实验组学生的得分高于对照组，他们在回忆学习信息方面表现更好。 本研究表明，A R技术在初级阶段语言课堂中应用增加了学习者的表现，词汇学习与传统方法相比更为有效。(2 5)H s i n-Y i C h a n g移动设备+软件4 5位九年级学生社会科学问题：探讨2 0 1 1年福岛核电站泄漏问题假设今天是福岛核电站爆炸后的第一天，学校距离该地约1 2公里。A R组使用平板电脑去校园的1 0个地点收集辐射值。I S（交互模拟）组在计算机模拟中使用检测器检测代表校园1 0个不同位置的辐射值。结果表明，知识和态度没有显著的差异，但两组认知差异明显。与模拟技术相比，A R技术使学习者更有可能在学习社会科学问题中产生情感获得。(2 6)R C C h a n g移动设备+A R F l o r a s y s t e m 5 5位小学四年级学生自然科学：植物生长过程实验组：老师用P P T教学植物生长知识后学生通过使用A R系统巩固知识，加深理解。控制组：老师用P P T教学植物生长知识后学生通过观看相关视频巩固知识，加深理解。（1）A R F l o r a和数字视频环境下学习者都具有比较好的学习效果;（2）A R F l o r a能够更有效地帮助学生记住知识;（3）A R F l o r a在激励学生学习植物的动机方面比较有用。教学设计、数字交互量和教学策略都会影响用户的互动。同时，沉浸式设计、有即时反馈、重点突出的任务和高水平的认知任务的页面能够促进交互。(2 8)S e v d a K u c u(2 7)L a r y s a N a d o l n y移动设备+两个软件两个A P P分别针对中学生，和幼儿园至三年级学生数学 用两种不同的A R应用来比较不同的设计对于A R教学的影响。移动+软件（M a g i c B o o k）7 0位大学二年级医学本科生神经解剖学实验组使用A R教学，可以观看3 D模型和动画。控制组使用传统的教学方式。结果显示实验组（使用A R技术）有较好的学习结果和较低的认知负荷。(2 9)J a c q u e-l i n e V a u g h n头戴式A R设备1 2位护理学校本科预科学生医疗护理：急性呼吸衰竭患者的护理方式学习者使用A R设备学习各种模拟场景下的护理。A R模拟真实护理场景增强了学生的学习动机。学生表示，这种模拟更好地准备好照顾患者的呼吸窘迫，特别是改善他们对呼吸窘迫症状的认识，改善其知识储备。学生使用三维（3 D）模型与课程相结合的方式学习结果更好，不仅在学习成绩上有所提高，而且在知识记忆方面也得到了改善。(3 1)C.C.C a r r e r a(3 0)D i a n a C o o m e s P e t e r s o n移动设备+软件解剖学原理课程的本科生解剖学原理课程：包含大体解剖学和神经解剖学内容课堂中比较难的部分使用3 D模型帮助教学（中枢神经系统动脉和静脉，颅神经，头骨，头颈部，肌肉，臂丛，心脏，上呼吸道和骨盆等）。移动设备+软件（A R-M e d i a P l a y e r）1 2 3位大学二年级工程学生地理：空间定向能力实验组学生根据A R的地图解释来识别位置和路线。控制组学生使用传统教学。结果显示，实验组学生空间定向技能得到改善，控制组学生的空间定向能力没有得到提升。

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强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。

图1 实验对象分布图

（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。

图2 教学内容分布图

（4）使用AR产品教学效果如何？

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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