基于AR技术的增强体验学习活动的设计

2018-06-11黄婕

长沙航空职业技术学院学报 2018年2期

黄婕

（长沙航空职业技术学院，湖南长沙 410014）

随着信息化和智能化等新兴技术的发展，使得增强体验的学习活动在实践性教学环境中应用更具条件，在新媒体环境中，利用AR（Augmented Reality增强现实）技术进行“先行后知”的增强体验的学习活动，让抽象的学习更丰富，学习形式更加优化。AR技术的虚拟空间与真实空间的有效结合，丰富的数字化教学资源和工具让学习者对抽象知识的认知过程降低了负荷，也开拓了自主学习的空间。因此，如何利用AR技术进行增强体验的学习活动的设计是值得分析研究的问题。

1 增强体验学习的概述

“体验”从概念定义上说，是有意识成为一种情境或状态的主体；有意识被某个事件影响，强调体验的主动性和主体性。增强体验的学习应以学习者为主体，通过实践观察来认识事物，互动反思后获取知识、技能以及情感态度的一种学习方式[1]。增强体验的学习是多个事件的组合，有学习的明确目标[2]。

从内涵上说，增强体验学习的内涵从杜威的“直接经验+反思”的内涵，经人本主义的影响后转向了“直接经验+情感体验”的内涵[3]。此内涵符合增强体验学习的定义特征，应该按照此原则开展增强体验学习实践。

传统的增强体验的学习形式包括实地参观、访问、情景演练、实验等方式，教师从实际出发，基于丰富的情景背景，把抽象难懂的知识和价值、情感转变为可以感知体验的生活事实，借助图片、文字、音频、视频等信息化多媒体手段给学习者创设可感知的体验情境，让学习者进行知识的探究实践活动[3]。而随着增强现实技术、虚拟技术和感知技术的兴起，增强体验的学习被赋予了一种新的内涵，即虚拟化。学习者在增强现实技术创造的真实场景和虚拟对象的学习情境下，通过虚实融合的混合情境体验，经历类似亲身体验的直接感受，对抽象知识进行了增强感知，这样的增强体验的学习既突破了传统教学的限制，又摆脱了物理环境的制约。

将人机交互技术、现实技术及跟踪技等技术融合的增强现实系统，目的是实现虚拟对象和真实世界的无缝连接，此系统需获取物理位置和当前物理环境的信息，通过系统计算中心运算后能将虚拟对象在真实世界精彩呈现。整个增强现实系统的实现过程大致需要四个步骤，如图1所示。

图1 增强现实系统步骤

于20世纪60年代开始的增强现实技术，首次利用头盔式显示器进行虚拟现实，作为增强现实设备的使用，此系统通过通过跟踪人的头部信息来更新现实的内容，让使用者有身临其境的感觉，这便是最早的AR系统[4]。随着信息技术、网络技术的发展，增强现实技术在教育等各个领域普及发展，尤其是移动终端给增强现实提供了全新的硬件平台，一种基于移动设备的增强现实技术即移动增强现实（Mobile Augmented Reality，简称MAR）应运而生。该技术则是利用Pad平板电脑或者智能手机，通过APP应用程序和智能设备上的摄像头获取物理信息数据，再叠加虚拟信息已达到增强现实感知的作用。

2 增强体验的学习活动设计

学习过程实际上是知识内化的过程，学习活动的设计尤其重要。增强体验的学习活动利用增强现实这种新型媒体技术，给增强体验的学习活动给予了有效的支持，有利于增强体验的学习活动的设计。

2.1 增强体验学习的特点

2.1.1 情境特征

增强体验的学习是利用具体情境获得的经验，因此这种经验的是种直接经验具有情境特征，学习者利用虚拟融合真实环境的实践活动达到知识的内化。增强体验的学习情境可以依赖真实环境，也可以依赖虚拟环境，但在虚拟环境中开展的增强体验的学习必须和现实世界有关联[5]，有意义的学习情境有利于增强体验的学习和探究，因此，在设计增强体验的学生活动时首先必须遵循情境特征的原则，是增强体验学习的基础。

2.1.2 亲历特征

体验过程是自身行为，是学习者在情境中亲身体验感悟而获得的经验，无法传达和替代的，因此，增强体验的学习具有亲历特征。这种亲历特征包括两个方面的体验，一方面是实践层面的亲历，学习者在真实环境中直接亲身体验；另一方面的心理层面的亲历，学习者在创设的虚拟情境中亲历，达到类似真实环境的身体感知，在心理层面完成亲历直观感知。

2.1.3 反思特征

反思特性是增强体验学习中必不可少的特征，学习者只有通过对直接经验总结、分析、概括、提炼等系列反思后，才能将实践知识内化转换，将实践经验的储备并强化。整个学习过程应当在不断反思中吸取经验，才能明确收获，促进新知识、新技能的积累。

2.1.4 个体特征

增强体验的学习是自我意识的一个行为活动，通过学习者在情境环境下进行实践感知、认知结构、认知背景等，但个体在进行自主行为感知时会产生个体差异，在同样环境、情境下个体感知认同都不同，这与主体的心理、经验相关，个体的差异特征直接学习行为感知的差异。

2.1.5 探究特征

学习者对知识的理解是基于个体探究、感知体验为基础的，而不是直接接受的。增强体验的学习是在一定的情景环境下与对象发生交互活动，再通过反思活动将知识抽象概括再转化，因此，增强体验的学习具备探究特征。而设计好情景和学习活动，使得增强体验的学习活动能更好的激发学习者主动探究学习，积极调动学习者的积极性，帮助学习者能较好的完成知识经验的构建。

2.2 增强体验学习过程

增强体验的学习是学习者利用身体感知的体验活动来获得知识、技能，且采取一种连续、多阶段的方式：一阶段指出增强体验的学习需要在具体情境中通过体验获取实践经验，完成学习；二阶段学习者需要完成体验和反思，循环反复。杜威理论指出，增强体验的学习需要完成体验、反思后制定出明确的学习计划和目标，达到增强的体验。

库伯在杜威理论的基础上，提出增强体验的学习模型分四个阶段，分别是具体感知体验、反复观察思考、抽象提升概括、实际行动应用。四个阶段是循环体验的过程，可以从任意一个阶段开始体验，没有固定模式的开始和结束[6]。增强体验的学习是学习者一般从具体感知体验环节开始，在特定情境中感知体验，观察分析体验的影响和结果，反复思考总结经验，找到适用于这一情境的原则规范，且用这一原则规范指导并解决实际问题。

图2 增强体验学习模型

图2为增强体验学习模型示意图。此模型中包含内涵换行和外延转换两种含义转换方式，内涵转换对应反复思考观察阶段，学习者对于具体结果反复观察感知；而外延转换对应实际行动应用，学习者通过对实践知识的领悟，将抽象概括出的原则规范进行实际应用扩展。这两种含义转换方式中，内涵转换形成的原则规范需要外延转换来检验核实，外延转换是内涵转换的拓展、是后续环节。这种感知、体验、总结、核实、拓展的方式，使得增强体验的学习能产生知识迁移，并完成学习后的应用，达到学以致用。

2.3 增强体验学习活动设计模型

基于库伯的增强体验的学习模型，提出了一种增强体验的学习活动的设计模型，按照此模型设计增强体验的学习活动，如图3所示。

图3 增强体验学习活动设计模型

2.3.1 学习主体

活动的直接执行者就是活动系统中的行为主体，学习主体即行为主体就是学习者。在做增强体验学习活动设计时，需要考虑学习者的年龄、学习动机、认知成熟度、学习经历等，还需要考虑学习者是否掌握了学习所需的知识、技能基础，以便设计好活动模型各个环节。

2.3.2 学习客体

学习客体是指学习主体以为的客观事物，它能被主体通过一定的行为改变和影响，且通过转变成为整个活动系统的结果，学习客体是学习活动的学习目标、导向。学习目标描述了学习者在完成任务后需要达到的认知、技能进和情感上的变化，在做增强体验学习活动的设计之前要分析学习目标，以指导学习活动的设计。

2.3.3 学习资源

增强体验的学习活动中学习资源是必不可少的，学习者在学习资源的前提下展开增强体验。在进行增强体验学习活动设计时，学习资源能随时随地让学习者获取，能无障碍的使用。

2.3.4 学习情境

学习情境分为真实情境和虚拟情境两种，Marcus Specht的AICHE模型[7]给出学习情境的设置需要从标志、位置、时间、环境和关系等五个方面描述。在进行增强体验的学习活动设计学习情境时，必须设计有意义的学习情境，能让学习者在学习情境中观察思考，在学习情境中增强体验，在原有经验上归纳整理进行知识的内化，这才是有助于增强感知学习活动的学习情境的设计。

3 增强现实特性分析

增强现实（Augmented Reality简称AR）技术是在虚拟技术、显示技术、计算机视觉技术等技术上发展而来的，具备这些技术的可高度扩展性和沉浸性，能给用户带来更好的感知体验，具有实时交互、虚实结合等特点[8]。

3.1 虚实结合特性

AR技术首要特点是虚实结合，即利用计算机系统中的虚拟场景、物体等信息，和真实世界的场景融合，学习者既可以体验感知虚拟技术的信息也能体验真实环境的信息，为学习者很好地拓展了物理空间。AR技术给学习者提供了虚实结合的完美的空间体验感受，有利于实践知识的内化。

3.2 实时交互特性

AR技术的另一重要特性为实时交互。在AR技术的环境下，学习者利用虚拟环境、虚拟场景中的虚拟对象进行及时交流互动，AR系统也能及时响应学习者的操作，学习者和系统间及时的互动给学习者带来了一种类似真实的感知体验。

3.3 三维投影特性

三维投影是利用计算机显示技术，将虚拟信息投影到图像平面上，这样虚拟信息就投射到真实世界中，且是三维的注册的方式。AR技术能实现虚拟信息和真实世界的同时同步，虚拟信息也能依据真实世界的信息实时变化，让使用者体验虚拟信息和真实世界的一致感和整体感。

4 基于AR技术的增强体验学习活动的设计

4.1 学习活动设计框架

学习活动的设计是一个既复杂又精细的过程，必须从任务目标开始分析，确定好各个环节的活动任务，设计好学习活动的方法、形式、评价体系和学习活动资源等支持。而增强体验的学习活动更是系列学习事件的组合，一定是学习者亲自体验感知的过程。从根本上看，增强体验的学习是一种基于情境、过程式的学习方法。在基于AR技术的增强体验学习活动设计时，首先得将学习情境设计好，再就是活动流程控制好，给AR技术支撑的学习活动以有效的支持。而增强现实技术能进行很好的学习情境的设计，丰富了增强体验的学习活动，同时基于AR技术的增强体验学习活动离不开强大的硬件和软件的支持，需要给学习者提供增强现实技术的应用设备以及配套的软件。如图4所示的基于AR技术的增强体验学习活动的设计框图。

图4 基于AR技术的增强体验的学习活动设计框架

4.2 学习活动设计过程

按照图4中给出的设计框架，对基于AR技术的增强体验的学习活动做具体设计。

4.2.1 确定学习目标

在基于AR技术的增强体验的学习活动的学习目标需要从AR技术和增强体验的学习两方面来确定。从AR技术方面，可以从任务描述、思考探索、体验理解、反复思考、团结协作六个层次分析学习目标；从增强体验的学习方面，需要从不同类的学习情境中确定不同的学习目标、学习内容和学习过程。增强体验的学习有认知、行为和体验的三个步骤，而AR技术有利于增强体验的学习活动的设计，下面将学习目标进行分类分析，如图5所示。

图5 学习目标分类分析

认知体验的学习活动大致分为六个层次，主要通过学习者的亲身体验获取知识信息；行为体验学习活动主要通过学习者的完成动作技能获取知识信息；而情感体验的学习活动主要利用情感价值趋向完成知识信息的获取。三种学习活动都有具体相应步骤完成体验获取知识。

4.2.2 分析学习对象

学习对象分析即是对学习者进行分析，是整个学习活动设计的关键。在基于AR技术的增强体验学习活动设计时，要进行学习者的学习能力的分析外，还要分析学习者的学习风格和特征，以便设计出适合学习对象特征的学习活动。一般的学习风格主要是认知风格[9]，即学习者在认知过程中采取的常用的行为模式，如听觉、视觉、触觉、嗅觉等；常采用的抽象概括还是具体经验进行加工类知识的获取；常采用整体策略还是序列顺序的学习顺序完成知识获取。而基于AR技术的增强体验的学习方式给学习者身临其境的感官体验，给学习者创设优良的学习情境，给学习者完美的学习体验。

4.2.3 设计活动任务

学习活动任务的设定其实包含学习内容、目标、方法、策略、形式和流程系列过程的总体描述[10]。AR技术给学习者创建好学习情境，学习者完成学习活动任务的目标、输入、输出等步骤。

4.2.4 设计学习情境

学习情景设计得好坏直接影响学习者的学习行为，学习者在增强体验的学习中，是利用学习情境来自主探究的，学习情境越逼真，学习效果会越好。设计增强体验学习活动时，设计者需要留有足够空间，让学习者自主构建认知。

学习情境应从真实世界、虚拟世界和虚实融合三方面设计，基于AR技术的增强体验学习活动的设计中，学习情境应当采用虚实融合的方式设计，在真实世界中融入虚拟对象，让学习者在学习情境中体会到虚拟信息和真实世界的无缝融合。AR技术是基于身体感知的，能实时获取学习者、学习设备、学习场所等数据，将数据进行分析处理，能及时了解学习者在增强感知的学习情境中的学习情况，进行学习的及时跟踪反馈。

AR技术能获取学习者周围环境、位置、时间、空间等信息，能完成显示、位置和关系的情境增强感知。因此，基于AR技术的学习活动的情景设计有两方面。一方面，主要设计个人学习情境，主要采用以问题为导向进行学习情境设计；另一方面，设计社会学习情境，通过这种方式构建社会化的学习共同体，给学习者一种新颖的交互方式。

4.2.5 设计活动序列

学习活动的序列设计首先得进行活动任务的划分，将活动任务分成若干子任务，再进行活动序列的设计。在增强体验的学习活动中，学习活动序列得遵守增强体验的原则，按照具体体验感知、观察反思、抽象概括、行动应用四个阶段设计学习活动。

4.2.6 设计活动形式

AR技术的增强感知技术支持位置增强、显示增强和关系增强三种形式，给学习者提供了全新的呈现方式、交互互动的方式等，几种常用的增强体验的学习活动形式有，自主探究、交互反馈、虚拟社区、微博互动等形式。

4.2.7 设计学习评价

学习评价系统与学习者的学习优化直接相关，非常重要。它能帮助学习活动设计者收集学习者的反馈信息，也能帮助学习者判断学习内容掌握情况，以此决定下一步骤的学习行为。

在设计学习评价时，要基于增强体验的学习活动进行设计。设计认知体验的学习活动评价方式，此阶段主要是知识性知识的获得，可采用知识测试进行可量化的评价形式；设计行为体验的学习活动的评价方式，此阶段主要是动作技能的获取，可采用情境实践的方式判断是否掌握该动作技能；设计情感体验的学习活动的评价方式，可采用心得体会、小组评价、小组汇报等方式。

4.2.8 设计学习资源

增强感知的学习活动的学习资源来源有两种形式，一方面是已有的微视频、学习课件、flash动画等学习资源，另外的是学习活动中形成的学习资源。在基于AR技术的增强体验学习活动中，学习者通过现有资源和自主探究开发出新的学习资源，让学习者在虚实融合的学习情境中探索发现新的资源。