增强现实在儿童教育环境中的非正式学习应用浅析

张 雪

1 增强现实的发展现状

作为近年来十分火热的概念，增强现实技术的应用自2016 年有了近似井喷式的发展。许多科技巨头公司也都争相进入市场进行布局。这种通过介质将数字化虚拟信息叠加到现实世界上并能进行互动的概念，使得增强现实包裹着一层魔法一般令人期待的魅力。在即将迎来的物联网时代，AR 或将成为继电脑、智能手机后的下一代计算平台。但是，处于虚拟世界和物理世界的连接的关节点。需要足够有说服力的连接介质（硬件）或连接方式（应用）。这是影响当前AR 发展一个关键性问题。也正是因为这这个问题导致AR 在被称作AR/VR 元年的2016 年的概念爆发期后，由于技术不成熟，硬件和软件均不能提供给消费者所期待的用户体验，在市场上未能持续井喷式的增长。经历了2017 年、2018 年的冷却期。AR/VR 市场已经趋于理性，而即将到来的5G 时代，将有望推动AR/VR 真实落地。

关于市场，中国信息通信研究院、华为技术有限公司、京东方科技集团股份有限公司共同编写的《虚拟（增强）现实白皮书（2018 年）》指出[1]。2018 年全球AR/VR 市场将有望突破700 亿，同比增长126%。预计在未来5 年，行业复合增长率将超70%。2018 年市场硬件端占比63%，应用端占比37%。预计2020 年应用端的占比将上涨至41%。未来的10 年里，软件端将成为行业增长的新驱动力。有了广泛应用的硬件才能真正成为拥有市场的硬件。应用软件的开发将直接影响硬件技术的发展。白皮书还指出，目前在虚拟（增强）现实市场上，软件增速最快的是行业应用领域。工业、医疗、教育等行业的应用市场规模在2018 年为8%，这个数值预计在2020 将会上增至19%。未来，AR 在教育领域有着巨大的发展潜力。

2 增强现实的儿童教育应用现状

目前，针对儿童的增强现实技术的教育应用产品按使用环境主要划分为教育游戏应用、正式学习应用和非正式学习应用3 个板块：

教育游戏类：该类应用主要集中在幼儿早教市场中。例如语言类学习卡片游戏、数学学习卡片、科普游戏、早教认知识图游戏、早教统感类游戏、以及早教玩具等。

教育游戏类的应用是目前AR 儿童教育应用市场中最为活跃的类别，主要集中在幼儿早教市场。幼儿教育本身是一个比较活跃的市场，由于幼儿期处于人的一生认知发展的启蒙阶段极为重要。所以作为幼儿市场的主力消费者，幼儿的父母们非常热衷用体验各种新型的科技产品。AR 早教产品较传统早教印刷产品来说更接近与自然认知方式，更有助于幼儿的认知体验，并且带来了很强的趣味性。这非常受年轻家长的青睐。且幼儿的认知发展环节的每个阶段的周期短，发展比较快，这使得早教产品具有了一定的快消产品的市场特性。市场发展较好。

正式教育：AR 正式学习应用的使用场景是在校园中的常规课堂上。主要作用是对教学课程中一些难以理解或空间性比较强的概念进行可视化的辅助说明。此外还有实验演示、英语翻译、英语辅助教学等。

AR 儿童正式学习应用的使用场所是在常规校园中。在校园中，各种应用的游戏性和互动性都要受到一定的限制。作为辅助教学的工具，其开发的内容与形式要保证不要过于吸引学童注意以免分散学童在常规课堂中的注意力影响教学秩序。这使得AR在该环境中的应用发展会受到一定的限制。

非正式学习：包括AR 图书、场馆展示、技能培训等。

AR 图书是AR 在儿童非正式学习应用中发展较为成熟的应用模式。图书一直以来都是文化传播的主要途径，更是非正式学习的主要方式。移动终端设备的普及为AR 图书的发展提供了有利的基础。加之出版印刷物对使用标记或图形识别的AR 应用来说是再合适不过的载体。AR 图书的成功可以说是水到渠成。

场馆展示类，例如在博物馆、科技馆、艺术馆等场馆用作对概念的形象化展示或对展品进行信息拓展的展示；技能培训，例如绘画，积木构建等；

非正式学习（Informal learning）有别于正式教育，发生场所及为灵活。根据Tamir.p 对正式教育和非正规教育以及非正式学习的划分[2]。儿童在校园的常规教育课堂以外的时间里，随时随地发生的学习行为都在非正式学习的范畴之内。除去已经有一定应用规模的AR 图书，AR 在非正式学习的发展基本还处于早期阶段。儿童阶段具有较好的非正式学习能力的年龄集中在基础教育阶段，即K-12阶段（约3～12 岁），该阶段是知识摄入的重要阶段，对非正式学习产品的需求比幼儿早教阶段要更多。所以该市场具有更巨大的发展潜力。

3 增强现实体现的认知特点适用于基础教育阶段的儿童

于基础教育阶段的K-12 是从幼儿园到12 年纪的教育。儿童在这个阶段的认知行为使主体集中获得知识、培养解决问题的能力。

基础教育阶段儿童认知能力的发展不是由于认知结构本身的变化所导致的。它是通过不断地激活儿童原有认知结构的功能并在实践中不断提高其应用所认知的内容的熟练程度逐渐实现的[3]。通过实践进行认知的方法会更有效也容易引起儿童的兴趣，激发他们的认知主动性。由于非正式学习是可以随时随地发生的极具主动性的学习行为。所以更接近真实情境的学习方式会更容易促使儿童主动的发生非正式学习行为。

在Coiffet 和Burdea，G 的描述中，将VR/AR的重要特征归纳为：沉浸性、交互性、想像性[4]。增强现实以现实世界作为基础，将2D、3D 或者声音等信息通过介质叠加在现实世界上。使用者因此产生了在现实世界中的使用者与叠加在现实场景中的虚拟信息进行实时交互的感觉。这种与虚拟信息进行交互的行为需要通过一定的联想和逻辑推断来支撑。现实、介质、虚拟信息、交互作为增强现实的四大要素构成了增强现实使用者体验模型，如图1 所示。在这个模型中使用者获得的沉浸感和交互体验都是通过以现实世界为基础与虚拟信息的交互来实现的。虚拟现实以介质、虚拟信息和交互方式作为三大要素构成了使用者体验模型，如图2 所示。虚拟现实让使用者在建立的虚拟场景中与虚拟世界进行交互。因此，在使用虚拟现实进行认知的过程中，使用者是通过在完全虚拟的环境中与虚拟对象进行交互而获得的沉浸感和交互体验。

可见增强现实这种将虚拟的增强信息叠加到现实世界之上的展现模式比虚拟现实更容易实现让儿童产生贴近实际情境的感受，也更容易让儿童将所学内容与真实的生活经验相关联。且由于目前便携电子通讯设备的普及作为基础，不需要考虑虚拟现实所必需的昂贵的硬件设备。因此增强现实类的儿童非正式学习方式更容易被广泛接受。

4 各阶段的儿童对增强现实非正式学习应用的需求区别

为了了解K-12 各阶段儿童对增强现实非正式学习应用的需求特点。本论文针对K-12 教育区间的三个阶段选择了幼儿园大班、小学三年级、初中一年级三组，每组30 名儿童使用QuiverVision 在ios 系统上的App——QUIVER EDU 进行了AR 非正式学习应用的分龄体验测试。该分龄实验通过给不同学习阶段的被试儿童在三周内布置了三次（每周一次）与之认知能力相适应的认知试验任务，并对他们的任务完成时间、任务完成度、主观态度进行记录。每个任务完成一周后对被试儿童再次测试其一周前通过AR 非正式学习任务所习得的知识，以观察此次AR 非正式学习体验的学习有效性。

对实验记录和结果分析后发现：

1）幼儿园大班的儿童相比之下需要更多的时间学习和适应操作方法。因为操作能力和阅读能力较弱，在操作过程中不时需要测试人员的帮助。在第一次测试时降低了儿童的沉浸感和知识获得的有效性。在随后的两次测试中随着操作熟练程度的提高，有效的提高了沉浸感、交互感和知识获得的效果。

2）小学三年级和初中一年级的学生的表现有很大的相似性。学生在实验过程中都能很快掌握操作方法在规定时间内完成任务。并在一周后的重复测试中仍然记得之前通过试验任务学习到的信息，这说明了知识获得的有效性。并且根据实验记录显示，在熟悉了操作方法后，小学生在进行任务操作时的注意力集中时长有一个比较明显的跃层。这说明增强现实的展现方式有效吸引了小学生的注意力，可以达到促进其主动认知行为的目的。

5 结论

幼儿园阶段的儿童尚处于具体运算认知发展阶段，以表象认知方式为主，注意力集中时间较短。与之相适应的增强现实应用的呈现内容，应该以比较简单的游戏型应用为主。交互方式简单、文字的使用量少，图形动画和声音相结合的方式更适合这个年龄阶段。因为操作能力相对较弱，对硬件和软件的操作能力较弱，在使用增强现实应用时需要一定的时间来学习操作方法。因此操作方式应尽量直观简单。

小学和初中的儿童在测试中展现出极高的相似性。但由于认知发展阶段的不同导致与之相适应的增强现实应用的开发在内容和交互方式上要有相对应的区别。

认知发展处于前运算阶段的小学阶段的认知特点以探究为主，对社科和人文类的知识有着大量基础性的需求，对社交方式的要求相对简单。非常适合科普和人文知识增强现实应用的开发。

已基本处于认知发展的形式运算阶段的初中阶段的儿童和青少年。其认知特点以推理思维为主，对认知内容从广度和深度上都有了更高的要求。除此之外，由于该阶段的心理特点使其对应用的社交需求增加。因此该阶段增强现实应用的开发对交互方式和内容上也都有了更高的要求。

虽然儿童在认知能力上有很多阶段性的相似性。但针对不同年龄阶段儿童的AR 非正式学习应用的设计仍应该有更细致划分的针对性和目的，要与不同阶段儿童的认知发展的要求相适应。

将增强现实应用于教育环境中，不应仅只作为一种单纯教具或者猎奇设备。它应当是一种辅助学习或者认知行为的良性干预手段。它所呈现的不应当仅只是难以理解或想象的事物，而是应当是与认知对象的动态交互过程的呈现。并以此激发学习者主动产生学习行为的动力。它不应当仅只是人机交互而应当可以在认知过程中完成人与人，人与群体、群体与群体的交互和合作。