中小学阶段增强现实技术辅助非正式科学教育探析

邵巾倩 祝怀新

[摘要]AR在教育领域具有很大的发展潜力，早期文献缺乏对非正式环境下科学教育教学的探讨，为了弥补这一空白，基于18篇国外相关文献的研究，分析了增强现实技术在非正式科学教育中对学习者的影响，以及不同场景下的教学策略。发现该领域主要探讨AR在营造沉浸体验感、提升认知水平、包容性别差异方面的优势，以及呈现出4种不同的教学策略：基于环境观察的综合学习模式、基于游戏叙事探究的角色扮演模式、基于探究教学的发现模式以及基于展品互动的支架模式。

[关键词]增强现实技术（AR）;科学教育;非正式教育;教学策略

[中图分类号]G642.4

[文献标识码]A

[文章编号]1005-4634（2020）01-0085-08

增强现实技术（Augmented Reality，简称AR）可以被定义为“与位置和场景有关的虚拟信息与现实世界环境下动态重叠的情况”。在这种情况下，增强现实技术可以为用户提供技术指导的沉浸式体验，其中真实世界和虚拟世界交叠融合在一起。2011年的地平线报告中描述了AR在未来教育教学中的发展潜力，AR具有可视化和支持高度交互学习的特征，使得数字模拟叠加的内容如同现实世界中操作一样简单，AR还具有对用户输入做出及时反馈的特征，这种特征赋予了学习和评估巨大的潜力。学生在与虚拟对象相互作用的基础上构建新的理解。

按照Gerber等人的定义，发生在学校之外的教育统称为非正式教育。非正式教育根据是否有课程组织，分为两个部分：第一部分是专门为支持正规教育成就而在非正式条件下获得的经验（如作为学校任务的一部分参观学习完成学习任务单）：第二部分是采用非正式方法学习具有社会价值知识的活动（如博物馆、动物园、植物园等场馆参观体验）。国外学者曾用二八法则来形象地描述非正式学习的价值，在人们实际用到的知识中，80%来源于非正式学习活动。《人是如何学习》的主编Bransford认为：“我们正步入正式学习、非正式学习和内隐学习共同整合服务学习者的十年中。”

美国国家科学教学研究协会于1999年成立了非正式科学教育特设委员会，专门关注非正式科学领域。据Crane等人的定义：非正式科学教育是指发生在学校环境之外，并非主要为学校使用而开发，没有发展为正在进行的学校课程的一部分的科学教育。与学校环境相比，非正式环境教育由学习者主导，依赖内在动机。从学校教育的角度来看，非正式环境科学教育经常显得不连贯。但是，这种学习是内部而不是外部驱动的，因此其作用通常是持久的。从事科学相关的人员表示，早期的非正式科学学习经历激发了他们对科学的兴趣，并加强了他们与学校科学课程的联系，对他们的职业道路产生了影响。这表明，非正式科学教育在传统科学教育遇到的学生科学学习动机和志向下降的问题上大有可为，当前，真实情境的体验和互动成为突破传统科学教育局限的有力抓手，非正式科学教育成为了学校科学教育必不可少的重要补充。我国发布了《全民科学素质行动计划纲要（2006-2010-2020）》和《中国中长期教育改革和发展规划纲要（2010-2020年）》，基本上确立了公民科学素质的总体目标，表明政府政策层面已经意识到非正式科学教育的重要性。科技的迅猛发展，为非正式教育打开了更广阔的大门，关注新兴技术在非正式科学教育的研究，将更加有助于学习者为中心的新学习样态的构建，研究关注中小学年龄阶段的AR使用，目的在于促进基础教育的技术变革，为基础教育提供更加丰富的科学学习样态，使学生在早期获得学习科学的兴趣和动力。

国内外学者对增强现实技术在教育中的应用做过相应的综述，但讨论主要侧重于AR概念、使用设备以及在教育教学中的优点和不足。个别学者研究了AR在科学教育视域下的教学应用，但其讨论侧重点是AR特点在科学教育（主要是化学教育）中的价值以及AR教学发展模型，没有研究关注AR在非正式情境下的科学教育教学中的使用策略以及非正式科学教育领域AR的优势。因此，本研究试图以非正式科学教育为切口，着重关注AR在中小学阶段非正式科学教育领域的优势以及采用的教学策略。

1研究方法

本研究通过ProQuest、EBSCOhost（Academic Search Premier）、Web of Sciences和Scopus数据库进行文献检索，来收集原始文献。为了尽可能多地包含数据，使用“augmented reality”、“science”OR“scientific”“education”OR“learn*”OR“teach*”OR“Inquiry”OR“investigation”等特定英文构建检索式在数据库中进行高级检索，结果仅限于同行评审的学术期刊，语言限定为英语，时间限定为2011～2018年。将4个数据库搜索结果导入Endnote文献管理软件，剔除重复篇目，从剩下的文献中层级筛选符合AR辅助科学教育、义务教育阶段、非正式情境、实证研究4个条件的文献。层级筛选主要通过阅读文章标题和摘要进行，如非正式情境按照非正式的定义，剔除学校课堂上的AR使用：在研究对象方面，特意排除了专门针对大学生、学龄前儿童、教师培训等文章;在使用AR的学科方面，主要包含科学学科所涉及的物理、化学、生物，排除社会科学、语言学方面的应用。在系统筛选的过程中无可避免地会遗漏一些文章，但是为了提高流程的清晰度、客观性以及可行性，就要进行一些困难的抉择。相对其他领域，AR在科学教育领域应用较多，但由于AR作为新兴技术进行辅助教学，文章总量较少，尤其是在非正式科学教育领域较为缺乏，最后筛选出最符合条件的18篇，具体信息见表1。笔者重點关注以下问题：（1）AR辅助非正式科学教育教学对学习者有哪些影响;（2）AR辅助非正式科学教育的教学策略有哪些？接下来将重点讨论研究结果。

2AR辅助非正式科学教育的优势

AR辅助非正式科学教育优势涉及多个方面，该领域的研究者主要关注营造沉浸体验感，提升认知水平，包容性别差异这几个方面。

2.1营造沉浸体验感

“沉浸体验感”（Immersion）是一种将个人精力完全投注在某活动中所产生的积极情绪感受与体验，该体验有助于学生获得最佳的学习效果。沉浸感可以分为心理沉浸（Psychological immersion）、感官沉浸（Sensory immersion）、叙事和象征性沉浸（Narrative and symbolic immersion）、动作沉浸（Actional immersion）。营造沉浸感是AR较为独特的优势，学习者可以在AR中感受到自己的存在，在叙事中摒除怀疑、沉浸其中，在里面进行全神贯注的心理和动作交互。

沉浸体验感的研究往往在同游戏相结合的AR学习中进行，因游戏性质引入的沉浸感体验就被AR游戏学习研究考虑其中。研究者着重关注引起沉浸体验相关因素的考察。例如在Bressler和Bodzin有关法医科学AR游戏研究案例中，发现学生的沉浸体验与性别、科学兴趣无显著关系，而与游戏态度呈现显著相关。然而研究者认为前面两个无显著关系可能是研究本身的特殊性导致的，需要进一步研究。Georgiou等人的研究更为具体，关注特定领域的动机和认知动机与沉浸感之间的关系，以及沉浸感与学习成绩之间的关系。研究发现十分有趣：低程度的沉浸感在标准化学习收益上比高程度沉浸感更相关，而科学方面的动机与低程度沉浸感相关。然而，正如研究者指出的那样，高级别的沉浸感并非没有益处，而是可能与其他类型的学习成果有更强的关系，这有待进一步研究。

2.2提升认知水平

2009年美国国家科学研究委员会（National Research Council，简称NRC）报告提出了一种科学学习模式，强调让儿童参与科学推理和科学活动反思以及科学兴趣发展的重要性。AR在提升学生深层次认知能力、创造力和批判性思考上展现出极大的优势，AR能够在沉浸式安全的环境中，化抽象为具体，通过模拟体验缩小理论和实践的差距，降低认知负荷，通过持续的刺激和反馈，学习者的知识留存度也得到了提升。除此之外，有研究表明，通过AR学习，学习者的注意力和节奏控制能力增强，甚至在学习动力、兴趣、自信心等方面都有所提高。

学者对科学博物馆的相关研究表明，AR的互动性、动态可视化特征，能够提供更加细致且聚焦的动态信息，抓住学生的注意力，达到概念理解的目的，不论是简单概念，还是复杂概念，都能起到促进概念理解的效果。

还有一部分的研究采用对比试验的方法，证明AR与其他教学方法相比，学习成绩有更大的提升。此外，AR还能提高和促进学习动机的注意力、置信度和相关性等。如Huang等人在植物园中，对比试验了导游组、AR组和AR+导游组3种教学过程，研究表明：AR的引入比传统导游更能提高学生的成绩，促进学生的积极情绪。除了其他教学方式与AR的对比试验以外，研究者也关注AR本身辅助策略的改善。例如Hwang的蝴蝶生态园研究，在移动AR学习基础上引入游戏中的竞争博弈策略，发现形成竞争性移动AR游戏更能提高学生的学习成绩，激发学生积极的学习态度。

Tscholl和Lindgren的研究表明，在科学中心支持亲子对话交互表演AR展品，有助于学生对科学概念的理解和反思，促进学生科学思维的发展。家庭创建邀请反思和迭代的交互式表演空间——MEteor，并在其中明确地加入会话支架（指的是把复杂任务分解，以便于将学习者的理解逐步引向深入），促进了父母与孩子的对话互动，支持了对物体在空间中的运动、重力影响、轨道的性质等行星运动的物理学的理解。这些对话互动不仅包括直接的感知对话支持，还通过提出和回答问题，逐渐迭代地构建对小行星模拟轨迹的理解的对话支持。他们的后续研究进一步证实了这一发现。

另外，支持互动的移动式AR系统也同样有利于学生科学推理等高阶思维的发展。Chiang等人在基于探究的移动AR系统与传统移动学习在学生的学习模式和互动方面进行差异研究时发现，实验组（AR组）相比于对照组（传统）更能实现高阶知识建构和高水平的思考和认知，在学习模式中AR组能呈现更多超越引导的探究交互，能够发生更多的知识构建行为，从而产生更具创造性的结论。

2.3包容性别差异

AR技术能够提供协作式学习环境，还能帮助不同学习者进行个性化定制，提高学习者对学习的积极性，激励学习者自主探索。除此之外，AR能够针对不同群体的学习者提供一个包容的学习环境，在18篇论文中，体现较为明显的群体差异为男女群体差异，研究者认可叙事+竞争策略的共同引进，以包容男女群体偏好的差异。

在以叙事推动的移动AR游戏中，不同性别在游戏中的表现、对游戏的感知以及互动的方式方面有显著的差异。Bressler和Bodzin的法医科学AR游戏的研究发现，游戏过程中，男生和女生有着不同的表现，女生在游戏中看起来更有条理，她们彻底阅读并稳步前进，男生满意于技术和游戏形式，有时会更倾向于选择奔跑至下一个地点。Inal等人认为女生更加关注叙事，男生更加关注游戏规则和游戏，性别可能决定了游戏中哪些方面是令人愉快的口嗣。性别在互动中具有差异这一现象在其他研究中进一步被证实，Atwood-Blaine探讨了在叙事性交互AR游戏中，男生和女生之间的游戏感知和互动差异。结果显示，女性更喜欢努力工作和合作的乐趣，男性则更倾向于轻松有趣和体验竞争力的乐趣。因此，AR游戏设计同时包含不同性别乃至不同群体（如自闭症、阅读障碍）适应性元素，有助于营造一个包容的学习环境，减少学生之间的差距。

3AR辅助非正式科学教学的基本策略

AR学习环境的设计采用了多种教学方法，基于本文研究的文献，根据最显著的特征，归纳了4种非正式教学策略。每种策略可能包含几种学习方法，并且某些子方法可能会重叠。表2呈现了非正式科学教学基本策略的区别。

4种策略中，AR的使用特点各有不同。相较而言，基于环境观察的综合学习模式更加注重与物理环境的交互，基于游戏叙事探究角色扮演模式則更加强调将游戏内部的情节、角色扮演、竞争挑战等嵌入到真实的环境中。前者以现实环境为主，后者以虚拟环境为主。基于探究教学的发现模式，强调相关领域的探索发现，注重探究过程中问题的设计。而基于展品互动的支架模式，一般发生在以概念原理为展览主体的科技场馆，为了某一事物概念或原理的理解和掌握，设置一系列任务让学习者去完成，逐步加深对知识的理解。

AR辅助非正式科学教学的策略与非正式环境息息相关，在植物园环境下，AR技术与人工导览相结合的方式更能辅助学习者的知识构建;在以教育游戏为学习载体的环境下，AR游戏内嵌入故事叙述方式、个人或团体竞争策略能明显包容性别差异;在池塘和生态园等实地考察环境下，融入探究教学设计的AR辅助能激发学生有意识地进行探究并深入了解相关概念;科技馆中展品本身为AR载体，辅以相应的学习支架，能让学习效果最佳。

3.1基于环境观察的综合学习模式

在植物园探究式生态教育中，学生往往依赖环境的观察和环境的互动，且以植物园中的植物（或动物）为学习主线。这种基于环境观察的“技术一人”综合学习模式不会给学生带来额外的认知负担，而是产生互补效应。工作人员的友好指导有助于弥补学生因使用不熟悉的技术而产生的潜在异化，而个性化技术则克服了人力资源缺乏所带来的问题，有利于学习效果的最大化。

Zimmerman等人利用移动AR设备和自然工作者辅助的方式进行学习，其中自然工作者起到导览、鼓励扫描二维码、鼓励家庭成员之间进行谈话、使移动设备中的内容与现实环境中植物特征相对应的作用。研究者发现，虽然自然教育工作者基本不提供科学内容信息，但他们能够很好地调节家庭的注意力，从而促进现场观察、理解和反思的相互作用。但研究者不确定自然工作者辅助支架是否是临时性的支架。

与Zimmerman的研究中强调的自然工作者辅助作用不同，Huang等人的研究直接证实了“技术一人”结合模式在生态教育中的有效性。他们将AR+自然工作者作为实验组B，该组通过AR系统和自然工作者共同指导完成学习。其他两组分别是AR组和导游组。研究表明，B组对学生情绪、参与水平、学生成绩都有最显著的积极影响。相比而言，AR组学生仅依靠系统的建议学习和导游组，只能进行有限的信息搜索、观察、记忆和理解植物相关信息，混合学习组更具有优势。因此，虽然技术可以实现信息传递，但人机交往和支持对于提高学习者参与度仍然至关重要。

3.2基于游戏叙事探究的角色扮演模式

早期关于教育游戏中性别差异的研究表明，相较于男孩，女孩玩视频游戏的经验普遍少于男孩，女孩对视频游戏的关注度往往比较低。对于移动AR科学教育游戏而言，那些在玩视频游戏方面更有经验的人更有可能接受使用数字游戏学习。因此，更好地理解女孩与教育游戏互动的不同方式，对于如何通过教育游戏让女孩参与科学教育具有重要意义。

研究表明，叙事推动的基于探究的角色扮演AR游戏，对男孩和女孩都具有强大的吸引力（性别差异在互动形式上的差异已经在上文“包容群体差异”中详述，这里不再赘述）。它通过叙事吸引女孩，女孩可以基于游戏故事线索，在与其他角色协作的过程中获得乐趣。它也为男孩提供了吸引人的游戏特征，男孩体验游戏作为学习的轻松形式，在合作中与其他小组产生对抗和竞争，享受竞技的乐趣。由此，男生和女生都能够具有类似程度的沉浸体验。

3.3基于探究教学的发现模式

当AR课程关注探究式教学本身时，AR应用本身就需要遵循探究学习互动教学法进行设计。Chiang等人根据Bruce和Bishop提出的围绕学生学习4大类水生植物的形态特征、结构和分类的学习目标，利用基于探究的学习活动五步法设计AR设备的引导和学习内容，即询问、调查、创造、分享、反思。该设备侧重创造、分享的讨论过程，学习者通过知识共享参与探究学习，促进知识转移创新，达到个人知识构建的目的。

除五步探究教学法以外，Huang等人将AR技术与Kolb的经验学习周期的4个阶段相结合，构建了基于生态发现的AR学习模型EDALM。包括具体经验、反思观察、抽象概念、积极体验4个部分，具体如图1所示，该系统主要起到引导学习者关注学习区域，丰富现实世界的探究体验的作用。

3.4基于展品互动的支架模式

支架思想来源于维果茨基的“最近发展区”理论，学生在教师搭建的辅助支架的基础上学习，跨越最近发展区。科学中心或科学博物馆中以AR技术为依托呈现的展品，往往以较为具体的概念作为学习内容的切入点（如伯努利概念、重力星球轨道、磁体和磁场等），帮助学生理解相关概念。基于展品互动的探究模式涉及增强现实支架、基于文本支架、协作支架的配合使用，用来增进对具体科学概念的理解。

增强现实和各种其他学习支架如何在科学博物馆中促进参观者更深层次的概念和认知理解？Yoon为主的研究团队对此展开了一系列研究，并为如何展开基于AR展品探究学习提供了有益的建议。研究发现，数字增强、发布问题和参与协作组可能是改善概念学习（内容知识）的最佳设计，这种设计在改善概念学习时能够同时保留非正式参与行为。

研究团队进一步深入探究增强现实支架、文本支架、协作支架对学习者协作最重要的方面，分别在于访问隐藏信息的能力、提供如何进行展览交互的说明、接受有关自己理解的反馈3个方面。AR用来显示隐藏的信息，文本支架提供了信息和讨论主题（学生试图回答的问题是科学的基本方面），协作支架帮助他们获取其他学生的想法以及小组对自己想法的反馈。实验数据最终表明，与只使用一部分支架的人相比，能够运用所有支架的学生对概念有着更加深入的理解。

4结论与未来展望

研究发现，首先虽然有少数的研究者关注更高阶科学思維的发展，以及情感中沉浸体验的获得，但绝大多数研究者关注AR对学生知识方面的积累和提升，直观的成绩影响和间接与成绩相关的影响经常被考虑在内，两者与科学教育的知识与技能培养目的相关联。AR辅助知识增长的确是需要考虑的重要范围，但大部分的实验仅仅是短期的测试结果，长期的效果并未证实，学生刚接触AR教学的新鲜感可能会对实验有一定影响，长期接触是否会有不同的效果，该猜测尚未证实。

其次，相对于知识增长而言，AR在未来对科学教育的态度、兴趣等心理层面，以及情感层面的提升和科学思维的发展等，能够对学习者产生深远的影响，但这些层面更加隐晦，研究者关注较少，也是未来研究需要继续探索的方向。

再次，AR可以帮助教学达到个性化学习的目的，对不同需求人群学习需求的关注则能更好地推动AR辅助教学的发展。研究中主要出现了对不同性别人群需求的分析，让更多人在AR辅助下在非正式场景中享受学习科学的乐趣。

最后，研究还发现，非正式环境的不同，AR的辅助模式需要发生相应的转变，呈现出不同的教学策略。植物园中的非正式教育采用的探究模式基于观察，以物为学习主线，在“技术一人”综合学习模式下能够体现较好的教学效果。游戏叙事推动角色扮演探究模式有助于平衡性别差异，帮助女学生体验到与男学生同等的沉浸效果。在探究教学的发现模式中，AR学习系统设计遵循探究教学的理论模式，更能满足户外探究学习的需求。在科学场馆中，AR互动展品在多种支架的配合下能够达到更好的知识建构和内容理解。2013年，教育部首次提出并倡导“研学旅行”，由此研学旅行在全国范围内如火如荼地开展起来，在此背景下，非正式环境下的学习也逐渐成为了中国学生学习的一部分，正在发挥着越来越大的作用，根据非正式环境的特点为学生提供科学学习的教学策略，能够为学生带来更优质的学习体验、更深入的探究和自我提升。

基于研究，笔者发现在AR辅助非正式科学教育方面，还有存在诸多值得深入挖掘的地方。研究中主要涵盖的科学主题为物理和生命科学，AR在其他科学领域，单科的如化学或者多学科交叉融合主题AR到底有什么发展潜能，需要更多的研究关注。研究中关注的学习成绩往往是对概念内容的理解测试，对于概念应用于具体问题的解决以及其他技能方面的发展没有过多地深入研究，研究也缺乏动机对学习成绩影响机制探究。除了在性别方面，AR在不同学习层次的学生，如身体障碍的学生中又有怎样的差异体现？也有待探索。上述研究上的局限也意味着增强现实技术辅助非正式科学教育仍需要进一步的研究。

在本研究中，笔者归纳梳理了不同的教学策略，未来的研究也许可以在同一学习内容的情况下，探究不同学习策略之间的差异，展开对“技术一人”模式中“人”的辅助是临时的还是永久的讨论，以及探索或者补充更多有效的教学策略。

[责任编辑 马晓宁]