基于增强现实的翻转学习设计方法对学生学习的影响

张韶宸，黄国祯，莫 灿

（1.台湾科技大学 数字学习与教育研究所；2.广州航海学院 艺术设计学院，广东 广州 510725）

一、绪论

在传统教学中，教师大部分的课堂时间都是在讲课；因此，学生很少有机会应用知识、练习，或与他们的同龄人和教师互动。一些学者进一步指出培养学生解决问题和批判性思维等高层次思维能力的重要性，这在21世纪是至关重要的。随着计算机和多媒体技术的发展，技术强化学习已成为教育发展的重要趋势。研究人员和学校教师试图就将技术纳入教育环境，使学生处于信息丰富和促进互动的学习环境中。翻转课堂是一种通过课前浏览教学视频，使学生参与到自主学习模式中的学习方式，可以进行更多的课堂活动，促进同伴互动、练习和师生互动。翻转学习的目的之一就是培养学生的高级思维。研究者强调了开展学习活动的重要性，让学生在学校所学知识的基础上理解和解决复杂问题。项目化学习是一种以学生为中心的教学模式，以教师讲授的内容为中心，让学生探索和解决问题，通过生产过程获得知识和技能。因此，本研究提出了一种基于AR的翻转学习系统方法，以提高学生在小学自然科学课程中进行科学项目时的学习表现和批判性思维倾向，以及学习动机和群体自我效能感。

二、基于增强现实的翻转学习指导方法

本研究开发了基于AR的翻转课堂教学活动和翻转学习系统。本研究的结构包括基于AR的翻转学习系统、翻转课堂与活动管理系统、电子学习平台、服务器数据库管理机制；此外，基于AR的翻转学习系统包含多个数据库，包括学习资料数据库、学生档案数据库、学习档案数据库和教材数据库。学习资料数据库用于存储补充资料、学习表和指导说明。学生档案数据库和学习档案数据库分别用来存储学生的个人信息和学习记录。此外，教材数据库是为存储教师提供的教学视频而设计的。在本研究中，学习内容基于电磁学的概念，包含在基础自然与生活技术课程中。学生需要登录翻转学习系统学习课前学习内容。学习平台为学生提供课前学习“电磁学原理”单元内容的教学视频。学生可以在课堂上反复观看视频，并做注释，提出问题，与同学和教师进行讨论。完成学习内容后，学生需要完成工作表，工作表的内容是视频内容的延伸。例如，他们可能会被要求给出他们生活中电磁铁应用的例子。学生完成课前学习后，教师将解释AR的功能，系统引导学生开始电磁实验操作。系统会引导学生准备实验设备和道具，并在平面屏幕上显示操作指导动画，指导学生如何操作实验道具。如果学生在操作过程中的步骤出现错误，或者将道具放置错了位置，系统会主动提醒或告知他们，以便他们能够快速进入学习状态。该系统根据学生个人在实验过程中的进步情况进行指导，直至学生完成实验过程。如果学生想在操作过程中再次测试操作，他们可以选择他们想再次练习的部分。AR操作系统为他们提供了重新实践的机会。

三、实验设计

为了评价基于AR的翻转学习系统的有效性，在小学科学课堂上进行了一项实验，比较学生的学习成绩、批判性思维、小组自我效能感、学习动机和心理负荷。所选的学科单元为小学自然科学课程“磁力”单元。本单元的目的是培养学生的电磁效应和电磁铁应用能力。

1.参与者。这项实验的参与者是来自四个班级的111名五年级学生。将56名学生的两个班级随机分配到实验组，实验组以基于AR的翻转学习系统为指导。另外，两个班55名学生为对照组，采用传统的翻转学习方法进行学习。

2.实验过程。为期6周的实验过程。在学习活动期间，所有的学生都参与了翻转课堂。他们必须在家里看课前的视频和完成作业。因此，实验组学生在课堂上使用AR操作指导系统进行学习和讨论。另一方面，对照组的学生在教师的指导下完成科学项目、工作表和课堂讨论。学生完成学习任务的时间，即开发一个电磁铁电机的时间，在2周内共计210分钟。两组在翻转学习活动中使用相同的学习内容，包括图片和视频。此外，教师讲授的学习内容与AR指导系统中的内容相同。学习活动结束后，学生参加后测，完成批判性思维、群体自我效能、学习动机、心理负荷等问卷调查。最后，从每组中选出5名学习者进行访谈。

3.测量工具。本研究的研究工具包括测量学生“学习动机”“批判性思维”“群体自我效能感”的问卷，以及测量使用不同方法的两组认知负荷的问卷。活动开始之前进行的第一个项目与电磁的实施有关。学生们需要利用与带电粒子之间的物理相互作用有关的知识来制作电磁铁。在实验结束时，他们被要求完成另一个项目作为项目的后测试。这两个项目都是由两位有经验的教师评分，他们教授自然科学课程近10年。评分标准包括四个维度：准确性、完整性、复杂性和持久性。满分为100分。学习动机问卷是在Keller（2010）的基础上进行修改的，本研究共有6个项目。本问卷采用李克特五点评分法，1分表示高度同意，5分表示高度不同意。问卷的Cronbach's alpha值为0.90。批判性思维倾向问卷包括6个项目和一个5分的评分方案。问卷的Cronbach's alpha值为0.71，内部一致性具有良好的可靠性。小组自我效能感问卷由7个项目组成，使用李克特五点量表，范围1—5。问卷的Cronbach's alpha值为0.82，说明问卷是可靠的。认知负荷问卷包括两个维度的八个项目；即“心理负荷”项为5项，“心理努力”项为3项。问卷和两个维度的Cronbach's alpha值分别为0.97和0.88。本研究的访谈问题由七个问题组成，收集学生对学习活动的看法。将访谈内容录制为音频文件进行分析。面试问题的例子包括“这种学习方法最大的好处是什么？”“你为什么这么认为？”“请举例说明‘这次学习活动的经历和你之前的学习经历有什么不同？’”

四、实验结果

实验结束后，采用ANCOVA（协方差分析）分别排除前测试成绩和前问卷评分的影响，从不同维度考察学生的自然科学学习成绩和对学习活动的看法。

1.知识考试学习成果分析。在进行ANCOVA分析学生学习成绩之前，对两组学生的前测试成绩进行回归系数的同质性检验，并确认F=1.26（p＞0.05），说明ANCOVA可以用于分析两组学生的后测试成绩。对照组的测试后得分的调整平均值和标准误差为84.53和1.10，实验组为86.98和1.10。结果显示（F=2.49，p＞0.05），两组知识测试得分差异无统计学意义；也就是说，AR操作指导系统对于学生在翻转课堂中获取知识的益处并不比传统方法多。

2.分析项目绩效。在进行ANCOVA分析学生的项目表现之前，对两组学生的第一个项目得分进行回归系数的同质性检验，并确认F=0.70（p＞0.05），说明ANCOVA可以用来分析两组学生的第二个项目得分。对照组第2个项目得分的调整平均值和标准误差分别为85.08和1.10，实验组为93.97和1.09。结果显示（F=33.21，p＜0.001），两组之间存在显著差异；也就是说，采用AR操作指导系统翻转课堂学习方法的学生同采用传统翻转课堂学习方法学习的学生相比，项目绩效显著提高。此外，η2的价值为0.43，表一个温和的效果。

3.学习科学的动力。在学习动机方面，在进行ANCOVA分析学生的学习动机之前，对两组学习动机评分的回归系数的同质性进行了测试，并确认了F=0.01（p＞0.05），表明ANCOVA可以用来分析两组的学习动机评分。对照组学习动机评分的调整均值和标准误差分别为2.56和0.89，实验组为4.10和0.88。根据结果（F=139.00，p＜0.001），两组之间存在显著差异。即采用AR操作指导系统的翻转课堂学习方式对提高学生的学习动机有显著影响。η2的值为0.56，代表一个温和的效果。

4.批判性思维倾向分析。对照组的测试前评分的平均值和标准偏差分别为3.91和0.61，实验组为3.36和0.35。在验证了F=0.401不违背回归同质性假设（p=0.528＞0.05）后，很明显ANCOVA可以用于分析两组的批判性思维等级。对照组测试后得分的调整平均值和标准误差为2.59和0.11，实验组为4.13和0.10。结果显示（F=95.66，p＜0.001），两组之间存在显著差异；也就是说，采用AR操作指导系统的翻转课堂学习方法学习的学生同采用传统翻转课堂学习方法学习的学生相比，学习成绩显著提高。η2值为0.49，表明适度的效果。

5.群体自我效能感分析。在学习动机方面，在进行ANCOVA分析学生群体自我效能感之前，对两组的自我效能评分进行回归系数的同质性检验，并确认F=0.40（p＞0.05），表明ANCOVA可以用来分析两组的群体自我效能评级。对照组问卷后得分的调整平均值和标准误差为2.24和0.85，实验组为4.17和0.84。结果显示（F=57.75，p＜0.001），两组之间存在显著差异。即采用AR操作指导系统的翻转课堂学习方式能够显著提高学生的群体自我效能感。η2的值为0.46，表明适度的效果。

6.认知负荷分析。为了比较使用AR操作指导系统的翻转课堂学习方法和传统翻转课堂学习方法学习的学生的认知负荷，采用t检验检验两组的差异。对照组和实验组问卷后得分均值均为2.36分，两组比较差异无统计学意义。

7.访谈结果。访谈以焦点小组的形式进行，时长20分钟。一组是实验组的5名学生，另一组是对照组的5名学生。通过分析学生的反馈，发现实验组学生一般对翻转学习中使用AR操作指导方法持有三种观点，也就是说，他们可以“按照自己的节奏练习”，提供“个性化指导操作”和“增加了感兴趣的活动”。例如，A10说：“当老师在课堂上教我们的时候，很多步骤我都不知道该怎么做。”但是增强现实操作指导方法可以让我再次重复这个操作。A07表示：“增强现实系统既有趣又智能。”它知道我当前的进度速度，并提供我需要的提示和指示。因此，实验组学生可以通过AR系统的引导，按照自己的进度进行学习。同时，在学习过程中，他们可以找到必要的步骤和技巧来帮助他们在学习过程中完成电磁马达。

五、讨论和结论

本研究提出了一种基于AR的翻转学习系统方法。实验结果发现，在AR引导机制的帮助下，学生的学习成绩，即学习动机、批判性思维倾向、群体自我效能感均有显著提高。实验结果和学生访谈的结果证实一些研究人员提出的概念，即通过在学习过程中从学习系统中提供AR组件（文本、动画、图片等），学生能够学习课程内容并以更有效的方式完成学习任务以及提高他们的练习技能。因此，采用AR操作指导系统的翻转课堂学习方式能够鼓励学生进行更多的互动和练习。