增强现实多媒体学习的心理特征和心理机制

赵小军，寇玉婷，石常秀，李旭鹏

1 引言

随着时代发展和科技水平不断提升，世界已经进入知识信息化时代。社会变革对人们的学习、工作等方面产生了重大影响，这种影响突出体现在信息传递的高速高效方面，尤其以互联网为基础的信息技术发展更为明显。国家教育部发布的《教育信息化2.0 行动计划》指出，“不断推动教育信息化的转化和升级，从而促进教育改革以适应新时代的要求。”传统教学手段和学习方式主要依赖于纸质材料和平面多媒体，其本身所固有的静态性和封闭性不仅在一定程度上限制了个体对学习内容的理解和记忆，而且不利于激发学习者的主动性和积极性（喻春阳 等, 2016），已不能满足信息时代背景下个体的学习需求。在这种形势下，各种新教学技术手段不断出现。虚拟现实（virtual reality，VR）技术作为一种教学技术手段，被应用于教育和学习领域，并已取得了一定的成果。VR技术是教育信息化的重要手段之一。VR 学习的优势通过学习场景的仿真和交互得以实现。但随着对VR 的深入研究和应用，我们发现VR 技术也存在一定弊端。例如，设备造价成本较高，难以在部分地区推行；设备庞大，移动不便；以及一些使用VR 设备学习的学生表示在使用过程中会出现头晕、目眩等不良生理反应（Moro et al., 2017）。面对这些问题，增强现实（augmented reality，AR）技术应运而生。

AR 技术可以视为VR 技术的延伸，是将计算机产生的图形、文字和注释等虚拟信息和真实场景信息有机拼接融合，从而增强用户或使用者视听体验的技术（Mullen, 2013）。实质上的AR 起源于20 世纪90 年代，最初应用于航空领域，作为一种培训飞行员实践能力的训练工具。近年来，由于AR 技术自身所具备的便利性、真实性、交互性和实用性等优点，逐渐扩展到教育学习领域。在教学过程中，AR 技术逐渐与传统多媒体相结合，使学习者可以同时利用视觉和听觉等多种感觉通道将呈现在现实环境中的实景与虚拟信息相结合，从而对视觉、听觉等感受进行加工和处理，给学习者提供超越真实世界感受的体验。国内外研究发现，AR 技术在教育心理领域的研究与实践主要集中在教学心理（Anastassova & Burkhardt, 2009; Jee et al.,2011）和学习心理（Menozzi & Koga, 2004; Borrero& Márquez, 2012; Darmawan et al., 2023; 赵文静, 曹忠, 2022; 冯小燕 等, 2023）方面。有关AR 教学心理的研究主要涉及智慧技能、认知策略、动作技能和教学设计。关于AR 学习心理的研究主要涉及言语信息、认知策略（赵小军 等, 2014）。AR 多媒体学习已经逐渐应用于各大高校的教学过程和实证研究中，并且对个体学习成效起到了一定的积极作用（Yilmaz, 2016）。

AR 多媒体学习在学习科学领域有何特征，又如何对个体的学习心理产生影响，以及在教学过程和研究进展中又存在哪些问题，AR 多媒体学习的心理特征和心理机制研究是解决以上问题的关键。因此，本文将从AR 多媒体学习角度出发，围绕AR 学习的认知和情感属性，重点探讨AR 技术在多媒体学习领域的心理特征及其心理机制，并进一步分析AR 技术在教育学习领域上的不足之处，为AR 技术在教育领域的应用和发展提供建议。

2 AR 多媒体学习的心理特征

2.1 学习情景化

AR 多媒体技术可以帮助学习者实现情景式学习，将学习内容以最直观的形式表现出来。情景学习认知理论指出，知识作为一种动态组织，是学习者和环境交互作用的结果。学习应以学习者为主体，把所学内容与真实学习情景结合起来，从而使学习者、学习内容和学习者所处的真实环境三者合理建构起来（王文静, 2002）。而AR 多媒体学习可以利用相关技术使虚拟信息和真实环境相结合，使学习内容以3D 形式呈现在学习者的面前，并结合听觉、视觉等多种感觉通道反馈，让学习者利用3D 模型的可视化效果来增强对学习内容的感知，从而获得具体直接的经验，实现情景化学习（Kesim & Ozarslan, 2012）。

传统学习方式的主要局限之一就是在学习过程中学习者脱离学习的实际情景，导致学习者对所学内容的迁移能力不足（刘德建 等, 2016）。而AR 多媒体技术可以帮助学习者实现情景式学习，将学习内容以最直观的形式表现出来。在这个过程中，学习者不仅可以从不同角度来观看以3D 形式呈现的学习内容，也可以将虚拟的学习内容与现实生活环境结合起来，从而不断强化知识和情景之间的联结，加深学习者对学习内容的表象加工和理解，提高学习者的知识迁移能力（Jerry & Aaron, 2010; 蔡苏 等, 2016）。

此外，研究表明AR 技术对学前阶段儿童和高中学段学生的学习效果提升明显（倪慧文, 胡永斌, 2019;乜勇, 万文静, 2021）。由于低龄儿童智力发展水平和认知能力较低，因此可以借助AR 多媒体技术，将抽象、难以理解的学习内容以直观可视化的方式呈现出来，从而使儿童能够相对容易地获取直接经验，大大降低学习难度，提高学习效果（Yilmaz, 2016）。而对于高中学段的学习者，教师可以利用AR 多媒体营造相对宽松的教学氛围，将难以理解的知识理论与具体情景相结合，这样不仅能对学习者的学习效果产生积极影响，而且有助于提高学习者的高阶思维能力（张四方, 江家发, 2018; 倪慧文, 胡永斌, 2019）。

2.2 高互动性和高反馈性

AR 多媒体技术在提高学习的互动性、提升学习效果的同时，其高互动性的特点也使学习者可以及时、有效地接收到学习效果的反馈。在传统的学习过程中，学习者与学习内容之间的互动和反馈一直是教学难点，学习者大多仅通过视觉和听觉两种感觉通道对学习内容进行加工，具有一定的局限性。而AR 多媒体技术可以让学习者控制并操纵3D 模型，从而让学习者融入到学习任务中，与学习内容进行互动，在一定程度上提高了学习者和学习内容之间的互动性。研究表明，使用AR 技术呈现学习内容时，学习者更喜欢对学习内容做出指向、回应、检查等高互动性行为（Yilmaz,2016）。

AR 技术在高互动性方面具有明显的优势。AR 技术让虚拟信息在现实世界的呈现走向多模态化（Bower et al., 2014）。AR 技术可以把视听之外的嗅觉、触觉等多种信息也呈现在现实情境中，将模拟仿真度进一步增强。对于学习者而言，AR 多媒体技术能够将学习任务实时地投射到现实学习情境中，可以直接为学习者提供学习重点和与上下文相关的学习内容，让学习者能立即轻松地采取学习行动，减少操作指令到完成任务之间的转换时间和认知负荷（Billinghurst &Kato, 2002；Regenbrecht et al., 2005）。并且AR 多媒体技术在实现学习者与学习内容互动的同时，将学习效果及时地反馈给学习者。例如，在对驾驶员的培训（Regenbrecht et al., 2005）以及医生手术练习（Cristancho et al., 2011）等内容的学习中，当学习者发生错误时，AR 多媒体不仅可以通过视听的方式呈现反馈结果，而且还可以将嗅觉、触觉等多种结果信息呈现在学习者面前，给学习者更加真实的反馈体验。并且学习者可以不断进行矫正练习，直到成功完成任务和解决问题。AR 学习的高反馈特性优势正是以往传统纸质书籍、多媒体学习以及视频学习难以达到的。

2.3 学习主动性的提升

AR 学习一方面提高了学习者的学习动机，另一方面使学习者更加积极主动地加入到学习过程中。建构主义学习理论指出，学习是学生自己主动建构知识的过程，学习者并不仅仅是简单被动接受信息，而是根据自己以往的经验，主动对外界信息进行选择、加工和处理（王希华, 2006）。目前，虽然传统多媒体学习以其便利性、快速传达知识等优势在教育领域占据主导地位，但在激发学习者主动性方面还存在一定的劣势。尤其是在很多教学过程中大部分学习者往往是被动地接受教师传授内容，而AR 技术可以在一定程度上提高学习者的学习动机，解决传统学习方式中存在的不足（Elmunsyah et al., 2019; 乜勇, 万文静, 2021）。

AR 多媒体技术将虚拟物体和真实环境实时地叠加在同一个空间，让整个学习过程由传统的二维空间转化到现实的三维空间之中。它的出现丰富了教学方式和教学情景，把复杂的教学内容具体化、形象化和趣味化，让学生可以更轻松、直观地理解和掌握学习内容。学习者可以自由地操纵学习内容，并利用视觉、听觉和触觉等多种感觉通道的反馈，提高自身的注意力和满足感，从而提高学习动机，让学习者更加积极主动地加入到学习过程中（刘潇 等, 2019; Elmunsyah et al.,2019）。同时，学习者对AR 多媒体技术的态度也会影响其行为模式。目前学生对AR 技术在学习中的应用总体上持有积极的态度和较高的满意度，而这种积极态度和满意度也会反过来影响学习者的行为，在一定程度上提高学习者的学习动机，推动学习（Liao et al.,2019; Mustafa & Meric, 2019）。

2.4 高心理沉浸性

AR 学习提升了学习者的代入感与参与感，更有利于学习者进入一种沉浸状态。沉浸理论表明，个体如果能完全投入到自己所处的活动情境中，会集中注意力，并且过滤掉所有活动情景外的不相关知觉，进入一种沉浸状态（Csikszentmihalyi, 1975）。其典型的体验特征是学习效果有明显提升（严冉 等, 2023）。当学习者在学习过程中进入沉浸状态时，会无视外界其他因素的干扰，集中注意力并充分调动主动性，提高学习效率（吴冬芹, 周彩英, 2004）。已有研究表明，在一些人机交互的高沉浸性学习条件下，学习者更容易进入仿真的虚拟学习情境中，从而提升学习效率（汤跃明, 2007）。

虽然VR 在一定程度上也有利于学习者进入沉浸状态，但是VR 仅仅是为用户创建了一个可观看的虚拟世界，为学习者提供一个完全身临其境的环境。而AR 技术可以提供一种复合图像，将计算机绘制的虚拟对象叠加在真实景物上，使虚拟对象与真实背景相适应，即让学习内容以虚拟形式存在于一个真实的场景之中（Liao et al., 2019）。AR 多媒体技术将2D 的学习内容以3D 的形式呈现出来，为学习者提供高分辨率的视觉效果和逼真的声音，提高其代入感与参与感，从而激发其学习兴趣，使其集中注意力，更加利于学习者进入一种沉浸状态（Yiannis & Eleni, 2018）。以往研究表明学习者的沉浸程度与学习效果存在正相关：相比于运用传统的平面材料学习，人们在AR 多媒体条件下学习的心理沉浸水平更高，学习效果更好（Liao et al.,2019）。

3 AR 多媒体学习的心理机制

AR多媒体学习因其具有的学习情景化、高互动性、高反馈性、高心理沉浸性等特点，在一定程度上克服了传统教育方式的限制，被广泛应用于多种教育领域、学科和场景。它在激发学习兴趣、调动学习动机、促进知识理解、发展学习能力等方面被广泛应用。一项回顾了2010-2019 年21 篇有关AR 对高等教育的影响的英文文献研究发现，AR 技术在高校学生学习准备、学习过程、学习结果三个阶段都表现出显著促进作用（龙紫阳, 李凤英, 2020）。AR 多媒体学习不仅可以促进高校学生的学习，也被广泛应用于各年龄阶段、各学科的学习场景中。

3.1 激发学习兴趣、调动学习动机

学习兴趣与学习动机作为学习准备阶段的重要内容，对学习过程与结果起着先导与基础作用（龙紫阳,李凤英, 2020）。AR 多媒体学习具备高心理沉浸性、高互动性、高反馈性等特点，可以通过改变学习过程，使学习者全身心投入其中，并在学习过程中使学习者感到较高的参与感和带入感，从而激发学习者的学习兴趣、调动其学习动机。

在课堂学习中，面对相对抽象的知识和现象，AR技术介入可以让学生对3D 模型进行多角度观察，提高学生的学习兴趣（张四方, 江家发, 2018）。研究发现，在中学生学习物理的振动和波浪这两个基本现象时，采用AR 学习的学生学习兴趣显著高于传统教学环境下学生（Aji et al., 2021）。针对在现实中难以观测的化学物质而开发的初中生化学学习AR 应用，使学生可以在软件上操作原子、分子等微观结构并合成新的结构，增强了学生的学习兴趣（Cai et al., 2014）。凭借高交互性等优势，AR 技术也被引入到教育游戏的开发中，例如，“泡泡星球”是一款学习者通过角色扮演，在虚拟情境中答题来学习英语的AR 学习游戏软件。大多数学习者使用后都表示十分有趣，并愿意继续使用其学习英语（陈向东, 万悦, 2017）。

提高学生对课程和知识的学习兴趣，学生的内源性动机也会有所提高（李强, 卢尧选, 2019）。基于AR技术开发的AR 读物在提高学习者学习动机上相较于传统图文材料也有着明显的优势。当学生阅读AR 电子书时，3D 图像可以叠加显示在书页上，学生的注意力和满意度均显著优于传统电子书阅读（杨健, 2020）。

3.2 减轻认知负荷、促进元认知加工

采用AR 多媒体学习不仅会因其独特的优势而为学习带来趣味，调动学习者的学习兴趣和动机，也会在学习过程中减轻认知负荷，促进知识理解。

AR 多媒体学习的高度交互性和高度反馈性等特点使学习者在学习过程中可以对3D 模型进行操作并接收反馈，填补了真实和虚拟之间的认知桥梁，降低学习者的认知负荷，成为抽象概念和具体情境之间“最完美的情境脚手架”（张四方, 江家发, 2018; Bower et al.,2014）。因此，它在帮助学习者学习相对抽象的科学知识和相对复杂的专业技能培训中发挥重要作用。在学习科学知识时，AR 多媒体技术可以将抽象、微观的内容可视化，将复杂的空间关系可视化；与图文材料相比，使用AR 学习可以在一定程度上减轻低空间能力学习者的认知负荷（刘潇 等, 2019）。在医学技能教学中，通过采用移动设备和AR 技术相结合的方式，让学生观看3D 模型和动画来学习神经解剖学，其认知负荷更低，学习效果也更好（Küçük et al., 2016）。

通过AR 多媒体学习，教师可以将原来仅靠自己采用PPT 等简单教具和口头表达来传授的知识生动直观地展现在学习者面前，使学习者可以在具有高度交互性的界面上对模型进行操作，促进学习者元认知的加工。互动过程中，学习者可以对原有的认知过程进行思维再加工。通过AR 多媒体学习，学生对数学函数知识（Salinas et al., 2013）、物理概念知识（Cai et al., 2014）等抽象概念，化学物质反应等微观现象的理解都相较传统教学方法有显著的提升（于翠波 等,2017），这种提升得益于交互操作导致的元认知知识和元认知体验的变化。

3.3 优化学生能力生成的载体

AR 学习情景化、高互动性的显著特点，使其可以优化学生能力生成的路径和效果。正如前文所提，AR 多媒体学习凭借其激发学习兴趣、调动学习动机、减轻认知负荷、促进知识理解的优势，直接或间接地提高了学习者的学习成绩（李强, 卢尧选, 2019; 刘潇等, 2019）。通过AR 学习，学生的学习绩效得到显著的提高，并且对大多数学科都能产生中等程度的影响（倪慧文, 胡永斌, 2019）。近年来，大量研究表明，在进行AR 学习后，学生在数学（王罗那, 2020; Lin et al., 2015）、英语（喻春阳 等, 2016）、物理（Cai et al., 2014）等基础学科教学，医疗技术（邹绚, 睢瑞芳,2020）、工程操作（Sirakaya & Cakmak, 2018）等专业技术培训的学习成绩相较传统教学模式都有显著的提高。AR 技术对学习者学习效果的提升除了体现在学习成绩上，还体现在学习者其它能力的提高上。AR 学习情景化、高互动性的显著特点，使其可以优化学生能力生成的路径和效果。能力实质上是个体较好地完成某种活动必备的心理特征。学习者在学习时对叠加在界面上的模型进行观察与操作，使得学习者的诸多具体能力，如空间定向能力（Carrera & Asensio, 2017）、实验操作能力（Akcaylr et al., 2016）、认知能力（蔡苏 等,2021）、运动能力（叶强 等, 2018）等都有所提升（许梦幻, 李小平, 2018）。AR 技术作为一项新兴技术，未来将成为培养学生关键能力——核心素养的重要手段之一（陈雅丽, 张克松, 2019）。

4 AR 多媒体学习应用中的不足与展望

4.1 限制“伪智慧课堂”、加强教师AR 教学设计培训

AR 多媒体学习作为新的学习方式和未来学习发展的方向，有着良好的前景。但当前少部分AR 应用或产品，仅仅提供了一个形式，其内容本身则单调、枯燥。课堂氛围虽然很活跃，学生的兴趣也得到了调动，但在进行相应活动后，教师的讲解并没有变得更生动或者更有针对性（王同聚, 2017），这种现象反映出教师对AR 技术在教学和学习中的应用了解有限，并没有很好地将AR 学习与传统知识讲授相结合。倘若不能将内容和形式有机结合，不论多么先进的设备最终也只能带来“伪智慧课堂”。

要从根源处避免“伪智慧课堂”，必须增强学校和教师使用新技术辅助课堂教学、辅助学生学习的主动意识，培养教师将传统教学与AR 多媒体学习相结合的素质和能力（王国华, 张立国, 2017）。改进对教师的培养方式，在师范学校教育和在职教师的培训中增加对教学与新技术结合尤其是AR 教学中教学设计培训的比重，培养一批具有健康职业人格、扎实基础知识同时具备新时代眼光的教师是实现AR 技术在课堂推广应用的一个重点发展方向。

4.2 技术融合升级、克服“双重短缺”

当前推广AR 多媒体学习速度较慢，“伪智慧课堂”偶有出现的原因之一是教师不能很好地将教学内容与AR 多媒体学习应用结合起来。教师缺乏相关素质是导致这一现象出现的重要原因，更深层次的原因在于AR设备和基于AR 设备的优质应用程序的“双重短缺”。我国AR 技术起步相对较晚，仍然处在初期发展阶段，在设备和应用程序的核心技术上仍存在短板。部分产品建模的精细程度、拟真程度还存在不少问题。有时由于环境变化、光线改变、角度调整等原因，应用过程中存在掉帧、抖动、延时问题，影响学习体验，还存在很大的改进空间（王培霖 等, 2017）。

正如前文所述，AR 相较VR 在学习者的使用体验等方面有着更大优势（Moro et al., 2017），将AR 进一步与移动技术、人工智能等技术结合起来是克服其当前短板、实现AR 多媒体学习普及的重要途径。将AR 技术与移动技术结合，不断降低使用成本、提高使用便捷度、提升软件内容和质量是其未来发展的重要方向之一；将其移植到移动智能设备中，不仅可以降低成本，也能提高其交互性、便携性（程志, 金义富, 2012）。人工智能和大数据技术作为和AR 技术同时代的先进技术也应与AR 技术相结合，共同对学习过程进行实时反馈，并基于大量学习者数据进行产品自身的优化升级，满足学习者不断产生且多元的需要。

4.3 探索适应“双线学习”的AR 应用新模式

AR 技术不断升级，使学习者可以实现泛在学习。学习不止局限于固定的场所，学习者几乎可以在任何地方通过移动智能设备对AR 图书扫描、通过基于智能设备的AR教育游戏等方式进行学习。并且随着互联网的普及和技术迭代，网课近两年在国内已经实现了大范围普及。在线上教育逐渐兴盛的情况下，传统教室教学是否还有存在的必要也成为值得讨论的问题（王培霖 等, 2017）。事实上，学校、教室、教师的存在不仅仅承担传统意义上的知识传授职能。线下授课过程中教师帮助学生树立健康人格、养成良好学习规范、学习沟通技能等重要意义不能仅靠线上的AR学习取代，同学之间的共同学习、共同交往也不应因远程教育而消失。在学校开展线下AR 多媒体学习在新的时代背景下仍十分必要。

因此，进一步以学习科学为依托，探究基于内部情绪激发而非外部情绪诱导的多媒体学习机制，从学业情绪视角，提出适应现代“网课模式”和课堂多媒体教育的有效AR 应用模式，成为现代教育发展方向之一。多媒体认知情感机制的分析与探究，有助于在内部情绪激发层面探索现代AR 高效率学习的机制和原理，进一步推进学生高效学习。

AR 技术运用到教育学习领域的时间还很短，仍存在很多不足。相信随着教师意识和素质不断提高、AR 技术优化升级并与新技术不断融合、适应“双线学习”的AR 应用模式不断探索，基于AR技术的多媒体学习方式将会出现在每一个教学者与学习者周围。