增強現實多媒體學習的心理特征和心理機制

趙小軍，寇玉婷，石常秀，李旭鵬

1 引言

隨著時代發展和科技水平不斷提升，世界已經進入知識信息化時代。社會變革對人們的學習、工作等方面產生了重大影響，這種影響突出體現在信息傳遞的高速高效方面，尤其以互聯網為基礎的信息技術發展更為明顯。國家教育部發布的《教育信息化2.0 行動計劃》指出，“不斷推動教育信息化的轉化和升級，從而促進教育改革以適應新時代的要求?！眰鹘y教學手段和學習方式主要依賴于紙質材料和平面多媒體，其本身所固有的靜態性和封閉性不僅在一定程度上限制了個體對學習內容的理解和記憶，而且不利于激發學習者的主動性和積極性（喻春陽 等, 2016），已不能滿足信息時代背景下個體的學習需求。在這種形勢下，各種新教學技術手段不斷出現。虛擬現實（virtual reality，VR）技術作為一種教學技術手段，被應用于教育和學習領域，并已取得了一定的成果。VR技術是教育信息化的重要手段之一。VR 學習的優勢通過學習場景的仿真和交互得以實現。但隨著對VR 的深入研究和應用，我們發現VR 技術也存在一定弊端。例如，設備造價成本較高，難以在部分地區推行；設備龐大，移動不便；以及一些使用VR 設備學習的學生表示在使用過程中會出現頭暈、目眩等不良生理反應（Moro et al., 2017）。面對這些問題，增強現實（augmented reality，AR）技術應運而生。

AR 技術可以視為VR 技術的延伸，是將計算機產生的圖形、文字和注釋等虛擬信息和真實場景信息有機拼接融合，從而增強用戶或使用者視聽體驗的技術（Mullen, 2013）。實質上的AR 起源于20 世紀90 年代，最初應用于航空領域，作為一種培訓飛行員實踐能力的訓練工具。近年來，由于AR 技術自身所具備的便利性、真實性、交互性和實用性等優點，逐漸擴展到教育學習領域。在教學過程中，AR 技術逐漸與傳統多媒體相結合，使學習者可以同時利用視覺和聽覺等多種感覺通道將呈現在現實環境中的實景與虛擬信息相結合，從而對視覺、聽覺等感受進行加工和處理，給學習者提供超越真實世界感受的體驗。國內外研究發現，AR 技術在教育心理領域的研究與實踐主要集中在教學心理（Anastassova & Burkhardt, 2009; Jee et al.,2011）和學習心理（Menozzi & Koga, 2004; Borrero& Márquez, 2012; Darmawan et al., 2023; 趙文靜, 曹忠, 2022; 馮小燕 等, 2023）方面。有關AR 教學心理的研究主要涉及智慧技能、認知策略、動作技能和教學設計。關于AR 學習心理的研究主要涉及言語信息、認知策略（趙小軍 等, 2014）。AR 多媒體學習已經逐漸應用于各大高校的教學過程和實證研究中，并且對個體學習成效起到了一定的積極作用（Yilmaz, 2016）。

AR 多媒體學習在學習科學領域有何特征，又如何對個體的學習心理產生影響，以及在教學過程和研究進展中又存在哪些問題，AR 多媒體學習的心理特征和心理機制研究是解決以上問題的關鍵。因此，本文將從AR 多媒體學習角度出發，圍繞AR 學習的認知和情感屬性，重點探討AR 技術在多媒體學習領域的心理特征及其心理機制，并進一步分析AR 技術在教育學習領域上的不足之處，為AR 技術在教育領域的應用和發展提供建議。

2 AR 多媒體學習的心理特征

2.1 學習情景化

AR 多媒體技術可以幫助學習者實現情景式學習，將學習內容以最直觀的形式表現出來。情景學習認知理論指出，知識作為一種動態組織，是學習者和環境交互作用的結果。學習應以學習者為主體，把所學內容與真實學習情景結合起來，從而使學習者、學習內容和學習者所處的真實環境三者合理建構起來（王文靜, 2002）。而AR 多媒體學習可以利用相關技術使虛擬信息和真實環境相結合，使學習內容以3D 形式呈現在學習者的面前，并結合聽覺、視覺等多種感覺通道反饋，讓學習者利用3D 模型的可視化效果來增強對學習內容的感知，從而獲得具體直接的經驗，實現情景化學習（Kesim & Ozarslan, 2012）。

傳統學習方式的主要局限之一就是在學習過程中學習者脫離學習的實際情景，導致學習者對所學內容的遷移能力不足（劉德建 等, 2016）。而AR 多媒體技術可以幫助學習者實現情景式學習，將學習內容以最直觀的形式表現出來。在這個過程中，學習者不僅可以從不同角度來觀看以3D 形式呈現的學習內容，也可以將虛擬的學習內容與現實生活環境結合起來，從而不斷強化知識和情景之間的聯結，加深學習者對學習內容的表象加工和理解，提高學習者的知識遷移能力（Jerry & Aaron, 2010; 蔡蘇 等, 2016）。

此外，研究表明AR 技術對學前階段兒童和高中學段學生的學習效果提升明顯（倪慧文, 胡永斌, 2019;乜勇, 萬文靜, 2021）。由于低齡兒童智力發展水平和認知能力較低，因此可以借助AR 多媒體技術，將抽象、難以理解的學習內容以直觀可視化的方式呈現出來，從而使兒童能夠相對容易地獲取直接經驗，大大降低學習難度，提高學習效果（Yilmaz, 2016）。而對于高中學段的學習者，教師可以利用AR 多媒體營造相對寬松的教學氛圍，將難以理解的知識理論與具體情景相結合，這樣不僅能對學習者的學習效果產生積極影響，而且有助于提高學習者的高階思維能力（張四方, 江家發, 2018; 倪慧文, 胡永斌, 2019）。

2.2 高互動性和高反饋性

AR 多媒體技術在提高學習的互動性、提升學習效果的同時，其高互動性的特點也使學習者可以及時、有效地接收到學習效果的反饋。在傳統的學習過程中，學習者與學習內容之間的互動和反饋一直是教學難點，學習者大多僅通過視覺和聽覺兩種感覺通道對學習內容進行加工，具有一定的局限性。而AR 多媒體技術可以讓學習者控制并操縱3D 模型，從而讓學習者融入到學習任務中，與學習內容進行互動，在一定程度上提高了學習者和學習內容之間的互動性。研究表明，使用AR 技術呈現學習內容時，學習者更喜歡對學習內容做出指向、回應、檢查等高互動性行為（Yilmaz,2016）。

AR 技術在高互動性方面具有明顯的優勢。AR 技術讓虛擬信息在現實世界的呈現走向多模態化（Bower et al., 2014）。AR 技術可以把視聽之外的嗅覺、觸覺等多種信息也呈現在現實情境中，將模擬仿真度進一步增強。對于學習者而言，AR 多媒體技術能夠將學習任務實時地投射到現實學習情境中，可以直接為學習者提供學習重點和與上下文相關的學習內容，讓學習者能立即輕松地采取學習行動，減少操作指令到完成任務之間的轉換時間和認知負荷（Billinghurst &Kato, 2002；Regenbrecht et al., 2005）。并且AR 多媒體技術在實現學習者與學習內容互動的同時，將學習效果及時地反饋給學習者。例如，在對駕駛員的培訓（Regenbrecht et al., 2005）以及醫生手術練習（Cristancho et al., 2011）等內容的學習中，當學習者發生錯誤時，AR 多媒體不僅可以通過視聽的方式呈現反饋結果，而且還可以將嗅覺、觸覺等多種結果信息呈現在學習者面前，給學習者更加真實的反饋體驗。并且學習者可以不斷進行矯正練習，直到成功完成任務和解決問題。AR 學習的高反饋特性優勢正是以往傳統紙質書籍、多媒體學習以及視頻學習難以達到的。

2.3 學習主動性的提升

AR 學習一方面提高了學習者的學習動機，另一方面使學習者更加積極主動地加入到學習過程中。建構主義學習理論指出，學習是學生自己主動建構知識的過程，學習者并不僅僅是簡單被動接受信息，而是根據自己以往的經驗，主動對外界信息進行選擇、加工和處理（王希華, 2006）。目前，雖然傳統多媒體學習以其便利性、快速傳達知識等優勢在教育領域占據主導地位，但在激發學習者主動性方面還存在一定的劣勢。尤其是在很多教學過程中大部分學習者往往是被動地接受教師傳授內容，而AR 技術可以在一定程度上提高學習者的學習動機，解決傳統學習方式中存在的不足（Elmunsyah et al., 2019; 乜勇, 萬文靜, 2021）。

AR 多媒體技術將虛擬物體和真實環境實時地疊加在同一個空間，讓整個學習過程由傳統的二維空間轉化到現實的三維空間之中。它的出現豐富了教學方式和教學情景，把復雜的教學內容具體化、形象化和趣味化，讓學生可以更輕松、直觀地理解和掌握學習內容。學習者可以自由地操縱學習內容，并利用視覺、聽覺和觸覺等多種感覺通道的反饋，提高自身的注意力和滿足感，從而提高學習動機，讓學習者更加積極主動地加入到學習過程中（劉瀟 等, 2019; Elmunsyah et al.,2019）。同時，學習者對AR 多媒體技術的態度也會影響其行為模式。目前學生對AR 技術在學習中的應用總體上持有積極的態度和較高的滿意度，而這種積極態度和滿意度也會反過來影響學習者的行為，在一定程度上提高學習者的學習動機，推動學習（Liao et al.,2019; Mustafa & Meric, 2019）。

2.4 高心理沉浸性

AR 學習提升了學習者的代入感與參與感，更有利于學習者進入一種沉浸狀態。沉浸理論表明，個體如果能完全投入到自己所處的活動情境中，會集中注意力，并且過濾掉所有活動情景外的不相關知覺，進入一種沉浸狀態（Csikszentmihalyi, 1975）。其典型的體驗特征是學習效果有明顯提升（嚴冉 等, 2023）。當學習者在學習過程中進入沉浸狀態時，會無視外界其他因素的干擾，集中注意力并充分調動主動性，提高學習效率（吳冬芹, 周彩英, 2004）。已有研究表明，在一些人機交互的高沉浸性學習條件下，學習者更容易進入仿真的虛擬學習情境中，從而提升學習效率（湯躍明, 2007）。

雖然VR 在一定程度上也有利于學習者進入沉浸狀態，但是VR 僅僅是為用戶創建了一個可觀看的虛擬世界，為學習者提供一個完全身臨其境的環境。而AR 技術可以提供一種復合圖像，將計算機繪制的虛擬對象疊加在真實景物上，使虛擬對象與真實背景相適應，即讓學習內容以虛擬形式存在于一個真實的場景之中（Liao et al., 2019）。AR 多媒體技術將2D 的學習內容以3D 的形式呈現出來，為學習者提供高分辨率的視覺效果和逼真的聲音，提高其代入感與參與感，從而激發其學習興趣，使其集中注意力，更加利于學習者進入一種沉浸狀態（Yiannis & Eleni, 2018）。以往研究表明學習者的沉浸程度與學習效果存在正相關：相比于運用傳統的平面材料學習，人們在AR 多媒體條件下學習的心理沉浸水平更高，學習效果更好（Liao et al.,2019）。

3 AR 多媒體學習的心理機制

AR多媒體學習因其具有的學習情景化、高互動性、高反饋性、高心理沉浸性等特點，在一定程度上克服了傳統教育方式的限制，被廣泛應用于多種教育領域、學科和場景。它在激發學習興趣、調動學習動機、促進知識理解、發展學習能力等方面被廣泛應用。一項回顧了2010-2019 年21 篇有關AR 對高等教育的影響的英文文獻研究發現，AR 技術在高校學生學習準備、學習過程、學習結果三個階段都表現出顯著促進作用（龍紫陽, 李鳳英, 2020）。AR 多媒體學習不僅可以促進高校學生的學習，也被廣泛應用于各年齡階段、各學科的學習場景中。

3.1 激發學習興趣、調動學習動機

學習興趣與學習動機作為學習準備階段的重要內容，對學習過程與結果起著先導與基礎作用（龍紫陽,李鳳英, 2020）。AR 多媒體學習具備高心理沉浸性、高互動性、高反饋性等特點，可以通過改變學習過程，使學習者全身心投入其中，并在學習過程中使學習者感到較高的參與感和帶入感，從而激發學習者的學習興趣、調動其學習動機。

在課堂學習中，面對相對抽象的知識和現象，AR技術介入可以讓學生對3D 模型進行多角度觀察，提高學生的學習興趣（張四方, 江家發, 2018）。研究發現，在中學生學習物理的振動和波浪這兩個基本現象時，采用AR 學習的學生學習興趣顯著高于傳統教學環境下學生（Aji et al., 2021）。針對在現實中難以觀測的化學物質而開發的初中生化學學習AR 應用，使學生可以在軟件上操作原子、分子等微觀結構并合成新的結構，增強了學生的學習興趣（Cai et al., 2014）。憑借高交互性等優勢，AR 技術也被引入到教育游戲的開發中，例如，“泡泡星球”是一款學習者通過角色扮演，在虛擬情境中答題來學習英語的AR 學習游戲軟件。大多數學習者使用后都表示十分有趣，并愿意繼續使用其學習英語（陳向東, 萬悅, 2017）。

提高學生對課程和知識的學習興趣，學生的內源性動機也會有所提高（李強, 盧堯選, 2019）?；贏R技術開發的AR 讀物在提高學習者學習動機上相較于傳統圖文材料也有著明顯的優勢。當學生閱讀AR 電子書時，3D 圖像可以疊加顯示在書頁上，學生的注意力和滿意度均顯著優于傳統電子書閱讀（楊健, 2020）。

3.2 減輕認知負荷、促進元認知加工

采用AR 多媒體學習不僅會因其獨特的優勢而為學習帶來趣味，調動學習者的學習興趣和動機，也會在學習過程中減輕認知負荷，促進知識理解。

AR 多媒體學習的高度交互性和高度反饋性等特點使學習者在學習過程中可以對3D 模型進行操作并接收反饋，填補了真實和虛擬之間的認知橋梁，降低學習者的認知負荷，成為抽象概念和具體情境之間“最完美的情境腳手架”（張四方, 江家發, 2018; Bower et al.,2014）。因此，它在幫助學習者學習相對抽象的科學知識和相對復雜的專業技能培訓中發揮重要作用。在學習科學知識時，AR 多媒體技術可以將抽象、微觀的內容可視化，將復雜的空間關系可視化；與圖文材料相比，使用AR 學習可以在一定程度上減輕低空間能力學習者的認知負荷（劉瀟 等, 2019）。在醫學技能教學中，通過采用移動設備和AR 技術相結合的方式，讓學生觀看3D 模型和動畫來學習神經解剖學，其認知負荷更低，學習效果也更好（Kü?ük et al., 2016）。

通過AR 多媒體學習，教師可以將原來僅靠自己采用PPT 等簡單教具和口頭表達來傳授的知識生動直觀地展現在學習者面前，使學習者可以在具有高度交互性的界面上對模型進行操作，促進學習者元認知的加工?；舆^程中，學習者可以對原有的認知過程進行思維再加工。通過AR 多媒體學習，學生對數學函數知識（Salinas et al., 2013）、物理概念知識（Cai et al., 2014）等抽象概念，化學物質反應等微觀現象的理解都相較傳統教學方法有顯著的提升（于翠波 等,2017），這種提升得益于交互操作導致的元認知知識和元認知體驗的變化。

3.3 優化學生能力生成的載體

AR 學習情景化、高互動性的顯著特點，使其可以優化學生能力生成的路徑和效果。正如前文所提，AR 多媒體學習憑借其激發學習興趣、調動學習動機、減輕認知負荷、促進知識理解的優勢，直接或間接地提高了學習者的學習成績（李強, 盧堯選, 2019; 劉瀟等, 2019）。通過AR 學習，學生的學習績效得到顯著的提高，并且對大多數學科都能產生中等程度的影響（倪慧文, 胡永斌, 2019）。近年來，大量研究表明，在進行AR 學習后，學生在數學（王羅那, 2020; Lin et al., 2015）、英語（喻春陽 等, 2016）、物理（Cai et al., 2014）等基礎學科教學，醫療技術（鄒絢, 睢瑞芳,2020）、工程操作（Sirakaya & Cakmak, 2018）等專業技術培訓的學習成績相較傳統教學模式都有顯著的提高。AR 技術對學習者學習效果的提升除了體現在學習成績上，還體現在學習者其它能力的提高上。AR 學習情景化、高互動性的顯著特點，使其可以優化學生能力生成的路徑和效果。能力實質上是個體較好地完成某種活動必備的心理特征。學習者在學習時對疊加在界面上的模型進行觀察與操作，使得學習者的諸多具體能力，如空間定向能力（Carrera & Asensio, 2017）、實驗操作能力（Akcaylr et al., 2016）、認知能力（蔡蘇 等,2021）、運動能力（葉強 等, 2018）等都有所提升（許夢幻, 李小平, 2018）。AR 技術作為一項新興技術，未來將成為培養學生關鍵能力——核心素養的重要手段之一（陳雅麗, 張克松, 2019）。

4 AR 多媒體學習應用中的不足與展望

4.1 限制“偽智慧課堂”、加強教師AR 教學設計培訓

AR 多媒體學習作為新的學習方式和未來學習發展的方向，有著良好的前景。但當前少部分AR 應用或產品，僅僅提供了一個形式，其內容本身則單調、枯燥。課堂氛圍雖然很活躍，學生的興趣也得到了調動，但在進行相應活動后，教師的講解并沒有變得更生動或者更有針對性（王同聚, 2017），這種現象反映出教師對AR 技術在教學和學習中的應用了解有限，并沒有很好地將AR 學習與傳統知識講授相結合。倘若不能將內容和形式有機結合，不論多么先進的設備最終也只能帶來“偽智慧課堂”。

要從根源處避免“偽智慧課堂”，必須增強學校和教師使用新技術輔助課堂教學、輔助學生學習的主動意識，培養教師將傳統教學與AR 多媒體學習相結合的素質和能力（王國華, 張立國, 2017）。改進對教師的培養方式，在師范學校教育和在職教師的培訓中增加對教學與新技術結合尤其是AR 教學中教學設計培訓的比重，培養一批具有健康職業人格、扎實基礎知識同時具備新時代眼光的教師是實現AR 技術在課堂推廣應用的一個重點發展方向。

4.2 技術融合升級、克服“雙重短缺”

當前推廣AR 多媒體學習速度較慢，“偽智慧課堂”偶有出現的原因之一是教師不能很好地將教學內容與AR 多媒體學習應用結合起來。教師缺乏相關素質是導致這一現象出現的重要原因，更深層次的原因在于AR設備和基于AR 設備的優質應用程序的“雙重短缺”。我國AR 技術起步相對較晚，仍然處在初期發展階段，在設備和應用程序的核心技術上仍存在短板。部分產品建模的精細程度、擬真程度還存在不少問題。有時由于環境變化、光線改變、角度調整等原因，應用過程中存在掉幀、抖動、延時問題，影響學習體驗，還存在很大的改進空間（王培霖 等, 2017）。

正如前文所述，AR 相較VR 在學習者的使用體驗等方面有著更大優勢（Moro et al., 2017），將AR 進一步與移動技術、人工智能等技術結合起來是克服其當前短板、實現AR 多媒體學習普及的重要途徑。將AR 技術與移動技術結合，不斷降低使用成本、提高使用便捷度、提升軟件內容和質量是其未來發展的重要方向之一；將其移植到移動智能設備中，不僅可以降低成本，也能提高其交互性、便攜性（程志, 金義富, 2012）。人工智能和大數據技術作為和AR 技術同時代的先進技術也應與AR 技術相結合，共同對學習過程進行實時反饋，并基于大量學習者數據進行產品自身的優化升級，滿足學習者不斷產生且多元的需要。

4.3 探索適應“雙線學習”的AR 應用新模式

AR 技術不斷升級，使學習者可以實現泛在學習。學習不止局限于固定的場所，學習者幾乎可以在任何地方通過移動智能設備對AR 圖書掃描、通過基于智能設備的AR教育游戲等方式進行學習。并且隨著互聯網的普及和技術迭代，網課近兩年在國內已經實現了大范圍普及。在線上教育逐漸興盛的情況下，傳統教室教學是否還有存在的必要也成為值得討論的問題（王培霖 等, 2017）。事實上，學校、教室、教師的存在不僅僅承擔傳統意義上的知識傳授職能。線下授課過程中教師幫助學生樹立健康人格、養成良好學習規范、學習溝通技能等重要意義不能僅靠線上的AR學習取代，同學之間的共同學習、共同交往也不應因遠程教育而消失。在學校開展線下AR 多媒體學習在新的時代背景下仍十分必要。

因此，進一步以學習科學為依托，探究基于內部情緒激發而非外部情緒誘導的多媒體學習機制，從學業情緒視角，提出適應現代“網課模式”和課堂多媒體教育的有效AR 應用模式，成為現代教育發展方向之一。多媒體認知情感機制的分析與探究，有助于在內部情緒激發層面探索現代AR 高效率學習的機制和原理，進一步推進學生高效學習。

AR 技術運用到教育學習領域的時間還很短，仍存在很多不足。相信隨著教師意識和素質不斷提高、AR 技術優化升級并與新技術不斷融合、適應“雙線學習”的AR 應用模式不斷探索，基于AR技術的多媒體學習方式將會出現在每一個教學者與學習者周圍。