從“經驗之塔”理論看增強現實教學媒體優勢研究

[摘要]文章基于“經驗之塔”理論對增強現實教學媒體的教學優勢進行研究，通過對增強現實教學媒體與其他常見的教學媒體的對比分析和實證研究發現：增強現實教學媒體在展現科學結構和科學過程知識內容方面，較其他常見的教學媒體可以使學習者更好地獲得和理解相關知識，達到更好的認知效果。

[關鍵詞]增強現實；教學媒體；教學效果；“經驗之塔”

[中圖分類號]G40-057 [文獻標識碼]A [論文編號]1009-8097(2012)05-0022-04一 引言

增強現實技術是虛擬現實技術的延伸，是通過電腦技術，將虛擬的信息應用到真實的世界，真實的環境和虛擬的物體實時地疊加到同一個畫面或同一空間的一種技術。TheNew Media Consortiumm2010年發布的地平線報告中將簡單的增強現實技術應用列為未來幾年最具潛力的六個技術之一。

隨著增強現實技術研究不斷深入，研究者逐漸將其應用于教育技術領域也逐漸增多。目前，國外研究主要集中在兒童教育方面，如：2007年Dunser與Homeker以寓言故事作為學習內容并且添加3D角色、聲音及互動道具來觀察5-7歲的兒童如何利用增強現實技術進行互動與合作學習；2011年El Sayed等人設計了一款增強現實學習卡片。而國內的研究一般集中在將增強現實技術的教學應用方面，如：李婷的《基于“視聯網”增強現實技術的教學應用研究》和徐嬡《增強現實技術的教學應用研究》。根據文獻檢索分析發現，國內外尚無用教學理論對增強現實教學媒體的教學效果進行研究的文章。

“經驗之塔”理論是教育技術領域最經典的理論之一，由美國視聽教育專家戴爾在《教學中的視聽方法》中提出，是研究教學媒體效果的重要理論基礎之一。下文將從“經驗之塔”理論的三種層次經驗對增強現實教學媒體的教學效果進行分析，以探索增強現實教學媒體在教學效果上的優勢。二 增強現實教學媒體的特點

增強現實技術具有虛實結合、實時交互、三維沉浸的重要特點。因此，增強現實教學媒體也具有這些特點。

1 虛實結合

增強現實強調虛實結合，將虛擬的物體疊加或合成到真實世界匯總。它允許學習者看見虛擬和現實融合的世界，增強現實是強化真實而不是完全替代它。因此，增強現實教學媒體通過真實環境與虛擬環境的融合，使學習者更方便地對教學內容進行細致的觀察，探索其本質和規律，促進教學效果最優化。

2 三維沉浸

三維沉浸即根據學習者在三維空間的運動來調整計算機所產生的增強信息。增強現實教學媒體給學習者構建出“真實感”的體驗環境，讓學習者沉浸在其中的認知體驗與在真實物理世界的認知體驗相似或者相同。這種“真實感”的體驗為學習者構建了“真實”的學習環境，讓學習者更易融入學習的氛圍，更好地獲取知識，實現教學效果的發揮。

3 實時交互

增強現實技術利用已有的真實世界環境與虛擬場景進行完美融合，為學習者提供一種“真實感”的復合視覺效果場景。場景隨著學習者周圍真實世界的改變而變化，使這種復合視覺效果變得更為真實，虛擬物體還可以與學習者和真實物體以一種自然的方式進行互動。在增強現實教學媒體使用中，學習者可以通過實時操作交互、多感官輸入信息的認知交互、全身心體驗的情感交融，在認知體驗和知識獲取及互動方面有著獨特的學習優勢，從而使學習者獲取多種認知體驗，從多角度獲取知識，促進教學效果的提升。

綜上所述，增強現實教學媒體的特點使其在教學效果實現上有著很大的優勢。下文將通過“經驗之塔”理論具體闡述增強現實教學媒體在教學效果上的優勢。三 從“經驗之塔”理論分析增強現實教學媒體優勢

“經驗之塔”理論按照學習內容的抽象程度把學習內容劃分為三個大類，三個類別又包含了十個層次。(如圖1所示)“經驗之塔”理論在教學效果評估方面具有顯著的意義和作用，同時也是增強現實教學媒體開發的最基本理論之一。

下文從“經驗之塔”三大類別的經驗(做的經驗、觀察的經驗和抽象的經驗)對增強現實教學媒體和其他常見的教學媒體②進行案例對比分析。

1 “做的經驗”

增強現實教學媒體通過真實世界環境與虛擬場景的融合，給學習者構建了一個可視化的“真實環境”。這種可視化的“真實環境”雖然不是現實生活中的真實物理環境，但學習者可以在其中獲得與現實生活中相似甚至相同的認知體驗。學習者在這種“真實環境”中獲得感性認識，完成認知的第一步，獲取學習內容，獲得“做的經驗”。例如：結合物理引擎開發的增強現實物理教學媒體中對剛體或流體的模擬實驗。增強現實教學媒體各種教學媒體展現形式的融合，使學習者感覺就像在真實的物理環境一樣，通過操縱標記卡模擬剛體或流體在理想狀態下行為，獲得對其物理屬性的體驗。學習者獲得的感官感受與真實物理環境相似甚至相同，從而獲得“做的經驗”。由于剛體或流體無法在真實物理環境處于理想狀態，除實物模型教學媒體外其他常見的教學媒體對這一理想過程的展現通常只能使用語言文字、圖片或動畫模型這些展現形式中的某個或某兩個展現形式，學習者在較少的展現形式中不易將自己的認知習慣融合。從這個角度而言，在“做的經驗”層面上，增強現實教學媒體略勝一籌。

2 “觀察的經驗”

增強現實教學媒體通過提供具體的易于理解的三維沉浸交互式模型、虛實結合以及實時交互的功能，使學習者在觀察的同時進行模仿操作。學習者通過各種感官實時交互，獲得身臨其境的認知體驗，與此同時獲得“觀察的經驗”，實現學習者在學習過程中的深度參與，促進教學效果的實現。比如：增強現實教學媒體對細胞活動的模擬仿真展現，通過對細胞的結構及其變化過程的展示，加上學習者的實時互動，可以讓學習者從不同角度觀察細胞活動的一系列科學過程，甚至可以自主地加快或延長科學過程，從而提高了學習興趣，使學習者在互動體驗中獲得相關知識，在實現多角度認知體驗的同時強化了教學效果。其他常見的教學媒體的在結構展示和過程了解這兩個教學展示模式的展示內容不易觀察，不易深入理解相關知識。

3 “抽象的經驗”

增強現實教學媒體的教學內容是對科學中某些抽象原理或科學過程的可視化展現。增強現實教學媒體將抽象的知識可視化，使學習者直觀生動地獲得認知體驗，更深入地理解抽象符號，幫助學習者更好地獲得“抽象的經驗”，促進學習者自主探究學習，較好地提高了教學效果。由于其他常見的教學媒體展現形式的局限性，學習者在其他常見的教學媒體學習中，通常會對知識的表象和本質分開理解或者與真實知識有著較大的差別，而增強現實教學媒體中視覺符號與語言符號的融合能夠更好地發揮抽象經驗在學習中的作用，使學習者獲得更多的認知體驗，提高思維能力。比如：增強現實教學媒體對DNA復制這一生物現象模擬展現時，對脫氧核糖核酸抽象的結構及其抽象過程進行了三維模擬展現，可以讓學習者沉浸其中進行互動，更直觀地形成“抽象的經驗”，從而實現更好的學習認知效果。由于DNA復制這一科學現象在顯微鏡下難以仔細觀察，其他常見的教學媒體間接展現的方法，難以讓學習者深入體驗，學習者只能依靠想象才能夠在腦海中形成記憶，這種抽象的記憶因學習者個體差異不同而導致認知效果不同，差異較大。

4 實現三個層次經驗的交融

增強現實教學媒體給學習者構建了可視化的“真實環境”，學習者可以沉浸其中并與之互動，獲取與真實物理環境相似或相同的認知體驗，獲得“做的經驗”。在可視化“真實環境”的科學原理或科學過程的展示中，學習者可以看到模型的結構、運動的過程等，互動實現“做的經驗”的同時獲得“觀察的經驗”。由于增強現實教學媒體構造的不是完全真實物理環境，而是對抽象的科學原理或科學過程可視化再現，學習者在獲得“做的經驗”和“觀察的經驗”的同時又獲得了“抽象的經驗”。因此，增強現實教學媒體實現了‘‘經驗之塔”三種層次經驗的有機交融。Richard E．Mayer(1997)研究發現文字與圖形一講解一動畫等媒介組合呈現比分開呈現使學習者多產生50％的創造性方案。同樣的道理，“經驗之塔”三種層次經驗交融呈現對學習效果比分開呈現的學習效果好。增強現實教學媒體實現了“經驗之塔”三種層次經驗的交融，使學習者獲得最大程度的認知刺激和體驗，拓展了創造性思維，達到了更有效的教學效果。而其他常見的教學媒體較少的展現方式通常只能滿足“經驗之塔”中一個或兩個層次的經驗。因此，學習者只能接受“經驗之塔”中某個層次或某兩個層次重疊交互的經驗，學習效果相對增強現實教學媒體而言低。

作為認知主體的學習者具有不同的認知風格、知覺偏好、媒體偏好；同樣的學習內容，不同學習層次的學生喜歡不同的學習媒體表現。不同認知風格的學生對學習材料的表征方式有一定的適應性，不同媒體能夠促進不同認知風格學習者的學習。增強現實教學媒體因其虛實結合、三維沉浸和實時交互的特點，對抽象科學原理或科學過程方面模擬仿真展示中將多種經驗有機地融合在同一場景，從而達到“經驗之塔”的三個層次經驗的交融，學習者可以根據自身偏好自主選擇，實現自身學習效果最優化。而學習者通過其他常見的教學媒體可能無法選擇到自己偏好的媒體表現，使得不同學習者實現的認知體驗有一定的差異，相對而言學習效果較差。四實證研究

上文基于“經驗之塔”對增強現實教學媒體和其他常見的教學媒體相比展現的優勢進行了對比分析。下文將對其分析出的優勢進行驗證性實證研究分析。

1 指標設計

根據“經驗之塔”模型，“做的經驗”由有目的的直接經驗(做)、設計經驗(理解)和參與活動(演戲、表演)構成。結合學習者知識理解的相關屬性選擇了“動手操作經驗、互動體驗經驗和沉浸感”三個待測指標；“觀察的經驗”層面包含了觀摩示范、見習旅行、參觀展覽、電影電視和錄音廣播幻燈照片五種具體經驗。結合學習者傳遞的知識理解相關屬性，筆者賦予“觀察的經驗”觀察指標為：展示內容(結構觀察和過程了解)、觀察視角靈活和視聽感受；“抽象的經驗”包含視覺符號和語言符號兩個符號經驗，多為理解抽象的學習內容時所需的符號經驗。目前常見的教學媒體對“抽象的經驗’’主要表現在認知效果方面。結合“抽象的經驗”和知識理解的相關屬性將待測指標設為認知表象和認知本質。

筆者將9個教學效果變量因子和常見的教學媒體結合，設計出下文的表格(見表1的各項指標)。

2 調查實施

(1)測試教學內容選擇

由于教學內容十分廣泛，筆者經過比較選取了展現科學過程和科學結構這兩個領域的教學內容。在展現科學過程的教學展示模式選取了萬向節和橢圓規兩個具有代表性的事物；在展現科學結構的教學展示模式選取了金剛石和碳60兩個典型模型。

(2)測試者篩選

根據教學媒體的適用范圍，筆者劃分了五組測試者范圍：第一組為中學生；第二組為本科生，第三組為研究生，第四組為博士生，第五組為大學教師。每組選取6個測試者，一共30個測試者。

(3)測試方法

根據上文對常見教學媒體的分類，筆者對已選取好的四個教學內容模型進行目前常見的教學媒體的設計。每個教學內容模型渲染制作了增強現實教學內容模型、3D教學內容模型：制作了PPT，并找到該教學內容模型的實物。

測試時，將五個小組的成員分開測試。被試者在測試前對所選取的四個模型相關知識了解程度相近。筆者讓每個被試者分別觀看或實踐同一教學內容模型的PPT、3D動畫；自己操作實物模型、虛擬現實教學內容和增強現實教學內容。

3 數據分析

通過對30個測試者進行測試，統計分析出以下結論：(見表1)

通過表格指標對比發現：與實物模型教學媒體相比，增強現實教學媒體在“做的經驗”上得分稍低，但是在“觀察的經驗”和“抽象的經驗”略高。由于實物模型教學媒體能夠提供更強的真實體驗，使學習者在“做的經驗”上得分比增強現實教學媒體稍高，但增強現實教學媒體結合CG的特征，學習者的視聽感受和認知感受相對較好。同時，在教學傳播過程中，實物模型便攜性較差，不方便大量及快速的傳播，而增強現實教學媒體相對而言便攜性及傳播成本更有優勢。對于不易構造實物模型的復雜結構及過程展示類相關知識，增強現實教學媒體通過3D模擬渲染，能夠使學習者更有效更深層次的學習相關知識，獲得實物模型所難以實現的體驗和認知。

除實物模型教學媒體外，增強現實教學媒體在“做的經驗”“觀察的經驗”和“抽象的經驗”三個層面的調查結果表明：相比除實物模型教學媒體外的其他常見教學媒體，增強現實教學媒體在“觀察的經驗”和“抽象的經驗”層面上得分最高。這也從實證的角度驗證了上文的對比分析。五 結語

增強現實教學媒體虛實結合、實時交互與三維沉浸的特點使學習者在獲取“經驗之塔”的經驗上更有優勢，給學習者提供了較強烈的認知體驗，從而讓學習者可以立體化地獲取和理解知識，達到較好的教學效果。

根據“經驗之塔”模型的分析和實證研究發現，增強現實教學媒體更適合展示可以可視化的抽象的或不易理解的科學結構或科學過程。教學實踐活動在展示科學結構或科學過程的知識時可以優先選取增強現實教學媒體，以使學習者更好地學習和理解知識，提高學習效率，實現學習效果最優化。

注：(gNMC是教育領域一個著名國際性非盈利組織，它由超過250個致力于開發和利用新媒體和其他新技術的學院、大學博物館、公司以及其他關注于學習領域的組織組成。②本文中，其他常見的教學媒體指的是平面教學媒體(PPT、圖片、文字、2D動畫等)、實物模型教學媒體、3D動畫教學媒體、虛擬現實教學媒體。