基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)設(shè)計(jì)方法對學(xué)生學(xué)習(xí)的影響

張韶宸，黃國禎，莫 燦

（1.臺(tái)灣科技大學(xué) 數(shù)字學(xué)習(xí)與教育研究所；2.廣州航海學(xué)院 藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，廣東 廣州 510725）

一、緒論

在傳統(tǒng)教學(xué)中，教師大部分的課堂時(shí)間都是在講課；因此，學(xué)生很少有機(jī)會(huì)應(yīng)用知識(shí)、練習(xí)，或與他們的同齡人和教師互動(dòng)。一些學(xué)者進(jìn)一步指出培養(yǎng)學(xué)生解決問題和批判性思維等高層次思維能力的重要性，這在21世紀(jì)是至關(guān)重要的。隨著計(jì)算機(jī)和多媒體技術(shù)的發(fā)展，技術(shù)強(qiáng)化學(xué)習(xí)已成為教育發(fā)展的重要趨勢。研究人員和學(xué)校教師試圖就將技術(shù)納入教育環(huán)境，使學(xué)生處于信息豐富和促進(jìn)互動(dòng)的學(xué)習(xí)環(huán)境中。翻轉(zhuǎn)課堂是一種通過課前瀏覽教學(xué)視頻，使學(xué)生參與到自主學(xué)習(xí)模式中的學(xué)習(xí)方式，可以進(jìn)行更多的課堂活動(dòng)，促進(jìn)同伴互動(dòng)、練習(xí)和師生互動(dòng)。翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)的目的之一就是培養(yǎng)學(xué)生的高級思維。研究者強(qiáng)調(diào)了開展學(xué)習(xí)活動(dòng)的重要性，讓學(xué)生在學(xué)校所學(xué)知識(shí)的基礎(chǔ)上理解和解決復(fù)雜問題。項(xiàng)目化學(xué)習(xí)是一種以學(xué)生為中心的教學(xué)模式，以教師講授的內(nèi)容為中心，讓學(xué)生探索和解決問題，通過生產(chǎn)過程獲得知識(shí)和技能。因此，本研究提出了一種基于AR的翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)系統(tǒng)方法，以提高學(xué)生在小學(xué)自然科學(xué)課程中進(jìn)行科學(xué)項(xiàng)目時(shí)的學(xué)習(xí)表現(xiàn)和批判性思維傾向，以及學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和群體自我效能感。

二、基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)指導(dǎo)方法

本研究開發(fā)了基于AR的翻轉(zhuǎn)課堂教學(xué)活動(dòng)和翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)系統(tǒng)。本研究的結(jié)構(gòu)包括基于AR的翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)系統(tǒng)、翻轉(zhuǎn)課堂與活動(dòng)管理系統(tǒng)、電子學(xué)習(xí)平臺(tái)、服務(wù)器數(shù)據(jù)庫管理機(jī)制；此外，基于AR的翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)系統(tǒng)包含多個(gè)數(shù)據(jù)庫，包括學(xué)習(xí)資料數(shù)據(jù)庫、學(xué)生檔案數(shù)據(jù)庫、學(xué)習(xí)檔案數(shù)據(jù)庫和教材數(shù)據(jù)庫。學(xué)習(xí)資料數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)補(bǔ)充資料、學(xué)習(xí)表和指導(dǎo)說明。學(xué)生檔案數(shù)據(jù)庫和學(xué)習(xí)檔案數(shù)據(jù)庫分別用來存儲(chǔ)學(xué)生的個(gè)人信息和學(xué)習(xí)記錄。此外，教材數(shù)據(jù)庫是為存儲(chǔ)教師提供的教學(xué)視頻而設(shè)計(jì)的。在本研究中，學(xué)習(xí)內(nèi)容基于電磁學(xué)的概念，包含在基礎(chǔ)自然與生活技術(shù)課程中。學(xué)生需要登錄翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)系統(tǒng)學(xué)習(xí)課前學(xué)習(xí)內(nèi)容。學(xué)習(xí)平臺(tái)為學(xué)生提供課前學(xué)習(xí)“電磁學(xué)原理”單元內(nèi)容的教學(xué)視頻。學(xué)生可以在課堂上反復(fù)觀看視頻，并做注釋，提出問題，與同學(xué)和教師進(jìn)行討論。完成學(xué)習(xí)內(nèi)容后，學(xué)生需要完成工作表，工作表的內(nèi)容是視頻內(nèi)容的延伸。例如，他們可能會(huì)被要求給出他們生活中電磁鐵應(yīng)用的例子。學(xué)生完成課前學(xué)習(xí)后，教師將解釋AR的功能，系統(tǒng)引導(dǎo)學(xué)生開始電磁實(shí)驗(yàn)操作。系統(tǒng)會(huì)引導(dǎo)學(xué)生準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)設(shè)備和道具，并在平面屏幕上顯示操作指導(dǎo)動(dòng)畫，指導(dǎo)學(xué)生如何操作實(shí)驗(yàn)道具。如果學(xué)生在操作過程中的步驟出現(xiàn)錯(cuò)誤，或者將道具放置錯(cuò)了位置，系統(tǒng)會(huì)主動(dòng)提醒或告知他們，以便他們能夠快速進(jìn)入學(xué)習(xí)狀態(tài)。該系統(tǒng)根據(jù)學(xué)生個(gè)人在實(shí)驗(yàn)過程中的進(jìn)步情況進(jìn)行指導(dǎo)，直至學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)過程。如果學(xué)生想在操作過程中再次測試操作，他們可以選擇他們想再次練習(xí)的部分。AR操作系統(tǒng)為他們提供了重新實(shí)踐的機(jī)會(huì)。

三、實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了評價(jià)基于AR的翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)系統(tǒng)的有效性，在小學(xué)科學(xué)課堂上進(jìn)行了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，比較學(xué)生的學(xué)習(xí)成績、批判性思維、小組自我效能感、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)和心理負(fù)荷。所選的學(xué)科單元為小學(xué)自然科學(xué)課程“磁力”單元。本單元的目的是培養(yǎng)學(xué)生的電磁效應(yīng)和電磁鐵應(yīng)用能力。

1.參與者。這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的參與者是來自四個(gè)班級的111名五年級學(xué)生。將56名學(xué)生的兩個(gè)班級隨機(jī)分配到實(shí)驗(yàn)組，實(shí)驗(yàn)組以基于AR的翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)系統(tǒng)為指導(dǎo)。另外，兩個(gè)班55名學(xué)生為對照組，采用傳統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)方法進(jìn)行學(xué)習(xí)。

2.實(shí)驗(yàn)過程。為期6周的實(shí)驗(yàn)過程。在學(xué)習(xí)活動(dòng)期間，所有的學(xué)生都參與了翻轉(zhuǎn)課堂。他們必須在家里看課前的視頻和完成作業(yè)。因此，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生在課堂上使用AR操作指導(dǎo)系統(tǒng)進(jìn)行學(xué)習(xí)和討論。另一方面，對照組的學(xué)生在教師的指導(dǎo)下完成科學(xué)項(xiàng)目、工作表和課堂討論。學(xué)生完成學(xué)習(xí)任務(wù)的時(shí)間，即開發(fā)一個(gè)電磁鐵電機(jī)的時(shí)間，在2周內(nèi)共計(jì)210分鐘。兩組在翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)活動(dòng)中使用相同的學(xué)習(xí)內(nèi)容，包括圖片和視頻。此外，教師講授的學(xué)習(xí)內(nèi)容與AR指導(dǎo)系統(tǒng)中的內(nèi)容相同。學(xué)習(xí)活動(dòng)結(jié)束后，學(xué)生參加后測，完成批判性思維、群體自我效能、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、心理負(fù)荷等問卷調(diào)查。最后，從每組中選出5名學(xué)習(xí)者進(jìn)行訪談。

3.測量工具。本研究的研究工具包括測量學(xué)生“學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)”“批判性思維”“群體自我效能感”的問卷，以及測量使用不同方法的兩組認(rèn)知負(fù)荷的問卷。活動(dòng)開始之前進(jìn)行的第一個(gè)項(xiàng)目與電磁的實(shí)施有關(guān)。學(xué)生們需要利用與帶電粒子之間的物理相互作用有關(guān)的知識(shí)來制作電磁鐵。在實(shí)驗(yàn)結(jié)束時(shí)，他們被要求完成另一個(gè)項(xiàng)目作為項(xiàng)目的后測試。這兩個(gè)項(xiàng)目都是由兩位有經(jīng)驗(yàn)的教師評分，他們教授自然科學(xué)課程近10年。評分標(biāo)準(zhǔn)包括四個(gè)維度：準(zhǔn)確性、完整性、復(fù)雜性和持久性。滿分為100分。學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)問卷是在Keller（2010）的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改的，本研究共有6個(gè)項(xiàng)目。本問卷采用李克特五點(diǎn)評分法，1分表示高度同意，5分表示高度不同意。問卷的Cronbach's alpha值為0.90。批判性思維傾向問卷包括6個(gè)項(xiàng)目和一個(gè)5分的評分方案。問卷的Cronbach's alpha值為0.71，內(nèi)部一致性具有良好的可靠性。小組自我效能感問卷由7個(gè)項(xiàng)目組成，使用李克特五點(diǎn)量表，范圍1—5。問卷的Cronbach's alpha值為0.82，說明問卷是可靠的。認(rèn)知負(fù)荷問卷包括兩個(gè)維度的八個(gè)項(xiàng)目；即“心理負(fù)荷”項(xiàng)為5項(xiàng)，“心理努力”項(xiàng)為3項(xiàng)。問卷和兩個(gè)維度的Cronbach's alpha值分別為0.97和0.88。本研究的訪談問題由七個(gè)問題組成，收集學(xué)生對學(xué)習(xí)活動(dòng)的看法。將訪談內(nèi)容錄制為音頻文件進(jìn)行分析。面試問題的例子包括“這種學(xué)習(xí)方法最大的好處是什么？”“你為什么這么認(rèn)為？”“請舉例說明‘這次學(xué)習(xí)活動(dòng)的經(jīng)歷和你之前的學(xué)習(xí)經(jīng)歷有什么不同？’”

四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，采用ANCOVA（協(xié)方差分析）分別排除前測試成績和前問卷評分的影響，從不同維度考察學(xué)生的自然科學(xué)學(xué)習(xí)成績和對學(xué)習(xí)活動(dòng)的看法。

1.知識(shí)考試學(xué)習(xí)成果分析。在進(jìn)行ANCOVA分析學(xué)生學(xué)習(xí)成績之前，對兩組學(xué)生的前測試成績進(jìn)行回歸系數(shù)的同質(zhì)性檢驗(yàn)，并確認(rèn)F=1.26（p＞0.05），說明ANCOVA可以用于分析兩組學(xué)生的后測試成績。對照組的測試后得分的調(diào)整平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差為84.53和1.10，實(shí)驗(yàn)組為86.98和1.10。結(jié)果顯示（F=2.49，p＞0.05），兩組知識(shí)測試得分差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義；也就是說，AR操作指導(dǎo)系統(tǒng)對于學(xué)生在翻轉(zhuǎn)課堂中獲取知識(shí)的益處并不比傳統(tǒng)方法多。

2.分析項(xiàng)目績效。在進(jìn)行ANCOVA分析學(xué)生的項(xiàng)目表現(xiàn)之前，對兩組學(xué)生的第一個(gè)項(xiàng)目得分進(jìn)行回歸系數(shù)的同質(zhì)性檢驗(yàn)，并確認(rèn)F=0.70（p＞0.05），說明ANCOVA可以用來分析兩組學(xué)生的第二個(gè)項(xiàng)目得分。對照組第2個(gè)項(xiàng)目得分的調(diào)整平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為85.08和1.10，實(shí)驗(yàn)組為93.97和1.09。結(jié)果顯示（F=33.21，p＜0.001），兩組之間存在顯著差異；也就是說，采用AR操作指導(dǎo)系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)課堂學(xué)習(xí)方法的學(xué)生同采用傳統(tǒng)翻轉(zhuǎn)課堂學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)的學(xué)生相比，項(xiàng)目績效顯著提高。此外，η2的價(jià)值為0.43，表一個(gè)溫和的效果。

3.學(xué)習(xí)科學(xué)的動(dòng)力。在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)方面，在進(jìn)行ANCOVA分析學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)之前，對兩組學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)評分的回歸系數(shù)的同質(zhì)性進(jìn)行了測試，并確認(rèn)了F=0.01（p＞0.05），表明ANCOVA可以用來分析兩組的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)評分。對照組學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)評分的調(diào)整均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差分別為2.56和0.89，實(shí)驗(yàn)組為4.10和0.88。根據(jù)結(jié)果（F=139.00，p＜0.001），兩組之間存在顯著差異。即采用AR操作指導(dǎo)系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)課堂學(xué)習(xí)方式對提高學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)有顯著影響。η2的值為0.56，代表一個(gè)溫和的效果。

4.批判性思維傾向分析。對照組的測試前評分的平均值和標(biāo)準(zhǔn)偏差分別為3.91和0.61，實(shí)驗(yàn)組為3.36和0.35。在驗(yàn)證了F=0.401不違背回歸同質(zhì)性假設(shè)（p=0.528＞0.05）后，很明顯ANCOVA可以用于分析兩組的批判性思維等級。對照組測試后得分的調(diào)整平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差為2.59和0.11，實(shí)驗(yàn)組為4.13和0.10。結(jié)果顯示（F=95.66，p＜0.001），兩組之間存在顯著差異；也就是說，采用AR操作指導(dǎo)系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)課堂學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)的學(xué)生同采用傳統(tǒng)翻轉(zhuǎn)課堂學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)的學(xué)生相比，學(xué)習(xí)成績顯著提高。η2值為0.49，表明適度的效果。

5.群體自我效能感分析。在學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)方面，在進(jìn)行ANCOVA分析學(xué)生群體自我效能感之前，對兩組的自我效能評分進(jìn)行回歸系數(shù)的同質(zhì)性檢驗(yàn)，并確認(rèn)F=0.40（p＞0.05），表明ANCOVA可以用來分析兩組的群體自我效能評級。對照組問卷后得分的調(diào)整平均值和標(biāo)準(zhǔn)誤差為2.24和0.85，實(shí)驗(yàn)組為4.17和0.84。結(jié)果顯示（F=57.75，p＜0.001），兩組之間存在顯著差異。即采用AR操作指導(dǎo)系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)課堂學(xué)習(xí)方式能夠顯著提高學(xué)生的群體自我效能感。η2的值為0.46，表明適度的效果。

6.認(rèn)知負(fù)荷分析。為了比較使用AR操作指導(dǎo)系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)課堂學(xué)習(xí)方法和傳統(tǒng)翻轉(zhuǎn)課堂學(xué)習(xí)方法學(xué)習(xí)的學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷，采用t檢驗(yàn)檢驗(yàn)兩組的差異。對照組和實(shí)驗(yàn)組問卷后得分均值均為2.36分，兩組比較差異無統(tǒng)計(jì)學(xué)意義。

7.訪談結(jié)果。訪談以焦點(diǎn)小組的形式進(jìn)行，時(shí)長20分鐘。一組是實(shí)驗(yàn)組的5名學(xué)生，另一組是對照組的5名學(xué)生。通過分析學(xué)生的反饋，發(fā)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)組學(xué)生一般對翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)中使用AR操作指導(dǎo)方法持有三種觀點(diǎn)，也就是說，他們可以“按照自己的節(jié)奏練習(xí)”，提供“個(gè)性化指導(dǎo)操作”和“增加了感興趣的活動(dòng)”。例如，A10說：“當(dāng)老師在課堂上教我們的時(shí)候，很多步驟我都不知道該怎么做。”但是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)操作指導(dǎo)方法可以讓我再次重復(fù)這個(gè)操作。A07表示：“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)既有趣又智能。”它知道我當(dāng)前的進(jìn)度速度，并提供我需要的提示和指示。因此，實(shí)驗(yàn)組學(xué)生可以通過AR系統(tǒng)的引導(dǎo)，按照自己的進(jìn)度進(jìn)行學(xué)習(xí)。同時(shí)，在學(xué)習(xí)過程中，他們可以找到必要的步驟和技巧來幫助他們在學(xué)習(xí)過程中完成電磁馬達(dá)。

五、討論和結(jié)論

本研究提出了一種基于AR的翻轉(zhuǎn)學(xué)習(xí)系統(tǒng)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，在AR引導(dǎo)機(jī)制的幫助下，學(xué)生的學(xué)習(xí)成績，即學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、批判性思維傾向、群體自我效能感均有顯著提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果和學(xué)生訪談的結(jié)果證實(shí)一些研究人員提出的概念，即通過在學(xué)習(xí)過程中從學(xué)習(xí)系統(tǒng)中提供AR組件（文本、動(dòng)畫、圖片等），學(xué)生能夠?qū)W習(xí)課程內(nèi)容并以更有效的方式完成學(xué)習(xí)任務(wù)以及提高他們的練習(xí)技能。因此，采用AR操作指導(dǎo)系統(tǒng)的翻轉(zhuǎn)課堂學(xué)習(xí)方式能夠鼓勵(lì)學(xué)生進(jìn)行更多的互動(dòng)和練習(xí)。