系統論視域下的AR教材畫面設計研究

摘 要：AR教材面臨著實際效用與教育潛力不相匹配的現實問題，大大制約了其在教育教學領域的大規模普及。該問題根源在于畫面設計不規范。本研究將AR教材畫面視為一種“畫面系統”，從“老三論”與“新三論”的系統方法特征出發，探討了整體性、層次性、動態性、最優化、開放性、協同性、非線性、漲落性對AR教材畫面設計的啟示，指出具體的設計實踐應遵循“畫面語義融合設計→畫面語用融合設計→畫面語構融合設計”的路徑，并將“設計規則的提煉”作為下一階段的研究任務。

關鍵詞：AR教材；多媒體畫面；系統方法；設計路徑

中圖分類號：G43 文獻標志碼：A 文章編號：2096-0069（2024）01-0071-07

近年來，伴隨著新興技術的介入與驅動，教材的形態和內容表現形式不斷發生嬗變，各類數字教材噴薄而出。然而，人們發現，數字時代的紙質教材依然是主角，數字信息技術對于教材的影響并未極度彰顯 [1]。因此，如何處理好數字教材與紙質教材的關系，成為教材建設過程中不可回避的重要問題。

在若干形態的教材中，增強現實（Augmented Reality，簡稱AR）教材是通過向紙質教材的書頁或學習者的閱讀環境疊加一層虛擬信息（文字、圖片、動畫、視頻、音頻、3D模型等），并允許學習者與之互動，以增強學習者對學習內容感知和理解的新型教材。其具有“虛實融合”的特征，能將紙質教材與數字教材的優勢充分發揮出來[2]。

諸多研究表明AR教材頗具教育潛力，但同時也發現其在推廣過程中仍存在諸多障礙。其中，“畫面設計與應用脫節”是導致優質AR教材稀缺的關鍵 [3]。如何優化設計AR教材畫面，以使其更好地適應教學實際需求，是本研究著力解決的問題。

一、AR教材畫面設計面臨的挑戰

AR教材畫面是基于紙質教材而形成的AR畫面，是一種以數字化屏幕呈現的，利用圖、文、聲、像等多種視覺、聽覺媒體要素綜合表現的，將虛擬畫面與現實世界畫面按一定約束關系疊加而成的新型媒體畫面。其中，起“增強”作用的虛擬畫面可稱為“增強畫面”，即“A 畫面”；通過對現實世界的攝取而得到的畫面可稱為“現實畫面”，即“R 畫面” [4]。當前，AR教材畫面設計通常面臨如下挑戰。

（一）對教學內容缺乏關注導致AR教材畫面表征錯位

現有的AR教材畫面普遍存在“形式大于內容”的問題，無論是設計者還是使用者，都傾向于將AR教材視為一種“娛樂”工具，而非“學習”工具。具體表現為：過度強調AR教材“3D立體效果、有聲動畫、真人發音”等特征，忽視AR教材在提升學習效果方面的實際效用。

這一問題產生的原因在于設計者對教學內容缺乏足夠的關注。畫面具有“以形表義”的優勢 [5]，畫面的設計應當能準確反映教學內容并確保學習者不會產生歧義。然而，當前并未有成熟的研究說明什么類型的知識更適合用AR教材畫面來表達，設計者也往往更重視3D模型的直觀性特點，輕視了畫面與知識之間的關聯，致使學習者只記“形”不記“義”，AR教材畫面呈現出“形義分離”的狀態。

（二）對教學環境缺乏考量導致AR教材畫面信息傳遞受阻

研究發現，學習者在利用AR教材學習時，常常會出現認知超載、注意力隧道等認知負荷方面的問題 [6]，這與學習者的認知水平和畫面設計有關。但是，即使是認知水平相當的學習者，在觀看由不同設備呈現的相同畫面時產生的認知負荷也往往存在差異 [7]。

這一問題產生的原因在于設計者對教學環境缺乏全面的考量。學習者認知水平的提高離不開教育系統各要素的協同發展，AR教材畫面設計也與教學環境（教學者、學習者、媒介）息息相關。對教學環境中的影響因素考慮不足，會使得設計出的AR教材畫面帶給學習者大量無效的認知負荷，進而導致學習者無法對學習材料進行深層加工，AR教材所傳遞的信息無法準確、順利地進入學習者大腦。

（三）對教材形態缺乏認知導致AR教材畫面融合失范

AR教材畫面設計應體現AR技術的“虛實融合”“實時交互”“三維配準”三大特征，其中“虛實融合”最為重要。然而，現階段某些AR教材在設計時耗費了大量精力和財力，卻只做到了“虛實結合”，3D模型呈現出固定于屏幕而非融合于現實的效果。顯然，這與普通的三維界面差別不大。

這一問題產生的原因在于設計者對教材形態缺乏科學的認識。AR教材畫面是由虛擬畫面與現實畫面疊加而成的，二者應在時間、空間、內容、動態等方面充分關聯，僅關注一個方面或某幾個方面的片面匹配會使得AR教材所營造的情境缺乏逼真度，AR教材“虛實融合”的優勢難以得到充分發揮，不利于學習者的認知建構。

二、系統科學對AR教材畫面設計的啟示

當前AR教材畫面設計存在問題的根源在于，設計者在設計畫面時缺乏系統的觀點。何克抗先生立足于教學設計的理論和應用領域，提出可以利用系統科學的整體性、層次性、動態性、最優化、開放性、非線性、協同性和漲落性等方法特征來指導教學設計 [8]。AR教材畫面設計可視為教學設計中資源設計的重要環節，因此，從系統科學角度去探討AR教材畫面設計是有意義的。

從系統的內部規定性來看，系統是由元素集和關系集共同決定的 [9]。AR教材畫面由A畫面和R畫面疊加而成，其畫面元素包括A畫面的圖、文、聲、像、交，R畫面的景、場、交，以及A畫面與R畫面的關聯元素。A、R畫面的各元素不能彼此孤立，而應在時間、空間、內容和動態等方面進行全方位深入關聯 。從這個意義上講，可將AR教材畫面視為一種“畫面系統”。圍繞此基點，以下將從系統科學的若干方法特征來對AR教材畫面設計展開分析。

（一）AR教材畫面設計應以實現最優化為終極目標

最優化是系統方法始終追求的目標。判斷一個系統是否已達到最優，需要同時從空間維度和時間維度進行考量。理想的狀態是在空間上“部分優、整體優”，在時間上“目前優、長遠優”。這種理想狀態的達成，依賴于合理的投入與產出，即以最小的投入（比如時間投入、教學設備投入）換取最大的收獲（一定條件下教學效果的最大化） [10]，將學習者所處的始源情境高效轉化為有利于學習者獲取知識、技能和態度的目標情境。

通常來說，簡單性原則是自然界的經濟法則，而簡約設計是面向復雜性世界處理生存問題的重要實踐方案 [11]，也是獲取“高性價比”的重要途徑。AR教材畫面的簡約設計需要從主觀和客觀兩方面加以考慮。主觀上，設計需同認知經驗與人體工學相聯系，不僅關注畫面本身的簡化程度，還應關注畫面設計是否符合人的經驗圖式，以及畫面能否實現與學習者的“具身融合”。客觀上，設計應以主體所獲得的時空自由程度來權衡，不斷地優化功能、簡化操作，提升時間與空間的利用效率。

（二）AR教材畫面設計應處理好“畫面”與“元素”之間的關系

整體性是系統方法的核心。系統之所以成為系統，首先要具備整體性，即整體性原理所強調的“整體大于部分之和”。實際上，整體與部分的關系取決于部分之間是否具有協同作用，通常包括三種情況：①存在協同的相互作用：整體大于部分之和；②不存在相互作用：整體等于部分之和；③存在非協同的相互作用：整體小于部分之和。

AR教材畫面是由A畫面、R畫面以及二者的關聯元素構成的，相比一般的數字資源畫面更為復雜。這里存在兩類“整體”與“部分”的關系：一是將AR教材畫面視為“整體”，將A畫面與R畫面視為“部分”；二是將A、R畫面各視為一個“整體”，其畫面元素為各畫面的“部分”。AR教材畫面設計需要處理好這兩類關系，既要考慮各畫面元素自身的屬性，又要關注畫面元素之間的合理搭配，使得AR教材畫面形成“整體性”效應，真正具備促進學習者知識建構的功能。

（三）AR教材畫面設計應處理好“畫面”與“教學”之間的關系

層次性是系統方法的基本內容。系統是萬物存在的基本形式，系統內部的要素是系統，系統外部的環境也是系統。在層次性原理看來，一切系統內部普遍具有從大到小、從包含到被包含的等級秩序性。組成系統的要素自身也是小的系統，同時系統自身又是構成更大整體的要素。

AR教材畫面作為一個系統，也具有層次性特征。第一，AR教材畫面中的每一個畫面元素都可作為一個獨立的小系統，畫面元素所具有的屬性是該系統的要素。第二，AR教材畫面同樣可以作為更大系統的一個要素。在設計AR教材畫面時，不應該將其孤立出來，而是要在更大的教學系統范圍內，研究AR教材畫面與其他要素之間的關聯。依據系統論的觀點，教學系統包含教師、學生、教材和教學媒體四大要素 [12]，AR教材畫面作為呈現類教學媒體，應與紙質教材中的教學內容、教師、學生與媒介共同組成相互聯系、相互作用的有機整體。

（四）AR教材畫面設計應處理好內外系統間的互動關系

動態性是系統方法的另一項重要內容。任何系統都是處于不停運動變化之中的，因此，系統都具有動態性的特點。由于加入了時間軸，系統的整體性和層次性不再那么涇渭分明，而是呈現出更加復雜的圖景。一個系統可以存在整體上的運動，也可以存在要素的運動，還可以因要素運動積累的量變而最終產生整體上的質變。因此，應該以聯系和發展（而非孤立和靜止）的觀點來看待系統。

AR教材畫面內外部要素間始終存在著物質、信息和能量的交換，其設計應該追求畫面穩定性和發展性的統一。如前所述，AR教材畫面設計應處理好畫面與元素、畫面與教學之間的關系，三者互相滲透、互相制約。在信息流動方面，教學系統對AR教材畫面的設計內容、表達方式有著制約的作用，AR教材畫面限制著A畫面元素、R畫面元素以及二者關聯元素的數量和質量；在能量流動方面，則是以信息流動的反方向進行制約。因此，需重視畫面與元素、畫面與教學之間的信息反饋，及時調整出現負反饋的部分，以確保AR教材畫面的穩定性和發展性。

（五）AR教材畫面設計應提煉外部環境的核心影響因素

開放性要求系統面向環境開放，系統與外部環境之間不斷進行物質、能量及信息的交換，以便從外界獲取有序信息，抵抗自身走向熱平衡崩解的趨勢，實現“以開放求穩定”的目標。同時，系統的開放也要注意把握好開放程度的問題，完全封閉的系統缺乏發展的活力，完全開放的系統也會因缺乏自身相對于環境的邊界而不復存在。我們所追求的開放，應當是在確保系統穩定發展基礎上的適度開放。

AR教材畫面與其所處的外部環境（主要是外部教學系統）也存在千絲萬縷的聯系，我們應重視AR教材畫面的開放性，充分汲取環境中的營養來指導其設計。當然，這里也涉及“度”的問題。教材內容、教師、學生、媒介的類型與特征豐富而多樣（如學生特征包括年齡、認知水平、學習風格等），其對AR畫面設計會產生或輕或重的影響。設計者必須結合特定需求，分清主要矛盾和次要矛盾，搞清楚究竟是哪些因素對AR教材畫面設計會產生重要影響，而非不加選擇、不加過濾地讓AR教材畫面完全面向環境開放。

（六）AR教材畫面設計應遵循科學的設計規則

非線性、協同性和漲落性可以使系統從無序走向有序，逐漸趨于穩定。系統內部各組成要素（即各個子系統）之間的相互聯系、相互作用呈現非線性關系，這種非線性關系使得系統處于一種無序狀態。在協同學的支配原理作用下，系統會產生相干效應，某種內部或外部原因引起的微小擾動或漲落會被不斷放大，從而使系統從無序走向有序，最終達到一個新的穩定有序狀態，形成耗散結構。

AR教材畫面內外部要素之間因相互聯系、相互作用而形成的非線性關系多種多樣，包括AR教材畫面與學生、教師、媒介、教學內容之間的關聯，以及A畫面各元素與R畫面各元素之間的兩兩關聯等。諸多的非線性關系導致AR教材畫面設計處于一種“無章可循”的無序狀態，遵循一定的AR教材畫面設計規則，實際上就是讓AR教材畫面從“無序”走向“有序”的過程。這個過程不是一蹴而就的，而是在大量實證研究的基礎上，通過“漲落”和“協同”的作用，從個性中尋找共性，使得AR教材畫面設計規則穩定、高效地用于指導具體實踐。

綜上所述，設計AR教材畫面時，應全方位考慮畫面內外部系統之間的關聯，合理運用設計規則對畫面進行簡約化設計，從而促使學習者在觀看AR教材畫面后，學習效果達到最優。

三、AR教材畫面設計的系統實踐路徑

根據前文分析，從系統科學觀點出發，AR教材畫面設計不是孤立的過程，而是應該在全面、科學分析教學內容、教學環境等相關影響因素的基礎上，在尊重各畫面元素特性的前提下，有選擇地、有針對性地加以完成，最終形成的AR教材畫面應該符合“經濟”原則，即以最小的投入換取最優的教學效果。同時，能從大量的實踐中提煉出AR教材畫面設計規則，而這些規則又能指導、反哺后續的設計實踐，使得AR教材畫面設計始終保持相對穩定的狀態。其中，設計實踐部分應包含如圖1所示的過程。

（一）畫面語義融合設計

畫面語義融合設計，即考慮A、R畫面中各元素之間的語義邏輯關系，關注各元素與教學內容之間的匹配關系，從而形成AR教材畫面的“信息架構”。

一直以來，信息技術都被視為撬動知識教學變革的最佳支點。但同時，信息技術又是一把雙刃劍，一旦在知識教學中被過度應用，就會面臨知識被異化的風險 [13]。AR教材作為AR技術的特定應用，只對現實世界起補充作用，其畫面設計更是要處理好技術與知識之間的關系。

第一，教材知識歸類。結合課程標準的基本要求，認真梳理教材中的核心知識點（特別是重難點），依據一定的知識分類標準，將核心知識點歸屬于某種特定的知識類別。關于知識分類，教育學界通常依據知識屬性將知識分為事實性知識、概念性知識、程序性知識和元認知知識四類。L.W.安德森（L.W.Anderson）等在對本杰明·布盧姆（Benjamin Bloom）的認知教育目標分類學進行修訂時，認為上述四類知識可構成教學目標的“知識維度”，并將每一類知識細分為若干亞類 [14]。

第二，匹配知識類型。認真分析各類知識（特別是各亞類知識）的本質特征，將其與布盧姆認知教育目標分類學認知過程維度提到的“知識、領會、運用、分析、評價”相關聯，探索不同知識維度、不同認知過程的信息表達需求。結合AR教材畫面的三大特征（“空間視角”“深層交互”“具身形態”），努力回答“哪些知識點需要用AR教材畫面來表達”及“表達到何種程度”等問題。

（二）畫面語用融合設計

畫面語用融合設計，即考慮使學生通過AR教材畫面建立知識與自身的關聯，關注各畫面元素與教學環境（學生、教師、媒介）之間的匹配關系，從而形成AR教材畫面的“功能架構”。

學生是學習活動的主體。AR教材能幫助學生在已知和未知之間架設橋梁，充分考慮學生的興趣和需要，使其參與到學習活動中，體現其主體地位。AR教材的應用離不開教師因素和媒介因素的參與，而這兩類因素又能起到反哺AR教材畫面設計的作用。因此，有必要分析AR技術條件下的教師因素與媒介因素，并根據知識表達的實際需要來設計AR教材畫面。

第一，學生因素分析。影響AR教材畫面設計的學生因素包括：學生的AR使用經驗、空間能力、年齡、知識水平、學習風格等。AR教材畫面具有“空間視角”的重要特征，即畫框可以由學習者操縱并與外部世界產生相對運動，畫面內容不再受畫框比例的限制，現實世界與虛擬畫面彼此融合。因此，可將空間認知能力視作影響AR學習效果的核心因素，包括空間觀察能力、空間記憶能力、空間想象能力和空間思維能力等維度。個體的空間認知風格和空間能力之間存在一定的關系，不同的空間認知風格（界標型、路線型、整體型）會對空間視覺化能力和空間定向能力產生差異化影響 [15]。因此，學習者的空間認知風格可作為AR教材畫面設計重點考慮的因素。

第二，教師因素分析。影響AR教材畫面設計的教師因素包括：教師的AR使用態度、AR操作技能、教學方法等。AR教材畫面致力于營造良好的學習環境，通過對已有案例的分析，AR技術條件下的主流教學方法包括基于游戲的學習、基于空間位置的學習和基于問題的學習 。針對不同的教學方法，AR教材畫面設計應有不同的側重點。在實踐中，可以將AR教材與上述三種教學方法有機結合，思考如何設計AR教材畫面以適應不同的教學方法，從而優化AR教材的應用效果。

第三，媒介因素選擇。影響AR學習效果的媒介因素通常包括呈現設備類型、呈現設備屏幕尺寸、呈現設備可移動性、呈現設備可交互性等。其中，用于呈現AR效果的設備類型包括近眼式顯示設備（如頭盔顯示器）、手持式顯示設備（如智能手機、平板電腦）、固定式顯示設備（如桌面顯示器+網絡攝像頭）、投影式顯示設備（如CAVE系統）；呈現設備所支持的交互包括設備交互、肢體交互、手勢交互、語音交互和眼動交互。在實踐中，應思考不同媒介環境下AR教材畫面設計的異同，結合實際條件，選取最有益于提升AR學習效果的媒介環境。

（三）畫面語構融合設計

畫面語構融合設計，即考慮在A、R畫面疊加之后，能使學生獲得良好的知覺體驗，關注A、R畫面中各元素之間的匹配關系，從而實現AR教材畫面的“知覺表達”。

前期研究發現，“注釋設計”和“交互設計”是AR教材設計常用的類型，即強調對“A畫面內容”及“A、R畫面交互”的設計。A畫面包括圖、文、聲、像等元素，每一類元素都可視為一種符號。系統觀認為，符號是信息與意義共同的載體和物質外殼，人類通過符號表達意義，物質與能量則通過符號實現信息的傳遞與反饋。信息對應于客觀事件，是符號的科學范式表達；意義則對應于主觀對象，是符號的人文范式表達 [16]。設計AR教材畫面時，既要關注所表達知識蘊含的信息，又要考慮學生從畫面元素所獲得的知覺體驗。

第一，畫面關聯匹配。AR教材畫面是由A畫面和R畫面疊加而成的一種“合成畫面”。A、R畫面在學習者的大腦中可作為兩個不同的輸入空間，當二者中的元素能產生穩固聯系時，就能向合成空間映射大量的有效元素，促進AR教材畫面中“新創”結構的形成。因此，應關注A、R畫面之間的內在關聯，包括時間關聯、空間關聯、內容關聯以及動態關聯。

第二，畫面元素選擇。AR教材畫面設計需選擇合適的元素來實現關聯匹配的目的，其中A畫面元素的選擇是重點。在A畫面中，通常可以呈現文字、圖形、聲音、視頻、動畫等媒體信息，在此環節需結合R畫面的內容來選擇A畫面的元素，既可選擇單元素，也可選擇多種元素的組合。

第三，元素屬性設置。屬性是元素的靜態特征，用于對元素進行描述。比如，“聲”的屬性包括音色、語調、速度、節奏、韻律、力度、長短等。AR教材畫面中，3D模型是一類特殊的元素，其靜態部分屬于“圖”的范疇，其動態部分又可歸屬至“像”的類別。3D模型通常是以一定的原型（即客觀存在的對象客體）為依據來設計的，需要對觀念因素（點、線、面、體）、視覺因素（形狀、色彩、肌理、大小）及條件因素（數量、方位、動靜、光線）的屬性進行全方位設置，以保證3D模型盡可能還原客觀事物，對教材知識準確表達。

第四，畫面組接形成。畫面的組接功能可以使有限的屏幕畫面條理化，給工作區留出較為寬裕的空間。AR教材畫面主要通過“交互”功能來實現畫面的組接，從而幫助學習者有效控制教學過程，最大程度地發揮其主觀能動性。AR教材畫面中常見的交互方式包括：用于組接A畫面的導航、按鈕、超鏈接、自然交互（手勢等），以及用于組接R畫面的鏡頭操縱（推、拉、搖、移、升、降、跟等）。設計AR教材畫面時，需明確各交互方式的特征及適用領域，結合實際需求，確保畫面組接自然、流暢、合理。

四、結語

以系統觀點來審視AR教材畫面的設計問題，有助于解決AR教材當前存在的諸多問題，具有實踐意義。系統科學的方法特征（整體性、層次性、動態性、最優化、開放性、非線性、協同性、漲落性）為AR教材畫面的設計路徑提供了啟示，即應遵循“畫面語義融合設計→畫面語用融合設計→畫面語構融合設計”的基本思路。然而，對于AR教材設計者來說，需要了解的不僅僅是設計的步驟，更應包括AR教材畫面設計所需遵循的規則。規則實際上反映了現象背后的本質規律，規則需要在大量設計實踐的基礎上提煉得出，而這正是我們未來的重點研究內容。

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（責任編輯 李強）

Research on the Screen Design of AR Teaching Materials in the Perspective of System Theory

Liu Xiao， Wang Zhijun

（Faculty of Education， Tianjin Normal University， Tianjin， China 300387）

Abstract： AR teaching materials are facing the problem of mismatch between practical utility and educational potential， which greatly restricts their large-scale popularity in the field of education and teaching， and this problem is rooted in the irregular screen design. Based on the characteristics of the system approach of the “old three theories” and the “new three theories”， this study regards the AR textbook screen as a kind of “screen system”， and discusses the inspirations of eight factors， namely， the integrality， hierarchy， variability， optimization， openness， cooperativity， nonlinearity and fluctuation， on the screen design of AR teaching materials. It is pointed out that the specific design practice should follow the path of “screen semantic fusion design→screen semantic fusion design→screen semantic fusion design”， and take the “refinement of design rules” as the next stage of the design process.

Key words： AR textbook; Multimedia screen; Systematic approach; Design path