增强现实技术在教育应用中的文献研究—基于2008—2017年中文期刊的可视化分析

李 涵,王 娟

江苏师范大学智慧教育学院,江苏 徐州 221116

知识经济时代,培养具有高素质和创造型人才的智慧教育得到世界各国高度重视。智慧教育的发展需创设智慧学习环境,实现虚实环境融合,促进学习者轻松、投入和有效的学习[1]。随着人工智能、虚拟现实、增强现实与大数据等新兴技术的快速发展,传统学习空间已无法满足学习者的需求。能无缝连接虚实环境,为学习者提供沉浸式人机、人人交互,实现情景化教学、泛在学习、个性化的学习空间得到越来越多的关注。

在众多新兴技术中,增强现实技术(augmented reality,简称AR)与教育结合紧密。目前,增强现实技术主要应用于娱乐领域(如影视和游戏),体现出强大的情境生成功能。该研究借助知识图谱可视化分析技术,采用定量分析与定性分析方法,探究增强现实技术在教育领域的研究现状,揭示增强现实技术与学习空间的联系,明晰增强现实技术支持学习空间构建的作用,以便架起两者融合的桥梁,提供个性化的学习支持和服务。

1 概念界定

增强现实(augmented reality)一词最早在1990年提出。1994年Milgram等认为增强现实有着狭义和广义两种概念:狭义定义为“是一种参与者戴着头盔显示器以清晰看到真实世界的虚拟现实的形式”;广义定义为“用模拟线索增强自然场景并反馈给操作者”[2];1997年Azuma等提出并至今仍获得广泛公认的增强现实三种特性:虚实结合、实时交互以及三维配准[3];2008年Klopfer从技术效果角度分析,认为增强现实不仅是一种科学技术,也是把真实和虚拟进行有意义融合的方式[4]。因此,该研究将增强现实界定为:使用多种计算机技术,将虚拟情境有意义地融入真实世界,使人们获得源于现实却超越现实的视、听、触等多方面感官的体验。

2 研究方案设计

2.1 研究工具

该研究采用CiteSpace V软件对国内近十年来关于增强现实技术在教育应用的期刊文献进行可视化分析,重点关注增强现实技术在教育中的应用,探究增强现实技术如何支撑学习空间的创设。CiteSpace软件是由美国德雷塞大学信息科学与技术学院陈超美教授研发的一款专门用于学术文献分析的信息可视化工具,适用于多元、复杂的网络分析,可用于探测某领域热点主题的前沿变化趋势与知识基础之间的相互关系,生成相应的知识图谱[5]。

2.2 数据来源与研究方法

由于增强现实技术的教育应用在国内开始时间较晚,早期研究文献极少,因此该研究选取2008年1月—2017年12月间关于增强现实技术教育应用的中文期刊文献作为研究数据,以中国知网(CNKI)数据库作为数据来源。在CNKI中选择“高级检索”方式,检索条件为“增强现实&教育”“增强现实&教学”“增强现实&学习”“增强现实 &课程”“增强现实&学校”,同时以“AR&教育”“AR&教学”“AR&学习”“AR&课程”“AR&学校”为检索条件进行第二轮检索。通过人工筛选,排除会议报道、会议通知、期刊征稿启事、卷首语等,共获得226篇有效期刊文献,包括作者、标题、摘要、关键词、作者单位、参考文献等字段信息。因此,研究以226篇期刊文献作为研究数据,从CNKI数据库导出和格式转换。

文章研究思路为:首先,采用CNKI系统的统计功能,统计2008—2017年增强现实技术教育应用的期刊文献年发文量,明晰增强现实技术在教育领域研究的发展趋势;其次,利用CiteSpace V对文献数据进行关键词词频统计及中心度统计和关键词共现聚类知识图谱可视化分析,用定性分析对可视化图谱进行描述,以揭示该领域的研究热点和研究前沿,探寻合理的支点去架构增强现实技术与教育融合的桥梁;最后,利用CiteSpace V的统计分析功能对文献数据进行研究机构知识图谱分析、关键词时序图谱分析,以探究国内增强现实技术教育应用研究机构的现状和研究内容的变化。

3 研究知识图谱分析

3.1 期刊发文量分析

为探究增强现实技术教育应用的发展水平和预测未来发展趋势,该研究对2008—2017年间增强现实技术教育应用的期刊年发文量进行统计和分析,所得可视化图表如图1所示。由图1可知,2012年之前增强现实技术在教育领域的研究较少,期刊发文量一直处于10篇及以下,这源于增强现实技术定义模糊与技术发展不成熟,没有引起国内教育研究者注意;2013—2015年,增强现实技术教育应用处于萌芽状态,期刊发文量缓慢增长,表明国内学者注意到增强现实技术教育应用的潜能,开始进行初步的分析和探讨;2016—2017年,期刊发文量呈现出飞速增长态势,这一方面由于增强现实技术的逐渐完善与教育支持特性引起国内教育研究学者的兴趣,《地平线报告》多次将增强现实技术列为影响未来教育的新兴技术,另一方面是因为2016年作为“VR元年”,虚拟现实技术在各领域引起研究热潮,同时带动人们对于增强现实技术的研究热情。由此可见,增强现实技术在教育领域属于新兴技术,关于增强现实技术如何应用于教育领域的研究现处于起步时期并将进入快速发展阶段,未来几年相关研究将逐渐增多并产出更多实质性成果。

图1 2008—2017年国内增强现实技术在教育领域应用的期刊载文分布图

3.2 研究内容分析

关键词共现聚类图谱分析有助于发现增强现实技术在教育领域的知识网络关系,挖掘增强现实技术教育研究的核心知识节点,展示当前研究热点主题,揭示增强现实技术对于学习空间的支撑作用[6]。该研究使用CiteSpace V软件对文献进行关键词的共词频次和中心度数据统计与基于关键词的共现聚类知识图谱分析(如表1、图2所示)。

表1 文献共词频次和中心度一览表

图2 关键词共现聚类知识图谱

对增强现实技术在教育应用的关键词进行文献共词频次和中心度统计,从表1中提取高相关性的关键词节点进行分析:首先,是出现频次首位的“增强现实”以及关键词“混合现实”“虚拟仿真”和“接合自然”,揭示增强现实技术在学习空间最基础的应用是拓展传统的物理学习空间,为学习者提供动态、虚实结合的情境体验;其次,是关键词“移动学习”“教育游戏”“泛在学习”“混合式学习”和“非正式学习”,说明增强现实技术不仅支持课堂等正式学习空间,而且在校外、户外等非正式学习空间同样可以提供良好的学习空间和学习体验,并促进正式学习空间和非正式学习空间有机融合;最后,是关键词“具身认知”“职业教育”“学习情境”“智慧学习环境”,表明增强现实技术构建的学习空间具有动态交互特性,支持多感官体验的具身认知式学习,提供交互式情景学习,有利于操作类隐性知识的学习。

在关键词共现聚类知识图谱中,圆形被定义为节点,代表某一关键词出现的频次,节点越大说明该关键词出现频次越多也就越重要。结合文献梳理,对关键词共现聚类知识图谱(如图2所示)进行定性分析:

①节点“混合式学习”与“接合自然”表明增强现实技术对学习空间具有扩展作用。增强现实技术的运用为传统课堂学习中空间狭小与缺乏真实情景支持等问题提供了解决路径,营造了源于真实空间却超越真实空间的混合现实型学习空间。

②节点“具身认知”和“学习情境”体现出增强现实技术促进学习空间中的深度学习。学习者在虚实融合的学习空间中看到虚拟物体并听到模拟音效,与虚拟物体动态交互,实现多感官体验的学习认知,改善学习体验。增强现实技术为教育领域提供了一种安全、低成本、便捷的交互学习模式,与虚拟物体交互过程中加深学习者对教学内容的理解,帮助学习者内化以自身经验为基础的隐性知识[7]。

③节点“移动学习”“非正式学习”与“泛在学习”指出增强现实技术支持泛在学习。增强现实技术为泛在学习提供全新的学习体验,不同于虚拟现实所需的头戴设备和手持设备,增强现实技术只需具有摄像头的设备便可以生成虚拟物体,具有便捷性和移动性,适用于非正式学习空间。目前,增强现实技术已在移动学习、教育游戏以及场馆学习方面产生良好的学习效果。如在移动学习方面,谷歌的星空地图APP为学习者了解星空知识带来全新方式。

3.3 研究机构分析

研究机构作为增强现实技术教育应用的主要研究来源和知识创新的动力,具有重要的研究导向作用,研究机构的发文量和各研究机构间的合作关系可表征研究中心分布和知识流动状况[6]。为探究增强现实技术教育应用的研究机构分布和信息流动,该研究使用CiteSpace V软件对期刊文献的研究机构进行知识图谱共现聚类分析,时间跨度设置为2008—2017年,分析结点类型设置为“机构”,进行数据统计和可视化分析的结果如表2所示和图3所示。

表2 国内前十位增强现实技术教育应用的机构发文量统计表

图3 国内增强现实技术教育应用的研究机构图谱

由表2分析可知,华东师范大学教育信息技术学系处于第一位,发文量为6篇,显示出华东师范大学教育信息技术学系在增强现实技术教育应用研究领域处于国内领先地位,且已有一定的研究积累。其次,是北京师范大学教育技术学院和山西师范大学教育技术与传媒学院发文量各为3篇。北京师范大学教育技术学院和山西师范大学教育技术与传媒学院相比于排名靠后的研究机构在发文量的差距不大,表明国内多数研究机构对增强现实技术应用于教育处于研究起步阶段,增强现实技术在教育领域的运用具有巨大的潜能需要被发掘。此外,表2还显示,增强现实技术教育应用研究多存在于科研与经济实力较为雄厚的高校,如华东师范大学和北京师范大学等,表明增强现实技术的教育应用研究需要相关技术设备的支持,部分高校由于缺乏相应设备和实验资金而无法进行研究。

由国内增强现实技术教育应用的研究机构图谱(如图3所示)可知国内研究机构处于独立研究状态。各高校虽然纷纷开展增强现实技术教育应用的相关研究,但各高校缺乏相关学术交流,未能形成交互网络。此外,由图3可见,只有成都职业技术学院与重庆威视真科技有限公司及重庆万州区小周初级中学、河南理工大学和鹤壁汽车工程职业学院进行了地域性的校企、校校合作。大部分高校未能开展与企业的合作,高校研究欠缺企业相关技术的支持和实践场所,企业缺乏高校相应理论的指导,造成高校研究与社会需求脱节以及企业产品不适用等问题。

3.4 研究发展趋势分析

为探究增强现实技术在教育领域研究的阶段性发展情况,使用CiteSpace V对文献进行关键词时序图谱分析,时间段选择为一年,结果如图4所示。图4最上面的色标为年代色标,不同的颜色代表不同的年份并对应下方的关键词。

图4 增强现实技术研究方向关键词时序图谱

由图4可知,国内增强现实技术的发展大体分为三个阶段,每个阶段有着不同的关键词聚类:第一阶段为2008—2013年,结合图1可知增强现实技术未引起教育领域的注意,该阶段增强现实技术仅作为一种新型教学工具,初步应用于“智慧学习环境”建构、“教育游戏”和生成“学习资源”等方向,主要用于辅助教学以及使用增强现实技术支持“移动学习”“泛在学习”等非正式的学习方式。第二阶段为2014—2016年,是增强现实技术教育应用的萌芽阶段,开始探究增强现实技术的教育价值与背后所蕴含的教育理念。如增强现实技术提供的多感官体验式学习方式契合“具身认知”理论、增强现实技术促进学习者主动进行知识的建构等,该阶段尝试把增强现实技术作为教学环节融入课堂教学中,如关键词“教育应用”“信息化教学”和“混合式学习”。第三阶段为2017年,增强现实技术教育研究飞速增长,研究方向呈现出多种态势,该阶段关键词为“课堂教学”“教学应用”“学习环境”“课程设计”等,表明具有从研究理论层面转变为研究教学设计的发展趋势,研究者开始尝试把增强现实技术作为一种教学方式实践研究。

4 研究结论

研究以中国知网(CNKI)数据库为信息源,基于文献统计和知识图谱可视化分析方法,对增强现实技术在教育领域进行期刊年发文量统计(如图1所示)、关键词共现聚类知识图谱分析和关键词词频统计及中心度统计(如图2、表1所示)、研究机构合作知识图谱分析和研究机构发文量统计(如图3、表2所示)以及关键词时序知识图谱分析(如图4所示),采用定量分析和定性分析相结合的方法对研究进行总结:

①增强现实技术(AR)具有较好的教育适应性,避免学习者在虚拟场景与真实场景转化的不适感,使学习者多感官参与并且激发学习者主动探究知识的动力。目前,国内增强现实技术教育应用的研究处于快速发展阶段,研究者的关注逐渐增加,期刊文献呈现上升趋势,可以预测在未来几年增强现实技术教育研究将爆发式增长,成为研究热点。

②在研究内容方面,增强现实技术最基础的功能是营造混合式学习空间,将虚拟学习空间和真实学习空间无缝连接,为学习者提供源于真实却超越真实的学习体验。此外,增强现实技术以建构主义为理论基础,契合多种学习理念(如知识建构、具身认知以及情景学习等)。学习者与虚拟物体实时交互,学习者全身心投入学习活动,颠覆传统学习者的认知方式,拓宽学习者的认知途径。以主动探究和有意义学习为实施路径,培养学习者的高阶思维能力并促进深度学习。增强现实技术也支持泛在学习,为户外学习和场馆学习等非正式学习方式提供技术支撑。

③在研究机构方面,国内经济发展较好地区的一流高校,如华东师范大学和北京师范大学,由于文化底蕴深厚和支持资金、技术充足,在增强现实技术方面的研究起步早、且研究丰富。从研究机构知识图谱分析,可以看出国内增强现实技术研究机构处于各自独立的研究状态,各研究机构间应加强交流与合作。尤其是研究积累丰富的高校机构要发挥带头作用,积极引导和促进国内研究机构形成交互网络,实现研究成果的共建共享。另外,各研究机构要加强与社会企业的合作,了解社会需求,真正实现科研成果的研以致用。

④在研究发展方向上,经历从增强现实技术概念辨析到建构增强现实技术教育应用理论依据,再到探究增强现实技术教育应用模式等三个阶段。当前,增强现实技术的教育研究呈现出多元化,研究方向有“职业教育”“学习环境”“混合式学习”以及“儿童教育”等。研究方式逐渐科学化,以理论为指导探究增强现实技术的教育应用模式,注重基于数据的实证研究或定量的实验研究,使增强现实技术真正在教育领域发挥功效。

5 研究思考

通过使用CiteSpace V对国内2008—2017年间增强现实技术在教育应用的文献进行年发文量统计、关键词共现聚类知识图谱分析、研究机构知识图谱分析以及关键词时序知识图谱分析,并通过二次文献法对案例梳理,采用定量分析和定性分析相结合的方法,探究国内增强现实技术的研究现状和发展趋势,有助于探索我国增强现实技术教育应用的研究方向和发展路径,对国内增强现实技术构建学习空间具有重要参考价值。研究指出,增强现实技术作为一种不断完善的新兴技术,契合教育信息化时代下多种教育理念,可以应用于多种创新性的学习方式,包括游戏学习、探究学习和协作学习,同时也支持移动学习、场馆学习等非正式学习空间的学习方式[8]。增强现实技术以其虚实结合、实时交互与精准三维配准等特性,提升学习者动机,极大地增强课堂的教学效果,改善学习体验,展现出巨大的教育应用潜能。但国内对增强现实技术在教育领域的研究仍存在缺陷,如研究内容模糊不清、研究缺乏教学模式和教学策略探讨、研究机构间合作度低等。要将增强现实技术真正用于教育领域,还需要集中计算机技术、教育教学及政策推动,去克服上述的诸多问题,将虚拟与真实空间的边界打破,将增强现实技术视作教学概念而非具体的技术或者设备,使增强现实技术自然融入学习空间,如同空气和阳光一样作为空间构成要素存在[9]。