增强现实课堂的学习活动与动机激发策略研究

孟晨 李利 沈晓茜

摘  要：研究者运用视频分析方法，从学习活动设计和学习动机激发的角度，对增强现实（AR）技术支持的一节小学科学课进行个案研究。研究发现：AR技术创设出的独特的基于“感知-行动”具身学习环境，很好地支持了学生参与的学习活动。结合AR技术自身的优势，并运用基于ARCS模型的学习动机策略进行教学设计，优化了课堂教学效果。

关键词：AR技术;视频分析法;ARCS动机模型;增强现实技术;小学科学

中图分类号：G434        文献标志码：A         文章编号：1673-8454（2019）10-0036-06

一、问题提出

增强现实（Augmented Reality，简称AR）技术，作为整合联结虚拟数字教学资源和现实空间世界的一种有效技术，是虚拟现实技术的延伸。[1]它可以用来模拟对象，让学生在现实环境背景中看到虚拟生成的模型对象。[1]增强现实允许用户看到真实世界以及融合于真实世界之中的虚拟对象，因此增强现实是“增强”了现实中的体验，而不是替代现实，它能在最贴近自然的交互形式下为学生搭建一个自主探索的空间。[2]该技术所具有的沉浸性、交互性、构想性、夸张性和社会性等特征，使其在教育领域的应用具有独特的优势。[3]

蔡苏[1]认为，AR对教学的支持主要体现在将抽象的内容可视化、形象化，在融合的情境中，提升学生的存在感、直觉和专注度以及自然交互的方式等。显然，在AR技术支持的课堂教学中，需要充分发挥这些优势，进行学习活动的设计。另外，AR技术对学生的学习动机激发有着天然的优势。学习动机作为有效教学的重要因素之一，它不仅是组织和调节学生学习的心理动因，还是直接推动学生学习活动的内部动力。[4]因此，在增强现实支持的课堂教学中，技术的使用、技术支持的学习活动，都应该将学习动机的激发与维持纳入到重要的考虑范畴中。本研究尝试以苏州教育学会首批AR试点学校开展的小学科学AR课研究实践为依托，通过一个典型案例，尝试对基于AR技术的课堂学习活动设计和动机激发策略进行分析，以期对AR技术更好地支持课堂教学做出贡献。

二、研究思路与方法

增强现实作为一种“具身效应”显著的新型教学媒体，如何与传统媒体相配合，支持课堂的学习活动设计？这是我们首先关注的问题。研究首先对课堂如何基于AR设计相应的教学活动进行分析，考察技术的作用。在此基础上，基于ARCS动机模型分析教学活动背后蕴含的动机策略。

本研究选择了一节基于AR和智慧教室环境支持的小学三年级校本科学课《恐龙》，采用教学视频分析的方法，将质性与量化研究相结合，既从宏观角度把握整个教学架构全景，又从细微处分析教师的教学设计、学习活动以及学习动机策略的运用带来的课堂学习结果。首先，将课堂视频导入到Nvivo软件中，根据孙众提出的以课堂基本活动作为视频分析的基本单元[5]的方法，以最小意义单元为一个单位，对教学视频进行切片分析，时长为42min的视频被切分成60个片段。然后，通过反复观察每一个视频片段，把课堂中教与学的过程记录下来。继而通过对教学活动中的技术使用进行编码，考察在教学活动中AR的使用状况;并通过基于ARCS动机模型的动机策略编码，分析动机策略的应用情况。质性分析部分，主要是通过对典型的AR技术支持的教学活动进行内容分析，对活动中应用的动机激发策略进行概括、归纳，以便进一步深度分析AR技术支持的动机策略激发及效果。

三、AR课堂中技术使用状态

1.AR课堂教学过程

本节课为小学科学课《恐龙》，教师利用AR技术支持的4D梦想课堂平台和4D书城软件呈现典型的恐龙骨架，营造恐龙的生活场景，借助现场网络环境，运用多个屏幕以及学生平板电脑，实现现实与虚拟场景的互动。通过初步观察，课堂气氛轻松、活泼，学生的参与积极性高。具体课堂教学过程和课堂任务分析见表1和表2。

2.AR課堂教学媒体

在整体把握了课堂教学过程的基础上，研究者通过视频切片，对教师和学生在AR恐龙课堂使用的教育技术进行节点编码，同时记录相应时长，然后对其进行意义聚类，得出教师和学生在AR课堂中关于教育技术使用概况的数据（见表3和图1）。

表3和图1中的数据反映了本节课教育技术应用的整体情况。AR技术在本节课的教育技术使用（教师AR+学生AR）节点比重为72%，使用时长比为78%，占比较大，技术主导地位明显。师生的技术应用分析显示，教师使用占比最高的还是传统的图文展示（50%），教师在课堂中使用了4次AR技术，主要目的是示范任务，占教师教学时长比32%;学生使用技术（55%）略高于教师（45%），且从技术使用时长比看，学生使用技术时长（74%）远远超过教师（26%），其主要活动为运用AR技术支持模拟探究、小组讨论汇报、制作基于AR媒体的4D电子书以及AR支持的体验活动（抓恐龙、喂恐龙）。

由此可见，相对于基于传统媒体的教学，AR技术及智慧教学环境的支持强化了学生的参与。学生“用技术学习”（Learn with Technology）成为课堂的主要活动。Squire 和 Klopfer指出，让学生在真实空间中玩虚拟游戏，能够提升学生对环境的感知，能够促使他们结合所有环境因素做出明智的决定。[6]本节课中，学生在虚拟环境支持下，通过自主选择、控制学习资源进行模拟考古探究和体验活动，相比传统媒体（如图片）支持下的角色扮演活动，学生在具身环境下的观察更加细致，观点表述时有更多的论据支持。另外，在AR相关软件及平板电脑的支持下，本节课设计了“思维外显”的学习任务，即通过信息整理、组织和多元化表述，完成关于恐龙介绍的“电子书”制作任务。这一活动的设计，使学生在AR技术环境下获得的感知和直觉行动，经过思维的深度加工，产生了深度学习的“学习效能”。与一般智慧教室中学生使用平板电脑进行的学习活动相比，整合了AR技术（4D书城）的本课堂中，平板电脑不仅只是提交答案的工具，而且成为学生进行创作表达、交流展示和体验学习的认知工具。

四、AR技术应用的动机激发策略分析

1.编码设计

ARCS动机设计模式是由美国南弗罗里达大学的心理学教授凯勒（Keller）提出的。该模式认为，影响学生学习动机的因素有四类：注意（Attention）、切身性（Relevance）、自信心（Confidence）、满足感（Satisfaction）。[7]具体解读如下：A（注意）：动机主体首先会注意自己感兴趣的事物或行为;R（关联）：如果动机主体找到了所注意到的对象与自己的预期目标之间的关联性，动机则得以维持;C（自信）：当动机主体认为自己具备足够的认知与实践准备，相信自己能够利用所注意到的对象达到自己的预期目标，并且能够在实践过程中得到适当的支持，动机则得以继续维持;S（满足）：当动机主体最终实现了预期目标，体验到成功带来的满足感，则动机会得以长效的维持。学习动机的激发是一个教师充分应用教学各类要素（教学内容的设计、教学媒体的表现、教学语言的艺术表达、教学活动的设计等）进行的一种系统化的设计。凯勒的动机模型中的22个二级策略也涵盖了以上诸方面。但是，由于本文重点考察基于AR媒体的学习动机激发策略，考虑到其22个二级策略中有个别与AR媒体的使用缺乏关联度（例如，A：幽默，指向课堂语言表达;R：当前价值、未来价值，指向教学内容的价值性），因此，笔者对凯勒的动机策略模型的22个二级策略进行筛选，形成了针对AR媒体应用分析的编码方案（见表4），新的编码表主要由4 个一级策略和11个二级策略组成。

编码由两名研究人员完成，笔者完成第一轮编码后，邀请另外一位研究人员对该节课进行观察与编码（提供给该研究生课堂观察记录，但不提供编码结果），然后对两者的编码进行比较。对于不一致之处，再邀请另外一名研究人员进行编码，最终确定不合理编码5处，并进行了修订。

2.数据分析

通过对表4中的课堂编码进行整理归类，得到表5中的AR视频ARCS编码数据。

从一级策略来看，使用最多的是A类（注意）策略，使用次数为95次，占比52.2%;其次是R类（关联）策略，使用次数为37次;C类（自信）和S类（满足）策略使用次数相同，均为25次。从二级策略来看，11个二级策略都被使用，其中A1（具体化）使用最多，使用了32次;A4（参与）和R3（提供选择）被使用相对较多，次数均为29次;还有A3（探究）、C2（自信）和S1（自然结果）使用次数也超过了20次。对ARCS策略的归类分析显示：AR对A（注意）策略的支持显著，其二级策略中有三个策略的节点数在20以上，分别是A1（具体化）、A3（探究）、A4（参与）。R（关联）、C（自信）、S（满足）策略的使用分别为20.3%、13.7%、13.7%。

3.AR课堂活动的内容分析

以下，研究者选择典型的课堂AR支持活动，对其所内含的动机策略进行质性分析。重点探讨经由注意策略激发的学习动机如何通过“关联”“自信”和“满足”策略的实施得以持续维持。本节课由本文作者之一沈晓茜老师主讲。

（1）AR课堂活动：观察恐龙骨骼

在观察恐龙3D骨骼之前，沈老师先通过让学生观察恐龙牙齿图片进行推测，激发学生学习动机。通过这一前一后的教育技术的变化，维持了学生的学习动机。在进行小组讨论之前，沈老师利用Pad同屏简单地做了一个AR演示（T代表老师，S代表学生）

T：在你们的电子书里有两具恐龙骨骼，每个小组选择一种，点开以后，你们面前就出现了什么啊？（S：恐龙骨骼）。你可以先整体旋转它观察它的整体构造，也可以选择局部的，把它放大了看一看它局部的构造，仔细观察交流一下你们的发现，做出一些合理的推测，好吗？

从沈老师的提示中可以得知，与传统图片不同的是，AR技术模拟的3D恐龙骨骼在移动终端平板的支持下，可以实现360度旋转和放大缩小的操作，进而让学生的观察更加细致深入。通过屏幕互动和小组协作，学生在知觉被激活的同时，探究欲望也随之强烈。

在小组讨论结束之后，沈老师要求进行小组汇报，并且由两位小组成员合作完成，下面是第一小组的汇报记录，主要觀察的骨骼是三角龙。

S1：（一个学生在白板上指，另一个学生操作Pad）你们看这个三角龙的牙齿很平，我能推测它是食草性恐龙，放大脚部（骨骼）。

S1：它有三根脚趾（其他学生纠正说是四根）。

T：哦，你的组员帮你纠正了啊，没关系，继续。

S1：不是四只，要调到头部。

T：你按照他的要求调到头部。

S1：这边有一个角估计是被别人弄伤了。

T：弄伤的，你怎么推测他这个角是被人家弄伤的？

S1：因为这边有个凹的。

T：凹的，你觉得原来可能有一个角被弄伤了，这是你的推测，很好。

S1：尾巴，它的尾巴很长……

T：为什么它的尾巴可以攻击别人？

S1：因为尾巴很长，可以甩到别人。

T：哦，很长的尾巴，说不定能攻击别人，这个推测也很棒，其他小组有没有要补充的？

S1：在这边还有一个头盾。

T：你指在这边，好的，有没有小组要补充这个恐龙骨架，你的发现？

S（其他）：它的那个头部有点像扇子。

T：像扇子，很好，还有要补充的吗？没有啦，好，这个小组观察得仔不仔细啊？

S（全）：仔细（齐声）！

T：掌声给他们这一小组！

从第一小组的汇报记录中可以看到，整个过程以学生为主，沈老师的言语支持主要是及时反馈有用的信息给学生，并在适当的时候给予鼓励性的评价。这一活动主要是通过学生的表达交流促进其思维外显。三年级的学生在完整的逻辑表达方面还存在欠缺，通过充分发挥学习伙伴的作用，可以增强学生的自信心和满足感。因此，在利用AR展示交流时，沈老师要求两个学生合作完成，需要一个学生进行独立演讲，另一个学生完成技术配合操作，锻炼学生逻辑表达能力的同时，也鼓励学生在实际情境中使用新的技能，培养其技术素养。面对学生的错误表达，沈老师首先想到的是其他学生的纠正和补充，而不是自己“知识权威”的地位。利用AR技术进行观察，可以充分激发学生的想象力，产生不寻常的联想和比喻，比如有的学生将三角龙头部的环状物与现实生活中的扇子进行类比。

下一环节，第二组学生进行展示，该小组观察研究的是副栉龙的骨骼。

T：好，来这一组，你来操作，那我们请许同学来说，你们观察的是另一具骨架。

S2：先放头，放大到牙齿。它的牙齿很平，是锯齿状的，所以可以推测它是食草的。

T：你现在是小主角儿，可以面向大家说，食草性的，还有发现吗？

S2：它的头上有个像鸡冠一样的（栉）。

T：哦，有同学补充了，叫栉是吧，你的课外知识很丰富，还有发现吗？

S2：放脚，它有三根脚趾。

T：观察得很仔细啊，跟刚刚那具恐龙不太一样是吧，还有发现吗？

S2：放尾巴，它的尾巴很长，可以攻击别人。

T：这也是你的推测是吧，它也可以攻击别人。

显然，第二小组的默契度比第一小组略高，通过使用AR技术，学生的观察切换自如，从头部放大到牙齿再到头部，从脚部再到尾巴等。学生在推测时，能从锯齿状的牙齿推测食性，能清晰看到它有三根脚趾，能看到像鸡冠一样的栉，还能通过长长的尾巴推测它是如何袭击别人。AR直观的视觉刺激背后，留下的是学生的思考和好奇心。第三小组是对第二小组的补充。

T：好的，有没有其他小组要上来补充的？好，上来，也是一个人操作，一个人解说。

S3：我们刚才数了一下，它有13根肋骨。

T：哇，数的很仔细啊，是不是很棒啊他们，然后呢？

S3：然后它这边有这个，不知道是什么东西，从这边开始到这边，尾巴上也有。

T：这个小组观察得很仔细，他们说脖子和尾巴上面都有一些小小的一排排的，他们也不知道是什么，有没有同学可以帮他解释一下？推测推测，你说！

S（其他）：叫骨刺。

T：骨刺，哦，这是你课外看到的啊？（该学生点头）课外知识很丰富。这个小组是不是观察得更仔细了？连这么小的细节都看到了，我们掌声给他们！

第三小组的观察更加细致入微，他们数出副栉龙有13根肋骨，并且发现副栉龙身上有好多一排一排的小骨刺，这正是AR技术支持下的观察应该有的深度和独特之处。在整个AR活动中，教师充分发挥主导作用，将课堂交给学生，学生在进行小组交流时可以畅所欲言。运用了AR技术的小组讨论，能充分调动学生自主学习的积极性，给学生提供满足他们好奇心和求知欲的探究任务，增强课堂环节的多变性，将现实与虚拟世界联结，支持学生无限的想象空间。

由以上质性分析可总结出该教学活动的AR教学策略示例图，如图2所示。

4.ARCS的策略联动使用

ARCS模型各个策略的展开传递出两个核心理念：①注意力的提升是动机激发的关键点;②动机的维持比激发更重要。维持动机是促进持续学习、高效学习的重要条件。也就是说A（注意）策略激发的兴趣还需借助于R（关联）、C（自信）、S（满足）策略使用的联动支持。以下，我们结合视频观察，对本节课的ARCS策略联动使用进行具体分析（见图3）。

量化数据已经显示，本节课的注意激发策略使用最多。A（注意）策略指向学生好奇心的激发，这与AR技术的支持有很大关系。首先，AR技术的优势首先在于“知觉激活”，直接体现在对A1（具体化）、A4（参与）策略的支持上。通过AR，将抽象的内容可视化、形象化，是一种对“具体化”的支持;同时，能给学生提供一种沉浸式的学习互动空间，激发学生的存在感，通过激发参与者的知觉反应增强了学生的学习参与，体现出对A4（参与）策略的支持。本课中，AR技术呈现的恐龙骨骼和3D恐龙真实、具体地呈现了恐龙的形态，并且允许学生对恐龙的3D模型进行放大、缩小以及旋转等操作来获得真实的学习体验，方便学生观察、推测;AR恐龙园探险、喂食恐龙活动设计，支持学生以自然交互的方式（利用喂食板给恐龙喂食）与学习对象进行交互，为学生创设了一个沉浸式的探索情境，有利于激发学生的具身认知，有学生描述自己“仿佛骑到了小盗龙的脖子上，在恐龙园里驰骋”就是一个典型的例子。其次，在“知觉激活”的基础上，教学设计要重视“探究激活”，这需要A3（探究）策略的运用。本节课基于AR的一个重要教学活动是“模拟科学家考古，对两具恐龙骨骼进行细致观察，推测其属于那种恐龙”，这一活动为学生营造了科学家考古的探究任务，有效地激发了学生的探究兴趣。

R（关联）策略，主要指向学习任务对学生的切身需求的满足。当学习材料与学生感兴趣的目标相关联，学习任务通过切合学生需要的教学方法展开时，学生的学习动机维持就得到了有力的支持。在本节课中，“模拟考古”的教学活动设计，通过角色扮演将“恐龙骨架”与“恐龙考古”任务产生关联，帮助学生产生了明确的学习目标;在活动开展的过程中，小组合作的方式以及汇报中两两合作的设计满足了高亲和需求的学生;AR技术对学生探究操作的支持，使学生可以自主选择观察的角度、方法，赋予了学生自主控制学习过程和学习资源的权利。“捕捉恐龙，并根据学习到的恐龙特征完成恐龙判定”这一任务，通过AR带来的独特体验，关联了学生已有的经验。这些都体现了R（关联）策略的成功运用。

C（自信）策略，核心是帮助学生发展对成功的自信。这其中最重要的设计要素是能力知觉和控制知觉的提高。本课中，“恐龙的电子书制作”对三年级学生而言是一个高认知投入的任务。需要学生通过对信息的加工、整理，及时输出自己的观点、想法和推测。这一任务看似超出了学生的能力范围，但是4D书城软件工具可视化的界面和丰富资源的提供大大降低了任务的难度，AR技术对人类自然交互的支持，使技术摆脱了复杂的操作，提高了学生的能力知觉和控制知觉，从而提高了学生完成这一复杂任务的自信心。

S（满足）策略，指向产生与学生预期相一致的积极后果。“模拟考古”汇报活动、“恐龙电子书”的展示活动，都在教学活动设计层面体现了S策略的应用。而AR技术所特有的基于自然交互的即时反馈，也成为给学生带来“满足感”的有效强化手段。“喂食恐龙”环节中，学生基于对恐龙食草性和食肉性特征的认知，选择相应的“喂食板”与恐龙交互，恐龙“吃”与“不吃”的即时反馈，强化了学生的认知，体验成功带来的满足感。

研究者通过视频分析方法，对运用AR技术的一节小学科学课进行个案研究。研究发现：作为一种增强情境的教学媒体运用，AR技术带给学生的新奇感受，有效地支持了学生在课堂活动中“身体”和“认知”的参与，符合学习动机激发和维持的ARCS策略的运用，优化了课堂教學。本研究为AR技术进入课堂教学提供了理论与实践的例证，以期为其他研究者提供参考。

参考文献：

[1]蔡苏，王沛文，杨阳，等.增强现实（AR）技术的教育应用综述[J].远程教育杂志，2016，34（5）：27-40.

[2]蔡苏，张晗，薛晓茹，等.增强现实（AR）在教学中的应用案例评述[J].中国电化教育，2017（3）：1-9+30.

[3]李小平，陈建珍，赵丰年，等.AR/VR学习情境设计问题的研究[J].现代教育技术，2017，27（8）：12-17.

[4]谢幼如，张惠颜，吴利红，等.基于ARCS的在线开放课程自组织学习模式研究[J].电化教育研究，2017，38（7）：43-50.

[5]孙众，马玉慧.视频案例多元分析法促进新手教师专业发展研究[J].电化教育研究，2013，34（8）：104-109.

[6]Kurt Squire，Eric Klopfer. Augmented reality simulations on handheld computers[J].Journal of the Learning Sciences，2007，16（3）：371-413.

[7]郭德俊，汪玲，李玲.ARCS 动机设计模式[J].首都师范大学学报（社会科学版），1999（5）：91-97.

（编辑：鲁利瑞）