AR电子书对小学生阅读学习效果影响的实证研究

杨 健（温州大学教师教育学院）

1 研究背景

电子书具备丰富的多媒体互动功能，利用语音叙述、文字突出显示、动画等脚手架工具能够更好地支持学生阅读学习。［1］大量的研究表明电子书能够对学生阅读学习产生积极的影响，电子书能有效吸引学生的注意力，［2］有助于提升学生对阅读材料的记忆和理解水平，［3,4］能为学生营造个性化的阅读学习环境。［5,6］同时，近年来已有研究者开始关注电子书阅读普及后存在的一些问题。Hanho在研究韩国小学生电子书和纸质书的阅读行为时，发现与纸质书阅读相比，学生使用电子书阅读文本花费更长的时间，而且电子屏幕阅读更容易引发学生视觉疲劳。［7］Mangen认为尽管具有触摸屏幕的便携设备可以创造更丰富和更具触觉的阅读体验，但是学生对电子屏的快速滑动和页面调整等互动操作仍然会中断阅读的进程，使学生偏离其阅读任务。［8］Baron研究发现由于电子书只在电子屏幕上呈现信息，缺少有形的页面，与纸质阅读相比，电子屏幕阅读可能会增加学生的认知阅读负担并降低阅读表现。［9］可见，在为学生创建合适的电子书方面还需要做更多的工作。

2 AR电子书及相关研究

增强现实（Augmented Reality，AR）电子书在传统纸质书籍的基础上，借助摄像头和显示设备，将计算机处理过的数字信息叠加在真实的场景中，学习者可以在阅读印刷书籍时通过平板电脑、手机等设备与叠加在书页上的视听内容进行互动，以实现虚实融合的数字化阅读。［10］根据The New Media Consortium的2011年地平线报告，增强现实技术正在改变电子书阅读的方式，计算机变得不可见，对电子书的操作不再基于鼠标点击或触摸滑动，使用增强现实电子书进行阅读变得与使用印刷书阅读一样简单、自然。AR显示器类似于“放大镜”，通过扫描印刷书页内容，获得叠加在真实书页上的音视频信息，实现对阅读内容的“增强显示”，［11］这种混合了数字和实体的阅读方式有望在未来K12教育中得到普及。［12］根据皮亚杰的认知发展阶段理论，小学生（7-12岁儿童）认知水平正处于具体运算阶段，他们必须通过他们的感官来看、听，或以亲身参与操作来支持其思维活动。因此，AR的强大可视化、交互化、沉浸性特征对这个阶段学生的学习起着重要作用。

目前，AR电子书已经开始被应用于小学教学中，并初步体现其教育价值与潜力。例如，Kemier等设计和开发了用于小学生几何知识学习的AR电子书，研究发现AR电子书阅读对学生的空间能力和认知能力的提升有积极的影响。［13］Vate等开发了用于小学生英语词汇学习的AR电子书，促进了学生对词汇的理解，并增强了学生的学习动机。［14］陈建勋等开发了用于小学科学课程的AR电子书，71名五年级小学生使用AR电子书学习“生物食物链”课程，研究发现学生能够积极参与学习活动，并改善了学生的学习态度。［15］Correa等在小学数学课堂中使用AR电子书进行教学，认为AR电子书提供更“自然”的交互界面，可以减少阅读的认知负荷，并能有效支持学生在阅读过程开展协作学习活动。［16］尽管已有许多关于AR电子书阅读方面的研究，然而大部分研究都集中在讨论AR电子书如何运用到教育环境中去，以及其对学生学习产生的效果，鲜有研究者关注AR电子书阅读方式本身，以及其相对于传统电子书阅读（纯数字阅读）会对学生阅读学习产生何种差异性影响。

3 研究目的

本研究以某小学六年级60名学生为实验被试对象，采用等组实验设计，分别使用AR电子书和传统电子书进行阅读，研究学生在阅读动机、记忆、理解、认知负荷等维度上是否存在差异。更具体地说，主要解决以下研究问题。① 相对于传统电子书阅读，AR电子书阅读是否对学生产生更高的阅读动机？② 不同电子书阅读条件下，学生阅读动机有何差异？③ 相对于传统电子书阅读，AR电子书阅读是否更有利于促进学生对阅读内容的记忆与理解？④ 相对于传统电子书阅读，AR电子书阅读是否有利于减少学生的认知负荷？

4 研究设计

4.1 参与者

这项研究的参与者是某小学60名六年级学生，年龄在11-12岁之间，其中男生34人，女生26人。实验采用平均分组设计，每组人数30人，每组性别人数相同，使用AR电子书阅读的学生标记为A组，使用传统电子书阅读的学生标记为B组。在实验开始之前，进行了预测试，主要检查他们与阅读主题相关的先前知识，以确定学生的同质性，结果表明所有参与实验的学生都具有相似的科学背景知识。

4.2 实验设计

在与任课教师协商后，研究人员在2018年11月上旬开展了不同电子书条件下的阅读学习活动，两组学生分别使用“AR电子书”和“传统电子书”开展了三次阅读学习计划（见表1），每次阅读间隔一天。阅读学习包括三个主题，分别是“我们的太阳系”“恐龙跑出来了”“深海生物”。在阅读计划开始之前，教师对三次阅读主题的内容进行了简单的介绍，使用IMMS（Instructional Materials Motivation Survey） 问卷中的相关度分量表，［17］调查阅读材料是否满足学生阅读学习需求，并获得阅读材料相关度的前测数据。实验采用多主题阅读设计，有助于减少阅读材料相关度对学生阅读动机的影响。两组学生一共进行三次阅读学习，在保证学生有足够时间完成阅读学习的前提下，研究者将每次阅读的时间设置为30分钟。每次阅读结束后，对学生进行记忆和理解测试。三次阅读学习计划完成后，对每位参与阅读学习的学生进行阅读动机和认知负荷调查。实验采用多次阅读设计，有利于消除电子设备对学生产生的新鲜感，让学生逐渐适应新的阅读环境。

表1 两组学生的阅读学习计划表

4.3 实验材料

AR阅读材料来源于中信出版社的IscienceAR电子图书系列。三个阅读主题节选自该系列图书，每个阅读主题的内容大约3-4个版面，配有专用的AR App，学生通过扫描书页播放多媒体动画，可以一边阅读纸质书籍，一边与多媒体动画进行互动操作。传统电子书（多媒体电子书）由研究团队自主开发，电子书的页面设计与纸质书籍完全一致，学生可以使用电子屏幕浏览书页，通过点击链接文字访问多媒体动画。两种电子书可以实现相同的交互功能，比如放大、缩小、播放、暂停等。为避免电子阅读设备带来实验差异，两组学生都使用相同型号的平板电脑。

4.4 测量工具

（1）动机测量。IMMS是根据ARCS模型开发的用于衡量学习者动机的量表，［18］该量表在多个研究项目中得到应用，有较高的效度和信度。［19,20］在这项研究中，学生在阅读学习中使用两种不同的电子书，第一种是使用基于增强现实技术的电子书进行阅读，第二种是使用传统电子书进行阅读，使用IMMS来评估两组学生阅读学习的动机水平。依据Serio等设计的IMMS量表，［17］研究者从IMMS的36个项目中选择了30个项目，并对项目的表述进行了略微修改，以使其适应电子书研究领域和汉语的表达习惯。问卷采用李克特5点评价量表设计，修改后的量表表克朗巴哈α信度系数为0.916，各分量表的α信度系数均大于0.9，具有较好的信度。IMMS描述了影响阅读动机的四个激励因素，分别是注意力、自信心、满意度和相关度。注意力是指电子书能够吸引并维持学生的注意力；自信心是指学生对使用电子书完成阅读学习的自信程度；满意度是指学生使用电子书进行阅读后的满意程度；相关度是指电子书中的知识内容是否满足学生的阅读需求，引发学习兴趣。四个维度的测量值越高，表示学生的阅读动机越强（见表2）。

表2 IMMS量表信度检验结果

（2）阅读记忆和理解测量。学生在独立完成30分钟的阅读学习后，进行阅读记忆和理解测试，测试不限时间，以保证学生都能完成测试。测试试卷由研究团队编制，试卷共15个选择题，其中包括8个记忆类选择题和7个理解类选择题，记忆类选择题的答案在电子书中都有明确的文字描述。比如“木星大约有多少颗卫星”“水星与太阳之间的距离大约是多少千米”等。理解类选择题的答案在电子书中未出现明确的文字描述，但学生可以通过演示动画和电子书的文本信息推理出对应的选项。比如“太阳系中离地球最远的行星是哪一颗星球”“与太阳最近的行星叫什么”等。所有试题均为单选，答对一题得1分，分数越高表示学生对阅读材料的记忆和理解效果越好。

（3）认知负荷测量。认知负荷测量量表源于Leppink等编制的认知负荷测量量表，量表包括10个问题。［21］Cathy Weng等对该量表进行修改，选择了其中5个问题测量学生在电子书阅读中的认知负荷水平。改编后的量表克朗巴哈α信度系数为0.766（见表 3）。［22］

5 测试结果与分析

实验结束后对回收问卷进行分析，未出现漏答或回答不一致的无效问卷。使用SPSS软件对测试数据进行分析，通过Shapiro-Wilk正态分布检验，发现两组学生的测试数据未满足正态分布要求（p＜0.05），因此在分析数据过程中，采用了非参数Mann-Whitney U检验两组学生测试数据是否存在统计学差异。

5.1 相对于传统电子书阅读，AR电子书阅读是否对学生产生更高的阅读动机

两组学生阅读动机的测量结果显示（见表4），两组学生阅读动机测量平均值分别为3.64（A组）和3.33（B组）。A组学生注意力分量表（M1=3.80）和满意度分量表（M1=3.72）的测量平均分较高，相关度分量表测量平均值最低（M1=3.43）。B组学生自信心分量表测量平均分最高（M2=3.48），注意力分量表测量的平均值最低（M2=3.25）。两组学生的平均分差异较大的测量值分别为注意力（M1-M2=0.55）和满意度（M1-M2=0.46），平均分差异较小的测量值分别为自信心（M1-M2=0.13）和相关度（M1-M2=0.11）。

使用Mann-Whitney U检验两组学生阅读动机测量结果是否存在显著差异。结果表明，两组学生的阅读动机存在显著差异（U=361.00，p＜0.05），A组学生比B组学生具有更高的阅读动机。

5.2 不同电子书阅读条件下，学生阅读动机有何差异

两组学生在注意力分量表中每个项目测量的结果显示（见表5），A组学生测量平均分接近4分的项目包括第8项和第11项，A组21名学生对“我能专心使用电子书进行阅读”表示“赞同”或“非常赞同”，20名学生对“电子书的阅读方式有助于吸引我的注意力”表示“赞同”或“非常赞同”。在其余项目中，A组学生的测量平均分都超过3.6分，B组学生的各项测量平均分都低于3.5分，各项赞同率也明显低于A组学生。得分最低的项目为第19项，B组中只有9名学生对“使用电子书阅读时，我很难长时间保持注意力集中”表示“不赞同”或“非常不赞同”。这些结果反映出相对于传统电子书阅读，AR电子书阅读是有趣的，有利于激发学生的好奇心，能吸引并维持学生的注意力。

表4 AR电子书和传统电子书对学生阅读动机影响的比较分析

表5 两组学生注意力分量表测量结果

两组学生在自信心分量表中每个项目测量的结果显示（见表6），两组学生测量平均分较高的项目为第1、4、28项。其中，A组20名学生和B组21名学生对“使用电子书阅读时，我有信心从电子书中学到新的知识”表示“赞同”或“非常赞同”，A组19名学生和B组18名学生对“我确信我可以读懂电子书呈现的信息”表示“赞同”或“非常赞同”，表明不同电子书呈现的信息都易于理解，两组学生对使用电子书掌握新知识表现出较高的自信心。两组学生在第22项和第29项的测量平均分较低，A组12名学生和B组11名学生对“在完成电子书阅读后，我相信能够获得好的测试成绩”表示“赞同”或“非常赞同”，表明在阅读测试压力下，两组学生的自信心都有所降低。从自信心的测量结果来看，AR电子书阅读组的学生并没有表现出明显的优势。

表6 两组学生的自信心分量表测量结果

两组学生在满意度分量表中每个项目测量的结果显示（见表7），A组学生各项测量的平均分都高于3.6分，平均平较高的项目为第26项和第30项。A组18名学生对“完成这次阅读学习后，我很想更多地使用电子书进行阅读学习”表示“赞同”或“非常赞同”，19名学生对“这次阅读学习令人愉快”表示“赞同”或“非常赞同”。B组学生各项测量的平均分都低于3.4分，且每个项目的赞同率明显低于A组，B组只有10名学生对“我很愿意使用电子书进行阅读”表示“赞同”或“非常赞同”，13名学生对“这次阅读学习令人愉快”表示“赞同”或“非常赞同”。表明A组学生在继续使用电子书进行阅读的意愿上要明显高于B组学生，A组学生获得了更好的阅读体验，满意度更高。

表7 两组学生的满意度分量表测量结果

两组学生在相关度分量表中每个项目测量的结果显示（见表8），两组学生测量平均分最高是第23项。A组3名学生和B组2名学生对“因为我读过类似的书籍，所以这次阅读活动很无聊”表示为“赞同”或“非常赞同”，表明阅读材料对绝大多数学生来说是新颖的，基本上符合两组学生的阅读需求。两组学生测试平均分较低的项目是第9项和第25项，A组10名学生和B组11名学生对“阅读材料与我的生活密切相关”表示“赞同”或“非常赞同”。笔者认为这样的结果是由于阅读主题内容在现实世界中都不能被直接细致的观察到，所以导致学生认为阅读材料与自己生活中的经验没有直接密切的相关性。从相关度各项测量结果来看，两组数据没有产生较大的差异。

表8 两组学生的相关度分量表测量结果

为确定阅读材料相关度在学生进行电子书阅读前后是否存在差异，研究者采用威斯康星检验法，对两组学生前后阅读材料相关度测量值是否存在差异进行分析（见表9）。A组学生前后阅读材料相关度测量值不存在显著差异（Z=-0.242,p=0.809），B组学生前后阅读材料相关度测量值也不存在显著差异（Z=-0.134,p=0.975），表明不同电子书阅读都不会对学生阅读需求变化产生影响。

表9 两组学生使用电子书前后阅读材料相关度有序值的比较分析

对阅读动机的四个关联因素测量值进行Mann-Whitney U检验。结果发现，两组学生在注意力（U=304.00，p＜0.05） 和满意 度 （U=293.50，p＜0.05）的测量值存在显著差异，自信心（U=405.00，p＞0.05）和相关度（U=410.00，p＞0.05）的测量值不存在显著差异。由此可见，相对于传统电子书，AR电子书更易吸引学生注意力；同时，学生对AR电子书阅读的满意度要高于传统电子书阅读，表明在相同条件下，学生更倾向于使用AR电子书进行阅读学习。影响阅读动机的另外两个关联因素分别是自信心和相关度，从分析数据结果来看，它们都没有对两组学生阅读动机的差异性变化产生重要的影响。

5.3 相对于传统电子书阅读，AR电子书阅读是否更有利于促进学生对阅读内容的记忆与理解

三次阅读学习测试的结果见下图。A组学生在阅读记忆与理解测试的平均分都要高于B组学生的测试平均分。使用Mann-Whitney U检验两组数据是否存在显著差异发现，两组学生之间的第一次记忆测试成绩（U=392.50，p＞0.05）和理解测试成绩（U=420.00，p＞0.05）均不存在显著差异（见表10）。接下来的两次记忆测试成绩和理解测试成绩均存在显著差异。由此可见，与传统电子书相比，使用AR电子书的学生在记忆和理解测试中表现得更好。

图 两组学生的记忆与理解测试结果

表10 AR电子书和传统电子书对学生阅读记忆与理解测试成绩影响的比较分析

从三次测试的结果中可以发现，两组学生的阅读成绩呈上升趋势，可能的原因是学生需要时间适应新技术。学生在多次使用电子书进行阅读后逐渐掌握和熟悉电子书的阅读互动功能，并改变原有的阅读习惯以适应新的阅读环境，因此后续测试成绩表现出逐次提升的趋势。

5.4 相对于传统电子书阅读，AR电子书阅读是否有利于减少学生的认知负荷

与A组学生相比，B组学生具有更高的认知负荷得分。进行Mann-Whitney U检查两组学生之间的认知负荷是否存在显著差异。分析结果显示，两组学生之间的认知负荷不存在显著差异（U=435.00，p＞0.05）（见表 11）。

表11 两组学生认知负荷比较分析

6 结论与讨论

6.1 不同电子书阅读对学生阅读动机的影响存在显著差异

研究结果证实，AR电子书阅读能有效提高学生阅读动机水平。与阅读动机相关联的四个激励因素中，不同电子书对学生注意力和满意度两个动机激励因素的影响存在显著差异，相比传统电子书，使用AR电子书阅读能够更好地吸引并保持学生阅读期间的注意力，学生对使用AR电子书进行阅读的满意度更高。从阅读方式来看，使用AR电子书进行阅读与使用纸质印刷书进行阅读的方法几乎一样，操作更加简单和自然。AR电子书所反馈的数字信息会叠加显示在印刷书页上，有助于学生保持阅读进度和专注度，这种数字增强的显示方式可以激励和吸引学生参与阅读学习过程。纯数字阅读环境下（传统电子书阅读），学生需要与电子设备进行频繁的互动操作，如放大和缩小电子屏幕、点击文字链接等，这些频繁的互动操作可能会干扰阅读进度，分散学生阅读期间的注意力。［8］同时，长时间的电子阅读更容易引起学生视觉疲劳，也可能会对学生的注意力集中产生负面影响。研究表明，使用不同电子书进行阅读时，学生的自信心水平不存在显著差异，不同电子书阅读也不会影响学生对阅读内容的兴趣。

6.2 不同电子书阅读对学生阅读成绩的影响存在显著差异

使用AR电子书阅读的学生在阅读记忆和理解测试中的成绩比使用传统电子书阅读的学生更好。根据前面的讨论，我们发现学生在使用AR电子书阅读时，能够保持更高的注意力，有可能促进学生对阅读内容的记忆与理解；Mayer的时间效应表明，当同一时间呈现相同信息的多个表示时，学生会更好地学习。AR电子书将虚拟信息叠加在真实的书页上，可以使学生对书页文本和屏幕动画产生更好的关联。另一方面，Liu在研究数字阅读行为时，发现学习者从印刷书籍中获取信息方式与电子屏幕上获取信息方式不同，在阅读电子屏幕时，学习者更倾向于快速浏览并有选择性地关注电子屏幕中的内容，容易造成选择性阅读。［23］相对于使用AR电子书阅读，这可能对使用传统电子书阅读的学生产生更多的负面影响，从而降低学生在记忆与理解测试中的表现。

6.3 不同电子书阅读对学生认知负荷的影响不存在显著差异

研究表明，在相同时间和相同阅读内容的条件下，使用AR电子书阅读学生的认知负荷水平要低于使用传统电子书学生的认知负荷水平，但差异并不显著。在本次实验中，学生的认知负荷主要来源于阅读材料、阅读方式的复杂度和阅读时间。两组学生使用的是相同的阅读材料，两种电子书的页面排版、动画、声音效果完全一样，阅读时间相同，因此造成认知负荷差异的原因主要来自于阅读方式的复杂度。可见，两种电子书阅读方式的复杂度水平不存在显著差异，AR电子书阅读不会降低学生阅读的认知负荷水平。

当前已有许多小学开展了基于AR电子书阅读的课堂教学实践，通过使用AR电子书的注释和其它互动功能，能够帮助学生调整他们的阅读学习策略，支持更多的自我反思和个性化的学习方法。在未来的研究中，学生与AR电子书的互动过程以及优化课堂环境下AR电子书的使用策略等值得进一步探索和实践。