許夢幻　李小平

摘 要：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)能幫助學(xué)習(xí)者在更貼近真實(shí)世界的豐富情境中學(xué)習(xí)知識(shí)，被新媒體聯(lián)盟地平線報(bào)告認(rèn)為是在教育中極具潛力的一種技術(shù)。在此背景下，了解增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中已有的應(yīng)用來推進(jìn)其發(fā)展具有重要意義。文章以了解正規(guī)教育中增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用為主題，采用Arksey和OMalley的五個(gè)階段框架，在Web of Science中檢索主題為“augmented reality and education”2016年至今的SSCI文獻(xiàn)，選擇其中31個(gè)在正式教育中應(yīng)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的案例進(jìn)行分析。研究結(jié)果顯示，正式教育中增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用主要是以“移動(dòng)設(shè)備+APP”的形式，教學(xué)實(shí)驗(yàn)對象以大學(xué)本科生及小學(xué)生為主，教學(xué)科目以理工科和語言教學(xué)為主，同時(shí)研究顯示增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在正式教學(xué)中表現(xiàn)出巨大的潛力，有效提高了學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)態(tài)度、動(dòng)機(jī)、滿意度、學(xué)習(xí)成果等。但是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在教育中的應(yīng)用仍處于初期階段，還存在許多待解決的問題。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；正式教育；研究綜述；高等教育

中圖分類號(hào)：G431 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1673-8454（2018）04-0072-09

一、引言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented reality，以下簡稱AR）是虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual reality，以下簡稱VR）的延伸，通過用戶和三維環(huán)境間的模擬技術(shù)，讓用戶能夠體驗(yàn)半真實(shí)的環(huán)境。隨著AR技術(shù)不斷發(fā)展，它逐漸顯現(xiàn)出優(yōu)于VR技術(shù)的優(yōu)勢。社交媒體研究網(wǎng)站Social Media Today[41]近日分享了關(guān)于VR目前的發(fā)展?fàn)顩r與未來五年內(nèi)的市場預(yù)期、未來營銷趨勢等，但作者提到VR較差的現(xiàn)實(shí)交互性，并認(rèn)為AR才是未來市場營銷的主要方向。AR技術(shù)仍在不斷的發(fā)展，科技的革命也將一直進(jìn)行著，從長遠(yuǎn)來看，它能夠帶給人們更多的互動(dòng)體驗(yàn)，而非虛擬世界與現(xiàn)實(shí)世界的隔離，是未來的發(fā)展趨勢。

在教學(xué)過程中，針對不同的學(xué)習(xí)領(lǐng)域和教學(xué)內(nèi)容，教師會(huì)選擇不同的教學(xué)方式和不同形式的媒體，從非互動(dòng)書籍到高度互動(dòng)的可以引起各種感官互動(dòng)的媒體，希望通過動(dòng)態(tài)的內(nèi)容傳遞方式提高教學(xué)效果。AR作為新興技術(shù)不僅動(dòng)態(tài)地補(bǔ)充了教學(xué)概念，而且整合了多種感官形式，如觸覺、視覺、聽覺。除了在感知上的補(bǔ)充功能，大量的研究揭示了在正式教育中使用AR的潛在益處，如提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣、學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)、參與度和學(xué)習(xí)成績等。

2017新媒體聯(lián)盟地平線報(bào)告中國高等教育技術(shù)展望認(rèn)為在2-3年內(nèi)AR和VR會(huì)在高等教育中得到廣泛使用[42]，了解AR及在教學(xué)過程中如何應(yīng)用、以及應(yīng)用效果等具有重要意義。本文我們旨在研究AR在正式教育中的應(yīng)用現(xiàn)狀，引用Hsiao[43]等人的觀點(diǎn)，我們對正式學(xué)習(xí)（formal education）的概念界定為有計(jì)劃有結(jié)構(gòu)的方式下進(jìn)行的學(xué)習(xí)，非正式學(xué)習(xí)（informal education）是日常生活中或業(yè)余活動(dòng)中的學(xué)習(xí)。

二、研究背景

1.AR定義

近年來，AR技術(shù)取得了巨大突破，逐漸從理論框架研究轉(zhuǎn)變到實(shí)際應(yīng)用，并因其廣泛使用受到越來越多的關(guān)注。AR技術(shù)的使用不再局限于某一個(gè)特定領(lǐng)域，這種技術(shù)在現(xiàn)代生活中很多方面都非常有用。對于AR的定義，不同學(xué)者給出了不同的回答。P.Milgram等人在1994年定義AR為“一個(gè)用戶可以實(shí)時(shí)看到虛擬和真實(shí)世界物體結(jié)合的情境”。Azuma等人[43][44][45]認(rèn)為AR系統(tǒng)有3種特性：真實(shí)和虛擬對象的整合，實(shí)時(shí)交互性，虛擬和真實(shí)對象的3D 配準(zhǔn)。Chen[51]描述AR為將3D虛擬對象和外部世界整合，允許用戶實(shí)時(shí)和這些真實(shí)與虛擬對象交互的技術(shù)。廣義上AR指能夠?qū)⒂?jì)算機(jī)生成的對象，如文檔、圖片、視頻和3D對象投射到用戶對真實(shí)世界的感知上的技術(shù)。

根據(jù)使用的技術(shù)，AR被分為基于標(biāo)記的和無標(biāo)記的[44]兩類。在基于標(biāo)記的AR應(yīng)用中，計(jì)算機(jī)通過標(biāo)記和攝像機(jī)感知符號(hào)圖形，將虛擬信息呈現(xiàn)給用戶。在無標(biāo)記應(yīng)用中，例如在基于位置的AR應(yīng)用中，通過GPS定位技術(shù)收集用戶的位置，在該地理位置上向用戶提供與內(nèi)容相關(guān)的虛擬數(shù)據(jù)。

AR與VR通常同時(shí)談?wù)?，因?yàn)锳R被認(rèn)為是VR的一種或擴(kuò)展。兩個(gè)系統(tǒng)的共同特點(diǎn)如交互性、沉浸性、信息感知[45]以及允許導(dǎo)航[46][47]。但是VR技術(shù)是完全將一個(gè)用戶沉浸到一個(gè)復(fù)合環(huán)境中，在VR世界中，用戶不能看到他們周圍的真實(shí)環(huán)境，而AR技術(shù)使得用戶能夠看到疊加了虛擬信息的真實(shí)世界。AR與VR最大的不同在于VR技術(shù)使體驗(yàn)者完全沉浸在虛擬世界中，因而大多配合智能硬件來實(shí)現(xiàn)，而AR則是將一些虛擬的元素添加到現(xiàn)實(shí)環(huán)境中，以增強(qiáng)虛擬元素的真實(shí)感。

2.AR應(yīng)用于教育的潛力

不同的AR設(shè)備特點(diǎn)各有不同，在此我們僅討論AR學(xué)習(xí)體驗(yàn)對教育的影響，對比AR和非AR設(shè)備對學(xué)習(xí)者的影響。目前已有的關(guān)于在正式教育中使用AR應(yīng)用的研究表明，這種應(yīng)用對學(xué)習(xí)者的態(tài)度有著積極的影響。

AR能夠提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，“增強(qiáng)學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)”，“增強(qiáng)積極態(tài)度”，“提高滿意度”。Liarokapis等人研究發(fā)現(xiàn)AR可以通過增強(qiáng)情境交互來使得高等教育中一些復(fù)雜的理論和系統(tǒng)易于理解[45]。同時(shí)大量的研究表明，在某些內(nèi)容的教學(xué)中，使用AR比其它媒體如書本、視頻或計(jì)算機(jī)更有效：①學(xué)習(xí)空間結(jié)構(gòu)和功能。29%的對比研究發(fā)現(xiàn)學(xué)習(xí)者使用AR學(xué)習(xí)空間域效果很好[46]，如地理構(gòu)造、化學(xué)結(jié)構(gòu)、天文、人類器官構(gòu)造等。②學(xué)習(xí)語言、理解語義。2012年，保加利亞對26名小學(xué)兒童進(jìn)行實(shí)證研究通過AR技術(shù)學(xué)習(xí)語言的兒童是否比通過常規(guī)手段學(xué)習(xí)語言的兒童學(xué)得更好[47]。 研究結(jié)果表明，AR技術(shù)有助于促進(jìn)詞匯學(xué)習(xí)，并且兒童使用AR進(jìn)行學(xué)習(xí)滿意度比較高。③學(xué)習(xí)動(dòng)作技能：如維修等工作，這些技能類用AR教學(xué)學(xué)習(xí)更快，錯(cuò)誤率更低[48]。

雖然技能上的成就和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)被認(rèn)為是開發(fā)教學(xué)工具的重要原因，但是教育工作者也應(yīng)該考慮如何將AR與正式教育中的教學(xué)策略或教學(xué)方法相結(jié)合。研究表明，在正式教育中教育工作者可以將AR與各種教學(xué)方法相結(jié)合，如情境學(xué)習(xí)、探究式學(xué)習(xí)和基于游戲的學(xué)習(xí)?；谝陨犀F(xiàn)狀，我們希望通過分析已有研究，對AR在正式教育中的應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了解，旨在為后期對AR用于教學(xué)提供借鑒。endprint

三、研究方法和過程

本研究綜述采用了Arksey和OMalley[49]的五階段框架理論：①確定研究問題，②確定研究范圍，③選擇研究內(nèi)容，④繪制數(shù)據(jù)表，⑤總結(jié)和報(bào)告結(jié)果。

1.確定研究問題

我們的研究主題是了解增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)目前在正式教育中的應(yīng)用現(xiàn)狀，包括使用對象、教學(xué)內(nèi)容、教學(xué)效果等，為了保證文獻(xiàn)選擇與研究主題相關(guān)，我們提出了以下幾個(gè)問題作為本次研究的導(dǎo)向：

（1）這些研究使用了哪些形式的AR產(chǎn)品？

（2）實(shí)驗(yàn)對象分布情況。

（3）這些研究將AR產(chǎn)品應(yīng)用到了哪些學(xué)科（內(nèi)容）中？

（4）使用AR產(chǎn)品教學(xué)效果如何？

2.確定相關(guān)研究

我們在Web of Science數(shù)據(jù)庫中進(jìn)行SSCI來源文獻(xiàn)檢索，檢索公式為“TS=（augmented reality AND education）”，語言選擇英文，文獻(xiàn)類型選擇為“article”，檢索時(shí)間為2016年至2017年5月7日。文獻(xiàn)選擇的條件：文獻(xiàn)研究目的是正規(guī)教學(xué)，如學(xué)校課堂教育、有計(jì)劃的正規(guī)專業(yè)技能培訓(xùn)等；教學(xué)中可能采用了多種媒體技術(shù)，但是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是主要技術(shù)；文獻(xiàn)研究重點(diǎn)是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)，而不是虛擬現(xiàn)實(shí)、情景感知等。

互聯(lián)網(wǎng)巨頭們的進(jìn)駐以及用戶對VR體驗(yàn)的渴望，正在推動(dòng)VR產(chǎn)業(yè)進(jìn)入高速發(fā)展期，2016年被稱為VR產(chǎn)業(yè)啟動(dòng)元年，同時(shí)也被媒體認(rèn)為是虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可以以各種電子設(shè)備如智能手機(jī)的方式進(jìn)入家家戶戶的一年[34]。在2016年涌現(xiàn)出大量虛擬現(xiàn)實(shí)和增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)產(chǎn)品和公司，隨著這些產(chǎn)品在社會(huì)各領(lǐng)域的使用，研究者們越來越多地認(rèn)識(shí)到增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)在教育中應(yīng)用的潛力，也不斷開始通過實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證其可行性。因此我們選擇2016年為論文檢索的時(shí)間節(jié)點(diǎn)。

3.研究選擇

根據(jù)上述的檢索內(nèi)容和條件，在Web of Science數(shù)據(jù)庫中檢索得到56篇文獻(xiàn)。通過閱讀題目和摘要，剔除了與研究主題關(guān)系不密切的文獻(xiàn)共14篇。我們研究主題是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在正式教育中的應(yīng)用，而這些文獻(xiàn)的關(guān)注點(diǎn)放在虛擬現(xiàn)實(shí)、情境感知上，或者是非正式教育。在留下的42篇文獻(xiàn)中，有一篇文獻(xiàn)無法獲取全文，因此也將它剔除了，最后我們保留的文獻(xiàn)一共是41篇。在對這41篇文獻(xiàn)進(jìn)行閱讀分析后，對文獻(xiàn)進(jìn)行了分類，其中31篇文獻(xiàn)[1-30，50]是將AR應(yīng)用到了教育中，而剩下的10篇文獻(xiàn)[31-40]是關(guān)于AR產(chǎn)品設(shè)計(jì)、AR理論研究以及AR文獻(xiàn)綜述。因?yàn)槲覀兊难芯恐饕窍肓私饽壳癆R在正式教育中的應(yīng)用現(xiàn)狀，因此下文的表格中只包含了這其中31篇在正式教育中應(yīng)用了AR的研究。

4.繪制數(shù)據(jù)表

篩選出來的31篇文獻(xiàn)，針對作者、使用的AR產(chǎn)品、實(shí)驗(yàn)對象、教學(xué)內(nèi)容、實(shí)驗(yàn)過程、實(shí)驗(yàn)效果見表1。

5.分析和總結(jié)

這31個(gè)實(shí)驗(yàn)研究中，8項(xiàng)研究在臺(tái)灣地區(qū)進(jìn)行，8項(xiàng)在西班牙，5項(xiàng)在土耳其，4項(xiàng)在美國，2項(xiàng)在墨西哥，1項(xiàng)在科威特，1項(xiàng)在澳大利亞，1項(xiàng)在加拿大。 除此之外還有分別來自德國、墨西哥和西班牙的三項(xiàng)研究針對解剖學(xué)、數(shù)學(xué)、地理設(shè)計(jì)了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用，但未投入應(yīng)用。這一部分，我們將根據(jù)之前提出的問題，對這些篩選出來的研究進(jìn)行分析。

（1）使用了哪些形式的AR產(chǎn)品？

移動(dòng)硬件和軟件的發(fā)展使得移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)早已成為了可能。在這31篇論文中，大多數(shù)的研究者將AR引入到教學(xué)中都是基于移動(dòng)設(shè)備的，主要是平板電腦和移動(dòng)手機(jī)，也有部分使用筆記本電腦。研究者們或是引用已有的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序和平臺(tái)，或是自己根據(jù)特定教學(xué)內(nèi)容設(shè)計(jì)了應(yīng)用程序、系統(tǒng)和內(nèi)容。其中只有兩個(gè)研究使用了AR頭戴式設(shè)備，一個(gè)研究使用了固定設(shè)備，還有一個(gè)研究使用投影儀。但是這四個(gè)研究存在一個(gè)共同的特點(diǎn)就是實(shí)驗(yàn)樣本較少，均不足25人，可能的原因是實(shí)驗(yàn)成本比較高?，F(xiàn)在大多數(shù)的學(xué)習(xí)者都擁有至少一件移動(dòng)設(shè)備，欲將增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)大范圍投入到教育使用中，移動(dòng)設(shè)備+應(yīng)用程序的方式是最能讓學(xué)習(xí)者接受，同時(shí)也是最便捷的。學(xué)習(xí)者只需要下載老師所說的應(yīng)用程序，就可以進(jìn)行基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的學(xué)習(xí)。

（2）實(shí)驗(yàn)對象分布情況

從圖1可知研究實(shí)驗(yàn)參與者中大學(xué)本科生所占比例最高，為45%，其次是小學(xué)生，占29%。大多數(shù)研究選擇了大學(xué)本科生來進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，一個(gè)原因應(yīng)該是考慮到AR產(chǎn)品相對復(fù)雜，而具備一定信息素養(yǎng)的大學(xué)階段學(xué)習(xí)者使用起來就會(huì)比較容易，不需要老師花費(fèi)過多時(shí)間介紹和教授。同時(shí)大學(xué)階段的學(xué)習(xí)是分專業(yè)的，學(xué)習(xí)內(nèi)容更具針對性和實(shí)用性，學(xué)習(xí)者除了理解知識(shí)更需要掌握實(shí)際操作技能，而增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)為此提供了條件。如解剖專業(yè)的學(xué)生可以通過AR形象理解每一個(gè)人體器官和構(gòu)造，醫(yī)療護(hù)理專業(yè)學(xué)生可以通過AR學(xué)習(xí)實(shí)操技能等。同時(shí)，本科階段的學(xué)生相對低年級(jí)學(xué)生有較強(qiáng)的控制能力和自主學(xué)習(xí)能力，不易因新技術(shù)而轉(zhuǎn)移注意力。

另一方面，根據(jù)皮亞杰的認(rèn)知發(fā)展理論，早期階段的青少年（約6-12歲）處于具體運(yùn)算階段，他們必須看到、聽到或以其他方式使用其感官來學(xué)習(xí)。而小學(xué)階段的學(xué)習(xí)者正處于具體運(yùn)算階段，AR強(qiáng)大的可視化特征對這個(gè)階段學(xué)生的學(xué)習(xí)起著重要作用。這可能解釋了為什么小學(xué)生是優(yōu)選的實(shí)驗(yàn)對象。另一個(gè)可能的原因是許多孩子花費(fèi)大量時(shí)間玩數(shù)字游戲，因此，研究人員可能會(huì)發(fā)現(xiàn)AR游戲非常適合吸引青少年學(xué)習(xí)。

（3）AR產(chǎn)品應(yīng)用到了哪些學(xué)科（內(nèi)容）中？

從圖2可以看到這31篇文獻(xiàn)研究涉及的學(xué)科范圍較廣，內(nèi)容多樣，經(jīng)過分析，我們將所有涉及的學(xué)科最終歸為15類。研究最集中的是語言和自然科學(xué)知識(shí)的學(xué)習(xí)。其中關(guān)于語言教學(xué)的五篇文獻(xiàn)中，有四篇是英語單詞教學(xué)，一篇是梅奧語（墨西哥北部一種語言）教學(xué)。

通過這31篇文獻(xiàn)可以發(fā)現(xiàn)，目前增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)在理工科類學(xué)科上的應(yīng)用明顯多于文科類的學(xué)科，并且其中關(guān)于語言學(xué)習(xí)的五項(xiàng)研究也僅是針對初級(jí)單詞的認(rèn)詞教學(xué)?？赡艿脑蚴抢砉た频闹R(shí)和概念易于用虛擬模型直觀表達(dá)，并且理工科知識(shí)中存在更多生活中無法實(shí)質(zhì)觀察到的內(nèi)容，如元素結(jié)構(gòu)、物體運(yùn)動(dòng)、數(shù)學(xué)模型等。而文科中很多知識(shí)是生活中可以實(shí)際感受到的，同時(shí)那些無法感受的知識(shí)又過于抽象，如詩詞歌賦、藝術(shù)思維等，不易通過虛擬模型進(jìn)行表達(dá)或還原，教學(xué)內(nèi)容不易設(shè)計(jì)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)相對于傳統(tǒng)多媒體教學(xué)的優(yōu)勢是將教學(xué)從二維平面轉(zhuǎn)換到了三維空間，目前在學(xué)校應(yīng)用中仍處于初級(jí)階段，研究者們首先會(huì)選擇易于設(shè)計(jì)的教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證其教學(xué)效果。endprint

（4）使用AR產(chǎn)品教學(xué)效果如何？

這些研究將AR應(yīng)用到教學(xué)中均產(chǎn)生了較好的效果，大多數(shù)研究結(jié)果都顯示學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣、動(dòng)機(jī)、注意力、參與度得到了提升，與使用傳統(tǒng)教學(xué)方式的學(xué)習(xí)者相比，AR學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)結(jié)果更好，對知識(shí)的理解更充分。除此之外，研究（4）（5）（11）（19）顯示學(xué)習(xí)者的圖形閱讀能力和空間技能得到了提升；研究（7）（28）顯示學(xué)習(xí)者使用AR學(xué)習(xí)認(rèn)知負(fù)荷和學(xué)習(xí)焦慮低于傳統(tǒng)學(xué)習(xí)者；研究（25）（12）（29）（30）顯示學(xué)習(xí)者使用AR學(xué)習(xí)知識(shí)的記憶得到了提高，有助于知識(shí)儲(chǔ)備；研究（8）顯示AR對于減少學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)拖延現(xiàn)象也有一定作用。

然而，在研究過程中也顯現(xiàn)出了一些問題，由于這些研究大多使用的是移動(dòng)設(shè)備加AR軟件，因此技術(shù)上的問題主要是網(wǎng)絡(luò)不通暢和初期的使用困難。如研究（1）顯示AR軟件雖然提高了學(xué)習(xí)者的態(tài)度和參與度，但是卻并沒有較高的認(rèn)知成就。研究（2）顯示部分學(xué)習(xí)者發(fā)現(xiàn)使用AR軟件可以提供學(xué)習(xí)材料，導(dǎo)致他們在課外不進(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作。

四、總結(jié)與討論

本文通過文獻(xiàn)分析對正式教育中增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用現(xiàn)狀進(jìn)行了研究，主要圍繞著以下幾個(gè)問題展開了討論：①這些研究使用了哪些形式的AR產(chǎn)品；②實(shí)驗(yàn)對象分布情況；③這些研究將AR產(chǎn)品應(yīng)用到了哪些學(xué)科（內(nèi)容）中；④使用AR產(chǎn)品教學(xué)效果如何？研究結(jié)果顯示這些研究主要采用移動(dòng)設(shè)備+AR軟件的形式，實(shí)驗(yàn)對象以大學(xué)本科生和小學(xué)生為主，選擇科目主要為理工科課程及語言類課程。AR呈現(xiàn)出一定的教學(xué)優(yōu)勢，但同時(shí)仍然存在一些問題。

通過以上研究，我們對AR用于教學(xué)持有積極的態(tài)度，但是學(xué)校想要使用AR得到好的教學(xué)效果，仍需要不斷探索與完善。如提供良好的無線上網(wǎng)條件，培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的信息技術(shù)能力等。同時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)這些已有的AR應(yīng)用研究實(shí)驗(yàn)大多數(shù)是在一天之內(nèi)或者在一節(jié)課中完成的，即學(xué)習(xí)者只是短暫地使用了AR產(chǎn)品，只有少數(shù)幾個(gè)實(shí)驗(yàn)采用具體的教學(xué)方法，進(jìn)行了長期的實(shí)驗(yàn)。這也表明AR仍然只是一個(gè)正在初步投入教學(xué)使用的新技術(shù)，走入課堂還有很長的路要走。

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（編輯：魯利瑞）endprint