陳穎博 張文蘭 陳思睿

摘要：場館學習在社會教育中的作用日益突出，增強現(xiàn)實技術(shù)和游戲化學習的融入成為場館學習環(huán)境設(shè)計的新趨勢。為探究場館學習中增強現(xiàn)實展品及其呈現(xiàn)順序?qū)W習效果的影響，開發(fā)了名為“AR盒子”的虛擬仿真學習環(huán)境，并以光的折射為主題設(shè)計了游戲化和非游戲化兩組虛擬仿真學習內(nèi)容?；诓煌瑢W習內(nèi)容呈現(xiàn)順序分組（游戲優(yōu)先和非游戲優(yōu)先）的對照實驗結(jié)果表明：“AR盒子”能夠有效促進學習者的知識理解，且在學習感知、學習投入、具身學習效果、AR仿真適用性、學習滿意度等方面均有較好表現(xiàn);相較而言，游戲優(yōu)先組在知識理解上的學習效果更好，在具身學習效果上的反饋更為積極，且表現(xiàn)出更加活躍的參與行為。因此，通過合理利用增強現(xiàn)實技術(shù)提升展品表現(xiàn)力，創(chuàng)設(shè)高度沉浸的學習情境，并在學習內(nèi)容設(shè)計中融入恰當?shù)挠螒蚧?，能夠改善場館學習效果。同時，應(yīng)注重參觀路線和展品呈現(xiàn)順序設(shè)計，對于蘊含復(fù)雜科學概念的展品，應(yīng)當優(yōu)先以游戲化仿真的形式進行呈現(xiàn)。

關(guān)鍵詞：增強現(xiàn)實;場館學習;學習效果;虛擬仿真學習環(huán)境;游戲化學習

中圖分類號：G434 ? 文獻標識碼：A ? ?文章編號：1009-5195（2020）05-0104-09 ?doi10.3969/j.issn.1009-5195.2020.05.012

一、引言

博物館、科技館等場館學習環(huán)境在社會教育中的作用日益突出。然而，一方面由于傳統(tǒng)場館學習環(huán)境缺乏形象化的信息表征，無法實現(xiàn)復(fù)雜科學現(xiàn)象和空間關(guān)系的可視化（張美霞，2017）;另一方面由于缺少精準高效的活動設(shè)計和展品設(shè)計（夏文箐等，2015），使得參觀者和展品及環(huán)境間的深度交互較少，難以促進其高階思維能力發(fā)展。增強現(xiàn)實技術(shù)通過虛擬信息與現(xiàn)實環(huán)境的融合為用戶帶來了全新的體驗，在教育領(lǐng)域具有獨特的優(yōu)勢和價值。已有研究發(fā)現(xiàn)，增強現(xiàn)實技術(shù)最適合場館學習環(huán)境下的探究式學習，學習者可以利用虛實融合的可視化仿真方式，實現(xiàn)對復(fù)雜科學現(xiàn)象的探究（Yoon et al.，2014）。然而，場館學習環(huán)境中的引導(dǎo)線索、協(xié)作方式、參觀路線（李智鵬，2019）和展品呈現(xiàn)（鮑賢清，2011）等因素均會影響學習者的學習效果。此外，增強現(xiàn)實技術(shù)在游戲化學習方面展現(xiàn)出巨大潛力（楊文陽等，2017）。因此，將增強現(xiàn)實和游戲元素融入場館學習，通過優(yōu)化信息及展品呈現(xiàn)、學習活動和參觀路線設(shè)計來提升學習效果成為學界關(guān)注的焦點。

本研究開發(fā)了一個名為“AR盒子”的虛擬仿真學習環(huán)境，針對“光的折射”這一科學現(xiàn)象設(shè)計了游戲化仿真和非游戲化仿真兩種增強現(xiàn)實展品，旨在通過探究增強現(xiàn)實展品及其呈現(xiàn)順序?qū)鲳^學習效果的影響，為優(yōu)化場館設(shè)計、提升場館學習效果提供參考和借鑒。

二、文獻綜述

美國學習改革委員會將“場館”定義為“各種與科學、歷史、藝術(shù)等教育相關(guān)的公共機構(gòu)”，如各種類型的專題博物館、科技館、天文館等。場館學習（Museum Learning）是在這些公共教育機構(gòu)中，通過視覺、觸覺、聽覺等多感官體驗獲得經(jīng)驗的非正式學習行為（張美霞，2017）。

場館肩負著廣大民眾學習知識和提升素養(yǎng)的使命，但由于傳統(tǒng)場館學習環(huán)境缺乏豐富的刺激、形象化的信息表征和沉浸式的學習情境，因而難以滿足民眾日益提升的學習需求。于是有研究嘗試將增強現(xiàn)實技術(shù)引入場館，以構(gòu)建虛實融合的場館學習環(huán)境（鄭旭東等，2015;李志河等，2016）。增強現(xiàn)實（Augumented Reality，AR）指通過3D 技術(shù)在真實物體上疊加虛擬影像，從而達到一種視覺增強效果，具有虛實融合、無縫交互、三維配準等特點（張四方等，2018）。由于AR以強大的視覺表現(xiàn)力將現(xiàn)實世界與虛擬世界融合于三維空間中（Martín-Gutiérrezet al.，2015），可為學習者創(chuàng)設(shè)刺激豐富、高度沉浸、融合現(xiàn)實的學習情境，因而能夠通過改善展品呈現(xiàn)形式和學習者體驗?zāi)Ｊ剑ぐl(fā)場館學習中學習者探究、反思的動機和興趣，促進其知識的內(nèi)化與建構(gòu)（李志河等，2018），尤其是對科學概念的理解與掌握（黃紅濤等，2018）。此外，AR在基于游戲化仿真的游戲化學習中也具有廣泛應(yīng)用潛能（楊文陽等，2017）。本研究所指的游戲化仿真是將游戲元素融入學習活動和AR仿真環(huán)境，使學習者通過角色扮演、探索、協(xié)作與競爭等方式在完成任務(wù)的過程中實現(xiàn)知識遷移，從而提升其問題求解、決策、創(chuàng)新等高階思維能力（卡爾·卡普，2015）。

已有研究發(fā)現(xiàn)，在場館學習中應(yīng)當提供適度的指導(dǎo)并允許學習者自由探索（Capuano et al.，2016），結(jié)構(gòu)化和協(xié)作式的小組學習比個體學習效果更好（Kreuzer et al.，2017），學習支架和非正式學習行為（自我引導(dǎo)的探索和問題的產(chǎn)生）之間具有關(guān)聯(lián)（Yoon et al.，2013），且學習動機和學習效果顯著相關(guān)（王婷等，2018）。可見學習支架、協(xié)作水平、學習模式、學習動機等因素均會對場館學習的效果產(chǎn)生影響。此外，也有研究表明，場館學習中的展品設(shè)計（李志河等，2016;2018）、參觀路線（鮑賢清，2011;李智鵬，2019）等都會影響場館學習效果，但類似研究主要關(guān)注展品的質(zhì)量和吸引力（許瑋等，2015）、信息呈現(xiàn)（李志河等，2016）、內(nèi)容表現(xiàn)、陳列方式、參觀路徑（李智鵬，2019）以及內(nèi)容的豐富度、類型和交互性（鮑賢清，2011）等方面，卻忽視了展品呈現(xiàn)順序?qū)W習效果的影響。

在對場館學習效果的評價方面，已有研究以影響場館學習的因素為基礎(chǔ)，建立了場館學習效果評價指標體系，包括知識理解、情感態(tài)度（學習興趣、動機、期望和學習體驗）、動作技能和社會交流（張燕等，2015;謝娟，2017）等。然而，這些研究多針對傳統(tǒng)場館學習，缺乏對基于AR的場館學習環(huán)境中學習效果影響因素的探討。由于場館學習是自由而開放的，能夠產(chǎn)出多元的學習結(jié)果，為突出AR的技術(shù)特點及其在場館學習中的效果，在綜合已有評價指標的基礎(chǔ)上，可從知識理解、學習投入、學習滿意度（何聚厚等，2019）、學習感知、具身學習效果、AR仿真適用性（周榕等，2019;何聚厚等，2019）等方面對學習效果進行評價。其中知識理解反映學習者對復(fù)雜科學概念的理解，學習感知用于測量學習者的學習體驗，學習投入反映學習者的學習興趣，具身學習效果用于測量學習者身體動作的協(xié)調(diào)性和動作思維的一致性，AR仿真適用性反映AR在場館學習中的適用程度，學習滿意度反映學習者對整個學習過程的滿意程度。

基于上述研究，本研究將學習支架、協(xié)作水平、學習模式、動機形式等因素作為游戲元素融入基于AR的場館學習設(shè)計，探究AR及不同類型仿真展品的呈現(xiàn)順序?qū)鲳^學習效果的影響，并從知識理解、學習感知、學習投入、具身學習效果、AR仿真適用性、學習滿意度等層面對其進行評價和分析。

三、“AR 盒子”：虛擬仿真學習環(huán)境設(shè)計

1.AR關(guān)鍵技術(shù)及工作原理

AR的關(guān)鍵技術(shù)包括空間定位、圖像識別、物聯(lián)網(wǎng)與傳感器、移動計算等技術(shù)。其基本工作原理是通過智能設(shè)備內(nèi)置的攝像頭識別真實場景中的標記物，依靠傳感設(shè)備追蹤真實場景中物體的運動，利用空間定位技術(shù)將虛擬信息（如圖像、文字、三維動畫）和現(xiàn)實場景進行三維精確位置配準，并通過智能眼鏡、超短焦投影等顯示設(shè)備將虛實結(jié)合的信息展示出來，進而實現(xiàn)人機交互。

2.“AR盒子”的硬件配置及功能

“AR盒子”是在科技館中一個面積為45.3平方米的房間里面創(chuàng)建的虛擬仿真學習環(huán)境，由AR眼鏡、3D超短焦投影儀及物理空間構(gòu)成。

（1）AR眼鏡

AR眼鏡具備960×540分辨率和23度視角場（Field of View，F(xiàn)oV），配備九軸慣性測量傳感器以及具備360度頭部跟蹤和3D視覺飛行時間（Time of Flight，ToF）功能的深度攝像頭。九軸慣性測量傳感器可以對重力、速度和電磁進行感應(yīng)，通過分析虛擬和現(xiàn)實世界中運動物體的空間向量、運動向量、電磁感應(yīng)等參數(shù)的變化來追蹤其運動軌跡，進而依靠對虛擬和現(xiàn)實世界中物體的精準定位來實現(xiàn)三維空間的精確位置配準。通過360度頭部跟蹤功能，學習者轉(zhuǎn)頭即可觸碰虛擬世界，自由調(diào)整運動速度，并可以在虛擬世界中隨意走動，從而獲得身臨其境和富有表現(xiàn)力的學習體驗。深度攝像頭生成的點云使得AR軟件能夠繪制出周圍環(huán)境，實現(xiàn)與虛實環(huán)境的深度融合。同時，深度攝像頭還可以檢測學習者的動作和姿勢，使其能夠通過肢體與虛擬元素進行交互。

（2）3D超短焦投影儀

3D超短焦投影儀可以為學習者提供模擬周邊環(huán)境的全局感知，幫助其更好地理解仿真現(xiàn)象。在“AR盒子”中，學習者可以通過投影地板上全局呈現(xiàn)的圖像和AR眼鏡上局部呈現(xiàn)的透明圖像獲得多種動態(tài)三維圖像，從而實現(xiàn)虛實融合的顯示效果。

（3）物理空間

物理空間是一個45.3平方米的房間，其中綠色的線條，可為學習者提供一些隱含線索，比如中心分界線表示高、低折射率材料之間的邊界，矩形線環(huán)繞投影區(qū)域以區(qū)分出虛擬與現(xiàn)實的邊界。系在矩形地板中間的尼龍搭扣，表示光在高折射率材料中的運動速度會減慢。學習者在尼龍搭扣地板上慢速行走，以增強動作與科學現(xiàn)象間的交互體驗（Hayes et al.，2017）。此外，研究還將AR眼鏡的相機矩陣參數(shù)與Unity 3D提供的投影虛擬空間相對應(yīng)，以實現(xiàn)真實空間和虛擬空間的無縫融合。

3.學習內(nèi)容設(shè)計

本研究設(shè)計了游戲化仿真和非游戲化仿真兩組不同類型的學習內(nèi)容。兩組學習內(nèi)容都是關(guān)于光的折射及其相關(guān)概念，均使用AR技術(shù)并適用于場館學習環(huán)境，其設(shè)計的核心特性如表1所示。

（1）游戲化仿真

游戲化仿真由5個階段組成，均由學習者用一束光擊中自己對面的目標，但各階段的介質(zhì)和射擊位置不同：空氣—空氣（階段1）、空氣—水（階段2）、空氣—金剛石（階段3）、水—空氣（階段4）以及上述介質(zhì)條件下的位置變化（階段5），其場景設(shè)計如圖1所示。在游戲化仿真中鼓勵學習者通過協(xié)作完成任務(wù)，即兩個學習者作為一個團隊在給定的次數(shù)內(nèi)，依次在上述5個階段的條件下射擊目標。兩個佩戴AR眼鏡的學習者分別控制光線進行射擊。當兩個學習者都成功擊中位于邊界之外的一個白球時，當前階段結(jié)束，此時球的顏色變?yōu)樽仙Ｔ谌蝿?wù)過程中，AR眼鏡上會顯示各階段的射擊次數(shù)和總分。與非游戲化仿真相比，游戲化仿真由于不顯示最近光的傳播軌跡，其提供的學習支架更少，學習者需要以探索和協(xié)作的方式找到自己的解決方案。因此，在游戲化仿真中，學習是在學習者制定射擊策略以實現(xiàn)理想的光線路徑的過程中自然發(fā)生的，即采用的是倒退式規(guī)劃的交互策略。

（2）非游戲化仿真

非游戲化仿真是將二維虛擬仿真從桌面環(huán)境轉(zhuǎn)換至AR仿真環(huán)境，在內(nèi)容設(shè)計上未采用游戲元素。其任務(wù)涉及兩種角色（射擊者和觀察者）、兩組介質(zhì)（“空氣—水”和“空氣—金剛石”）和兩組位置（靠近和遠離邊界），不同角色、介質(zhì)、位置組合成8個階段，其場景設(shè)計如圖2所示。兩個佩戴AR眼鏡的學習者分別作為射擊者和觀察者完成任務(wù)，并在每個階段結(jié)束時交換角色和位置。在射擊位置的學習者通過抓取和釋放手勢來發(fā)射光線，在觀察位置的學習者則通過AR眼鏡來觀察光線的軌跡和折射變化。在每階段任務(wù)開始前，學習者都會沿著上一階段的光路走一遍。地板上兩種介質(zhì)的交界處系有尼龍搭扣以減慢學習者的行走速度，模擬出一種與光穿過不同介質(zhì)類似的物理體驗。學習者在不同介質(zhì)的邊界上轉(zhuǎn)動身體，觀察入射角度和折射角度之間的關(guān)系。在非游戲化仿真中，學習者的學習是在支架（光的傳播軌跡）和線索（尼龍搭扣、轉(zhuǎn)動身體）的引導(dǎo)下進行的，即采用的是前進式規(guī)劃的交互策略。

四、實驗設(shè)計與實施

本研究構(gòu)建了一種基于AR的虛擬仿真學習環(huán)境，展現(xiàn)光在兩種介質(zhì)之間傳播和折射的科學現(xiàn)象，以促進學習者對相關(guān)科學概念的理解。為有效利用AR技術(shù)進行場館學習活動和展品設(shè)計，探究不同類型虛擬仿真學習內(nèi)容呈現(xiàn)順序?qū)W習效果的影響，本研究實驗設(shè)計了兩種學習者體驗順序，即分別先后體驗游戲化仿真和非游戲化仿真。

1.被試與實驗條件

實驗招募了10組（每組2人，共20人）男女混合的被試，其中男性14人，女性6人，年齡為12～14歲，所有被試都具有AR/VR的使用經(jīng)歷?；诶羁颂?級量表的預(yù)調(diào)查結(jié)果顯示，被試對科學學習的興趣和動機的主觀評價分別為M=3.76（SD=1.19）和M=4.27（SD=0.69）。為控制無關(guān)變量及環(huán)境裝置對結(jié)果的影響，實驗在實驗室中進行，并將10組被試隨機分配到游戲優(yōu)先和非游戲優(yōu)先兩種不同實驗條件中。去除因注意力不集中，無法完成后測和事后調(diào)查的無效數(shù)據(jù)后，共獲得16份數(shù)據(jù)。

2.實驗過程

本研究的實驗過程如圖3所示，共分為五步：第一步，進行30分鐘的前測以了解被試的基礎(chǔ);第二步，在指導(dǎo)下進行10分鐘的射擊姿勢練習，以幫助被試適應(yīng)虛擬仿真學習環(huán)境和關(guān)鍵姿勢，比如通過抓、放動作來開啟光的傳播;第三步，以不同的順序體驗虛擬仿真，體驗順序由被試的分組決定（共60分鐘）;第四步，通過30分鐘的后測檢測被試對復(fù)雜科學概念的學習效果;第五步，在實驗結(jié)束時，通過事后調(diào)查和半結(jié)構(gòu)化訪談（約20分鐘）了解被試在其他方面的學習效果。整個實驗過程中，射擊次數(shù)、得分等交互日志均被記錄在數(shù)據(jù)庫中。在對學習效果的評價上，實驗通過前后測對比來檢驗被試對知識的理解，并通過問卷調(diào)查及訪談來檢驗被試在學習感知等其余5個維度上的學習效果。

3.測量工具

（1）前測和后測試題

前后測用于了解被試在實驗前后對復(fù)雜科學概念理解上的差異。試題由研究人員和2名物理教師共同設(shè)計，包括10道多項選擇和6道簡答題，涵蓋對光的折射知識的理解及其科學概念的應(yīng)用。為避免前測對后測的影響，后測中對題目順序和語言表述進行了修改。在兩次測試中，多項選擇題全部正確得1分，出現(xiàn)錯誤選項得0分;簡答題全部正確得1分，部分正確得0.5分，錯誤得0分。前后測的得分均通過交叉評閱確定，評閱結(jié)果得到物理教師認可。

（2）事后調(diào)查問卷

事后調(diào)查問卷用于測量被試的學習效果。Falk等（2000）將數(shù)字化場館學習效果歸納為知識概念、動作技能、情感態(tài)度和社會交流，其中情感態(tài)度包括學習興趣、動機、期望和態(tài)度。本研究以Falk等（1992）提出的場館情境學習模型為理論基礎(chǔ)，結(jié)合Bower等（2015）的“可穿戴技術(shù)學習體驗評價量規(guī)”編制事后調(diào)查問卷。對原評價量規(guī)的改編主要體現(xiàn)在將可穿戴技術(shù)聚焦為增強現(xiàn)實技術(shù)，并且因原評價量規(guī)中未涉及“具身學習”，而其又是AR仿真學習的重要特征（黃紅濤等，2018），故根據(jù)專家建議增加了“具身學習效果”因子。研究采用德爾菲法咨詢領(lǐng)域?qū)＜乙庖?，最終確定事后調(diào)查問卷的5個因子和22道題目，即學習感知（5個題目）、學習投入（5個題目）、具身學習效果（4個題目）、AR仿真適用性（4個題目）和學習滿意度（4個題目）。問卷采用李克特5級量表，用1～5表示對題目表述從“非常不同意”到“非常同意”的認可程度。其中，學習感知反映學習者的學習和社交體驗;學習投入反映學習者的學習興趣;具身學習效果反映學習者動作與思維的一致性，用于測量其動作技能的習得程度;AR仿真適用性反映學習者對技術(shù)的體驗、態(tài)度和接受度;學習滿意度反映學習者學習期望的實現(xiàn)程度。使用AMOS對問卷進行驗證性因子分析，檢驗因子的結(jié)構(gòu)模型，結(jié)果顯示各測量項與因子間的載荷關(guān)系顯著，表明結(jié)構(gòu)模型具有較好的聚合效度和擬合優(yōu)度，各測量項能較好地反映所屬因子。信效度分析結(jié)果顯示，問卷的信度和效度分別為0.923和0.792，表明其信效度較高。

（3）訪談設(shè)計

事后調(diào)查結(jié)束后對被試進行半結(jié)構(gòu)化訪談，以進一步了解其在“AR盒子”中的學習體驗。訪談主要涉及三個方面的問題：第一，參與實驗前的個人情況;第二，對虛擬仿真學習內(nèi)容的學習體驗和感受;第三，對“AR盒子”硬件配置的使用體驗和感受。

五、數(shù)據(jù)分析與結(jié)果

研究采用SPSS對前后測成績、問卷調(diào)查結(jié)果和交互數(shù)據(jù)進行量化分析，并采用NVivo對訪談數(shù)據(jù)進行質(zhì)性分析。首先，對所有被試的前后測成績進行配對樣本t檢驗，并對訪談數(shù)據(jù)進行質(zhì)性分析，評價基于“AR盒子”的整體學習效果。其次，分別對兩組被試的前后測成績進行配對樣本t檢驗和協(xié)方差分析，并對問卷數(shù)據(jù)進行獨立樣本t檢驗，對比兩種仿真順序?qū)W習效果的影響。

1.基于“AR盒子”的整體學習效果

采用配對樣本t檢驗對前后測成績進行分析，其描述性統(tǒng)計結(jié)果如表2所示?？梢钥闯?，學習者的平均成績從前測的6.89增至后測的9.76，增長率為41%，后測成績提升顯著（t=5.98，p<0.001）。上述結(jié)果表明“AR盒子”對學習者的知識理解具有顯著的積極影響。

對訪談數(shù)據(jù)的分析揭示了基于“AR盒子”的虛擬仿真學習在學習感知等5個方面的學習效果：（1）學習感知。大部分學習者表示AR設(shè)備的操作比較容易，能夠有效支持同伴間的互動，幫助其理解光的折射現(xiàn)象，并且獲得了較為愉快的學習經(jīng)歷。（2）學習投入。多數(shù)學習者表示，AR眼鏡能夠讓他們保持高度的注意力，傳感器和頭部跟蹤功能創(chuàng)設(shè)了高度沉浸的學習情境，讓他們可以長時間沉浸在學習情境中，提升了他們的學習體驗。（3）具身學習效果。有學習者表示，通過手勢變化和轉(zhuǎn)動身體來控制光線的方式，能夠幫助他們更好地理解入射角和折射角的關(guān)系。此外，尼龍搭扣對行走的阻礙讓他們體驗到了光速在水中會變慢，這種將身體運動和科學現(xiàn)象相映射的方式，促進了其對知識的理解。（4）AR仿真適用性。所有學習者都表示“AR盒子”營造了逼真的學習情境，通過自主控制設(shè)備模擬自然現(xiàn)象的方式實現(xiàn)了多感官融通的交互體驗。但也有學習者認為AR眼鏡太笨重，存在視覺覆蓋區(qū)域小、舒適度低、虛擬圖形和現(xiàn)實世界偶爾有些錯位、圖形顯示效果差等問題。（5）學習滿意度。大部分學習者認為光的軌跡及其通過不同介質(zhì)時的折射設(shè)計得非常形象，“AR盒子”給他們提供了舒適的學習體驗，其對學習活動和情境創(chuàng)設(shè)的滿意度較高?？傮w來看，學習者大多認為“AR盒子”對學習很有幫助。

通過對前后測成績及訪談結(jié)果的分析可以發(fā)現(xiàn)，基于“AR盒子”的場館學習在知識理解、學習感知、學習投入、具身學習效果、AR仿真適用性、學習滿意度等方面均具有較好的表現(xiàn)，能夠有效提升場館學習效果。

2.仿真體驗順序?qū)W習效果的影響

（1）前后測分析

分別對兩組不同仿真體驗順序被試的前后測成績進行配對樣本t檢驗，以檢驗不同仿真呈現(xiàn)順序?qū)χR理解的影響，其描述性統(tǒng)計結(jié)果如表3所示。可以看出，游戲優(yōu)先組的后測成績提升十分顯著（t=7.76，p<0.001），而非游戲優(yōu)先組的前后測成績也存在顯著差異（t=3.155，p<0.05）。以上結(jié)果表明，兩組不同體驗順序的被試在學習后對知識的理解都有顯著提高。

由于兩組不同體驗順序的被試在知識理解上均有顯著提升，因而有必要進一步分析不同體驗順序?qū)χR理解影響的差異。通過Levene檢驗發(fā)現(xiàn)不同體驗順序組在誤差方差上無顯著差異（F=0.037，p>0.05），且樣本均呈正態(tài)分布，故采用協(xié)方差分析（ANCOVA）檢驗不同順序組在知識理解上的差異。研究以后測成績?yōu)橐蜃兞?，前測成績?yōu)閰f(xié)變量，體驗順序分組為自變量，進行協(xié)方差分析。結(jié)果顯示，不同分組在成績提升上存在顯著差異（F=10.55，p<0.05），游戲優(yōu)先組的學習效果（修正均值=10.68）明顯優(yōu)于非游戲優(yōu)先組（修正均值=8.82）。上述結(jié)果表明，雖然兩組學習者的最終成績差異不大，但不同的仿真體驗順序?qū)е铝孙@著的前后測成績提升差異，游戲優(yōu)先組在知識理解上的學習效果更好。

（2）事后調(diào)查分析

針對事后調(diào)查數(shù)據(jù)，研究采用獨立樣本t檢驗分析兩組不同仿真體驗順序被試在學習感知等5個因子上的學習效果差異，其結(jié)果如表4所示。游戲優(yōu)先組對因子3（具身學習效果）的評價（M=18.77）高于非游戲優(yōu)先組（M=17.25），且表現(xiàn)出顯著差異（t=2.25，p<0.05）。兩組被試雖然在因子1（學習感知）、因子2（學習投入）、因子4（AR仿真適用性）、因子5（學習滿意度）上無顯著差異，但均對因子5（學習滿意度）給予較高評價，均值分別為19.39（游戲優(yōu)先組）和19.27（非游戲優(yōu)先組）。上述結(jié)果表明，不同仿真體驗順序的學習者在具身學習效果上的反饋存在顯著差異，且游戲優(yōu)先組的評價更為積極;不同分組雖然在學習感知、學習投入、AR仿真的適用性、學習滿意度上均給予了較高評價，但組間差異不顯著，這表明體驗順序?qū)@4個因子沒有顯著影響。

（3）交互日志分析

研究通過對交互日志記錄的射擊次數(shù)和游戲得分進行分析，了解體驗順序?qū)W習者行為的影響。

第一，針對射擊次數(shù)的對比分析。將射擊次數(shù)作為因變量，體驗順序和學習內(nèi)容類型（游戲化仿真和非游戲化仿真）作為自變量，進行雙因素混合設(shè)計方差分析，結(jié)果如圖4所示。分析結(jié)果顯示，體驗順序?qū)ι鋼舸螖?shù)的影響不顯著（F=4.785，p>0.05），而學習內(nèi)容類型對射擊次數(shù)具有顯著影響（F=10.813，p<0.05），且體驗順序和學習內(nèi)容類型間存在顯著的相互作用（F=7.136，p<0.05）。對兩個自變量都進行簡單效應(yīng)分析后發(fā)現(xiàn)，游戲優(yōu)先組在非游戲化仿真中的射擊次數(shù)（M=64.61，SD=13.85）顯著高于非游戲優(yōu)先組（M=45.20，SD=7.40），同樣前者在游戲化仿真中的射擊次數(shù)（M=47.22，SD=7.66）也明顯高于后者（M=42.15，SD=7.21）。這意味著游戲化仿真優(yōu)先的順序安排策略促進了學習者的參與行為，并且其作用在后續(xù)的非游戲化仿真中仍然有效。

第二，針對游戲得分的對比分析。由于不同體驗順序分組的學習者在游戲總得分上不存在顯著差異（F=4.862，p>0.05），因而進一步探究其在游戲化仿真各階段中的得分差異。將各階段的游戲得分作為因變量，將階段和體驗順序作為自變量，進行雙因素混合設(shè)計方差分析，結(jié)果如圖5所示?？梢钥闯觯怯螒騼?yōu)先組各階段的得分均略高于游戲優(yōu)先組，但不存在顯著差異（F=5.752，p>0.05），而組內(nèi)階段間的游戲得分差異顯著（F=8.373，p<0.001）。通過對比后發(fā)現(xiàn)，第5階段的得數(shù)最低。這一方面表明由于非游戲優(yōu)先組在非游戲化仿真中的體驗，對于其在游戲化仿真中的表現(xiàn)有提升作用;另一方面也說明學習者距離介質(zhì)的交界面越近，其成功完成任務(wù)的難度越大。

六、討論與總結(jié)

1.合理利用AR技術(shù)增強展品表現(xiàn)力，創(chuàng)設(shè)高度沉浸的學習情境

前后測配對樣本t檢驗及訪談結(jié)果表明“AR盒子”在場館學習中的知識理解、學習感知、學習投入、具身學習效果、AR仿真適用性、學習滿意度等方面具有一定的積極效果，可見在場館學習中合理利用AR技術(shù)呈現(xiàn)展品內(nèi)容以增強其表現(xiàn)力，能夠有效促進學習者對復(fù)雜科學概念的理解，進而提升其學習體驗和學習效果。然而，訪談結(jié)果也表明 “AR盒子”也存在視覺覆蓋區(qū)域偏小、舒適度較低、顯示效果較差等不足。針對上述問題，在進行場館學習的虛擬仿真環(huán)境設(shè)計時，可以從以下幾方面予以解決：第一，通過采用高性能的AR產(chǎn)品，實現(xiàn)大視角覆蓋、超高清、無眩暈的高舒適度體驗（An et al.，2018）;第二，采用紅外傳感器或多個慣性測量單元，提供更精確的全身跟蹤，實現(xiàn)虛擬世界和現(xiàn)實世界的精確配準（Marchand et al.，2016）;第三，用實物模擬部分科學現(xiàn)象，實現(xiàn)身體動作和科學現(xiàn)象之間的統(tǒng)一，減少動作與思維的沖突（Hwang et al.，2016），促進學習者對科學現(xiàn)象的理解。

2.恰當融入游戲化元素，優(yōu)化場館學習內(nèi)容設(shè)計

場館學習環(huán)境設(shè)計的核心是學習內(nèi)容設(shè)計，而學習內(nèi)容設(shè)計的主要挑戰(zhàn)是應(yīng)該給學習者多大程度的自主選擇權(quán)（Ibanez et al.，2018）。本研究在游戲化和非游戲化虛擬仿真學習內(nèi)容中融入了不同程度的學習支架元素，體現(xiàn)出不同程度的協(xié)作水平，也反映出不同類型的動機形式，以此給予學習者不同程度的自主選擇權(quán)。結(jié)果表明，這兩種類型的虛擬仿真學習內(nèi)容都能有效地促進學習者對知識的理解。相較而言，游戲化仿真支持團隊協(xié)作，鼓勵學習者通過合作的方式進行探究、實驗和反思，而非游戲化仿真由自主的、以任務(wù)為導(dǎo)向的活動組成，缺乏與探究相關(guān)的社會交互行為。因此，在場館學習內(nèi)容設(shè)計中通過融入恰當?shù)挠螒蚧?、設(shè)定具有挑戰(zhàn)性的目標、提供適量的學習支架，進而鼓勵學習者的協(xié)作式探究并賦予其一定的自主選擇權(quán)，可以有效喚醒其探究意識和認知潛能，提高學習的效果。

3.根據(jù)展品內(nèi)容特性，設(shè)計合理的參觀路線和呈現(xiàn)順序

實驗結(jié)果表明，不同虛擬仿真學習內(nèi)容的體驗順序?qū)W習效果存在影響，游戲優(yōu)先組的整體學習效果優(yōu)于非游戲優(yōu)先組，且在知識理解、具身學習效果方面存在顯著優(yōu)勢。游戲化仿真促進了學習者更為積極的學習參與，并且這種作用在非游戲化仿真階段仍在持續(xù)。因此，在設(shè)計場館學習的參觀路線和展品呈現(xiàn)順序時，應(yīng)當有所考慮。具體而言，對于蘊含復(fù)雜科學概念的展品，應(yīng)當以游戲化仿真的形式呈現(xiàn)給學習者，并通過參觀路線引導(dǎo)學習者優(yōu)先體驗;而其他展品則可以以非游戲化仿真的形式，按照邏輯關(guān)系和場館空間的實際情況安排呈現(xiàn)順序。比如涉及物理、天文、生化等復(fù)雜的科學現(xiàn)象的展品可以通過游戲化仿真的形式優(yōu)先展覽，而涉及歷史、政治、旅游等人文知識的展品可以通過非游戲化仿真的形式，以時間、空間為線索進行呈現(xiàn)。

場館學習在社會教育中的作用日益突出，而傳統(tǒng)場館學習環(huán)境在信息表征、情境創(chuàng)設(shè)和活動設(shè)計等方面存在的固有問題使其難以滿足學習者的學習需求。本研究創(chuàng)建了一個名為“AR盒子”的虛擬仿真學習環(huán)境，并針對光的折射這一科學現(xiàn)象，設(shè)計了游戲化仿真和非游戲化仿真兩種不同類型的虛擬仿真學習內(nèi)容，以探究不同類型的增強現(xiàn)實展品及其呈現(xiàn)順序?qū)鲳^學習效果的影響。研究結(jié)果表明增強現(xiàn)實技術(shù)可有效提升場館學習效果，且不同體驗類型展品的體驗順序?qū)W習效果存在影響。這一研究發(fā)現(xiàn)有助于更好地利用新興信息技術(shù)對場館學習中的環(huán)境、內(nèi)容和活動進行設(shè)計和布置，進而更好地發(fā)揮場館的社會教育功能。

注釋：

① S1和S2分別代表射擊者1和射擊者2，圓形代表射擊位置，橢圓形代表目標位置，空氣之外的其他介質(zhì)用紋理表示，線條模擬光線的傳播軌跡，并非實際路徑。階段1～3變換射入介質(zhì)，階段4變換射出介質(zhì)，階段5變換射出介質(zhì)和射擊位置。

② 虛線圓圈代表學習者1，實線圓圈代表學習者2;S表示射擊者，O表示觀察者。

參考文獻：

[1][美]卡爾·卡普（2015）.游戲，讓學習成癮[M].陳陣.北京：機械工業(yè)出版社：25-27.

[2]鮑賢清（2011）.場館中的學習環(huán)境設(shè)計[J].遠程教育雜志，29（02）：84-88.

[3]何聚厚，梁瑞娜，肖鑫等（2018）.基于沉浸式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的學習評價指標體系設(shè)計[J].電化教育研究，39（3）：75-81.

[4]何聚厚，黃秀莉，韓廣新等（2019）.VR教育游戲?qū)W習動機影響因素實證研究[J].電化教育研究，40（8）：70-77.

[5]黃紅濤，孟紅娟，左明章等（2018）.混合現(xiàn)實環(huán)境中具身交互如何促進科學概念理解[J].現(xiàn)代遠程教育研究，（6）：28-36.

[6]李志河，師芳（2016）.非正式學習環(huán)境下的場館學習環(huán)境設(shè)計與構(gòu)建[J].遠程教育雜志，34（6）：95-102.

[7]李志河，師芳，胡睿智等（2018）.數(shù)字化場館中的非正式學習影響因素及其模型研究[J].電化教育研究，39（12）：70-77.

[8]李智鵬（2019）.非正式環(huán)境下學習者學習路徑影響因素研究[D].北京：北京郵電大學.

[9]王婷，鄭旭東，李秀菊（2018）.家庭群體的場館學習研究：進展、挑戰(zhàn)與出路[J].電化教育研究，39（7）：57-63.

[10]夏文箐，張劍平（2015）.文化傳承中的場館學習： 特征、目標與模式[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，25（8）：5-11.

[11]謝娟（2017）.西方科技場館的學習效果研究綜述[J].外國中小學教育，（3）：25-30.

[12]許瑋，張劍平（2015）.場館中的情境學習模型及其發(fā)展[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，25（9）：5-11.

[13]楊文陽，胡衛(wèi)平（2017）.AR移動科學游戲沉浸感特征及影響因素分析[J].現(xiàn)代遠程教育研究，（3）：105-112.

[14]張美霞（2017）.新媒體技術(shù)支持下的場館建設(shè)與場館學習——以現(xiàn)代教育技術(shù)博物館為例[J].中國電化教育，（2）：20-24.

[15]張四方，江家發(fā)（2018）.科學教育視域下增強現(xiàn)實技術(shù)教學應(yīng)用的研究與展望[J].電化教育研究，39（7）： 64-69，90.

[16]張燕，梁濤，張劍平（2015）.場館學習的評價： 資源與學習的視角[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，25（10）：5-11.

[17]鄭旭東，李志茹（2015）.新興信息技術(shù)在場館學習中的創(chuàng)新應(yīng)用： 現(xiàn)狀、趨勢與挑戰(zhàn)[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，25（6）：5-11.

[18]周榕，李世瑾（2019）.虛擬現(xiàn)實技術(shù)能提高學習成效嗎？——基于46個有效樣本的實驗與準實驗元分析[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，29（11）：46-52.

[19]An， Z.， Xu， X.， & Yang， J. et al. （2018）. Real-Time Three-Dimensional Tracking and Registration Method in the AR-HUD System[J]. IEEE Access， 6：43749-43757.

[20]Bower， M.， & Sturman， D. （2015）. What Are the Educational Affordances of Wearable Technologies？[J].Computer & Education， 88：343-353.

[21]Capuano， G.， Gaeta， A.， & Guarino， G. et al. （2016）. Enhancing Augmented Reality with Cognitive and Knowledge Perspectives： A Case Study in Museum Exhibitions[J]. Behaviour & Information Technology， 35（11）： 968-979.

[22]Falk， J. H.， & Dierking， L. D. （1992）. The Museum Experience[M]. Washington， DC： Whalesback Books： 1-7.

[23]Falk， J. H.， & Dierking， L. D. （2000）. Learning from Museums： Visitor Experiences and the Making of Meaning[M]. Lanham： Alta Mira Press： 39.

[24]Hayes， J. M.， & Kraemer， D. J. （2017）. Grounded Understanding of Abstract Concepts： The Case of STEM Learning[J]. Cognitive Research： Principles and Implication， 2（7）：1-15.

[25]Hwang， G.， Wu， P.， & Chen， C. et al. （2016）. Effects of an Augmented Reality-Based Educational Game on Students Learning Achievements and Attitudes in Real-World Observations[J]. Interactive Learning Environments， 24（8）：1895-1906.

[26]Ibanez， M. B.， Di-Serio， A.， & Villaran-Molina， D. et al. （2018）. Support for Augmented Reality Simulation Systems： The Effects of Scaffolding on Learning Outcomes and Behavior Patterns[J]. IEEE Transactions on Learning Technologies， 9（1）：46-56.

[27]Kreuzer， P.， & Dreesmann， D. （2017）. Museum Behind the Scenes： An Inquiry-Based Learning Unit with Biological Collections in the Classroom[J]. Journal of Biological Education， 51（3）：261-272.

[28]Marchand， E.， Uchiyama， H.， & Spindler， F. （2016）. Pose Estimation for Augmented Reality： A Hands-on Survey[J]. IEEE Transactions on Visualization and Computer Graphics， 22（12）： 2633-2651.

[29]Martín-Gutiérrez， J.， Fabiani， P.， & Benesova， W. et al. （2015）. Augmented Reality to Promote Collaborative and Autonomous Learning in Higher Education[J]. Computers in Human Behavior， 51：752-761.

[30]Yoon， S. A.， Elinich， K.， & Wang， J. et al. （2013）. Scaffolding Informal Learning in Science Museums： How Much Is Too Much？[J]. Science Education， 97（6）：848-877.

[31]Yoon， S. A.， & Wang， J. （2014）. Making the Invisible Visible in Science Museums Through Augmented Reality Devices[J]. Tech Trends， 58（1）：49-55.

收稿日期 2020-05-20 責任編輯 譚明杰

Abstract： The role of museum learning in social education has become increasingly prominent， and the integration of augmented reality technology and gamification learning has become a new trend in museum learning environment design. In order to explore the impact of augmented reality exhibits and their presentation order on learning effects in museum learning， a virtual simulation learning environment named “AR box” was developed， and two groups of virtual simulation learning contents， including gamification and non-gamification were designed with the theme of light refraction. Based on the presentation order of different learning content grouping （gamification priority and non-gamification priority）， the controlled experiment results show that： “AR box” can effectively promote learners understanding of knowledge， and help students have good performance in learning perception， learning engagement and embodied learning， AR simulation applicability， learning satisfaction and other aspects; in comparison， the gamification priority group has better learning effects in knowledge understanding， and more positive feedback on the effect of embodied learning， and more active participation behavior. Therefore， through rational use of augmented reality technology to enhance the expressiveness of exhibits to create a highly immersive learning environment， and merge appropriate gamification elements into the design of learning content， the learning effect of the museum can be improved. At the same time， attention should be paid to the design of the visiting route and the presentation sequence of the exhibits， and the exhibits containing complex scientific concepts should be presented in the form of gamification simulation first.

Keywords： Augmented Reality; Museum Learning; Learning Effects; Virtual Simulation Learning Environment;Gamification Learning