摘 要 以探究如何將混合現(xiàn)實技術有效地應用于物理實驗教學為目標，本研究設計和應用了認知負荷測量量表、沉浸感測量量表、情緒測量量表、學生態(tài)度測量量表以及知識掌握問卷。利用HoloLens2設備實現(xiàn)了原子力顯微鏡實驗探針安裝過程的混合現(xiàn)實系統(tǒng)，應用于真實實驗課堂教學，并以參與的學生為被試收集數(shù)據(jù)。研究結(jié)果顯示，學生在使用混合現(xiàn)實的原子力顯微鏡探針安裝系統(tǒng)的過程中，抱有較為積極的學習態(tài)度，感受到深入的沉浸式體驗，掌握知識的準確率較高，且普遍認為自己沒有感受到較大的認知負荷。但結(jié)果也顯示，在將物理量可視化的過程中，混合現(xiàn)實的實驗形式可能會給學生帶來一些認知誤區(qū)。在沉浸感控制維度方面學生表現(xiàn)不理想，表明部分學生認為自己在操控混合現(xiàn)實設備上存在一定的困難。

關鍵詞 混合現(xiàn)實;物理實驗教學;認知負荷;沉浸體驗

混合現(xiàn)實技術將現(xiàn)實場景與虛擬環(huán)境相結(jié)合，搭建了融合虛擬世界、現(xiàn)實世界和用戶感知交互的智能平臺，給用戶帶來沉浸式體驗，被應用于科學研究、工業(yè)生產(chǎn)和教育培訓等領域[1]。在物理實驗課程教學的過程中，積極探索和引進前沿科技手段，應用混合現(xiàn)實技術可以搭建智慧學習環(huán)境，有益于提升學生的實驗體驗和學習效果[2-4]。因此，在本科生的近代物理實驗課程的原子力顯微鏡實驗項目教學中，利用微軟的Holo-Lens2設備實現(xiàn)了探針安裝操作的混合現(xiàn)實實驗后，從沉浸感、認知負荷、情緒態(tài)度、知識掌握多個方面收集了學生數(shù)據(jù)，分析混合現(xiàn)實技術融入對實驗教學帶來的影響。

1 混合現(xiàn)實系統(tǒng)的實現(xiàn)

在原子力顯微鏡實驗探針安裝過程設計的混合現(xiàn)實系統(tǒng)中，采用了微軟的HoloLens 2裝置，該裝置外觀為頭戴式眼鏡，內(nèi)置攝像頭和傳感器，可以實現(xiàn)虹膜識別、語音識別、手勢識別、跟蹤定位等功能，是目前最先進的混合現(xiàn)實裝置之一。HoloLens2采用了全息投影等技術能夠直接將圖像投影到人眼之中，形成全息影像，并提供手勢交互功能，讓用戶能夠與數(shù)字全息影像進行互動。

系統(tǒng)開發(fā)的技術棧采用的是Blender軟件建模，如圖1（a）所示，利用MRTK 軟件包簡化開發(fā)流程，在Unity平臺中完成程序開發(fā)設計，利用Visual Studio 2022進行部署。通過懸掛C 腳本的方式實現(xiàn)各類交互，UI設計則是采用微軟提供的混合現(xiàn)實開發(fā)軟件包MRTK中的各類基礎UI。

學生進入混合現(xiàn)實系統(tǒng)后，看到如圖1（b）所示的虛擬的探針安裝盒和鑷子等，能夠使用右手手持虛擬的鑷子，用鑷子去夾取儲物盒中所放置的原子力顯微鏡探針，夾取成功后在混合現(xiàn)實環(huán)境中尋找原子力顯微鏡探針的支架，利用左手的中指和食指按壓支架正確的位置將支架上方的擋板升起一個角度后，學生可以將右手夾取的探針靠近并安裝在合適的位置。在安裝的過程中，該系統(tǒng)會出現(xiàn)提示的面板，簡要說明整個過程，讓學生目標明確地進行探針安裝操作，當學生在一定時間內(nèi)還未完成探針安裝操作時，會出現(xiàn)提示要求學生聚焦于任務，盡快完成操作，也可以作為混（a） MRTK開發(fā)界面; （b） MR眼鏡中觀察到的原子力顯微鏡探針安裝盒合現(xiàn)實實驗考評的指標之一。

2 混合現(xiàn)實系統(tǒng)的教學應用

在本科生的近代物理實驗課程中，應用混合現(xiàn)實技術的原子力顯微鏡實驗教學設計如圖2所示。在原子力顯微鏡實驗中，學生一般先完成探針安裝混合現(xiàn)實實驗操作，再開始后續(xù)真實實驗環(huán)節(jié)。在教學環(huán)節(jié)中利用混合現(xiàn)實系統(tǒng)使得該實驗教學的內(nèi)容更加豐富，學生也能夠建立更加健全的認知圖譜。

首先，教師引導學生在HoloLens中完成原子力顯微鏡的探針安裝操作，具體的內(nèi)容包括：在混合現(xiàn)實環(huán)境中拿起彎頭鑷子，找到儲物盒中的原子力顯微鏡探針，并利用食指和中指正確地操作支架使其上方的擋板升起，將探針安入空隙中。完成上述流程后，學生基本理解了原子力顯微鏡探針的結(jié)構(gòu)以及安裝的過程。教師也會進行講解，并引導學生觀察現(xiàn)實實驗環(huán)境中的實驗儀器，將虛擬元素和真實空間連接到一起。學生摘下眼鏡后，就可以繼續(xù)其他不需要以混合現(xiàn)實方式呈現(xiàn)的真實實驗內(nèi)容。

3 測量指標的確定

認知負荷主要用于考察混合現(xiàn)實系統(tǒng)是否在認知上給學生造成了更大的負擔，認知負荷過高或過低都會影響學習者最終的學習效果，因此進行學習過程中的認知負荷評估十分重要[5];沉浸感則是虛擬現(xiàn)實、混合現(xiàn)實等技術應用最常見的考察指標之一，能夠檢測學生的參與度和專注度，可以用來衡量系統(tǒng)所呈現(xiàn)虛擬環(huán)境的生動性以及隔絕外部世界的程度[6]。它是人對客觀事物的態(tài)度體驗及相應的行為反應，是人腦的高級功能，與其他的心理過程有復雜的相互作用關系，從而保證個體的生存和發(fā)展[7]。情緒能反映學生的狀態(tài)，對其行為發(fā)展做出預測，反映出學生對于學習內(nèi)容和教學方法的真實感受。

態(tài)度指一種比較穩(wěn)定的心理狀態(tài)，正確的學習態(tài)度主要表現(xiàn)為四種循序漸進的過程：適應過程、認知過程、滿足過程和飛躍過程[8]。學生在這個過程中會基于以往的經(jīng)驗顯示出不同的偏好，但在學生群體中，同伴之間往往存在相似性，考查學生群體比較具有共性的態(tài)度及行為傾向，能夠為針對物理實驗教學場景的混合現(xiàn)實系統(tǒng)以及混合現(xiàn)實應用程序的設計提供參考，真正了解利用什么技術以及如何利用技術能讓學生在物理實驗課堂中發(fā)揮主觀能動性，這一指標的測量對于物理實驗教學效果的優(yōu)化至關重要。

物理實驗課堂通過向?qū)W生傳授知識和技能，幫助學生打下扎實的物理學基礎，為更深入的物理學科知識的探索提供支持。學生是否在融合了混合現(xiàn)實技術的物理實驗課堂中掌握了正確的概念和操作過程，即相關的陳述性知識和程序性知識是否被正確習得，是考查混合現(xiàn)實系統(tǒng)或混合現(xiàn)實程序的教學有效性的重要方面，應設計合理的問卷以檢測學生的知識掌握水平。

4 研究方法

4.1 調(diào)研樣本

被試為T大學物理科學與工程學院應用物理專業(yè)的本科生、物理學專業(yè)碩士研究生，以及教育技術專業(yè)的碩士研究生。他們在接受混合現(xiàn)實系統(tǒng)的探針安裝操作學習之前，都在實驗室中學習過傳統(tǒng)的原子力顯微鏡實做實驗，即用真實儀器操作的原子力顯微鏡實操實驗。被試擁有一定的物理學基礎，且不僅接受了傳統(tǒng)型的原子力顯微鏡實驗授課，也接受了混合現(xiàn)實環(huán)境的原子力顯微鏡探針安裝實驗授課。問卷發(fā)放的過程中，為保證客觀性，向被試公布了填寫的基本原則和回收方式?；厥諉柧砗?，研究人員也對試卷進行了篩選，剔除了不合格問卷，保證數(shù)據(jù)的有效性。

4.2 研究工具

研究工具基于被試的特征以及問卷的科學性進行設計。本研究參考了國際上知名的量表設計，并結(jié)合本項目學生特點，以及原子力顯微鏡實驗教學情況進行適當?shù)男薷摹Ｑ芯繂柧硐嚓P的測量對象、維度設置、題項類型和題項數(shù)量如表1所示。

4.2.1 認知負荷的測量

認知負荷測量量表參考了PASS、WP、NASATLX[9-11]三個經(jīng)過檢驗的國際量表，最終將認知負荷分為心理負荷、情緒負荷、外部負荷和軀體要求四個維度，設計了15個子題項，較為全面、客觀地考查學生在混合現(xiàn)實實驗中所面臨的認知負荷真實情況。經(jīng)檢驗，修改后的認知負荷測量量表的克隆巴赫系數(shù)達到0.876，信度較高;KMO 統(tǒng)計量值大于0.5，變量間的相關程度差異不大，數(shù)據(jù)適于做因子分析，巴特利特球形檢驗的顯著性結(jié)果小于0.05，球形假設被拒絕，原始變量之間存在相關性，適合做因子分析。

4.2.2 沉浸感的測量

沉浸感是考察虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實、混合現(xiàn)實等技術應用于教育教學場景中效果的重要指標，本研究對PQ、IPQ、MPS、MEC-SPQ、SUS[12-16]量表的題項進行了分類總結(jié)，將重復條目以及不相關的條目進行剔除。指標之間的維度會發(fā)生重合，本研究會測量情緒狀態(tài)和認知負荷的各維度，因此將沉浸感量表中涉及這兩方面的條目剔除，最終選取并修改出18個題項進行測量。經(jīng)檢驗，本研究制定的沉浸感測量量表的克隆巴赫系數(shù)達到0.856，信度較高;KMO 統(tǒng)計量值大于0.6，變量間的相關程度無太大差異，數(shù)據(jù)很適合做因子分析，巴特利特球形檢驗的顯著性結(jié)果小于0.05，球形假設被拒絕，因而原始變量之間存在相關性，適合做因子分析。

4.2.3 態(tài)度的測量

態(tài)度是學生所持有的較為穩(wěn)定的心理要素，基于態(tài)度會產(chǎn)生不同的行為傾向，促進不同的學習結(jié)果。關于態(tài)度測量量表維度的確定和題項的制定，考慮到相關學生的特點和不同學科門類學生態(tài)度測量的貼切性，本研究量表中關于態(tài)度三維結(jié)構(gòu)模型的理解和應用設計參考了《學習態(tài)度的理論與研究》[17]。同時，在量表的制定上還借鑒了《工科大學生學習態(tài)度影響的實證研究》[18]中的工科類學生態(tài)度測量量表。本量表測量指標分為認知、情感、行為傾向三個維度，包含了12個題項。經(jīng)檢驗，本研究基于態(tài)度的三維結(jié)構(gòu)模型和張俊珍的量表設計的測量量表的克隆巴赫系數(shù)達到0.803，信度較高;KMO 統(tǒng)計量值大于0.5，變量間的相關程度無太大差異，數(shù)據(jù)適合做因子分析，巴特利特球形檢驗的顯著性結(jié)果小于0.05，球形假設被拒絕，原始變量之間存在相關性，適合做因子分析。

4.2.4 情緒的測量

學生的情緒可以歸納為正向情緒和負向情緒兩方面，正向情緒包含了多種體現(xiàn)學生積極快樂的情緒，負向情緒則體現(xiàn)學生的低迷和困惑等。為保證測量的有效性，參考PANAS積極消極情緒測量量表[19，20]，并將其中不適合的題項進行適當?shù)貏h減，最終采用16個分別能夠代表學生積極情緒狀態(tài)和消極情緒狀態(tài)的形容詞作為檢測的指標，考查學生在混合現(xiàn)實環(huán)境中進行探針安裝操作的情緒狀態(tài)。經(jīng)檢驗，本研究在PANAS基礎上修改的測量量表的克隆巴赫系數(shù)達到0.915，信度較高;KMO 統(tǒng)計量值大于0.7，變量間的相關程度無太大差異，數(shù)據(jù)適合做因子分析，巴特利特球形檢驗的顯著性結(jié)果小于0.05，球形假設被拒絕，原始變量之間存在相關性，適合做因子分析。

4.2.5 知識掌握水平的測量

本研究設計了7個題項，分別從理論知識及操作技能的角度來考查學生的習得水平，驗證他們是否在混合現(xiàn)實系統(tǒng)中對實驗的理論知識及操作技巧建構(gòu)了正確的理解。例如，其中一個題項“在安裝原子力顯微鏡探針時，應該將探針帶有溝槽的一面朝上放置還是朝下放置？”，這一題目回答的正確與否直接影響到學生探針安裝操作的成敗，但在物理空間中，原子力顯微鏡探針的結(jié)構(gòu)較為微小，學生不易觀察溝槽，在混合現(xiàn)實場景中，他們能夠從全方位視角進行觀察，按照需求進行放大和移動，提高正確操作的水平。

5 研究結(jié)果

5.1 認知負荷

認知負荷量表測量的平均值為3.385，高于中等水平2.5，證明總體上混合現(xiàn)實系統(tǒng)沒有給學生造成過大的認知負荷。針對具體的題項，“系統(tǒng)展示內(nèi)容的形式容易理解”“系統(tǒng)呈現(xiàn)方式很清晰易懂”“系統(tǒng)的布局很清晰易懂”分別表現(xiàn)出均值4.17、3.90和3.83的較高分數(shù)，該系統(tǒng)在認知負荷的外部負荷維度表現(xiàn)優(yōu)秀。但關于以下題項，“在這個系統(tǒng)中學習時，我需要不斷地思考和努力”“我覺得自己的腦力被充分利用了”“這個系統(tǒng)需要我全神貫注”，學生們得分較低，普遍感受到自己承受了一定的神經(jīng)負荷或情緒負荷。

在實驗教學的過程中要注意學生內(nèi)在認知負荷、外在認知負荷和關聯(lián)認知負荷之間的累加關系， 使之不要出現(xiàn)認知超負荷現(xiàn)象[21]。整體來看，該混合現(xiàn)實系統(tǒng)并不會給學生帶來過多的認知負荷，其在心理負荷、外部負荷以及軀體要求的維度上表現(xiàn)良好，但該系統(tǒng)應考慮到造成神經(jīng)負荷和情緒負荷的方面并進一步改進，從而和課堂教學更好地融合。關于為何在教學過程中帶給學生較高的情緒負荷和神經(jīng)負荷，對應具體的實驗環(huán)節(jié)考慮。首先，學生對于原子力顯微鏡的精密結(jié)構(gòu)認知不足，又接觸了新的技術手段，佩戴混合現(xiàn)實眼鏡的過程中要完成操作，部分學生就會出現(xiàn)一些憂慮情緒。

5.2 沉浸感

沉浸感測量量表的平均值為3.373，學生在該系統(tǒng)內(nèi)操作過程的沉浸水平較高。在相關的題項中，學生一致認為該混合現(xiàn)實環(huán)境中可以邊走動邊觀察，同時多個角度觀察虛擬環(huán)境和虛擬物體，這體現(xiàn)了HoloLens 2的技術優(yōu)勢，也凸顯了混合現(xiàn)實相較于虛擬現(xiàn)實而言的優(yōu)勢性，即學生可以同時觀察真實空間和虛擬物體，視線不會被完全遮擋，可以自由地走動并觀察。但在“我會花費很多的精力在控制設備的操作方法上”的分值較低，均值只有2.83，證明在混合現(xiàn)實空間中，用雙手來控制虛擬物體以實現(xiàn)精準的實驗操作仍存在一定困難，還不能像直接用雙手操作一樣地靈活自如。對應具體的實驗環(huán)節(jié)，學生主要是在按壓原子力顯微鏡支架以及將探針放入的過程中遇到了困難。一方面，混合現(xiàn)實系統(tǒng)先識別到學生的雙手手勢，再出現(xiàn)相應的虛擬映像，學生總會覺得混合現(xiàn)實環(huán)境中雙手操作沒有真實空間中靈活。另一方面，混合現(xiàn)實系統(tǒng)的技術有限，難免會造成一些時間上的延遲和卡頓。

5.3 態(tài)度

態(tài)度測量量表回收數(shù)據(jù)的均值結(jié)果為3.976，說明學生們對于使用混合現(xiàn)實的原子力顯微鏡探針安裝系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的態(tài)度。針對具體的題項，學生不僅表示自身對該系統(tǒng)感興趣，同時也表明了愿意參與該系統(tǒng)相關實驗學習的行為意向。在學習的過程中，學生們表明愿意主動查閱相關資料并向教師尋求幫助。但在另一方面，學生們認為混合現(xiàn)實學習系統(tǒng)對于自身世界觀、人生觀、價值觀形成的幫助是比較有限的?；旌犀F(xiàn)實以技術賦能的方式開闊了學生的視野，使其體會到新興技術手段的神奇之處，更深入、有效地學習物理實驗的內(nèi)容。

5.4 情緒

關于情緒測量，PANAS量表是將正向詞匯和負向詞匯呈現(xiàn)，學生要按詞匯描述的符合程度打分。本研究中，將消極詞匯所描寫的題項進行了轉(zhuǎn)置并賦分，以保證得到的均值的合理性，最終該情緒測量量表回收的數(shù)據(jù)均值為3.741，證明學生在混合現(xiàn)實系統(tǒng)學習的過程是以正向的積極情緒為主導。學生感覺到活躍的、充滿熱情的、興奮的、欣喜的等積極的情緒。

值得注意的是，部分學生在實驗中感覺有些緊張，甚至在解決問題的過程中會產(chǎn)生一些挫折情緒。這一方面是源于該系統(tǒng)本身的設計，應該在后續(xù)進行系統(tǒng)優(yōu)化以帶來更好的體驗。另一方面，新興教育技術的迅速普及和廣泛應用也不可避免地對教育發(fā)展秩序產(chǎn)生一定的干擾，助長人們對教育技術的焦慮情緒[22]。學生接受融合了新技術的課堂需要一個過程，其中難免會伴有緊張情緒和挫折情緒，教師要注意加以正確的引導，使學生保持對于物理實驗學習的熱情。

5.5 知識掌握

關于知識測量問卷的理論知識測評部分，總體的正確率達到80%。學生在混合現(xiàn)實系統(tǒng)學習的過程中對知識的掌握情況良好。針對具體的題項，對于“原子力顯微鏡工作的原理”以及“探針是否可以反復利用”問題回答的正確率分別達到了100%和96.7%，但學生對于“原子力顯微鏡探針針尖是否肉眼可見”的問題產(chǎn)生了誤區(qū)，正確率只有43.3%，這可能是由于在混合現(xiàn)實系統(tǒng)中對于納米級別的探針進行了可視化呈現(xiàn)，設計的本意是為了加深學生對于探針結(jié)構(gòu)的了解。在后續(xù)系統(tǒng)的修改中，應該解決這個問題，也提醒其他高校在利用混合現(xiàn)實技術進行不可見實驗過程可視化設計時要進行充分的說明，以免給學生帶來誤解;關于知識測量問卷的操作知識測評部分，總體的正確率達到了78.3%，學生對于操作知識的掌握情況良好，能夠清晰地了解探針放置的具體位置，彎頭鑷子的使用過程，支架的移動部位以及探針溝槽面向上放置的操作要點。

5.6 綜合分析

研究結(jié)果如圖3所示，學生在知識掌握和態(tài)度方面的表現(xiàn)較為突出，這與系統(tǒng)生動展示儀器結(jié)構(gòu)的特性密不可分，學生親身經(jīng)歷了安裝探針的過程后，對知識能有更好的理解。同時，因為技術的新穎性以及教師的有序引導，學生對于混合現(xiàn)實系統(tǒng)的態(tài)度較為積極。沉浸感和認知負荷的平均值都大于中間值2.5，且大于3.3，證明該系統(tǒng)帶給學生較好的沉浸體驗。認知負荷這一指標稍差的結(jié)果可能源于技術的有限性，混合現(xiàn)實空間中的操作無法像傳統(tǒng)實驗那樣，讓學生感覺自己的雙手“一樣地靈活和絲滑”，部分學生覺得混合現(xiàn)實教學系統(tǒng)給自己造成了一些認知負擔。

6 結(jié)語

將混合現(xiàn)實技術融入原子力顯微鏡實驗教學，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在認知負荷、情緒狀態(tài)、三維態(tài)度、沉浸體驗以及知識掌握等五個方面，皆得到了較為良好的測量結(jié)果。因此，學生對于混合現(xiàn)實技術在原子力顯微鏡實驗課堂中的應用持有積極的態(tài)度和較高的接受水平。同時，在知識掌握方面，學生的理論知識和操作技能知識的正確率都很高，分別達到了80%和78.3%，證明混合現(xiàn)實系統(tǒng)能夠達到物理實驗課堂知識傳授的目標。研究結(jié)果初步證明了相關技術手段的適用性，既沒有給學生造成很強的認知負荷，也達到了知識掌握的目的。

對于混合現(xiàn)實的物理實驗系統(tǒng)的教學設計，本研究也發(fā)現(xiàn)了一些需要引起重視的問題。首先，在沉浸感測量的控制維度上得到了一些不太理想的結(jié)果，這是由于混合現(xiàn)實技術場景中并不能完全復刻真實場景。站在技術角度，系統(tǒng)首先會識別學生的手部指令，學生再利用手部指令對虛擬物體進行一系列操作，這個過程中很容易發(fā)生不太靈敏或卡頓的情況，部分學生因而產(chǎn)生一些消極情緒。其次，在知識掌握問卷測量的過程中，本研究發(fā)現(xiàn)混合現(xiàn)實系統(tǒng)的一些可視化呈現(xiàn)效果很可能會給學生帶來誤解。例如，系統(tǒng)將原子力顯微鏡探針針尖可視化，這樣設計的目的是方便學生理解針尖所處的位置，對針尖結(jié)構(gòu)建構(gòu)自身的理解。但很多同學會誤以為在混合現(xiàn)實系統(tǒng)中針尖是可見的，那么真實的物理空間中原子力顯微鏡探針針尖也是肉眼可見的。情境認知理論認為，知識應融入真實情境，向真實情境遷移，學生才有機會體驗知識在真實生活中的應用，感悟知識的價值[23]，但若知識在遷移的過程被誤解，造成學生的認知偏差，則會影響整個知識建構(gòu)過程。這提醒研究者，在利用增強現(xiàn)實技術、混合現(xiàn)實技術進行各類物理實驗過程復現(xiàn)，將不可見的物理量可視化的過程中，要考慮到學生會產(chǎn)生認知誤區(qū)的情況，并改進混合現(xiàn)實技術相關的實驗教學設計。

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