關(guān)鍵詞：戶外研學；AR交互；媒介情境理論；沉浸式；游戲化

中圖分類號：TP391.9 文獻標識碼：A

文章編號：1003-0069（2024）24-0063-04

引言

信息技術(shù)快速發(fā)展下，增強現(xiàn)實（AR）技術(shù)逐漸成為連通虛擬世界與現(xiàn)實世界的橋梁。通過AR 技術(shù)可以將計算機形成的虛擬信息疊加到現(xiàn)實中的真實場景中，增強人們對現(xiàn)實世界在視覺、聽覺、觸覺等方面的體驗，對現(xiàn)實世界起到補充作用[1]。

根據(jù)中華人民共和國的國家標準《學科分類與代碼》（GBT13745-2009），AR 技術(shù)在教育領(lǐng)域應(yīng)用廣泛，具體學科分布情況如表1 所示[2]106。

從表1中可以看出，“自然科學”領(lǐng)域的 AR應(yīng)用教育占比最高，達到 42.1%。大部分著重利用增強現(xiàn)實技術(shù)來改進或增強自然科學的教學[2]106，這表明AR交互應(yīng)用與戶外研學適配度極高——增強現(xiàn)實技術(shù)有助于改變戶外自然研學存在著講授信息傳達效率低、互動趣味性不足等問題，為提升戶外研學體驗提供創(chuàng)新性新的設(shè)計思路。因此，探討AR 技術(shù)作為新媒介技術(shù)帶來的用戶新的交互體驗可能性與戶外研學情境如何高效適配，媒介情境理論給出了有益指導(dǎo)。文章首先介紹了媒介情境理論及其在AR 交互設(shè)計中的應(yīng)用作用，然后詳細分析了《學趣》App 的研學AR 交互設(shè)計探索，最后對設(shè)計進行了分析評估和總結(jié)。

一、媒介情境理論下的AR交互

（一）媒介情境理論。媒介情境理論是由梅羅維茨結(jié)合麥克盧漢的“媒介傳播”理論和社會學家戈夫曼的“情境主義理論”提出的，強調(diào)媒介、情景和行為之間相互作用的理論。麥克盧漢提出不同媒介會改變?nèi)说母兄驼J知行為。梅羅維茨認為情境就是信息系統(tǒng)；每一種獨特的行為需要一種獨特的情境，并提出了新媒介——新情境——新行為的新思路[3]。該理論強調(diào)了技術(shù)、環(huán)境和用戶行為之間的相互作用，很好地詮釋了電子媒介所帶來的新的行為變化，認為不同的媒介形式能夠創(chuàng)造出不同的交流情景，進而影響用戶的行為模式。隨著新媒體技術(shù)的發(fā)展，媒介情境理論也被廣泛應(yīng)用于新興媒介的研究之中。

（ 二）AR 技術(shù)下的交互。增強現(xiàn)實（Augmented Reality，AR）技術(shù)通過計算機視覺、傳感器技術(shù)和顯示技術(shù)，將虛擬信息與現(xiàn)實世界無縫融合，具有“虛擬物體能夠準確地以3D形式再現(xiàn)真實物體”“將物理現(xiàn)實世界與虛擬世界相連接”“支持實時交互”三大特點[2]105。增強現(xiàn)實（AR）在現(xiàn)實世界中的應(yīng)用能夠彌補虛擬現(xiàn)實（VR）在操作真實感方面的不足[4]。AR 技術(shù)通過捕捉現(xiàn)實環(huán)境中的圖像信息特征等調(diào)取相關(guān)虛擬信息，根據(jù)使用者不同的空間位置、觀看角度及肢體動作，虛擬信息數(shù)據(jù)可與現(xiàn)實環(huán)境產(chǎn)生相應(yīng)的、準確的互動，大大提高信息獲取的效率[5]。AR 技術(shù)還具有多模態(tài)的交互方式，包括觸摸屏、手勢、視覺識別、語音輸入等，與真實世界進行互動，使用戶的交互體驗豐富化，為教育領(lǐng)域提供了新的可能性。

二、基于媒介情境理論的研學AR交互設(shè)計分析

（一）作為新媒介的AR 交互可能性。交互設(shè)計，強調(diào)的是雙方或多方的互動與協(xié)作。通過各式各樣的設(shè)計手段，使人和產(chǎn)品、技術(shù)等人造事物之間能夠相互交流、協(xié)作，最終達到某個共同的目的[6]。

AR 技術(shù)交互的實現(xiàn)依賴于XR 硬件媒介設(shè)備，主要的有智能手機、平板電腦、AR 眼鏡、投影設(shè)備和體感設(shè)備等。在眾多設(shè)備中，由于手機普及度高且功能強大（具有的GPS 定位能縮小識別范圍，提高準確率而環(huán)境光傳感器可根據(jù)環(huán)境光強度自動調(diào)整圖像采集參數(shù)，優(yōu)化圖像質(zhì)量），且具有交互形式多樣性（觸摸屏、手勢等），系列多模態(tài)交互越來越多地被綜合應(yīng)用于交互設(shè)計中，提供更為自然和高效的用戶體驗[7]。

（二）基于AR 研學的新情境分析。相較于目前的戶外研學，AR研學通過AR 技術(shù)能夠創(chuàng)建多樣化的學習情境，突破時空限制，適應(yīng)個性化需求。不但使真實世界與虛擬世界相連結(jié)，創(chuàng)造全新的學習情景，還可以在虛擬世界中詳細、精準地展示現(xiàn)實世界中難以觀察到的事物，偶發(fā)性高的事件抑或是較為危險的情景，繼而激發(fā)同學們新的學習行為。如對動植物觀察，學生們常面臨無法近距離觀察與實時討論互動，而AR 技術(shù)交互可創(chuàng)建與自然環(huán)境融合的新學習場景，通過AR 識別聚焦觀察主體，疊加主體信息標簽說明、3D動態(tài)、通過移動設(shè)備來更好地展示主體具體形態(tài)，還可以創(chuàng)建AR 互動游戲任務(wù)，改變自然研學的直線式流程，呈現(xiàn)出了一種多線程、多方位、非線性的敘事單元。

總的來說，AR 技術(shù)能夠感知用戶的現(xiàn)實環(huán)境，并根據(jù)情境提供相應(yīng)的虛擬信息。這種情境感知能力使得AR 應(yīng)用能夠適應(yīng)不同的用戶和環(huán)境，提供相對應(yīng)的更加自然和適應(yīng)性的體驗。

（三）研學新需求行為分析。圖1是通過組織團隊前往戶外研學現(xiàn)場，實地觀察并記錄，目標人群訪談，問卷調(diào)查等調(diào)研方式獲取并匯總真實、豐富的現(xiàn)場數(shù)據(jù)而成。

由數(shù)據(jù)可知，在研學活動中用戶期望通過研學獲取知識、享受安全便利環(huán)境、獲得多元體驗、互動反饋及個性化指導(dǎo)，實現(xiàn)知識、體驗和發(fā)展全面提升；用戶在研學活動中呈現(xiàn)出諸多行為，他們會主動觀察環(huán)境、用智能手機答疑、小組討論分享、思考記錄所學知識，識別興趣與不足。

三、研學AR交互設(shè)計邏輯建構(gòu)

本節(jié)以媒介情境理論為基礎(chǔ)框架，圍繞“新媒介—新情境—新行為”展開，構(gòu)建起基于研學新情境的AR 交互設(shè)計的邏輯建構(gòu)，如圖2。

研學AR 情境作為綜合交互系統(tǒng)，需要全面考量交互技術(shù)、情境映射、學習者等因素。繼而通過構(gòu)建虛實融合的新情境，AR 游戲任務(wù)等方式來增加人與知識的交互，激發(fā)多元感官體驗，確保每個設(shè)計環(huán)節(jié)都能有效地服務(wù)于研學目標，推動用戶更積極地參與研學活動。

（一）新媒介——發(fā)揮AR強沉浸多模態(tài)特性的研學交互設(shè)計。在戶外研學情境下，AR提供了一種新的媒介交互，用戶可通過觸屏，語音，文字等形式來與自然或IP 生成物或助手進行多模態(tài)交互，這擴展了學生在虛實融合的新場景中的氛圍、情感與行為等情境空間，并力求通過交互技術(shù)來使得現(xiàn)實場景與虛擬場景有實時的交互變化；尤其是在人工智能快速發(fā)展的當下，可以通過虛擬AI 助教的方式，通過攝像頭對觀察主體的識別與實時語音交互完成學習任務(wù)，也可以通過圖文疊加、3D 虛擬模型或動態(tài)演示進一步地呈現(xiàn)觀察物更詳細介紹信息與動態(tài)變化。如，戶外動植物觀察的AR 交互可以了解植物的名稱、分類、生長習性等。當對準一棵樹時，在AR 指引下與虛擬模型進行互動調(diào)取植物的從小到大的生長形態(tài)變化、生長環(huán)境特征、分布范圍等信息的動態(tài)展示。還可以通過對植物的虛擬3D 模型的旋轉(zhuǎn)和放大等AR 交互更深入地觀察植物內(nèi)外結(jié)構(gòu)，如葉片的紋理、根系的布局等。

（二）新情境——從單一到多線敘事單元情境交互設(shè)計。研學AR 交互設(shè)計通過AR 技術(shù)實現(xiàn)打破虛實空間與時空限制，進行多線敘事的情境映射，可以對固有線性研學模式的突破。將研學內(nèi)容分割成多個相互關(guān)聯(lián)但又相對獨立的敘事單元，每個單元都有其獨立的敘事情境與信息內(nèi)容，學生可以自由選擇探索順序。同如戶外觀察研學識別某一動植物后，AI助教實時問答調(diào)用或生成更具個性化的信息內(nèi)容，可以了解動植物的前世今生、生活環(huán)境、生物結(jié)構(gòu)、食物鏈關(guān)系等，從起源演化（多時間）、生態(tài)環(huán)境（多空間）、與人類關(guān)系（多角度）、自身生理結(jié)構(gòu)（多部位）等多個維度的敘事的個性化AR 交互，能夠激發(fā)學生的主動性，讓他們在自主構(gòu)建知識體系的過程中更全面地了解戶外大千世界理解。再者，可以在現(xiàn)實場景中通過情境映射整合更多維情境中的跨學科知識與故事、游戲等娛樂情境或更富邏輯的知識網(wǎng)絡(luò)圖譜，促進STEM（科學、技術(shù)、工程、數(shù)學）等跨學科教學。通過創(chuàng)建相關(guān)知識相關(guān)的情境任務(wù)游戲化設(shè)計，增強參與度可增加學習趣味性。

（三）新行為——從單向到實時交互反饋的新行為模式?；诿浇榍榫忱碚摰腁R研學App以用戶為核心進行設(shè)計，構(gòu)建虛實互動場景，使人與環(huán)境之間的交互更加的深入；通過游戲化的情境式任務(wù)，如食物鏈匹配和AR 植樹，調(diào)動學生的積極性，增強學生的情境參與度。這種基于現(xiàn)代AR技術(shù)與虛實相融情境而生的設(shè)計方式是對戶外研學行為模式的一種創(chuàng)新，利用 AR 技術(shù)的優(yōu)勢，使學生在研學過程中能與虛擬環(huán)境和內(nèi)容進行即時互動，讓學生獲得多感官認知體驗。學習過程變得更加有趣和富有挑戰(zhàn)性，同學們的學習模式也從被動接受信息轉(zhuǎn)變?yōu)橹鲃犹骄恐R，形成了一個良性的動態(tài)學習循環(huán)。同時，AR 設(shè)備還能夠即時提供反饋，幫助學生糾正錯誤和鞏固知識，從而提高學習效果。此設(shè)計還鼓勵協(xié)作學習，讓多個學生組隊，通過AR設(shè)備共同完成任務(wù)，一起完成復(fù)雜的生態(tài)項目，通過分工合作增強學生的團隊合作能力。

綜上，在構(gòu)建研學AR交互設(shè)計邏輯中，媒介、情境、行為被重新聯(lián)結(jié)，形成新的結(jié)構(gòu)關(guān)系，通過設(shè)備、用戶、情境的交互，創(chuàng)構(gòu)了AR 技術(shù)深度調(diào)動多感官、激發(fā)探索欲、提高積極性、增強情感共鳴等的AR 研學交互體驗?zāi)Ｊ健?/p>

四、《學趣》研學AR交互設(shè)計探索

《學趣》研學AR 交互設(shè)計基于上述“新媒體——新情境——新行為”理論框架邏輯，為線下研學服務(wù)設(shè)計虛實融合的游戲化創(chuàng)新研學體驗，針對青少年戶外自然研學場景。其邏輯構(gòu)建見圖3，具體設(shè)計成果將分3 個方面進行詳細介紹。

（一）發(fā)揮AR 新媒介特性的交互設(shè)計探索。

1. 多模態(tài)交互提升信息獲取與體驗設(shè)計

借助AR技術(shù)具有“虛實融合”的視覺識別與語音多模態(tài)交互能力，對應(yīng)青少年戶外研學中親近自然，具象觀察與科學探索、溫習課本與學習新知等多樣化的研學需求深度融合，借助最新的科大訊飛人工智能大模型為首的學習智能體可通過觸屏、語音等多模態(tài)交互來適應(yīng)視覺傾向者與聽覺傾向者等不同研學用戶的個性化學習習慣。

設(shè)計中關(guān)注AR 交互與教育情境的適配，基于視覺感知原理幫助學生構(gòu)建多維的認知框架，提升對自然知識的信息獲取體驗。如圖4，研學用戶觀察研學點設(shè)計的動植物情景，可利用AR 圖像識別精準識別動植物并調(diào)取現(xiàn)有庫內(nèi)多模態(tài)信息，不僅設(shè)計有相關(guān)的介紹信息，還增加三維可交互模型展示、生長過程動畫、成長環(huán)境視頻與生態(tài)圖譜可視化設(shè)計等，并通過觸屏與語音交互協(xié)同作用完成，特別融入AI 研學助手的實時講解與問答，能講調(diào)動還在多感官參與，改進知識獲取方式，提升學習積極性與知識吸收效率。

2. 界面設(shè)計與戶外環(huán)境協(xié)調(diào)統(tǒng)一

考慮到戶外研學環(huán)境的復(fù)雜性，UI 交互設(shè)計界面采用了冷色調(diào)與中性色相結(jié)合的簡約風格。見圖4（a），圖標（icon）形狀簡潔、線條流暢，提高了在復(fù)雜光線條件下的辨識度。各個界面色調(diào)以綠色為主，設(shè)計風格清新自然，不僅與戶外自然環(huán)境相協(xié)調(diào)，給人帶來寧靜、舒適的感覺，減輕學生在戶外學習時的視覺疲勞，同時在潛意識中強化學生與自然環(huán)境的聯(lián)系，使其更容易進入學習狀態(tài)。另外，在不同界面中使用了適量的，不同顏色的線條和文字來突出重點信息，使內(nèi)容更加有層次感，清晰易讀。

AI助手設(shè)計在與整體界面風格統(tǒng)一的基礎(chǔ)上，基于與青少年兒童建立深層次情感連接的任務(wù)，著重突出可愛、溫暖和友好的特質(zhì)，吸引注意力并產(chǎn)生親近感。從圖4（b）中可見，AI助手外觀設(shè)計采用毛絨質(zhì)感，搭配具有個性化的背包服飾，給人一種準備去戶外探險的感覺，與戶外研學的主題相契合。該形象擬人化的設(shè)計使當學生在戶外遇到問題或需要引導(dǎo)時，讓他們感到親切和安心、成為學生亦師亦友的“伙伴”，從而更愿意與之互動，增強了學生與 App 之間的情感連接，提升了學習體驗的愉悅感。AI 助手的動作和表情設(shè)計也需進行交互設(shè)計，例如，當學生成功完成一項任務(wù)時，AI 助手會做出歡呼慶祝的動作，給予學生積極的反饋，進一步激發(fā)他們的學習動力。

（二）戶外研學新情境設(shè)計探索。情境設(shè)計強調(diào)以情感、情節(jié)引導(dǎo)為主的設(shè)計方式，通過一個個故事化的敘事單元的牽引，提高對知識的理解與應(yīng)用能力。在實際研學過程中，學生體現(xiàn)出既有對現(xiàn)實自然情境的觀察需求，也有對更局部微觀探索的需求，在原有自然景象上細化微觀生態(tài)探秘的情境設(shè)計，打破傳統(tǒng)的情境認知局限，從而拓寬他們對自然生態(tài)系統(tǒng)更深入與全面的理解，通過以微觀敘事來增強學生對生態(tài)知識的的學習探索，更有助于培養(yǎng)其主動構(gòu)建知識體系的自然科學素養(yǎng)。如圖5，利用AR 識圖對準植物園里的一抔腐葉土壤識別其類別屬性后可以調(diào)出肉眼難以觀察的小生物，如蚯蚓、甲殼蟲的3D動態(tài)模型動畫，并配合AI 研學助手詳細介紹這些小動物的生活習性、在土壤改良中的作用，還可深入講述了土壤中微生物群落的構(gòu)成和作用等知識內(nèi)容。為增強情境的沉浸感，特別設(shè)計有動物在腐葉或沙土中輕微的震動聲、小動物爬行的沙沙聲等聲音特效。這種情境設(shè)計讓學生們直觀領(lǐng)略生態(tài)系統(tǒng)最基層的物質(zhì)循環(huán)運作，突破了對自然觀察的常規(guī)尺度，激發(fā)了他們對微觀世界的好奇心和探索欲。

2. 多場景情境構(gòu)建滿足多元需求。青少年在研學過程中渴望從不同角度、不同尺度去探索自然，用AR 多情景疊加的虛實交互新情景建構(gòu)，不僅設(shè)計微小場景如腐葉土堆情景外，還設(shè)計了更大的生態(tài)場景，如池塘生態(tài)系統(tǒng)的情境，利用 GPS 定位和場景識別技術(shù)，到達池塘附近時，自動啟動池塘生態(tài)系統(tǒng)的 AR 展示。通過水下攝像頭模擬視角呈現(xiàn)池塘中各類生物的實時動態(tài)，包括魚類的游動、水草的搖曳以及微生物的分布。利用 AR 的信息標注功能，為不同生物標注名稱、習性、食物鏈位置等關(guān)鍵信息。設(shè)置互動環(huán)節(jié)，點擊生物彈出詳細信息窗口，包含高清圖片、視頻介紹和相關(guān)知識問答，幫助學生深入了解生物之間的相互關(guān)系。此外，還可以結(jié)合季節(jié)變化模擬，展示池塘在不同季節(jié)的生態(tài)特征變化，讓學生感受時間維度對生態(tài)系統(tǒng)的影響。

（三）游戲化任務(wù)所產(chǎn)生的交互新行為。由前期調(diào)研可知，戶外研學群體不愿被動接受知識而是希望以娛樂化方式寓教于樂。因此，研學任務(wù)的機制設(shè)計可在AR 技術(shù)支撐的基礎(chǔ)上進行相應(yīng)的游戲化，與平時經(jīng)典的游戲機制相結(jié)合，形成游戲化研學任務(wù)。

1. 基于“消消樂”游戲機制的食物鏈匹配任務(wù)研學互動行為，見圖6（a）。青少年在學習生態(tài)知識時，對于理論性概念闡述和純文字性的生態(tài)關(guān)系描述往往覺得抽象和枯燥。在設(shè)計新任務(wù)以適配戶外研學用戶新行為時，可采用基于 “消消樂” 游戲機制的食物鏈匹配任務(wù)改善生態(tài)知識學習困境。將復(fù)雜的生態(tài)知識以一種趣味化、互動性強的游戲元素形式呈現(xiàn)。過程中，通過游戲化湊齊一行則消除的形式，以直觀視覺反饋詮釋生態(tài)平衡，讓學生在輕松愉快的氛圍中主動運用所學知識，更加深入地理解生態(tài)系統(tǒng)的運行規(guī)律，促進思維的系統(tǒng)性和條理性發(fā)展。

例如，在森林場景中，學生需要判斷鹿、狼、草等生物之間的食物鏈關(guān)系。同時，通過積分等游戲化反饋機制增強學生的學習動力和自我糾錯能力，提升學習效果。

2. 基于傳統(tǒng)拼圖合作機制的AR 拼圖任務(wù)共創(chuàng)行為。在戶外研學中，培養(yǎng)青少年的團隊協(xié)作和競爭意識具有重要意義。前者有助于他們在未來更好地適應(yīng)團隊工作環(huán)境，學會合作共贏；后者則能激發(fā)學生的積極性和進取心，促使他們不斷挑戰(zhàn)自我，提升個人能力。AR 植物拼圖任務(wù)的設(shè)計，旨在創(chuàng)造一個有趣且富有挑戰(zhàn)性的學習新情境，讓學生在合作完成任務(wù)的過程中激發(fā)新行為——學會溝通、協(xié)調(diào)和互相支持，提高團隊合作能力與上進心。

基于此，設(shè)計了AR 植物拼圖任務(wù)以促進團隊協(xié)作與競爭。見圖6（b），植物園工作人員提前設(shè)定多種本地特色植物及珍稀植物的拼圖任務(wù)，每個小組領(lǐng)取不同植物主題任務(wù)后，需在園內(nèi)利用AR 技術(shù)四處探索識別，收集拼圖碎片（被隨機隱藏在不同植物展區(qū)角落，靠近后會以虛擬光影閃爍形式提示位置）。收集齊后小組成員會合，共同在App 內(nèi)合作拼湊出植物全貌。拼湊成功瞬間觸發(fā)該植物詳細科普動畫彈出，介紹其獨特結(jié)構(gòu)、繁殖方式等。完成后各小組作品還能匯總展示在植物園公共大屏上形成 “植物拼圖墻”，激發(fā)團隊協(xié)作自豪感與競爭意識。

小結(jié)：《學趣》研學 AR 交互設(shè)計的突出亮點在以下多方面。通過多模態(tài)交互，利用AR 與AI 技術(shù)實現(xiàn)了智能識別和多感官信息融合，滿足了不同學習習慣學生的需求，提升了信息獲取效率和學習體驗。界面設(shè)計與戶外環(huán)境高度協(xié)調(diào)，色彩心理學原理的應(yīng)用和精心設(shè)計的圖標及 IP 助手，增強了學生的情感連接和學習愉悅感。微觀生態(tài)探秘情境和多場景情境構(gòu)建豐富了學生的學習內(nèi)容，拓展了他們的視野，通過深入的知識呈現(xiàn)、跨學科整合和個性化支持，培養(yǎng)了學生的多種能力。游戲化任務(wù)將生態(tài)知識與游戲機制巧妙結(jié)合，在激發(fā)學生學習興趣的同時，培養(yǎng)了團隊協(xié)作和競爭意識，并促進了知識的遷移應(yīng)用能力。

總結(jié)

綜上，本研究基于媒介情境理論“新媒介—新情境—新行為”模式，以《學趣》研學AR 交互設(shè)計為例探討了研學AR 交互設(shè)計的理念思路與實踐策略、以期實現(xiàn)虛實融合的創(chuàng)新型研學體驗?！秾W趣》AR 交互完成了情境映射所倡導(dǎo)的主體參與、情境創(chuàng)設(shè)和知識建構(gòu)的任務(wù)。然而，當前仍存在個性化推薦的精確度、沉浸式體驗的真實感、社會情感層面的教學支持等問題有待進一步優(yōu)化的交互。我們期待在技術(shù)的持續(xù)革新與青少年教育改革過程中，研學AR 交互設(shè)計能進一步發(fā)揮其尊重個體差異、強化實踐操作、培養(yǎng)創(chuàng)新思維等方面的價值，為戶外研學注入了新活力，為 AR 技術(shù)在教育領(lǐng)域的發(fā)展提供了新思路。