關鍵詞：增強現(xiàn)實；學習成果；產品開發(fā)設計；準實驗研究；教學活動設計

引言

在科技進步和現(xiàn)代教育數(shù)字化轉型的背景下，現(xiàn)代教育技術已實現(xiàn)顯著發(fā)展，其快速融入教學過程成為不可避免的趨勢，教師正在面臨著如何有效整合現(xiàn)代教育技術以優(yōu)化教學實踐的挑戰(zhàn)。當前，教師可通過引入新興技術如虛擬現(xiàn)實、增強現(xiàn)實和人工智能等，來提升課堂教學質量，促進知識的傳授與學生的理解掌握。相關研究表明，增強現(xiàn)實（AR）技術在教學和學習領域展現(xiàn)出巨大的潛力與應用前景[1]。然而，在教育實踐中，尤其是在設計教育領域，關于AR 技術在教學活動設計的系統(tǒng)研究仍相對匱乏。針對這一研究缺口，本研究旨在探討增強現(xiàn)實技術在《產品開發(fā)設計》課程中的應用，并通過實證研究分析其教學活動設計的效果。

一、增強現(xiàn)實的介紹

（一）增強現(xiàn)實的概念

增強現(xiàn)實技術作為一種被廣泛認為具有教學應用潛力的技術，其發(fā)展備受關注。術語“增強現(xiàn)實”（Augmented Reality）最初由波音公司的研究員托馬斯·考德爾（Thomas Caudell）于1992 年提出，主要指在三維空間或現(xiàn)實的物理世界上疊加一層由計算機生成的輔助信息的技術[2]。波音公司率先在裝配工的頭部安裝頭戴式顯示器，以輔助員工在機械裝配工作中更準確、更安全地完成建造和組裝任務（如圖1 所示）。隨著技術的進步，增強現(xiàn)實技術已從航空、軍事領域擴展至醫(yī)療、教育、娛樂、文化、產品、旅游等多個領域，并在這些領域中發(fā)揮著重要作用。

增強現(xiàn)實技術理論基礎主要包括兩個核心概念，第一個概念是由多倫多大學教授Milgram 于1994 年提出的現(xiàn)實- 虛擬連接的理論（如圖2 所示），該理論將現(xiàn)實環(huán)境和虛擬環(huán)境之間的連接劃分為增強現(xiàn)實（AR）和增強虛擬（AV）兩個層面。增強現(xiàn)實接近現(xiàn)實世界，而增強虛擬則更接近虛擬環(huán)境[3]。此外，虛擬現(xiàn)實技術使用戶完全沉浸在一個完全虛擬的環(huán)境中，而增強現(xiàn)實則是虛擬與現(xiàn)實的混合體，是虛擬現(xiàn)實技術的延伸。

第二個概念是由Azuma 在1997 年提出的將增強現(xiàn)實定義為一個滿足3 個基本特征的系統(tǒng)：1. 真實和虛擬世界的融合；2. 實時交互；3. 虛擬和真實物體在3D 空間中的精確注冊[4]。該理論強調了增強現(xiàn)實技術的關鍵組成部分是由虛擬融合技術、系統(tǒng)顯示技術與用戶交互技術和跟蹤定位技術組成。

綜合來看，增強現(xiàn)實技術的核心在于在真實世界環(huán)境中疊加虛擬元素，如三維模型、動畫、視頻、圖片、聲音和文本等。這些虛擬元素的添加使得用戶能夠在現(xiàn)實環(huán)境背景下通過AR 設備觀看到虛擬生成的模型，并通過點擊、觸摸等操作與虛擬模型進行實時交互，從而極大地增強了感官體驗。

（二）增強現(xiàn)實應用的分類

目前，增強現(xiàn)實技術需要借助相關設備將計算機生成的虛擬環(huán)境與用戶周圍的現(xiàn)實環(huán)境相結合。這些設備包括計算機、可穿戴式AR 眼鏡、平板電腦和智能手機等。為了更深入地理解當前AR 應用的分類，本研究結合國內外相關研究成果，將AR 應用基本劃分為基于圖像的AR 和基于位置的AR 兩大類。

1. 基于圖像的AR

基于圖像的AR 主要依賴于對現(xiàn)實場景中圖像特征的識別，以確定設備的位置與姿態(tài)。這種注冊方法主要分為兩類：基于人工標記物的方法和基于自然圖像特征的方法。人工標記物是指人為設計的圖像標志，如二維碼、棋盤格或特定圖像，用于跟蹤設備的位置[5]。在Sevda Küük 的研究中，學習解剖學的學生通過手機攝像頭掃描書本上的人工標記（如圖3 所示），手機屏幕上會自動生成虛擬模型作為學習材料，這種方式是目前應用較為廣泛的基于人工標記物的AR 技術。自然特征則是指現(xiàn)實環(huán)境中存在的物體，而非人為創(chuàng)造的圖像標志。例如建筑、風景、生活用品等都可以作為自然特征。例如，“神奇AR”是一款基于AR 技術開發(fā)的應用程序，支持用戶根據(jù)自然特征進行識別和定位，旨在為用戶提供獨特的AR 感官體驗（如圖4 所示）。

2. 基于位置的AR

基于位置的AR 也稱為無標記的增強現(xiàn)實，是一種利用GPS、Wi-Fi、蜂窩數(shù)據(jù)或其他定位技術以高精度識別用戶的具體位置，并根據(jù)位置在現(xiàn)實世界中疊加虛擬內容的技術。當前，基于位置的AR廣泛應用于游戲和教育產品之中。例如，Pokemon GO 是一款口袋妖怪系列的增強現(xiàn)實手機游戲（詳見圖5），該游戲于2016 年7 月在全球推出后，迅速成為當時最成功的，基于位置的增強現(xiàn)實手機游戲。在教育領域，基于位置的AR 也被廣泛應用于教育游戲的開發(fā)之中。例如，Chiang，Yang 和Hwang[6] 開發(fā)了一款基于位置的增強現(xiàn)實教育產品，學生根據(jù)AR 的指示前往不同的區(qū)域探索生物科學知識（如圖6 所示），這種基于位置的AR 教育產品給學生帶來了獨特的虛實感受和交互體驗，并有效提升了學生的學習興趣。

（三）增強現(xiàn)實在教育領域的應用

在教育技術領域，隨著數(shù)字化進程的加速，增強現(xiàn)實技術正逐漸成為一種備受關注且功能多樣的教育工具[7]。盡管AR 技術在易用性、經濟負擔以及用戶技能要求等方面仍存在挑戰(zhàn)，但相關研究已表明，作為一種教學和學習輔助工具，AR 能夠有效提升教師的教學效果和學生的學習成效[8]。

國際上，對AR 技術在教育領域的應用研究起步較早。例如，Ibanez 等人[9] 在高中電磁學課程中采用了AR 技術，通過前測和后測來評估學生對基本原理的理解程度，研究發(fā)現(xiàn)AR 技術能夠增強學生對知識的理解和問題解決能力；Sevda Küük 等人[10] 在解剖學課程中對比了使用AR 教學材料和傳統(tǒng)課本材料的學生，結果顯示使用AR 材料的學生在解剖學知識掌握上表現(xiàn)更佳，這主要得益于AR 技術能夠讓學生以多角度、近距離的方式觀察解剖器官模型，從而提高學習效率；Amaya Cote 等人[11] 開發(fā)了AR 應用程序用于音樂教學，并將其應用于實驗組，以探究AR 技術與傳統(tǒng)教學方法在音樂課程上的差異。

在國內，對AR 技術在教育領域的探索也在不斷增加。例如，張浩等人[12] 對幼兒園學生進行了AR 應用于美術教育活動的準實驗研究；趙書建[13] 以高中物理《牛頓第三定律》課程為例，通過“訊飛幻境AR 智慧課桌”進行教學設計，探討了AR 技術在高中物理教學中的潛在益處；李文欣[14] 提出了AR 教育游戲的設計策略，并以古詩詞學習為游戲目標進行了教學實踐。這些研究為AR 技術在教育領域的應用提供了寶貴的經驗和參考。

綜上所述，越來越多的學者、教育專家和研究人員對增強現(xiàn)實在教育領域的作用產生了濃厚的研究興趣，并將其廣泛應用于K-12教育以及高等教育。在設計教育領域，增強現(xiàn)實技術正迅速發(fā)展，為教育帶來了新的機遇和挑戰(zhàn)。然而，關于AR 技術在設計教育中的應用還缺乏廣泛的實證研究，其對學習成果的影響也值得進一步深入探討。因此，本研究旨在將增強現(xiàn)實技術應用于《產品開發(fā)設計》課程的教學中，通過比較兩組學生在AR 整合課程環(huán)節(jié)和傳統(tǒng)教學法課程環(huán)節(jié)中學習成果的差異，為AR 技術融入設計教育領域提供了一定的參考價值。

二、教學工具

在探討增強現(xiàn)實（AR）教學工具在教育領域的應用時，本研究發(fā)現(xiàn)兩種主要的AR 教學工具應用路徑。第一種路徑涉及運用專業(yè)的Unity 3D 軟件開發(fā)環(huán)境，結合Vuforia SDK 和EasyAR SDK 等增強現(xiàn)實軟件開發(fā)工具包（SDKs），以實現(xiàn)教育增強現(xiàn)實（Ed-AR）產品的定制化開發(fā)。第二種路徑則側重于采納市場較為成熟的Ed-AR產品來促進教學互動，如“AR 涂涂樂Ⅱ”“物理實驗室AR”以及“AR在線制作平臺”等。

本研究采納了KIVICUBE AR 這一在線制作平臺作為教學干預工具。KIVICUBE AR，由中國MIZHI 科技公司研發(fā)，目前提供限時免費服務，該平臺利用基于標記的增強現(xiàn)實技術，允許教育工作者和學生利用多種媒介素材，包括文本、圖像、視頻、動畫和三維模型來創(chuàng)作AR 教學資源。選擇AR 在線制作平臺進行教學實驗的決策，基于以下3 個考量因素：首先，采用市場驗證的Ed-AR 產品能夠有效減輕教師的教學設計與實施壓力，即減輕了教師的教學準備工作量；其次，AR 在線制作平臺提供的直觀用戶界面和無需編程技能的可視化編輯功能，使得教師和學生能夠便捷地通過3個階段性流程（詳見附圖7）快速構建互動式的AR 學習環(huán)境；最后，通過參與AR 作品的創(chuàng)作過程，學生不僅能夠掌握增強現(xiàn)實技術的理論與實踐知識，而且能夠促進其高階思維能力的發(fā)展，這與產品開發(fā)設計課程的教學目標和對學生能力培養(yǎng)的要求相符合。

三、教學活動設計

增強現(xiàn)實已被廣泛應用到教學設計之中，盡管這項技術已經在教育領域顯示出潛在的能力，但是在實際的教學過程中，仍然缺少設計教育領域的相關教學活動設計方案。因此，本研究把增強現(xiàn)實融入了教學活動中，以Y 大學產品設計專業(yè)《產品開發(fā)設計》課程為例，通過整合教學設計和教學策略，探討增強現(xiàn)實應用對學生的學習成果影響，在本課程教學過程中，筆者把學生分為對照組（班）和實驗組（班），并設計了6 個教學部分，具體如下：在本研究中，教學設計的初始階段為前測。在課程正式展開之前，教師將對實驗組與對照組的學生實施一項能力測試，旨在驗證兩組學生在知識水平上是否維持相對均衡。該測試內容嚴格遵循教學大綱的規(guī)定，要求每位學生獨立完成一個針對產品開發(fā)設計的主題性快題方案。測試完成后，教師將依據(jù)Y 大學《產品開發(fā)設計》課程的評價標準，對學生的表現(xiàn)進行評分與綜合評估。

在教學設計的第2 部分，將探討學科知識的學習過程。在此研究中，筆者設立了對照組與實驗組，兩組學生將分別采用不同的教學策略來學習設計理念、設計方法、設計流程和創(chuàng)新思維等核心知識。

具體而言，對照組將采用傳統(tǒng)的教學方法進行學科知識的學習；而實驗組的學生則將通過手機掃描增強現(xiàn)實教學材料來完成課程學習。研究表明，AR 教學材料的應用有望提高學生的學習效率。

第3 階段為核心的教學內容，即產品設計過程，其構成了本研究準實驗干預的核心環(huán)節(jié)。此階段旨在培育學生的創(chuàng)意設計能力，并引導他們深入思考設計對用戶及社會可能產生的深遠影響。教學內容強調設計與實際應用之間的緊密聯(lián)系，并凸顯了當前教學活動與未來學習路徑的相關性。整個設計過程包含6 個連續(xù)的步驟，其中實驗組與對照組在前4 個步驟中保持一致。然而，實驗組的學生需獨立完成步驟五和六的內容（具體步驟詳見表1）。

在產品設計過程中學習活動的實施階段，實驗組學生獨立完成的步驟主要劃分為以下4 個部分內容：1.AR 在線制作平臺的登錄界面注冊與介紹；2. 用戶界面的學習與管理；3. 操作界面的設置與操作；4. 以及作品的發(fā)布與后期管理。

首先，登錄界面注冊與介紹環(huán)節(jié)（詳見圖8），AR 在線制作平臺的登錄界面主要提供賬戶注冊、產品信息、用戶案例、教程和資源等模塊，旨在輔助新用戶的學習和選擇過程。目前，該平臺面向用戶免費開放在線注冊功能。

其次，用戶界面的學習環(huán)節(jié)（詳見圖9），用戶界面由兩部分構成：左側為用戶基本信息區(qū)域，右側為AR 作品創(chuàng)作區(qū)域。在創(chuàng)作區(qū)域，平臺向用戶提供了6 種AR 作品的創(chuàng)作方法，用戶可選擇任一方式以完成AR 作品的創(chuàng)作。在本研究中，教師指導學生采用“圖像AR”方法進行作品創(chuàng)作，創(chuàng)作完成后，學生可通過用戶界面管理器對作品進行編輯和管理。

再次，操作界面的學習環(huán)節(jié)（詳見圖10），學生可通過操作界面訪問多種功能。例如，左側區(qū)域允許用戶上傳包括模型、視頻、動畫和音樂在內的設計素材；中間區(qū)域提供模型外觀、顏色和燈光效果的修改功能，以支持個性化AR 作品的創(chuàng)作；右側區(qū)域則用于素材的數(shù)據(jù)編輯，確保AR 作品的順利完成。

最后，發(fā)布界面的學習環(huán)節(jié)（詳見圖11），學生完成AR 作品制作后，需按照要求進行作品的發(fā)布測試。AR 在線制作平臺為用戶提供了兩種作品發(fā)布方式，用戶可自由選擇其一進行發(fā)布和展示。發(fā)布后，作品可通過用戶管理器進行后續(xù)的編輯和重新發(fā)布，從而為作品的持續(xù)優(yōu)化提供了可能。

第4 部分為設計成果的展示階段。在此階段，對照組學生將通過圖像、文字和視頻等傳統(tǒng)媒介來展示其作品，而實驗組學生則需通過WeChat 或Web 平臺發(fā)布其AR 作品。這種差異化的成果展示方式旨在檢驗兩種教學形式的效果差異，并為作品的評估與優(yōu)化提供依據(jù)。

第5 部分涉及評價與反饋機制。本課程的考核體系根據(jù)教學內容與形式的多樣性，對不同的評價對象進行綜合考評。課程評價分為理論部分、實踐操作和創(chuàng)新設計實踐3 個維度，采用學生自評、學生互評和教師評價的多元化評價方法。這種綜合評價機制確保了學生能夠接收到真實而全面的反饋，有助于作品的進一步完善，提升作品的完整度，并激發(fā)學生的學習積極性。

第6 部分為后測階段。在課程結束后，教師將對兩組學生實施后測，測試內容要求每位學生獨立完成一個主題性的產品開發(fā)設計方案。后測的考核重點在于設計過程和結果的評估，評價標準遵循Y大學《產品開發(fā)設計》課程的教學大綱評價體系。

四、實驗數(shù)據(jù)分析

（一）人口樣本與抽樣技術

1. 人口樣本量

在本研究中，采用了準實驗的定量研究設計，旨在探究增強現(xiàn)實技術在《產品開發(fā)設計》課程中對學習成果的影響。為了滿足研究的需求，本研究采用目的性抽樣技術，從Y 大學產品設計專業(yè)二年級中選取了74 名學生，他們被分為兩個班級進行對比研究。具體而言，1 班共有36 名學生，被指定為對照組；2 班則有38 名學生，被指定為實驗組。兩個班級在人數(shù)和性別比例上均相似（詳見表2）。

2. 抽樣技術

在教育學領域研究中，抽樣技術是研究方法體系中的核心組成部分，為研究者提供了從研究總體中高效且精確地選取樣本的手段。抽樣技術之所以重要，在于其能夠幫助研究者從特定的研究單元或要素中收集到相關數(shù)據(jù)，確保研究的可靠性和有效性。抽樣技術的目的在于揭示目標人群中某一變量的分布與研究樣本中同一變量的分布之間的關系，從而對目標人群的屬性進行推斷。

目前，抽樣技術主要分為兩大類：概率抽樣和非概率抽樣。非概率抽樣技術在準實驗研究中尤為適用，其中目的性抽樣是其中的一種。目的性抽樣允許研究者根據(jù)研究目的和具體問題有針對性地選擇研究對象，其操作靈活多樣，能夠適應多種研究領域的需求。鑒于這些優(yōu)勢，本研究選擇了目的性抽樣技術來確保樣本的代表性和研究的科學性。

（二）數(shù)據(jù)分析

本研究的數(shù)據(jù)收集涉及前測與后測兩個階段。在前測與后測階段，產品設計作品的評價由3 位教師依據(jù)《產品開發(fā)設計》課程的評價標準進行評分與評估。數(shù)據(jù)分析采用SPSS 分析軟件進行獨立樣本T 檢驗，以驗證兩組結果的差異性。T 檢驗是一種統(tǒng)計方法，用于比較兩組樣本平均值的差異，適用于本研究中實驗組和對照組結果的分析。

通過將對照組和實驗組的設計作品前測結果進行比較（詳見表3），可以發(fā)現(xiàn)，對照組在學科知識、設計過程、設計結果的得分分別為46.0、51.6、54.0，而實驗組的得分分別為42.2、50.4、52.4。兩組數(shù)據(jù)的T 檢驗分析結果分別為0.138、0.312、0.145，且在統(tǒng)計學上均無顯著意義（P ＞ 0.005）。這表明兩組學生在上述方面不存在顯著差異，從而證實了兩組學生在課程開始前具有相對一致的知識水平。

根據(jù)表4 中的兩組前測與后測差異描述性統(tǒng)計可以看出，對照組在學科知識、設計過程、設計結果的提升均值分別為36.6、32.1、33.3，實驗組提升均值分別為47.5、37.5、38.4 結果表明兩組學生不管使用何種教學活動，在經過系統(tǒng)的教學活動授課后，學生的學習成績都有不同程度的提高。

采用獨立樣本T 檢驗比較對照組和實驗組學生在后測中學習成績提升的差異。對照組的學科知識、設計過程、設計結果成績分別為82.7、83.7、87.4，實驗組的后測成績分別為91.7、87.9、90.8 分，平均差異為9.07、4.17、3.48，在統(tǒng)計學上具有意義（P ＜ 0.005），表明實驗組在提升學習成績效果方面優(yōu)于對照組（詳見表5）。

五、結果與討論

通過深入分析實驗組和對照組的數(shù)據(jù)結果，本研究發(fā)現(xiàn)，在《產品開發(fā)設計》課程中，采用增強現(xiàn)實技術融入教學活動的實驗組，相較于采用傳統(tǒng)教學方法的對照組，學生在學習成果方面顯示出顯著的提高。這一發(fā)現(xiàn)與Sevda Küük 的研究結論相吻合。具體來看，這種優(yōu)勢主要體現(xiàn)在以下3 個方面：1. 學科知識掌握：通過AR 學習材料的形式，教師將產品創(chuàng)意設計的學科知識導入教學活動，讓學生在教學活動過程中體驗到視、聽、說、觸等多感官學習體驗，對于仿生、情感化、模塊化、游戲化等設計方法有了直觀的理解與掌握。2. 產品設計過程：AR 技術為學生提供了一個增強現(xiàn)實環(huán)境，讓學生能夠體驗模型和空間的變化，相較于傳統(tǒng)課堂，這種技術應用能夠增強學生對產品模型、尺寸、顏色和空間等方面的理解，從而提升了學習體驗。3. 設計結果豐富性：學生在AR 作品制作過程中添加模型、視頻、聲音、動畫等設計元素，進一步豐富了設計結果的內容與形式?？偠灾?，實證研究結果表明，在教學中應用增強現(xiàn)實教學活動比傳統(tǒng)教學活動更能積極有效地提高了學生的學習效果，學生在學習中表現(xiàn)出了較高的熱情和信心，這表明AR 應用在設計教學領域具有潛在優(yōu)勢。

此外，通過教學過程的觀察與交流，發(fā)現(xiàn)學生在使用AR 在線制作平臺時，對于技術的易用性非常關注。因此，選擇易于操作的AR應用對于教學效果會產生一定影響。在本研究中，教師指導下的學生能夠較快地掌握AR 在線制作平臺的操作流程，并創(chuàng)作出個人的AR 作品，學生在學習過程中表現(xiàn)出較高的學習熱情和使用意愿，但具體的使用意愿還需進一步研究驗證。最后，利用AR 應用結合創(chuàng)意知識、作品制作等內容進行教學設計，能夠進一步豐富產品開發(fā)設計課程內容，有效促進教學質量的提升。

結語

本文闡述了增強現(xiàn)實技術的發(fā)展歷程及其在教育領域的應用潛力。通過對AR 技術在教學活動中的潛在優(yōu)勢進行分析，提出了將AR 技術融入產品設計專業(yè)課堂教學活動設計的策略，旨在促進學生在產品設計領域的專業(yè)能力發(fā)展，激發(fā)創(chuàng)新設計靈感，并提供豐富的學習體驗。在研究中構建了AR 融入產品設計教育的教學活動設計框架，并探討了AR 技術資源的應用以及教學評價體系的建立，為AR 技術在設計教學領域的推廣提供了理論基礎和實踐案例。然而，增強現(xiàn)實在設計教育領域的應用還處于初期階段，面臨著優(yōu)質教育資源稀缺、AR 定位精度不高、學習者差異等問題與挑戰(zhàn)[15]。在未來的研究中，可以考慮將AR 技術應用到更廣泛的學科領域，如建筑設計、平面設計和服裝設計等，并通過大規(guī)模的用戶調研來評估教學設計的合理性和有效性。此外，AR 技術的教學模式也可被推廣到遠程教育領域，以利用遠程教育技術優(yōu)勢，讓更多學生體驗到AR 教學的創(chuàng)新性。