编译：沐文媛 东南大学脑与学习科学系
研究生导师：柏毅 夏小俊
作者：Su Cai , Xinyue Jiao, Jiangxu Li , Peng Jin , Haitao Zhou and Tao Wang
【摘要】：增强现实技术（AR）在科学教育中大有可为。然而，学生在使用AR学习科学时的学习观念目前尚不明确。本研究旨在分析学习者对学习科学的看法和科学认识论信念。82名四至六年级的小学生参加了为期两周的声音入门课程。干预措施采用了探究式学习，利用了三个整合了多感官渠道的AR软件程序。结果显示，学生普遍具有积极的科学学习观念和较高的科学认识信念。此外，科学学习观念（CLASR）与科学认识信念（SEB）之间的关系存在性别差异。本研究为目前尚未解决的关于人口统计学差异对学生学习的影响的讨论做出了贡献，表明AR可用于促进小学高年级学生的科学学习。
【关键词】：增强现实技术；小学科学教育；学习科学的概念；科学认识信念
一、引言
增强现实技术（AR）将虚拟物体添加到现实世界中，为用户提供了现实世界与虚拟信息相结合的感官体验，具有虚实结合、实时交互和三维注册三个特点。随着移动设备的发展，智能手机和平板电脑的AR应用在教育领域得到了广泛推广。有研究者对利用AR技术辅助科学学习的文献进行了系统回顾，分析了2012年至2018年间发表的42篇论文的论述和内容，研究者从对学习者的贡献、教育成果、互动和其他优势四个方面分析和评价了AR-STEM研究的优势，同时也发现了一些挑战，如教师的抵触情绪和技术问题。
虽然基于AR的科学教育的研究层出不穷，但大多数学者普遍关注AR技术是否对学习效果产生积极影响。然而，关于通过技术促进学习的内在因素的研究却很少。2017年，一些研究人员通过观察906名中学生的绘画创作，对他们的学习观念进行了调查。研究者发现，学生的学习观念在他们的这个年龄阶段就已形成了，这意味着学生的学习观念是在较小的年龄阶段开始形成的。因此，本研究以高年级小学生为研究对象，对AR学习环境下小学生的学习科学观和科学认识信念进行了调查。
二、文献综述
2.1.学习科学的概念
学习概念是指个人对学习现象的自然解释或理解。学习者对学习过程的感知反映了他们如何在大脑中引导学习。因此，他们的学习经历和对学习方法的借鉴有助于他们学习观念的形成，不同的学习者往往表现出不同的学习科学观。据Marton所说，学习科学的概念分为六类：（1）增加知识，（2）记忆，（3）应用，（4）理解，（5）以不同的眼光看待，以及（6）作为一个人改变。这些类别在某种意义上是分层的，例如，“增加知识”的类别反映了一种相对低级的学习概念；另一方面，“作为一个人改变”代表了一个更高层次、更复杂的学习概念。
学习者的学习观念可能因年龄和性别而异。例如，Chiou等人调查了582名生物学专业本科生（275名女性和307名男性），发现女生比男生更倾向于表达对学习生物学的复杂概念。同样，Sadi和Lee发现，更多的女学生在更高的概念水平上概念化地学习科学。因此，有必要考虑性别和年级因素。
此外，Hofer 将科学认识信念定义为个人对科学和知识性质的看法。科学认识信念有四个维度：(1)来源；(2)确定性；(3)发展；(4)证明。学习者学习科学的观念可能会受到其科学认识信念水平的影响。学习者的科学认识信念至关重要，有研究发现，科学认识信念复杂的学习者学习科学概念的水平更高。除了讨论 AR技术对学习科学概念的影响之外，我们还打算研究科学认识信念与学习科学概念之间的关系。
2.2. 基于AR的科学学习观念
在科学学习方面，研究者探讨了科学学习观念的影响因素，一些研究者证实了科学学习观念在科学学习策略中的重要作用，并表示学习者的自我效能感和科学学习动机与科学学习观念有很大关系。学习者的学习观念越积极，他们对社会科学问题（如核能）的态度就越会发生积极的变化。因此，本研究认为，基于AR的K-12科学教育具有巨大的教学潜力。
关于科学学习观念的测量，常用的方法是由Tsai开发的COLS量表来调查学生的科学学习观念，该量表揭示了七类科学学习观念，包括记忆、测试、计算、增加、应用、理解和以新的方式看待。在基于AR的环境中，Cheng开发了一种名为CLSAR的工具，用于测量学生在基于AR的学习环境中学习科学的概念，包括八个维度：存在、注意、动机、扩展、理解、互动、阻碍学习和削弱想象力。
2.3. AR环境中的探究式学习策略
有许多基于建构主义的学习策略同样适用于AR学习环境，如探究式学习、协作式学习、情景式学习、项目式学习和多媒体学习。其中，探究式学习策略专门用于涉及自然科学领域的AR环境。在探究式学习活动中，AR环境可以帮助学生更好地组织学习内容，而在探究式学习的指导下，AR环境可以更具主题性和探索性。
Cai等人通过滞后序列分析法对基于AR的物理课堂视频进行了分析，发现AR支持的探究式学习得到了学生更积极的回应，教师的回应率也更高。同样，Chiang等人发现，与传统的探究式学习活动相比，基于AR的探究式学习活动能够让学生参与更多的互动，以促进知识的建构。本研究采用探究式学习策略开展科学教学，鼓励学生探索、观察和发现科学现象。
2.4. 研究问题
总之，科学学习观念和科学认识论信念将影响科学学习的学习效果，但有关小学科学学习观念的研究尚未开始。本研究旨在探讨小学生如何看待在声学教育中借助AR学习科学。在基于AR的学习环境下，研究问题如下：
问题1：体验多种AR学习环境后，学生在声学教育中的科学学习观念是什么？
问题2：学生的科学学习观念是否存在性别或年级差异？
问题3：学生的科学认识信念是什么？
问题4：学生的科学学习观念与科学认识信念之间有什么关系？
假设1.体验过多种AR学习环境后，学生对在声学教育中学习科学具有积极的观念。
假设2.学生对学习科学的观念存在性别差异。
假设3.学生的科学认识信念处于较高水平。
假设4.学生的科学学习观念与科学认识信念之间存在正相关。
三、材料与方法
3.1. 参与者
本研究将中国安徽省四至六年级的82名小学生作为研究对象。其中，男生占54.9%（45人），女生占45.1%（37人）。他们的年龄从9岁到11岁不等；25.6%（21人）在四年级和五年级，74.4%（61人）在六年级，这两个年级被认为是小学的高年级。学生们通过AR应用学习了两周的声学扩展课程。选定的学校位于中国中部资源不足的地区，这可能有助于为教育带来技术公平。
3.2. 程序
本研究采用混合方法。在课程开始之前，先对AR软件的基本信息进行简单介绍，让学生熟悉AR软件的操作。随后，开展了两周的AR探究式学习课程“魔音”，并融合了观察学习的教学方法。教学活动分为两个主题，分别是（a）耳朵与声音和（b）声音与我们的生活。每个主题包括两节课，每节课40分钟。课程主题和内容详见表 1。第四课结束时，学习者填写了“通过AR学习科学的概念（CLSAR）”和“学习者的科学认识信念（SEB）”问卷。最后，本研究随机抽取了10名学习者进行了结构式访谈。
表1.本研究的课程主题和内容
图 1.研究的程序
3.3. 基于AR应用的设计
根据我国小学科学课程标准和安徽省小学科学知识内容的相关要求，开发了 “魔音”AR教学软件，包括“耳朵与声音”、“多普勒效应”和“3D立体”三个应用，如图2所示。该软件充分考虑了声音看不见、摸不着的特点，利用平板电脑的视听双感官综合通道，帮助学习者更好地掌握声音的本质。本研究中所有AR软件的开发都基于Unity3D、VR Audio Kit和Vuforia，适用于Android 系统。当使用相机扫描纸张上的特定图像标记时，三维模型就会出现在卡片上。
图 2.AR 教学应用：(a) 耳朵和声音；(b) 多普勒效应；(c) 3D 立体
第一个应用程序“耳朵和声音”分为两个场景。场景A讲述了耳朵精灵带领学习者参观耳朵工厂的故事。它展示了内耳的局部结构模型。B场景介绍了耳朵工厂的内部运作过程。在场景A的基础上，模型扩展到颈部以上与听力相关的结构，进一步帮助学习者理解听觉器官与身体的关系，同时通过手指旋转缩放的方式仔细观察模型，这是探究式学习的第一步。
第二个应用是 "多普勒效应"。该应用介绍了多普勒效应的基本原理。也就是说，声源前方移动方向的声波被“挤压”，波长变短，频率变高；相反，声源后方移动方向的声波被 "拉伸"，波长变长，频率变低。通过这个应用程序的学习，学生可以共同点击按钮或移动标记卡，观察和探索物体运动和声波波长的规律。
第三个应用是 "3D立体声"，它将立体声介绍为一种具有空间分布特征的声音，如一定程度的方位水平感，如图 3 所示。该应用程序提供两种模式：(a)用户可以从远处观察围绕维尼熊飞行的蜜蜂，并根据听觉通道的立体声源目测蜜蜂的方位；(b)用户可以从维尼熊的视角手持平板电脑，根据声源旋转平板电脑，改变视角，追逐飞行的蜜蜂。在此活动中，学习者应将蜜蜂的方位与听觉通道的立体声源进行比较，从而得出结论，鼓励他们共同探究和发现科学规律。
图3.AR教学实验
3.4.调查工具
在本研究中，AR课程结束后向学员发放了两份调查问卷。
3.4.1.程氏科学学习观念（CLSAR）问卷
为了调查学习者在AR环境中的科学学习观念，本研究使用了程氏AR学习环境中的科学学习观念（CLSAR）问卷。CLSAR问卷分为8个维度，包括27个子项（5点李克特量表）。为了验证程氏CLSAR问卷，本研究进行了探索性因子分析。结果与cheng的结果一致。八个维度的解释和信度如下：临场感（学习者认为利用AR学习的目的是增加临场感；α = 0.659）、注意力（学习者认为～注意力；α = 0.686）、动机（学习者认为～学习意愿；α = 0.765）、扩展性（学习者认为～提供了相关知识；α = 0. 785）、理解（认为～透彻理解学习材料；α = 0.862）、互动（学习者认为～创造了互动环境；α = 0. 821）、阻碍学习（学习者认为～打断他们的学习；α = 0.906）和削弱想象力（学习者认为～削弱他们源自传统文本的想象力；α = 0.912）。CLSAR的总体α = 0.808，表明问卷具有较高的内在一致性和可靠性。
3.4.2.学习者的科学认识信念（SEB）问卷
第二份问卷采用了之前的 SEB 问卷来调查学习者的科学认识信念。该问卷主要测量学习者对科学知识本质的理解。问卷中的每个项目都是根据7点李克特量表（1 = 非常不同意，7 = 非常同意）编制的。SEB问卷分为四个维度：来源（对知识源自外部权威的信念；α = 0.879）、确定性（对正确答案的信念；α = 0.754）、发展（对科学是一门不断发展和变化的学科的信念；α = 0.616）以及证明（实验的作用以及个人如何证明知识的合理性；α = 0.716）。来源和确定性维度揭示了学习者绝对的科学认识信念，而发展和证明维度则反映了学习者复杂的科学认识信念。在SEB的四个维度上，测量项目的信度在0.61到0.87之间，调查的收敛效度具有良好的模拟性（CFI = 0.90，RMSEA = 0.038），表明SEB问卷具有较高的信度和效度。
3.4.3.访谈问题
访谈问题旨在调查学生对科学知识和AR软件的态度。这些问题是根据黄、杨、蔡和杨的问题修改而成的。访谈数据由录音机记录。问题包括但不限于以下内容：
1.这门课与你以前上过的科学课有什么不同？为什么？
2.AR应用的优点是什么？
3.你喜欢使用AR软件学习科学知识吗？为什么？
4.你最喜欢课程的哪个部分？或者说，你认为本课中哪些活动特别有趣？
5.您对AR软件有什么建议？
四、结果
4.1.CLSART的分析
为回答研究问题1，即学生的科学学习观念的特点，对结果进行了描述性统计，结果如表2所示。
表 2.CLSAR 调查量表的比较
从表中可以看出，参与者在六个因素中的平均值均大于4分，这表明参与者对使用AR软件学习科学表现出积极的态度，因此这六个因素也被列为积极因素。为了分析六个积极因素之间的差异，我们进行了方差分析。从表2可以看出，学习动机（M= 4.412，SD= 0.650）和互动（M= 4.326，SD= 0.682）的得分略高于注意力（M= 4.052，SD= 0.806），这表明使用AR软件学习科学的参与者的学习动机和互动强于注意力。
从这两个消极因素的平均值来看，被试认为AR软件不会影响他们的科学学习状态。为了比较两个消极因素之间的差异，我们进行了配对抽样检验。结果表明，学生对这两个负面因素的认识没有显著差异（t=-0.51，p> 0.05）。
4.2.CLSART的性别和年龄差异
为了解人口因素在CLSAR中的作用，即研究问题2，本研究通过独立抽样检验分析了性别和年级差异。结果（如表3所示）表明，在八个维度的得分上，男女之间均无显著差异。此外，五年级和六年级学生的科学学习观念在八个维度上也没有显著差异。
表 3.CLSAR 的性别和年龄差异
4.3.学习者的科学认识信念（SEB）
为回答研究问题3，即学习者的科学认识信念的特点，我们进行了描述性统计，结果如表4所示。
表 4.SEB 调查量表的比较
学员在发展（M= 5.366，SD= 1.154）和证明（M= 6.055，SD= 0.864）方面的表现明显高于来源（M= 4.302，SD= 1.523）和确定（M= 3.436，SD= 1.427）方面的表现。至于高水平的SEB，学习者在证明（M= 6.055，SD= 0.864）方面的表现明显高于发展（M= 5.366，SD= 1.154）方面的表现。此外，证明的平均分较高，标准差较低，说明科学知识需要不断的验证和实验，这一点已得到学生的广泛认可。
4.4.学习者的CLSAR与SEB之间的关系
为了研究学习者的CLSAR与SEB（即研究问题4）之间的关系，本研究进行了皮尔逊相关分析。结果如表 5 所示。总的来说，科学认识信念的复杂层次--SEB的发展与CLSAR的所有积极因素都呈正相关：存在（r= 0.363,p<0.01）、注意（r= 0.401,p<0.01）、动机（r= 0.407,p<0.01）、扩展（r= 0.534,p<0.01）、理解（r= 0.390,p<0.01）和互动（r= 0.526,p<0.01）。此外，除动机外，科学认识信念的另一个复杂层次--证明与CLSAR的所有积极因素都呈正相关：存在（r= 0.296,p<0.01）、注意（r= 0.250,p<0.05）、扩展（r= 0.296,p<0.01）、理解（r= 0.437,p<0.01）和互动（r= 0.453,p<0.01）。值得一提的是，SEB（不太复杂的科学认识信念）的来源和确定性与CLSAR的所有消极因素都呈正相关：来源和阻碍学习（r= 0.223,p<0.05）、来源和想象力减退（r= 0.281,p<0.05）、确定性和阻碍学习（r= 0.275,p<0.05）、确定性和想象力减退（r= 0.307,p<0.05）。这一结果表明，在本研究中，学习者复杂的科学认识信念（即发展和证明）与CLSAR的六个积极因素密切相关，而不太复杂的科学认识信念与CLSAR的消极因素相关。
此外，为了了解性别差异，我们将参与研究的学习者的性别归入程氏的八个CLSAR维度，进一步进行相关分析。从表6可以看出，在CLSAR的六个积极因素中，只有CLSAR的临场感、注意力和动机与SEB发展之间的关系存在性别差异。具体而言，只有女生的临场感（r= 0.423,p<0.01）、注意力（r= 0.546,p<0.01）和学习动机（r= 0.603,p<0.01）与SEB的发展相关，而男生则没有显著相关。这表明，在本研究中，当使用AR软件学习科学时，女性参与者的SEB发展是影响她们对CLSAR的临场感、注意力和动机的主要因素；而男性参与者的情况并非如此。此外，只有女性参与者的临场感、延伸性和合理性之间的关系具有统计学意义：临场感（r= 0.466，p< 0.01），延伸性（r= 0.676，p< 0.01）。
至于CLSAR的负面因素，只有女性参与者的阻碍性学习与其SEB的来源（r= 0.212，p< 0.05）和确定性（r= 0.351，p< 0.05）相关，而男性参与者则没有显著的相关性。有趣的是，想象力减退的性别差异与学习障碍相反。这表明，女性参与者对 SEB 的来源和确定性会阻碍其学习过程，而男性参与者对SEB的来源和确定性会减少其想象力。
4.5.访谈结果
为了分析定性数据，研究人员将学生的访谈内容全文转录为逐字文本。两位研究人员根据Cheng的编码框架，采用开放式编码方法对访谈数据进行了分析。从表7可以看出，大多数学生表示喜欢使用AR软件学习科学知识，并认为使用AR软件可以使学习内容更有吸引力，还可以加强同学或老师之间的交流，这可以解释为什么AR学习环境可以帮助学生提高学习积极性和互动性。
表 7.学生对使用 AR 学习的看法的访谈结果
4.6.数据分析总结
综上所述，本研究提出的研究问题可以得到回答：
1.体验多种AR学习环境后，小学生在声学教育中的科学学习观念如何？
本研究中的学生对使用AR软件学习科学表现出积极的态度，这与假设1一致，他们的学习动机和互动性强于注意力。至于消极因素，参与者并不认为AR软件会影响他们的科学学习状态，学生对这两个消极因素的看法也没有差异。
2.体验多种AR学习环境后，学生的科学学习观念是否存在性别或年级差异？
与假设2相反，CLSAR没有性别和年级差异。
3.体验多种AR学习环境后，小学生在声学教育中的科学认识信念是什么？
本研究的被试倾向于认为科学知识是发展的，是不断验证的结果，这表明被试的科学认识信念水平较高，可以接受原假设3。
4.体验多种AR学习环境后，小学生在声学教育中的科学学习观念与科学认识信念之间有什么关系？
在本研究中，学习者复杂的科学认识信念与CLSAR的六个积极因素密切相关，而不太复杂的科学认识信念则与CLSAR的消极因素相关。CLSAR与SEB之间的关系存在性别差异。在使用 AR 软件学习科学时，女生的SEB发展是影响她们对CLSAR的临场感、注意力和动机的主要因素。女生的SEB来源和确定性会阻碍她们的学习过程，而男生的SEB来源和确定性会减少他们的想象力。
五、结论
本研究从定量和定性的角度对小学生的科学学习观念和科学认识信念进行了调查和验证，并补充了AR学习环境中科学学习观念和科学认识信念之间的相关性。
总之，小学高年级的学习者表现出更复杂的学习科学的概念和高水平的科学认识信念，这与Sadi、Dagyar和Cheng一致。此外，在学习者学习科学的概念与科学认识信念之间的关系中也存在性别差异。这一发现的启示如下：首先，从理论角度来看，这两个特征可以作为教育工作者指导学生在自主学习环境中学习科学的指标。其次，从实践的角度来看，它也决定了在小学高年级进行科学教育的必要性，并需要一些先进的教育技术，如AR，来帮助学习者更好地进行探索。
本研究也存在一些局限性。由于实施的外部条件限制，教学活动过程较短，两周的科学学习对学习者的科学学习观念和科学认识信念的影响有限，AR学习环境的长期影响尚不清楚。参与者仅来自一所小学，不能代表不同教学水平和地区的小学生情况。考虑到大多数参与者没有使用AR学习的经验，不能排除新鲜感对学习者的影响。在今后的研究中，有必要扩大样本量，设计更丰富、更完整的教学活动，以更好地捕捉学习者的状态，使研究结果更准确。
此外，需要更多研究AR技术如何在学习者的科学学习概念中促进学习动机和互动。
查阅原文：Su Cai, Xinyue Jiao , Jiangxu Li , Peng Jin, Haitao Zhou and Tao Wang Education and Information Technologies
DOI：10.3390/su14116783
转自：“百研工坊”微信公众号
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