沉浸式增强现实仿真对教学的启示和局限性
马特·邓利维，克里斯·戴德，丽贝卡·米切尔莫 灿译
（广州航海学院 艺术学院，广东 广州 510330）
【摘 要】 本研究的目的是记录教师和学生如何描述和理解参与式增强现实(AR)模拟辅助或阻碍教学的方式。与作为网络游戏基础的多用户虚拟环境(MUVE)界面一样，AR是一种很好的用于进行模拟即时协作仿真的媒介，但与MUVEs相比，它有不同的优势和局限性。在一个基于设计的研究项目中，研究人员对美国东北部的两所中学(6年级和7年级)和一所高中(10年级)进行了多项定性案例研究，从学生和教师的角度记录AR模拟的可承受性和局限性。研究人员通过正式和非正式的访谈、直接观察、网站帖子和网站文档收集数据。教师和学生报告说，以技术为媒介的叙述和AR模拟交互式的互动、定位、协作解决问题的能力非常吸引人，特别是在那些曾经向教师提出行为和学术挑战的学生中。然而，虽然AR模拟提供了潜在的变革性附加价值，但它同时也对教学提出了独特的技术、管理和认知挑战。
【关键词】 增强现实；沉浸式参与式模拟；课堂技术实践；手持设备；GPS设备
一、绪论
在过去几年里，年轻人玩电子游戏的数量呈爆炸式增长，儿童和青少年使用移动手持技术（如便携式音乐播放器、游戏平台和智能手机）的数量也呈爆炸式增长。随着学校系统在如何更好地应对这种文化和技术转变的问题上苦苦挣扎，这项技术很可能会继续向功能更强大、支持GPS、位置感知、能提供高质量、多媒体和计算机处理能力的WIFI掌上电脑发展。教育技术的主要研究人员认为这种现象既不是灵丹妙药也不是瘟疫，他们强调需要更多的研究来探索这些技术是否以及如何能够用于增强学习。
三个互补的技术接口正在塑造人们的学习方式，对K-12教育有多重影响。
抑郁性人格障碍主要表现为情绪低落，精神不振，沉默寡言，对自己评价过低，对周围环境估计过高，总是内疚自责，对一切不感兴趣，对生活充满悲观色彩等。具有这种人格障碍倾向的个体常常表现为极端不自信，对于网络中他人的批评非常敏感，在很多时候，他们会尽量选择逃避以避免他人的批评。他们为了避免发生难堪的局面而限制自己的浏览活动，只对确信能够鼓励和支持自己的人进行网上互动，并有较低的自尊。在网上聊天时经常具有的思维是“我希望所有的人都不讨厌我，但我想其实一切都未可知”“我必须尽量避免令人不愉快的回复出现”等等。
熟悉的“从世界到桌面”界面通过网络媒体提供跨时空访问分布式知识和专业知识。学生们坐在自己的笔记本电脑或工作站前，可以访问远程专家和档案馆，与同龄人交流，并参与师徒关系和虚拟实践社区。该界面提供了学习模型,现在成为K-12教育中大多数工具，应用程序和媒体的基础。
新兴的多用户虚拟环境(MUVE)界面为学生提供了一种引人入胜的“爱丽丝梦想”体验，其中他们在图形虚拟环境中的数字使者积极参与其他参与者的头像和计算机化代理的体验。MUVE提供了丰富的环境，参与者可以在其中与数字对象和工具交互，例如历史照片或虚拟显微镜。此外，这个界面还可以通过文本聊天和虚拟手势等媒介，促进虚拟角色之间的新型交流。这种“介入沉浸式”(数字增强背景下的普遍体验)类型，介于现实世界和K-12课堂上的数字绘画练习之间的复杂性中间，允许教学设计师构建在学校环境中不可能实现的共享模拟体验。研究人员正在探索这种学习模式在K-12教育中的作用。
增强现实(AR)接口支持“无处不在的计算”模型。学生们在真实世界的环境中通过携带着移动无线设备，参与到叠加在物理景观上的虚拟信息中(比如一棵描述其植物学特征的树或一张与当前场景形成对比的历史照片)。这种中介浸入式教学将数字资源注入整个现实世界，增加学生的体验和互动。研究人员开始研究这些学习模型如何帮助学生的参与和理解。
沉浸在虚拟环境和增强现实中，会以全新的方式塑造参与者的学习风格、优势和偏好，这超出了迄今为止使用复杂的计算机和通信技术所产生的影响，对K-12教育产生了多重影响。Dede(2005)将基于MUVE和AR接口的分布式学习社区的中介沉浸式学习风格描述为：一是多媒体流畅性；二是以集体寻求、筛选和综合经验为基础的学习，而不是单独地从某个单一最佳来源寻找和吸收信息；三是基于经验（真实和模拟）的主动学习，包括经常有机会进行反思；四是通过非线性的联想网络，而不是线性的“故事”表达（例如，创作模拟和网页来表达理解，而不是一篇论文）；五是根据个人需要和喜好，共同设计个性化的学习体验。
如果我们考察学生在校外使用科技的情况，我们会发现这些学习方式的转变发生在他们非正式的、自愿的教育活动中。例如，虽然坐在控制台前的一个玩家的游戏模型仍然普遍存在，但协作性、中介性的游戏玩法正在兴起。大型多人在线游戏(MMOG)，如魔兽世界（暴雪娱乐）和Everquest（索尼在线娱乐），将玩家聚集在一起，让他们能够在一个虚拟的、沉浸式的、协作的环境中进行互动。新兴社区如“modding”（用户为游戏创建新内容）和“machinima”（用户通过视频捕捉技术创建新内容）正在进一步塑造我们国家的学生在校外通过协作数字体验表达自己的方式。使用手机、便携式游戏平台或个人数字助理，孩子们在现实世界中移动时也会注入虚拟资源。例如，他们用手机给朋友发短信，远距离拍照和发送照片，访问流媒体音频和视频文件，甚至打电话。在他们的学习过程中，在许多儿童分布的社区与21世纪知识工作场所的专业人员的活动相似。
近来，任何从事工业通信的人都会面对时间敏感型网络(TSN)的话题。TSN必将到来，只是时间和方式的问题。然而，即使到今天，人们对它在工业通信领域的优势并不是很清楚。
在考虑学习的沉浸式参与式模拟时，MUVE和AR界面形成了有趣的对比。在MUVE中，学生实际上是体现在一个数字世界中。他们遇到的一切都是虚拟的，包括与他们合作的同学。他们的每一个动作都被界面捕捉并打上了时间戳：他们去了哪里，他们听到了什么，说了什么，他们收集或访问了什么数据，等等。他们可以与队友面对面的交流，而不是像MUVEs那样，在角色之间进行中介式的互动。他们的一些行为会被捕捉，比如他们走到哪里，收集了什么数据；其他行为，比如他们彼此说的话，则更难收集。MUVEs的独特功能包括能够进行魔术（例如，从一个地方传送到另一个地方），以及捕捉学习体验的各个方面以进行形成性和总结性评估。AR的独特功能包括真实世界环境的更大逼真度、团队成员在多个维度上与它的带宽面对面交流的能力，以及通过丰富的感官空间背景通过物理运动促进运动学习的能力。
更加严重的问题是基于团队的相互依赖的方法，这种方法可以通过AR为舞蹈提供便利，也是Alien Contact不可或缺的一部分。正如最后两个引文所反映的那样，如果四个学生团队中的一个成员在同一个位置时没有触发角色/项目，则问题会在多个层面上层叠：管理、参与、学习、团队凝聚力，以及拼图合作。
二、增强现实在教育中的应用的理论基础
关于人们如何学习的研究表明，学习和认知是分布在思想、活动、空间和时间的复杂社会现象。学生作为学习者的参与和身份是由他或她在社区和团体中的亲身参与以及这些社区的实践和信仰决定的。然而，创建一个允许学生参与涉及学习社区的真实实践的课堂活动是具有挑战性的，特别是当涉及到真正的科学实践时。例如，几位调查人员开发了课程活动，试图验证情境学习理论的部分内容，但由于难以在K-12课堂的约束下实施情境学习，他们被迫修改了自己的研究设计。作为学校实践之外的一种替代方法，将学生带到当地医院与流行病学家和医生一起研究百日咳的爆发，可能为学生掌握科学内容和探究技能提供一个真实、有意义和具有激励作用的背景。然而，这是不可行的，原因有很多，包括高昂的成本和管理上的挑战。直到最近，研究人员还在努力对K-12教育中处于复杂而真实的课堂实践中的自然和新兴学习进行研究。
盘坐在树顶上下棋的两个人没有理睬他们，自顾自将棋子啪啪地敲落在棋盘上，有几只喜鹊被吵醒了，在鹊巢里撅起屁股拉下热乎乎的鸟粪，差一点就落到了李离的头上。
情境学习理论视角的核心是相信学习是嵌入在特定的物理和文化环境中、由其决定并与之不可分割的。分析的单位既不是个人也不是环境，而是两者之间的关系，正如学生的参与程度所显示的。从这个角度来看，学习和认知都被理解为沿着实践社区的轨迹的进步，也被理解为身份的持续转变。通过参与学校活动，学生们塑造了培养他们作为学习者身份的参与模式，包括他们参与学习的方式和对自己学习能力的信念。作为一种轨迹，身份不是一个人一次性拥有的对象;它是随着时间的推移而定义、演进的，并且有自己的发展势头。身份是赋予人们参与的各种参与形式的具有灵活连续性的东西。
此外，以技术为媒介的模拟和游戏提供了“以清晰而有意义的方式招募身份并鼓励身份认同和反思的机会……”Gee(2003)定义了电子游戏具有独特的激活、招募和培养投射性身份感的能力，这种投射性身份感充当学生真实世界身份与虚拟或游戏身份之间的中介。通过游戏环境，学生可以创建和培养模拟或游戏身份，其目标和价值相互交叉并与他们的真实身份相互作用。如果学生购买并拥有这些虚拟身份，那么可以利用虚拟身份来影响和塑造现实世界身份的持续转变。这种身份原则的转化潜力是本文所述AR项目的组成部分。
本设计的基本原理有三方面：一是为教师构建多个入口点；二是建立数学和语言模式，当被认可时，就能揭示数学和语言的普遍性和神秘性；三是构建多层次的复杂性，无论学生的能力如何，这种复杂性都将吸引和挑战学生，并为教师提供差异化的机会。在研究人员试图让学生参与数学、语言艺术和科学的同时，他们也在试图利用这些领域的一些内在特性（比如斐波那契数列、黄金分割、古代语言和文化），这些特性超出了特定的学术标准。此外，我们借鉴了良好的教育学原理，如前面讨论的改进的拼图法。拼图法是外星人接触不可分割的组成部分!而且似乎非常适合AR的可供性，AR能够向每个学生呈现不同且不完整的数据片段或游戏空间。这种方法与互动式教学、分布式知识和其他社会文化学习方法有很大的重叠。
类似的，我们使用手持计算机和全球定位系统(GPS)设备相结合来开发门外AR模拟。然而，我们开发了一个与位置无关的AR模拟，它可以叠加到任何物理区域，而不是依赖于位置的方法。由于在学校环境中进行多次实地考察可能会有问题,我们想要一个基于“AR”技术的课程,教师可以立即在学校建筑区域如学校操场,操场,或停车场实施。借助视频游戏和娱乐行业中反复出现的流行主题,例如，光环3(微软)、外星人和捕食者，等等。我们的研究团队开发了一种名为Alien Contact的AR模拟。
（一）外星人接触（Alien Contact）!模拟概述
据中央纪委监察部网站消息，2017年7至8月，全国教育卫生系统共查处11名干部。其中，琼台师范学院现任校长程立生、前任校党委书记李向国和现任党委副书记兼纪委书记陈福川同时落马。
2013年以来，当阳极板中杂质超标时，大量的杂质进人电解液，使硫酸铜溶解度降低，同时会使电解液的电阻、密度和黏度都增大，阳极泥的沉降速度减慢，增加了电解液中悬浮物(漂浮阳极泥)的含量，加大了电解液和悬浮物对阴极铜的污染，导致阴极铜质量降低。以杂质As为例，电解液杂质As一度高达17 g/L，阴极铜质量明显波动，图8表明电解液系统杂质变化的趋势。生产实践证明，如何保持系统杂质平衡及铜、酸平衡，也将是电解长期面临的重要课题[9-10]。
图1 Dell Axim和GPS接收器
学生移动一个物理位置,比如他们的学校操场上或者体育场（图2）,他们手持地图显示数字对象存在于一个基于“AR”技术的世界和虚拟人物叠加在真实空间中（图3）。当学生距离这些数字工件约30英尺时，AR和GPS软件会触发视频，音频和文本文件，这些文件提供叙述，导航和协作提示以及学术挑战。
图2 学生探索校园
图3 校园数字对象手持显示
在外星人接触!学生们面对的情景是：外星人已经登陆地球，似乎正在准备采取一些替代行动，包括和平接触、入侵、掠夺，或者只是返回自己的家园。在团队中工作（每个团队4名学生），学生们必须探索AR世界，采访虚拟角色，收集数字物品，解决数学、语言艺术和科学素养谜题，以确定外星人为什么登陆地球。
每个小组有四个角色：化学家、密码专家、电脑黑客和联邦调查局特工。根据他或她的角色，每个学生将看到不同的和不完整的证据。为了成功地在AR环境中导航并解决各种难题，学生必须与他们的团队成员分享信息并进行协作。例如，当呈现一段外星飞船残骸的数字片段时，每个团队成员都会接收到残骸的不同维度以进行测量，或者接收到如何测量的独特线索。如果学生不合作并拼凑拼图他们各自的信息碎片，他们将无法解决问题，并推进到下一个阶段。随着学生探索物理空间和收集数字数据时，他们将发现证据支持外星人可能降落的替代可能性。在本研究中，无论学术优势和劣势如何，这些角色是随机分配给学生的。然而，未来的实施可能会有目的地使用角色和特定于角色的内容来适应、利用、修复或强化各个学生的各种技能。
外星人接触!是基于马萨诸塞州的标准和培养多种高层次的思维技能。在设计这个单元时，研究团队针对的是中学生通常难以掌握的数学、语言艺术和科学素养方面的概念。以2005年春季马萨诸塞州8年级综合评估系统(MCAS)测试为参考，确定高需求领域，研究人员主要集中在比率、比例和间接测量（数学标准 6.M.3,8.M.4,8.N.3）结合英语词汇如何受到拉丁和希腊语言的影响（ELA标准4.18,4.21,4.24）。然而，其他的数学和英语语言艺术标准被嵌入到单元中，例如阅读图表（数学6.P），以及小组讨论和演讲（ELA 2.4,3.8,3.9,3.11,3.13）。
此外，模拟内容和结构的设计旨在允许教师在未来的迭代中构建多个入口点。该设计允许教师能够灵活地强调：第一，不同的学术标准；第二，不同内容领域（数学、英语/语文艺术、科学、社会研究/历史）；第三，不同的时事（能源危机、石油短缺、全球核威胁、文化差异）。另外，外星人联系!具有多个复杂的潜在层。例如，在游戏中，学生被要求解决数学难题，以获得解锁包含证据的虚拟建筑的四位数的代码。得到的代码的序列表示斐波那契序列，即1,1,2,3,5,8,13,21,34。
在两期关于游戏特殊主题和沉浸式参与式模拟的专题JSET中，Squire和Jan(2007)将AR描述为：“……在数字设备（pda，手机）的支持下，现实世界中的游戏，在现实世界的背景上创造了一个虚构的层……基于位置的增强现实游戏是在特定的现实世界地点（历史、地理位置）进行的，并使用带有全球定位系统的掌上电脑，通过附加数据(文本、数字数据、音频、视频)来增强用户对空间的体验(p.6)。”
除了良好的教学方法和与学术概念建立联系外，这些单元的设计旨在利用高质量游戏设计的原则。AR和外星人联系!特别是结合流行电子游戏的几个元素来增加学习和参与：一是叙事和背景；二是差异化角色扮演；三是掌握目标分子任务；四是交互性；五是选择；六是协作。在外星人接触!故事和背景是外星人与地球互动的传奇故事。
课程单元的主要目标是发现外星人登陆的原因。然而，为了收集足够的证据形成假设，学生必须成功地完成需要数学、语言艺术和科学素养技能的多个子任务。在整个场景中，学生与虚拟角色、数字物品以及彼此之间的丰富交互来导航游戏空间。选择和协作被嵌入到整个单元中。最后，整个场景是开放式的，对于外星人登陆的原因有多种可能的解释。
（二）方法
本研究的目的是了解中学、高中教师和学生如何在参与式AR模拟中描述教与学;因此，采用了一种基于设计的方法，重点是多案例研究设计。本研究旨在了解教师和学生在参与Alien联系过程中是如何理解和使用AR的!选取三个案例研究地点对这一现象进行深入研究。在这三个案例研究中，研究人员从数学、科学和英语的核心学科领域共抽取了6名教师作为样本，以全面了解AR模拟在不同的学校背景和内容领域中的现象。
从生物医学角度而言，健康管理始终是与医学的进步分不开的。继续研究重要疾病的早期预警机制及对应措施对于健康管理的进步具有促进作用。对于专业从事健康管理的人员来说，积极跟踪最新的医学进展，加强与医院和医生的沟通与联系必不可少。这一方面是健康管理自身的需要。比如，在疾病康复期，健康管理中心可以与医院结合承担躯体与心理康复的部分工作，并完善患者的随访。另一方面，抓住一切机会加强对于医学专业人士的宣教，提高医疗管理人员及医护人员对于健康管理的认识。
随着研究的深入，设计正式化，从而将注意力集中在从概念框架中派生的上下文变量上(参见附录A，影响AR仿真设计的可取性、实用性和有效性)；研究人员通过使用多种类型的数据(观察、访谈、文档)、多种来源(教师、学生)和multip研究人员对数据进行三角测量。两个主要的研究问题是：第一，学生如何描述和理解玩AR模拟的方式有助于或阻碍他们对数学及其识字技能发展的理解？第二，教师如何在课堂上使用AR课程来描述和理解他们的生活方式？
（三）地点与参与者
本研究的参与者是美国东北部两所中学（六年级和七年级）和一所高中（十年级）的学生和教师。研究人员主要通过便利抽样（参与意愿）确定了这些学校。在这一年中，研究团队收集了六位教师和大约80名中学生和高中生的数据。表1列出了人口统计信息，从中抽取了本文分析的样本。
表1 学校人口统计资料
（四）数据采集
一个由7名研究人员组成的团队在2006-2007学年实地考察了三所学校，收集了大约100个小时的数据。从研究人员与教师的比例可以推断出，在实施过程中为教师提供足够的支持至关重要。该研究小组平均有三个人在课堂/领域支持教师并收集数据。这足以把两者都做得很好。这些高级教师支持数直接影响可扩展性的可行性，这将在“含义和结论”部分中详细说明。数据来源包括正式和非正式访谈，直接观察，网站文档和web站点帖子。研究人员对改良版的教学观察协议（RTOP）进行了观察，该协议旨在记录科学和数学课堂中的教学实践。使用RTOP的理由之一是存在强大的培训材料和在线视频资源，以提高多个观察者之间和评估者之间的可靠性（Sawada等人，2002）。整个研究团队进行了在线培训，以提高评估者之间的可靠性。访谈对象为：所有六名参与的教师；每个站点的学生样本。访谈和焦点小组围绕一组来自概念框架和研究问题中衍生出来的问题进行组织。所有的内部意见都被录了下来，同时研究人员做了记 录。研究人员系统地观察了每位教师平均约9小时。教师们自愿参加AR研究，并意识到他们将在整个实施过程中被观察。观察是使用符合概念框架和研究问题的观察协议进行的。收集观察记录、现场记录和视频数据，进行案例内分析和跨案例分析。
2.2.4 右侧乳腺受照剂量体积对比 3组调强治疗计划健康右侧乳腺的剂量和受照体积参数见表5。3种计划的Dmean、 V5、V10等处三者间差异不具有统计学意义，均能很好地保护右侧乳腺。
（五）数据分析
他们都有了自己的身份。他们都强烈地感到自己是这方面的专家......如果他们没有角色，他们可能不会那么渴望合作，因为他们确实需要每个人（教师访谈6/8/07）。
2.跨站点数据分析。个案研究用于跨案例分析。跨站点分析的重点是从概念框架中确定的各种因素;因此，重点放在这些案件在现象和利害因素方面的相似性。使用现象的变化和这些变化的因果解释不是本研究的重点。回到理论和组织的概念框架，作者创建了一个案例有序的跨站点数据矩阵，相应地对数据进行分类。模式匹配分析（其中每个案例作为另一个案例的比较背景）用于确定是否存在重要的使用模式，这些模式利用了跨站点的AR的独特可供性以及跨站点的显着限制模式。用于模式匹配的策略是在案例之间进行比较和对比，以及计算跨案例使用或挑战的频率。
通过案例研究，作者记录了高度的学生参与，这是教师和学生归因于AR模拟的独特启示。然而，作者还记录了AR环境中重要的教学和学习挑战，在研究和开发周期的这一点上，这使得大规模的AR实现非常困难。
（六）结果
1.学生参与度高。研究团队记录了这一年中三所大学学生参与度很高的情况。尽管高积极性和参与度似乎是合乎逻辑的，而且几乎是学生们带着手持电脑外出寻找外星人线索时的必然结果，但在AR设计开发的第一年，这仍然是一个需要达到的关键门槛。此外，鉴于AR研究的新生状态和基于设计的研究方法的使用，确定学生和教师认为最能激励他们的特定元素对于更有效地开发AR课程至关重要。学生和老师报告了最激励和/或最吸引外国人接触的因素，是：使用手持设备和GPS学习。
学生们最常报告说，使用掌上电脑和GPS导航和收集数据是非常激励人心的。以下学生访谈和聊天室的回复代表了这一发现：
手持设备很酷。我们不是在课堂上学习数学和英语，而是在手持设备之外学习...它使得它比在教室里写作更有趣（学生面试11/22/06）。
使用手持设备非常有趣。这是新的……没有（比如）我们在学校真的做的……令人兴奋的（学生面试11/22/06）。
它让我们有机会离开学校学习数学和英语。此外，您还可以学习团队合作，并学习如何使用这些酷炫的掌上电脑（学生聊天室发布日期11/19/06）。
此外，观察数据显示，学生交换手持设备是为了交流信息和合作解决问题。学生们经常交换机器来观察彼此的问题，或者这种行为表明他们对新技术或不熟悉的技术具有高水平的可观察舒适感。
最后，研究团队记录了另外两个与手持设备相关的行为，虽然这些行为似乎表明与掌上电脑的高度互动，但也可能带来AR独有的教学和学习挑战。当学生在游戏空间中航行时，经常会发现他们忽略了周围的物理空间，专注于通过掌上电脑呈现的数据。研究小组记录了许多学生如此投入游戏环境的例子，他们忘记了他们的真实环境。除了学生在城市环境中行走时忽视环境所带来的明显的安全问题外，如果AR模拟设计的目的是将物理空间融入学习体验中，这种实际情况实际上可能会适得其反。此外，学生们往往变得过于专注于通过红外功能向彼此发送信息，以至于他们没有时间完成更重要的活动，例如查找和分析数据或与队友分享和讨论数据。
3.2 警觉性 警觉性属于注意稳定性，失眠患者通常伴有一定程度的警觉性障碍，患者通常在较为简单的警觉性任务中可表现出较快反应，而在相对复杂的警觉性任务中则表现出较慢反应。梁学军等[19]研究指出，严重的失眠可导致警觉性下降、记忆力、分辨力减退。张奉明等[20]研究中通过睡眠剥夺实验发现，睡眠障碍将导致警觉性降低。
图4 学生在手持设备上相互展示信息
图5 学生交换/共享手持设备以解决问题
2.收集数据外。学生和老师也报告了对学校场地的物理探索（即操场、运动田野、邻居）是非常激励人的。
以下的学生访谈和聊天室的回复代表了这一发现：
这个项目也让我们有机会走出学校去学习更多的东西 (学生聊天室11/19/06)。
……事实上，我们一次外出的时间超过了一天……这是不同的和有趣的，大部分在学校我们只是坐在这里，基本上什么也不做(学生采访11/22/06)。
为了回答他们对现实的喜好的问题时，学生们经常提到外出：
……通常我们不会像以前那样出去和人交流(学生采访,11/22/06)。
当我们外出时，我们使用我们的手持设备来尝试和我们的环境互动(学生采访,11/22/06)。
当被问及为什么户外活动有益时，大多数学生谈到了户外活动的新奇之处，并以一种非典型的方式进行数学运算。对学生和老师来说，从事数学任务的现场发现的数学任务，无论是数字的或物理的，也感觉更真实，更像一个真正的科学家可能使用数学作为工具来解决一个问题。由于学生们在课堂之外从事学术研究，这看起来更像是真正的工作。一些学生沉浸在外星人坠毁的背景中，以至于他们会问研究人员，他们的学校里“外星人真的坠毁了”，还是研究人员“真的是FBI特工”。
与此同时，AR开发者可能会考虑一些关于外部游戏玩法的问题。首先,天气太热或太冷的时候,学生参与度显著下降,雨水（虽然将机器包裹在三明治袋中，适用于小雨）通常意味着呆在室内,妨碍学生充分参与AR。第二,许多学生很难根据他们在掌上电脑中出现的位置，在现实世界中自我定位。研究小组经常观察到学生在相反的方向上寻找角色，当角色离棒球场较远时，他们就朝棒球场走去。获得定向运动策略可能是学生使用AR课程的意外学习成果。
AR固有的物理组件不仅具有激励作用，而且还提供了独特的机会来创建真实和新颖的学习环境，在户外物理空间中利用真实和数字项目。在外星人接触!学生通过他们的手持设备接触到数字产品，通过环境接触到物理制品，当它们结合在一起时，要求他们解决数学、读写和科学方面的挑战。根据学生和老师的报告，这种体验式沉浸式AR让学生对叙事和物理空间产生强烈的参与感。
3.分布式知识，积极的相互依赖和角色。在AR模拟过程中，每个学生都将接收到不同的和不完整的数据片段，这些数据片段需要他或她与团队成员协作才能成功地导航该区域并解决问题。例如，当学生遇到一个代表外星人机翼的实物时，研究小组的每个成员都通过手持设备接收到一段不同的数字数据，这些数据帮助他们测量机翼并确定其重要性（图6-8）。
他们中的一些人说他们一直都很无能为力。在尝试学习技术的同时解决问题太难了（Tea cher采访4/13/07）。
如本例所示，研究团队创建了基于团队的解决问题的挑战，每个学生都提供了独特的、必要的和互补的知识领域。这种拼图教学法充分利用了掌上AR的功能，为每个学生提供差异化的信息。绝大多数学生报告说，他们团队的这种相互依存的特性是AR最具吸引力和最有趣的特征之一：
这个项目让我们有机会与队友沟通解决问题，共同努力（解决）问题。只要我们一起工作，我们就会得到我们期望得到的东西（学生聊天室发布于11/19/06）。
我喜欢的部分是我们都有不同的东西（信息）（学生访谈11/22/06）。你需要每个人的帮助来找出代码（学生面试4/9/07）。
除了积极的相互依赖外，学生们还报告说，有关角色的问题也是令人鼓舞的：
我喜欢这样的事实，即我们都在同一个团体中，但我们并不是完全相同的人......我们每个人都有不同的角色，所以我们都是一个团队，但我们也有我们自己的东西，但我们仍然需要每个人，以便有一个完整的画面或想法发生了什么。它给你一种独立的感觉，但它也给你一个想法，当你需要帮助的时候，你必须寻求帮助（学生面试11/22/06）。
我喜欢小组活动，喜欢成为一个你不像FBI探员、化学家、语言学家那样的人。我非常喜欢（学生访谈11/22/06）。
我喜欢这个项目，因为......在正常的项目中，我们没有特殊的角色，现在我们有角色，我们需要彼此，这让我们更加了解彼此，并且（有）更好的团队合作（学生面试6/8/07）。
当被问及她如何看待学生的角色时，一位参与的老师回答说：
1.现场数据分析。研究人员使用定性分析程序Atlas，基于研究的概念框架和第一轮开放编码，使用结构化编码方案分析了观察现场笔记和访谈记录。第一轮开放式编码产生了30个描述性代码。这些描述性代码用于现场模式匹配分析的迭代过程中，每一轮编码都在逐步地提高推论性和解释性。研究人员利用这一级编码过程收集的数据，分析了有效学习环境理论框架与AR能力之间可能存在联系的代码报告。
学生和教师的引文都捕捉到了投射身份的本质，可以在AR模拟中利用它来激励学生并以新颖和潜在的变革方式加强教学。
图6 化验师资讯部
（七）后勤方面的局限性
除了与上面详细介绍的AR模拟可用性相关的高参与度之外，还记录了AR环境特有的重大挑战。挑战一般分为三类，按重要性排序：一是硬件和软件问题；二是后勤保障和教务管理；三是学生认知超载。
图7 密码学家翼信息军用航天器数据最高机密
根据美国中央情报局的数据，在军用航天器中，最长边与最短边的比值是5/3。换句话说，如果这些碎片是来自一个军事外星翼，它将有一部分最长边=5；最短边=3。
2.3 两组患者 BNP、COX-2、MMP-1、ACE2、TIMP-2水平比较 观察组患者BNP、COX-2、ACE2、TIMP-2水平高于对照组，MMP-1水平低于对照组，差异有统计学意义（P＜0.05）。见表2。
图8 测量“异形翼”的队伍
1.硬件和软件问题。学生和教师报告的AR模拟最大的局限性是GPS错误。可以肯定的是，随着技术的发展，本研究中记录的大部分错误很可能会被消除。然而，目前GPS的误差对于大规模实现来说是非常高的。在研究期间观察到GPS失败率为15-30%，这是一个巨大的挑战。作者记录了错误的两个主要来源：（1）软件不稳定; （2）研究小组错误地设置了手持配置。两个来源都会影响可扩展性，稍后会进一步讨论。当学生被问及他们不喜欢使用AR学习时，GPS错误是最常见的回答：
计算机问题真的很烦人（学生访谈4/9/07）。
当计算机死机时，人们被抛在后面（学生访谈4/9/07）。
在作业过程中出现异常应立即关闭发动机，检查出现异常的地方，堵塞的地方要及时清理，破损的地方及时更换，以免引起其他零部件发生破损。
我的GPS没有工作10分钟，我不得不让我的团队回来（学生访谈6/8/07）。
然而，尽管学校以外的复杂技术的应用越来越多，典型的教室仍然通过浸入式参与式模拟利用上述MUVE和AR接口进行教学。本文介绍了AR的早期研究，试图评估其目前在典型课堂环境下对学生参与和学习的优势和限制。我们特别研究了在增强现实游戏《异形接触》中，如何在支持教学的同时兼顾技术、管理和认知挑战。
参与调查的教师也认为GPS错误问题非常棘手。当被要求确定该计划中最关键的部分时，一位参与的老师回答说：
让GPS工作……对于我来说，这是整个项目中最令人沮丧的事情，因为我们在那里度过了最激动人心的时光……有那么多无助的孩子，他们什么也做不了，这对他们来说是一种巨大的打击，其他人都跑来跑去，很兴奋，他们只是坐在那里……你需要弄明白……如果这是一个手持式和GPS驱动的项目（教师访谈6/8）/07）。
老师的这句话突出了AR开发人员和研究人员面临的最大挑战。由于GPS的高误差，研究团队需要提供大量的支持和材料管理。
2.后勤支援及管理。数据中出现的主题之一是AR模拟实现所伴随的高管理开销。观察和访谈数据清楚地反映了一个或两个教师无法按照目前设计的方式实施AR单元的现实。除了在实施过程中维护GPS信号外，支持团队还需做到：第一，对所有硬件进行分发和采集；第二，努力保持团队的团结；第三，回答内容和手持界面问题；第四，为使用机器的学生提供可选的手持设备已经崩溃（平均每班15人中有2人）；第五，将学生赶出街道。虽然其中一些问题无法完全消除，但有些问题会随着设计的改进及硬件和软件的完善而减轻。当被问及他们如何能够自己实施AR单元时，教师强调需要额外的支持：
……从老师的角度来看，我认为这对我来说是非常难以承受的（教师访谈11/22/06）。让孩子们出来，分发他们的手把，找出所有的小故障，做这个活动，回忆他们的手把，让他们回到大楼里，这绝对限制了你能做什么（教师访谈6/8/07）。
如果你们(研究人员)不介入并提供帮助……这将以失败告终。有太多的小故障，如果……对我们来说是成败在此一游，否则我们就会沉沦（教师访谈6/8/07）。
在美国教育部的资助下，在麻省理工学院和威斯康星大学麦迪逊分校的合作下，我们设计了外星人接触（Alien Contact）！向中学生和高中生传授数学、语言艺术和科学素养。这种叙述驱动的、基于探究的AR模拟是在戴尔Axim X51掌上电脑上进行的，使用GPS技术将学生的真实世界位置与模拟数字世界中的虚拟位置关联起来（图1）。
由于管理要求高，在实施过程中为教师提供足够的支持至关重要。平均而言，每个班级或每区都有三名支援人员来支持。研究人员记录说，为了支持实施和收集数据，至少需要两名现场人员和最多三名现场人员。如果删除了诸如数据收集之类的研究任务，除了课堂教师之外，大约两个人就足以管理硬件并通过实施来维护GPS信号。对可扩展使用而言，这是一种极高水平的后勤支持。
黄河公司作为国有大型综合性能源企业，长期致力于西北地区及青海省资源、能源开发，目前电力装机投产规模为1 697万kW，清洁能源占比92%，是水电、新能源产业等领域的佼佼者。
3.学生认知超载。学生们报告说，在模拟过程中，他们经常被要求处理的大量材料和复杂任务搞得不知所措。当被问及这一现象时，学生和老师强调了一些主要问题：
按照中图分类法，对比改革开放40年前后图书出版种类，文化、科学、教育、体育类，文学类和工业技术类始终排列前三。改革开放40年，其他两类变化不大，文化、科学、教育、体育类增量较大，在改革开放前所占图书出版总量20%基础上又增加了7个百分点。对比1978年与2017年图书出版种类可见，总体分布基本保持了一致。
……有些代码令人困惑……所以我们就想放弃了（学生访谈11/14/06）。
（a）She worked for a man used to be an athlete.She admired him a lot.
团队的第四名成员，计算机黑客，也接收信息并提示问题，帮助团队组织数据并讨论策略。
……综合能力对六年级学生来说是一项困难的技能，这个项目需要大量的理解和综合能力（教师访谈6/8/07）。
正如上面引文中所提到的，学生们接触并需要快速应用多种复杂技能：地理空间导航，协作解决问题，手持操作，以及叙述中呈现的数学和识字问题。虽然可以断言，孤立地说，这些技能中的任何一项都很容易完成，但综合所有这些技能是有问题的。
（八）意料之外的新兴主题
1.竞争。研究人员记录了大多数(但不是所有)团队都有强烈的群体认同感和竞争意识。视频数据显示，当其他团队的学生靠近时，学生们会在队友之间窃窃私语，以避免分享信息。案例研究小组在测量异形机翼模型时记录了一个强有力的例子（见图8）。其他学生指责该小组“霸占”机翼，而该小组则指责另一名学生在试图了解该小组通过测量机翼发现的信息时作弊。当另一名来自不同地点的学生被问及如何帮助其他球队时，他回答说：“我们没有帮助任何人，我们想赢。” （观察现场注释4/9/07）
与比赛直接相关的是，学生们也被观察到通过模拟比赛来试图“击败”其他队伍。在学生和老师看来，这种冲/跑现象似乎是三个因素造成的：一是团队之间不可预见的竞争发展(如上所述)，这导致了一种“通过it比赛”的心态；二是每天的人物和项目太多，迫使学生匆匆忙忙完成那天的活动；三是由于团队之间的距离较近，模拟空间较小，学生们试图通过听或看的方式从其他团队那里得到答案。让两个团队并排走，遇到相同的数据，似乎很自然地会让他们觉得这是一场比赛，看谁能先解决问题。
2.在混合学习环境中工作的挑战。研究人员在这个特定的研究领域遇到了一些独特的挑战，其中涉及使用数字和真实工具来创建学习环境。最明显的挑战来自于使用不是为户外使用而设计的硬件。例如，虽然手持屏幕的分辨率、清晰度和对比度在室内非常出色，但由于强光，在阳光明媚的日子里，屏幕上的信息往往难以阅读。与此相关的一个挑战是，学生在相对嘈杂的室外环境中，很难听到重要的信息。手持式扬声器适合在室内收听，但在周围有街道和行人噪音的大型开放区域，声音往往会被冲掉，变得难以听到。结果，研究人员观察到，学生们甚至在观看视频时也将手持设备放在耳朵上，以便听到信息。很明显，这与呈现视觉信息的目的背道而驰，因为学生们在听演讲者讲话的时候看不到屏幕。一种廉价而有效的音频解决方案是使用耳机和防眩光屏幕，并取得了不同程度的成功。
最后，正如前面所讨论的，研究团队记录了多个学生沉迷于手持游戏环境而忘记了真实环境的例子。尽管这似乎是高中生参与度的一个积极指标，但学生们在任何环境中行走时，忽视周围的物理空间，只专注于手持设备，这对身体安全构成了真正的威胁。在城市环境的实施过程中，研究人员不得不反复提醒学生离开街道，走到人行道上去。此外，虽然这种专注似乎表明高度投入，但最初与物理空间产生强烈的投入感，然后将空间作为学习环境的一部分加以利用，则会适得其反。
（九）以前的学生
这项研究中一个更有趣的发现是，以前对学校不感兴趣的学生的参与和动机被记录在案。在不同的网站上，教师报告说，与正常的课堂行为相比，AR实施过程中学生的行为和参与度存在显著差异：
我看到很多孩子……那些在今年这个时候被拒之门外的成绩靠后的学生……这些孩子是最投入的(6/8/07教师访谈)。
在我的课上，他们大部分时间都能完成作业，但他们很容易偏离轨道。他们喜欢聊天和谈话，但在这一周半的时间里，他们都很专注，很投入，他们真的想找出问题所在是……认为这个团队对我来说是一个最强大的变化，因为他们以前一起工作过(教师访谈11/20/06)。
一些参加IEPs的孩子……我确实注意到有ADD的孩子，有几个孩子根本不坐在教室里，他们100%的投入(教师访谈6/8/07)。
对于课堂教师来说，最大的挑战之一是如何让那些在传统课堂上没有积极性的学生参与进来。这些学生在AR单元中高度投入的发现是重要的，也是令人鼓舞的。
（十）讨论
如前言所述，与我们一起工作的学生已经在使用他们的手机无缝地与他们的同龄人交流和分享信息。这项研究的结果强调了仅仅通过使用类似的工具来学习，学生就会变得多么投入。尽管由于固有的新颖性效应，无论内容如何，这种使用都将继续是一种激励因素，但我们可以有把握地预测，随着学生逐渐习惯这种学习方法，这种新颖性投入将逐渐消失。因此，确定学生感兴趣或不感兴趣的特定于课程特征和技术特征对于AR课程的未来发展至关重要。可以合理地断言，如果这些工具与良好的教学方法相结合，以教授有意义的技能，那么本研究中记录的高参与度是可以保持的。
利用积极的相互依存关系提供了独特的社会文化机会和挑战。研究结果中最明显的主题之一就是AR的迭代是如何依赖于学生合作的。如上所述，角色的使用和积极的相互依赖是外星人接触（Alien Contact）的组成部分，并且非常适合AR的可提供性，AR能够向每个学生提供不同的、收入丰富的数据。此外，学生们报告说，他们团队的角色和相互依赖的本质是吸引人的和有趣的特征。然而，挑战来自于这样一个事实，如果学生不习惯这种类型的学习，如果没有对这种技能的重要建模、促进和构建，就很难成功地实现一个相互依赖的AR单元。团队合作是一种必须培养的技能，它可以有效地转化为期望的行为，如互惠教学、合作解决问题或其他基于社会建构主义的行为。
研究人员还需要探索是否有可能设计一个不完全依赖于每个团队成员在场的相互依赖的增强现实游戏。也就是说，如果其中一个角色缺席，它将严格限制游戏。由于不可避免的缺勤和调度冲突，我们创建了几个更大的学生组，这反过来又创建了冗余的角色(例如，同一个团队中的两个化学家)。我们记录了在较大的群体中较少的合作活动，因为一些学生仅仅依靠7个成员中的一两个来完成大部分的工作。有时冗余的角色一起工作，但更多的时候，冗余的角色会导致其中一个学生被忽略，因为他或她的信息不是唯一的，因此是不必要的。结果，在解决问题上最成功的学生能够积极参与，而不那么成功的学生则被忽视。角色的使用和积极的相互依赖与互惠教学、分布式知识和其他社会文化学习方法的领域有很大的交集，但是未来的AR实现必须确定如何最好地利用这些可提供性。
此外，本研究中记录的学生竞争力可能是敬业度的一个积极指标，但它也会导致学生匆忙的跳过基于文本的关键信息。未来的AR实现者可以通过以下几种方式来解决这种匆忙的趋势。第一，减少学生在一个时间段内完成的活动数量；第二，为深入讨论和合作创造更多机会，这将减缓学生的探索速度；第三，开辟一条不那么线性的道路，使学生不走与同学相同的道路；第四，在空间允许的情况下，扩大游戏空间，使每个团队之间能够有更多的物理空间。
虽然在未来的AR实现中需要解决上面详细描述的相关挑战，但是利用AR提供的机会通过技术介导的叙述来创建丰富的协作查询具有很大的潜力。例如，当物质空间和由此产生的物质呈现出独特的挑战时，它们也提供了独特的机会。未来研究的一个更有趣的领域是确定如何最好地利用真实和数字工具的混合环境。在本研究中可以看到，使用一个简单的支柱，如模型“机翼”，可以获得多种教学和学习机会，否则这些机会是不可能的。此外，即使在与地点无关的模型中，也需要进一步探索物理环境的使用。使用学校操场上常见的物理用品，例如，树木、消防栓、垃圾桶等，为学生提供了丰富叙事的机会，进而丰富了学生需要解决的问题任务。
此外，AR实现中固有的身体活动为学生提供了嵌入在认知任务(如解决问题)中的生理锻炼。近年来，诸如Dance Dance Revolution (Konami)等“户外运动”或“娱乐”产品的发展表明，人们越来越有兴趣将儿童对游戏的兴趣与体育活动结合起来。这种兴趣在一定程度上是为了应对美国和国外年轻人日益严重的肥胖问题。FutureLab的研究报告证明了在英国,肥胖危机和教育如何解决这一问题并非美国现象:“鉴于最近关于儿童肥胖水平的争论，我们也越来越迫切需要了解我们如何做到这一点,结合身体活动作为学习过程的一部分”。正如学生们在本研究项目中所报告的，对学校场地（即游乐场，运动场，社区）的物理探索具有很强的推动力，并且可以合理地假设可以利用AR和其他移动学习技术来解决这种日益增长的健康问题。
最后，AR作为一种交互式媒介，实现了一种教学法，使教育学能够把知识建立在一个环境中，并分布在一个社区中，而不是孤立在个人之中。与传统的K-12教学相反，知识是非文本化和显式的，在AR中，学习是定位和隐性的。这与二十一世纪工作的本质相似，其中问题发现（探究过程的前端：进行观察和推论，开发假设，以及进行实验以测试对情况的其他解释）对于达到工作团队能够解决问题的程度至关重要。工人的个体和集体元认知策略对于从复杂性中创造意义（例如对替代问题公式的价值做出判断）是至关重要的。
三、意义和结论
本文详述研究的重点不是技术本身，而是技术的附加值。
技术给学习环境带来了好处。AR对于提高学生的学习水平有很大的希望，但我们才刚刚开始了解这种新兴技术的有效教学设计。在AR研究的早期阶段，其最重要的功能是创造融合了数字和物理对象的沉浸式混合leahiing环境的独特能力，从而促进批判性思维、解决问题和通过相互依赖的协作练习进行沟通等过程技能的发展。如上所述，由此产生的数字/物理混合环境的初步结果是有希望的，我们需要进一步探索如何最好地利用这种可供性。
AR独有的相关功能是将虚构叙事（如外星人的到来）与真实和熟悉的物理环境（如学校操场）融为一体的能力。将数字字符叠加到任何物理空间的能力使教育工作者能够通过多种沉浸式叙述不断重新调整学校场地的用途，以满足课程中的各种教学目标。通过沉浸式AR，这个曾经熟悉的游乐场可以变成一个外星人的着陆场、一个搁浅鲸鱼的地点、一个化学品泄漏灾难区、太阳系，或者任何其他能够提供达到教学目标所需背景的叙述。
最显著的局限性来自软件开发的初期阶段以及AR实现固有的教学和管理复杂性。在我们研究AR课程的可扩展性时，管理和调试技术设备的挑战非常重要。对许多学校来说，这种设备的成本也很高。但是，我们用来与外星人接触（Alien Contact）的无线电脑，允许广泛的学习活动，包括使用多媒体，数据收集/分析以及与其他用户的连接，所以学校可以很容易地证明购买一套适合多种用途的课程集是正当的。
在不久的将来，这种教学模式最有可能的平台将转向支持GPS的手机。虽然学校目前不鼓励学生使用手机，但很可能很快就会鼓励学生将手机带到学校，这样就可以利用这些强大的工具能够利用AR进行教学。人们可以很容易地想象，一位老师要求她的学生将他们具有GPS功能的iPhone设备作为共享的技术基础设施，以便用于参与和有效学习。采用一种教学模式，利用学生已经拥有的设备，并将其用于课外活动，不仅可以减少长期资金不足的教育预算所需的硬件和网络投资，而且还可以使学生发展对该教育的流畅性所需的学习曲线趋于平缓。
关于可扩展性的另一个问题是让教师利用增强现实及其所需的不同教学策略。例如，Dieterle和Dede（2006）在向研究生课程的教师介绍手持设备后，描述了一位教师，他担心如果他们不在工作岗位上，他们将无法看到学生在手持设备上做的事情。我们的实验数据支持这些发现，因为依赖课堂实践教学方式的教师不愿意放弃对学生学习的控制。其中一些教师以降低他们认知价值的方式引导学生逐步完成任务。事实上，在数学教育研究中，人们普遍认识到，教师不仅要适应课程材料，而且往往以一种将高水平、开放式的问题转化为更传统、简单、程序化的练习的方式，尽管是课程开发人员的意图。与教师和课程相关的许多因素被认为会影响教师解释和实施课程的方式- 例如教师对数学，教学和学生的知识和信念以及课程表示概念和任务的方式- 这些解释和实施问题当然不仅限于数学教育。AR设计师必须在开发基于该技术的教学材料时考虑这些问题。
在本文中，我们已经开始解决教师所面临的增强现实课程的一些问题，这些问题通常在文献中没有提到。这是令人惊讶的，因为Clark（1983）断言，正是教学解释了学生在比较基于技术的课程与控制课程的学习中获得的大部分差异，而不是教学的媒介。在接下来的一年里，我们将密切关注教师对Alien联系人的实施情况，即教师如何调整课程以及哪些因素会影响所做的适应，我们希望更多地了解这一增强现实课程对教师的教学要求，从而开发出有效的教材和专业发展，通过这一有前途的教学媒体来提高学生的学习效果和积极性。
附录A：概念框架
中图分类号： G42
文献标志码： A
文章编号： 1007-0125(2019)29-0135-09
基金项目： 本文为2019年广州市创新创业教育：高等学校第十批教育教学改革研究项目课题《基于vr虚拟现实技术与民间美术的创新创业课程与教学研究》研究成果之一，项目编号：2019JG241。2019年广东省教育科研项目《沉浸式增强现实技术与民艺课程教学的融合研究》研究成果之一。
作者简介： 马特·邓利维，美国弗吉尼亚州雷德福市雷德福大学；克里斯·戴德、丽贝卡·米切尔，美国马萨诸塞州哈佛大学。
译者简介： 莫 灿（1982-），男，汉族，湖南永州人，硕士，广州航海学院艺术设计学院，研究方向：民艺与数字媒体艺术。
标签：增强现实论文; 沉浸式参与式模拟论文; 课堂技术实践论文; 手持设备论文; GPS设备论文; 美国弗吉尼亚州雷德福市雷德福大学论文; 美国马萨诸塞州哈佛大学论文; 广州航海学院艺术学院论文;