AR移動科學游戲沉浸感特征及影響因素分析

楊文陽 胡衛(wèi)平

摘要：隨著增強現實技術（AR）在教育領域的逐步應用，AR支持下的移動游戲因能支持學習者進行自主協(xié)作的情境式學習，得到學習者的青睞。此類游戲設計以沉浸理論為基礎，充分考慮科學學習興趣、游戲態(tài)度、性別等影響因素，以敘事為驅動，采用二維碼技術營造移動學習環(huán)境，激勵學習者不斷挑戰(zhàn)任務。為提升參與游戲學習者的學習成效，游戲中學習者的沉浸感是其關鍵。綜合觀察法和訪談法所搜集的相關數據發(fā)現，學習者對游戲的瞬時關注度、探索意識以及期望獲得更高的游戲學習成績是沉浸感的三個顯著經驗性特征。通過分層回歸分析發(fā)現，沉浸感受學習者科學學習興趣及游戲態(tài)度的影響較大，學習者的性別并不影響其沉浸感。在以故事驅動的科學探究游戲中，學習者的科學學習興趣有所增加，愿意閱讀各類游戲相關的信息，樂于挑戰(zhàn)，由此獲得強烈的沉浸感。在此自主探究的學習空間中，學習者在扮演好自身角色的同時，通過小組協(xié)作解決問題，齊心協(xié)力完成任務，從而在探究過程中發(fā)展思維，提升自身的知識和技能。

關鍵詞：沉浸理論；增強現實技術（AR）；科學游戲；沉浸感；移動學習

中圖分類號：G434 文獻標識碼：A 文章編號：1009-5195（2017）03-0105-08 doi10.3969/j.issn.1009-5195.2017.03.013

一、研究背景與理論基礎

美國國家研究委員會（The National Research Council，NRC）在《基于計算機游戲及仿真的科學學習》研究報告中指出：計算機游戲是未來提升科學學習的一種極具投資價值的學習方式（NRC，2011）。然而當前利用已有的游戲很難準確了解學習者的學習，因此有必要在研究中設計與應用更多的技術工具來幫助我們清晰認識計算機游戲在科學學習中的作用。游戲對促進學習最大的作用和潛能在于它們能提高學生的合作、問題解決和程序性思維的能力（程云等，2012）。增強現實（Augmented Reality，AR）是對人的視覺系統(tǒng)進行延伸和擴充的一種技術（程志等，2013）。AR技術支持的游戲為學習者的移動學習提供全新的學習平臺 （ARIS，2012）。它可以支持基于網絡的開源編程學習環(huán)境，兼容目前主流的IOS及Android移動操作系統(tǒng)，并向學習者免費提供相關應用程序，允許任何學習者自由設計、開發(fā)及體驗游戲。AR技術應用在課程學習中可以培養(yǎng)學生的創(chuàng)新能力，讓學生經歷游戲教學設計過程，學會與技術有關的各種實現途徑和方法（魏小東等，2014）。AR技術移植到小型移動設備中，在人機交互性、便攜性、移動性、易操作性等方面具有較強的優(yōu)勢（程志等，2012）。因此，將移動技術和AR技術結合起來進行教育游戲設計與開展具有巨大的應用前景。

沉浸理論是Csikszentmihalyi于1975年提出的。該理論認為人在從事一項任務或活動時會完全沉浸其中；沉浸是一種積極并具有挑戰(zhàn)性的心理狀態(tài)，其本質上是有益且使人感到愉悅的狀態(tài)（Csikszentmihalyi，1975）。不同人群在不同的活動中都能保持一種持續(xù)的沉浸狀態(tài)，比如攀巖者、藝術家和科學家等。盡管工作不同，但其參與活動中體現出的沉浸特質是相同的。在沉浸狀態(tài)中，參與者會感覺自己的行為非常有意義，能始終自如地控制自己的意識，并使自己的意識集中于活動目標。沉浸理論可以評估玩家或學習者的參與程度。當前已有越來越多的研究開始關注技術支持的學習環(huán)境中學習者的沉浸感。相關研究表明，學習者在AR支持的學習游戲中表現出極大的參與熱情（Dunleavy et al.，2009），但學習者的沉浸感與移動學習成績及移動游戲學習過程相關（Admiraal et al.，2011）。

通過整理國內外相關文獻發(fā)現，游戲化移動學習中與學習者的沉浸感關系最為密切的影響因素包括三個方面：第一，科學興趣。學習者對科學的興趣會直接影響其自身的行為及參與熱情（Singh et al.，2005）。第二，游戲態(tài)度。游戲愛好者對游戲始終持有積極的態(tài)度，而非游戲愛好者對游戲持中立態(tài)度或沒有好感（Bonanno et al.，2008）。第三，性別。有研究表明男性在科學學習興趣方面比女性表現更明顯，同時男性在游戲態(tài)度方面比女性表現更為積極（Bonanno et al.，2008）。本研究旨在設計開發(fā)AR支持的游戲化科學探究學習環(huán)境，驗證在該環(huán)境下相關影響因素與學習者沉浸感的關系，具體包括兩個問題：（1）學習者在AR支持下的移動游戲學習中的沉浸感表現出哪些特征？（2）學習者在AR支持下的移動游戲學習中的沉浸感與性別、科學學習興趣以及游戲態(tài)度之間存在什么關系？

二、游戲設計與實施

將真實情境和游戲有效地整合在一起，有助于情境學習和協(xié)作問題解決（Fotouhi-Ghazvini et al.，2009）。當前常用的移動技術主要包括位置定位與感知、在線通訊、信息及軟件平臺移植、個性化定制與服務等 （Dieterle et al.，2007）。借助于AR 技術和移動技術搭建學習環(huán)境，學生、教師、團隊以及整個校園組成了一個個“活動著的實驗室” （齊立森等，2014）。這些功能可以使移動學習者在真實情境中體驗科學學習內容，比如基于敘事驅動的科學探究游戲允許學習者在科學探究學習中扮演不同的社會角色，培養(yǎng)他們的科學論證能力（Squire et al.，2007）。協(xié)作教學策略是開展移動學習活動一種有效的學習模式，如拼圖游戲。在移動學習游戲中學習者相互協(xié)作、不同的角色扮演可以有效支持協(xié)作問題解決（Dunleavy et al.，2009）。當學習者在游戲中扮演獨特的角色時，他們會收到該角色相關的詳細的個性化信息，同時還可以在游戲中與小組協(xié)作解決問題，共享學習成果。

1.游戲介紹

中小學科學教育可以結合當今類似密室類游戲的主題流行元素，以適度激發(fā)人們的緊張感，在強大的壓力及動力下解題。本研究基于AR技術開發(fā)的“腦力孤島”游戲是一款有利于中小學科學教育的敘事類益智游戲，可以充分開發(fā)中學生的大腦。該游戲主要分為置身孤島、發(fā)現線索、探索海鳥之謎、過五關等模塊，場景如下圖所示。在孤島中，學習者需運用數學及各種科學知識來解謎闖出生路。游戲置入了各種原創(chuàng)設計的動漫人物，探險路途中學習者會碰到各種破碎的畫布人物，這些都是未逃離孤島而被封印的靈魂，長時間的等待讓他們支離破碎，他們需要學習者解救。每一個靈魂都有生前的執(zhí)念，他會要求學習者回答他未曾回答上來的問題，當回答正確后他們會微笑給予線索提示。這些會成為學習者逃出孤島的動力。

該游戲是以敘事為驅動的科學探究游戲，將數學、物理及化學等基礎知識進行融合，可以充分開發(fā)學習者大腦；再加上人物設計新穎、模型建立生動，具有很高的趣味性；與二維碼技術結合，可以拓展學習者的信息內容，真正做到讓學生在玩中學，在學中玩。學習者可以通過手機客戶端自由下載APP安裝，還可在校園里用手機掃描設置在不同地方的二維碼獲取游戲相關信息或探究學習中的關鍵證據，也可以同游戲中的虛擬人物進行對話獲取相關信息。學習者在游戲中探究相關問題并完成學習任務，也可以通過協(xié)作確定游戲策略并完成探險任務。該游戲利用移動技術搭建應用平臺，具有以下四方面特點：（1）整個游戲在室內進行，可以最大程度降低環(huán)境因素的影響，比如室外的惡劣天氣環(huán)境。（2）游戲主要使用的二維碼技術是一種可視化的增強現實技術，可以在一定程度上降低以往游戲設計中所采用的GPS所帶來的技術故障，減少玩家在游戲中所產生的挫敗感。（3）該游戲設置了階段性徽章獎勵機制，學習者可根據階段性任務明晰自己是否成功完成階段性游戲并獲取徽章獎勵。以往的游戲為玩家預先設置好結局，而且須自始至終連貫完成，這樣的游戲不是玩家所喜歡的（Folta，2010）。（4）該游戲充分利用了學?，F有空間，如圖書館、體育館和辦公室等區(qū)域，具有較強的擴展性。所有的教師均可通過設置并推送二維碼信息參與游戲，游戲需Wifi全覆蓋，以確保證游戲過程網絡暢通。

游戲中3～4位學習者組成一個小組，每人需要配備一臺移動設備。為了營造真實的情境，學習者在游戲中可選擇并扮演：社會學家、環(huán)保專家、技術專家及攝像師等角色。在游戲的開始界面描述了各個角色的詳細信息，比如活動要求、角色關系、注意事項等。進入游戲界面后，學習者可根據自身學習任務選擇相應的按鈕，系統(tǒng)數據庫會自動解碼并推送相應的服務。學習者通過游戲導航系統(tǒng)自主探究，導航系統(tǒng)可以清晰引導學習者將要去哪里并做什么事情。該游戲還提供相應的背景聲音和警告提示系統(tǒng)。學習者在游戲過程中通過掃描相應信息的二維碼自動觸發(fā)不同的學習節(jié)點并深入探究學習。當學習者完成當前的學習任務后，學習者可以根據需要搜索并掃描新二維碼信息觸發(fā)新的學習任務進入新的學習場景。該游戲具有較強的探索性，學習者可以通過訪談法及調查法獲取與學習任務相關的數據，進而驗證相關問題。在該游戲中，不同角色的玩家探索路徑和方法存在差別，但小組任務必須通過小組協(xié)作完成游戲學習任務。每個小組有不同的游戲場景和角色扮演，但是總的學習任務是相同的。

2.研究設計與實施

（1）研究對象

本研究對象來自省會城市內一所普通類型的標準化中學。該校重視在科學教育教學中培養(yǎng)學習者的科學興趣并鼓勵學習者建立對科學探究的自信心。研究選取該校兩個班共60位學生作為被試，其中58.3%為男生（35人），41.7%為女生（25人），另外有兩名科學教師參加該實驗活動。參與被試的年齡在11～16歲之間，其中六年級的占21.8%，七年級的占28.3%，八年級的占49.9%。被試分為15個組，每個小組4名成員由各班教師根據學習者以往的成績搭配，大部分小組由男女學生混合組成。其中有13個小組主要在學校正常上課時間里完成實驗學習，有2個小組在放學后進行試驗學習，實驗學習持續(xù)時間為2周。

（2）研究設計

本研究采用觀察法和問卷調查法對參與實驗的兩個班級進行準實驗研究，控制班為傳統(tǒng)學習環(huán)境中的班級，實驗班為參與移動科學游戲的班級。自變量為學習者的性別、科學學習興趣與游戲態(tài)度，因變量為沉浸感。收集的數據主要包括前測數據、后測數據和觀察數據等三個部分，調查數據均通過手機在線調查獲取，每個學生可通過下載和安裝手機在線調查APP填寫問卷。在游戲開始之前十分鐘進行前測，前測主要包括人數統(tǒng)計、科學興趣及游戲態(tài)度三個部分?？茖W興趣的測量主要使用10項李克特式五級量表測試，選取的這些測試題來源于Fraser科學態(tài)度測試量表（Fraser，1981）。本研究采用了該量表中科學課堂的興趣及科學課堂之外的興趣兩個部分的測試內容。這10項測試項目均設置5個分值選項（“完全同意”為5，“同意”為4，“中立”為3，“不同意”為2，“完全不同意”為1）。經過數據分析，該10項測試題Cronbach's α的系數值為0.88，說明該測試題在該校同年級學生中內部一致性較高，其信度和效度在合理范圍內。游戲態(tài)度的測量采用12項李克特式五級量表測試，選取的測試題目來源于Bonanno開發(fā)的游戲科學態(tài)度測試量表（Bonanno，2008），這些測試題目是根據游戲內容和學生年齡特征進行選取的。這12項基于學習者游戲態(tài)度的測試題目也有5個分值選項（“完全同意”為5，“同意”為4，“中立”為3，“不同意”為2，“完全不同意”為1）。經過數據分析，有11項測試題的Cronbach's α系數值為0.71，1項測試題的Cronbach's α系數值為0.49，應刪除。整體來說，科學態(tài)度測試題在該校同年級學生中內部一致性較高，其信度和效度在合理范圍內。

在游戲結束之后立即對學習者進行調查與測試，后測主要測試學習者對游戲的基本反饋和沉浸感的評價。首先，學習者要說明他們在游戲中扮演的角色，以及他們是否對角色任務感到好奇。其次，沉浸感的測驗通過10項李克特式五級量表測試題進行測驗，這些測試題是基于Jackson等的短時沉浸狀態(tài)量表（Jackson et al.，2010）開發(fā)，可以用于測量學習者在游戲時的沉浸感。研究采用了原量表中的所有原始測試題目，但在每個測試題目的用詞方面做了修改，以便讓學習者更清楚測試題目的意圖。這10項對學習者沉浸感調查的測試題目有5個分值選項（“完全同意”為5，“同意”為4，“中立”為3，“不同意”為2，“完全不同意”為1）。經過數據分析，這10項測試題的Cronbach's α系數值為0.83，說明沉浸感測試題在該學校同年級學生中內部一致性較高，其信度和效度在合理范圍內。

在游戲學習進行過程中，研究者對所有參與者進行跟蹤觀察，及時記錄學習者的學習任務、位置變化、技術應用以及協(xié)作學習等相關情況。研究者也會根據情況適時記錄學習者之間的對話內容、個人行為、小組群體行為以及典型的交互行為。在后測結束之后，學習者立即參與小組訪談。該游戲支持學習者小組協(xié)作解決問題，訪談可以深入了解參與者在協(xié)作過程中的心理感受。訪談問題主要圍繞游戲學習行為，尤其是對后測相關問題的答案進行。整個訪談過程被錄音并用于后期的分析和總結。

3.分析工具與方法

本研究采用SPSS軟件分析調查數據，通過線性回歸分析來檢驗并說明在游戲學習中學習者的沉浸感與性別、科學學習興趣與游戲態(tài)度之間的關系，通過定性分析法分析學習者游戲沉浸感的特征。研究者對參與游戲的學習者的成績單統(tǒng)一編碼后進行分析，同時基于概念性解釋對核心研究問題、觀察主題和小組訪談內容進行編碼。在編碼過程中對各個變量之間的關系進行分層分級編碼，以便于通過軟件檢驗假設。對樣本進行編碼后，根據假設問題組合編碼數據，然后利用統(tǒng)計軟件處理編碼數據，最后對統(tǒng)計結果進行解釋，以驗證假設是否成立。

三、數據分析與結果

1.學習者對科學學習興趣、游戲態(tài)度及沉浸感的認知分析

本研究運用定性和定量數據統(tǒng)計結果分析學習者在游戲學習中沉浸感變量的可靠性，通過綜合分析得出研究結果。研究先分析得出學習者的科學學習興趣、游戲態(tài)度和沉浸感的得分，再經統(tǒng)計分析得出結果，如表1所示。需要特別說明的是，因為性別在此影響不大，所以不同性別的學習者并未單獨劃分。

從單因素方差分析（ANOVA）沉浸感得分來看，玩家角色與游戲者的沉浸感之間并沒有明顯差異。此外，利用單因素方差分析可驗證非直接參與者（拍攝者與記錄者）是否與社會網絡者、科學顧問及技術人員一樣有效支持學習。表1中學習者游戲沉浸感的平均得分為40.16（總分為50），這表明每個游戲玩家在游戲過程中基本上經歷過較高水平的沉浸感。同時數據顯示少數游戲玩家的沉浸感得分在30以下，這表明少數游戲玩家對當前的游戲沒有多大興趣，其沉浸感水平較低。研究者深入觀察學習者的游戲享受程度和注意力發(fā)現，與游戲沉浸感密切相關的三個要素分別是關注水平、挑戰(zhàn)技能水平和游戲獎勵。與學習者沉浸感相關要素的問卷調查也顯示：學習者對上述三個要素認知度較高。

2.沉浸特征

從小組訪談的定性數據分析中可以發(fā)現，游戲參與者的沉浸感主要體現出以下三方面經驗性特征：（1）參與者對游戲的瞬時關注度；（2）探索意識；（3）期望獲得更高的學習成績。

游戲之所以成為一種沉浸活動是由于游戲可以為玩家提供體驗超越其日常生活經驗的機會。這與單調乏味的日常生活之間的對比可以在實驗小組的成績單反饋結果中看到。大多數學習者認為游戲與傳統(tǒng)的課堂學習相比可以提供給他們不同尋?；颡毺氐臇|西。一般來說，沉浸活動通常會具備探索意識這一關鍵性要素。當學習者描述他們的整體經驗和最喜歡的游戲時經常使用“冒險”或“取消跟蹤”等術語來反映他們的發(fā)現性觀點。學習者之間會主動提及他們的探究過程及成果，并用“尋找線索”或“搞清楚了”等術語分享其探究經驗。探究會使學習者獲取較高的學習成績，這是由于學習者在做同樣學習活動時他們的學業(yè)水平是相同的，因此也就沒有經歷沉浸感。在游戲學習過程中為了保持學習者的沉浸感，參與者需要持續(xù)探索新的挑戰(zhàn)。小組自由討論也可以使游戲更具挑戰(zhàn)性。這不會導致以往相關研究曾經提到的認知負荷超載現象（Dunleavy et al.，2009）。這些游戲參與者看起來經歷了正確的挑戰(zhàn)-技能平衡，并渴望在下一次游戲中利用“更多線索”或“更長時間的經驗”挑戰(zhàn)和超越自己目前的水平。

3.學習者在游戲中的沉浸感與性別、科學學習興趣和游戲態(tài)度的關系分析

研究采用多元線性分析得出相關變量之間的關系如表3所示。由表3可以看出，各個變量間的Pearson相關系數都比較低，所有的預測均保持在常態(tài)模型范圍內。該表格中的數據沒有偏離群值和標準值，這說明各個變量之間的關系呈連續(xù)的正態(tài)分布。

本研究中的性別是一個混合變量，因此需要對性別變量進行分層回歸分析。表4中模型1顯示，性別變量分層回歸分析結果偏相關系數為0.028，顯著性值P=0.067>0.05，這說明性別與沉浸感變量之間不存在顯著關系。通過對小組深入觀察分析發(fā)現，男生小組和女生小組在游戲中的學習行為有比較明顯的差異。通過訪談得知，男生更喜歡討論游戲技術，女生則更喜歡敘述。總體而言，女生小組在游戲中顯得比較有條理，具體表現在安靜互動、仔細閱讀并在定位點來回走動；男生小組則對游戲技術和游戲規(guī)則使用比較嫻熟，會在各個定位點之間走動并不時跑動。盡管在游戲過程中可以觀察到性別之間存在差異，但性別并不影響學習者的沉浸感。

學習者的沉浸感與科學學習興趣及游戲態(tài)度之間的關系通過表4中的模型2回歸分析結果進行分析，可見，性別仍然不是一個顯著影響要素（偏相關系數為0.089，顯著性值P=0.071>0.05），但科學學習興趣與學習者的沉浸感之間有顯著的關系（偏相關系數為-0.352，顯著性值P=0.000<0.001），游戲態(tài)度與學習者的沉浸感之間存在顯著關系（偏相關系數為-0.486，顯著性值P=0.000<0.001）。模型中的ΔR2值為0.563，表明科學學習興趣與游戲態(tài)度可以在56.3%的程度上解釋與沉浸感變量之間的存在關系。訪談發(fā)現，不同的學習者表達出不同層次的科學學習興趣，89%的學習者對科學游戲非常感興趣，其他學習者則反映較淡。訪談還發(fā)現，學習者在游戲過程中逐漸改變了他們最初對科學學習的看法，學習者在游戲中逐步增加了對科學的興趣。也有個別學習者因為覺得科學學習非常枯燥想放棄玩游戲。在小組協(xié)作解決問題的過程中，有些小組在學習中為他們的成功交流而感到自豪，并反思他們的學習經驗。個別小組在剛開始組合時因為意見不一致而出現矛盾，但在游戲互動中加深了理解和信任，小組互動效果不斷提升，最后的學習成績比其他小組更好。有的學習者覺得傳統(tǒng)課堂上的科學學習很枯燥，但游戲學習讓他們感覺很快樂。學習者在傳統(tǒng)教室環(huán)境中有充足的時間進行科學學習，但這種環(huán)境更多是以教師為權威灌輸的科學知識（Lyons，2006）。因此游戲教學法值得我們在科學課程中進一步推廣。

四、討論與結論

研究發(fā)現，AR移動科學游戲的設計與開發(fā)中須正確處理挑戰(zhàn)-技能平衡，以便讓玩家在游戲學習中有真實的沉浸感。參與游戲時許多小組都是齊心協(xié)力運用集體智慧主動迎接挑戰(zhàn)，很少抱怨游戲的難度。此外，學習者在游戲學習過程中為了解游戲流程及規(guī)則需要頻繁讀取游戲相關信息，盡管在平時的課堂學習中讀取信息讓人厭煩，但在游戲過程中很少有玩家抱怨。這種現象與Admiral的研究結果不同，該結果認為學習者在游戲中不情愿閱讀相關文本信息（Admiral，2011）。這可能與游戲中信息的呈現方式和時機有密切關系。在游戲設計中還應該盡可能減少學習者的認知負荷，比如盡可能減少游戲中的閱讀信息，設計更加清晰和智能化的菜單導航等。除了閱讀和應對挑戰(zhàn)，學習者在游戲學習過程中還通過解決問題訓練思維。游戲中，學習者為了取得較好的學習成績會主動要求挑戰(zhàn)更高級別的游戲，從而產生更強烈的沉浸感。學習者享受挑戰(zhàn)游戲的過程，并在挑戰(zhàn)中提升其知識和技能。

研究成果表明，在AR移動科學游戲中利用二維碼技術可增強沉浸感；在以故事驅動的科學探究游戲中，不同性別學習者的科學學習興趣有所增加。增強現實技術能夠在最貼近自然的交互形式下為學習者搭建一個自主探索的空間，這對于抽象內容的教學是很有啟發(fā)意義的（蔡蘇等，2011）。

該研究存在的局限性主要有以下三方面：第一，樣本選擇在條件較好的城市中學，不同地區(qū)和條件學校的學習者會對游戲態(tài)度存在差異。第二，小組成員的不同組合也會對游戲認知及科學學習產生不同的影響，比如性別混合小組的影響。第三，該游戲濃縮了生活中的一個小的敘事性活動，游戲學習體驗時間短暫，并不是一個真實需求的活動，學習者對科學學習的興趣可能是由于對游戲本身的好奇而導致的，不同的游戲敘事情節(jié)及學習周期可能也會對學習者的科學學習興趣及沉浸感產生不同的影響。AR教育游戲具有提供情境、支持協(xié)作、促進自主學習等作用（陳向東等，2012）。今后可在AR移動科學游戲敘事情節(jié)及情境方面進行深入研究。未來，學校可以在充分利用校園環(huán)境的基礎上建立專門的科學游戲實驗室，促進學習者長期進行科學學習，這可能會對學習者的科學學習興趣及效果產生實質性影響。

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收稿日期 2017-03-21 責任編輯 曾艷