AR教育游戲環(huán)境下的學(xué)習(xí)投入識(shí)別模型構(gòu)建

方開(kāi)亮 高俊杰 何玲

10.3969/j.issn.1671-489X.2022.04.035

摘 要 針對(duì)AR教育游戲支持的游戲化學(xué)習(xí)場(chǎng)景，從課堂學(xué)習(xí)體驗(yàn)的視角，以游戲化學(xué)習(xí)理論、情境認(rèn)知學(xué)習(xí)理論、動(dòng)機(jī)理論和建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論為支撐，通過(guò)在小學(xué)科學(xué)課中應(yīng)用AR教育游戲，分析課堂錄像中的學(xué)習(xí)投入，構(gòu)建基于AR游戲化學(xué)習(xí)環(huán)境的學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)投入識(shí)別模型，為促進(jìn)在AR教育游戲環(huán)境中的學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)投入提供實(shí)際參考，為新技術(shù)促進(jìn)課堂教學(xué)效果提供依據(jù)。

關(guān)鍵詞 AR教育游戲；學(xué)習(xí)投入識(shí)別模型；游戲化學(xué)習(xí)；小學(xué)科學(xué)

中圖分類(lèi)號(hào)：G642.0 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1671-489X（2022）04-0035-05

Construction of Learning Engagement Recognition Model

in AR Educational Game Environment//FANG Kailiang， GAO Junjie， HE Ling

Abstract This study will focus on the game-based learning scenario supported by AR educational games， from the per-

spective of classroom learning experience， supported by game-

based learning theory， situational cognitive learning theory，

motivation theory and constructivism learning theory， through

the application of AR educational games in primary school

science class， analyze the learning engagement in classroom video， this paper constructs a recognition model of learners learning engagement based on AR game-based learning en-vironment， which provides practical reference for promoting

learners learning engagement in AR educational game en-

vironment， and provides basis for new technology to promote

classroom teaching effect.

Key words AR educational games; learning engagement recog-

nition model; game-based learning; primary school science

0 引言

游戲化教學(xué)在教育領(lǐng)域具有廣闊的應(yīng)用前景，尤其是教育游戲這一在游戲領(lǐng)域衍生出的新的教育形式。其中，以移動(dòng)終端為代表的數(shù)字化游戲因其自身的便捷性和易擴(kuò)展性，使它容易與教育信息化時(shí)代的一些新技術(shù)相結(jié)合，從而呈現(xiàn)出新的教育功能。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）便是在信息化背景下產(chǎn)生的一種將虛擬化的物品或場(chǎng)景融合到現(xiàn)實(shí)環(huán)境中的技術(shù)。AR教育游戲通過(guò)選取不適用傳統(tǒng)教學(xué)方法的教學(xué)內(nèi)容，讓知識(shí)呈現(xiàn)在游戲化元素中，從而降低學(xué)生的學(xué)習(xí)焦慮。但是，AR教育游戲應(yīng)用到教學(xué)中存在兩個(gè)問(wèn)題：一是在AR教育游戲環(huán)境下教師該如何進(jìn)行教學(xué)；二是新的教學(xué)形式下如何判斷學(xué)生是否發(fā)生學(xué)習(xí)投入。基于此，在AR教育游戲化環(huán)境下構(gòu)建學(xué)習(xí)投入識(shí)別模型是有必要的，對(duì)今后運(yùn)用AR教育游戲進(jìn)行教學(xué)具有一定的啟發(fā)。

1 AR教育游戲環(huán)境下的學(xué)習(xí)投入識(shí)別模

型構(gòu)建的理論基礎(chǔ)

Polona Caserman等[1]將嚴(yán)肅游戲分為健康游戲和教育游戲。教育游戲通常是指用來(lái)提高玩家學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)水平和增強(qiáng)學(xué)習(xí)效果的一個(gè)可靠而有效的工具。AR教育游戲即指采用AR技術(shù)開(kāi)發(fā)的具有教育性的游戲工具，采取這一新的教學(xué)工具的環(huán)境被稱(chēng)為AR教育游戲環(huán)境。學(xué)習(xí)投入指學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中采取的學(xué)習(xí)態(tài)度和活動(dòng)。學(xué)習(xí)投入是衡量學(xué)習(xí)效果的一個(gè)重要參考，也是AR教育游戲環(huán)境下檢測(cè)學(xué)習(xí)滿(mǎn)意度的重要指標(biāo)。依據(jù)在AR游戲化學(xué)習(xí)環(huán)境下所特有的理論體系來(lái)支撐學(xué)習(xí)投入識(shí)別模型的構(gòu)建，能夠有效促進(jìn)利用AR游戲化教學(xué)對(duì)課堂教學(xué)質(zhì)量的提升，增強(qiáng)學(xué)生的參與感和自我效能感，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)投入。

1.1 游戲化學(xué)習(xí)理論

游戲化學(xué)習(xí)（Game-based Learning）指教師在教學(xué)過(guò)程中采用游戲化的教學(xué)形式，讓學(xué)生以輕松愉悅的游戲方式來(lái)獲取知識(shí)，能夠在愉快的學(xué)習(xí)體驗(yàn)中獲得知識(shí)、技能與態(tài)度等[2]。游戲化學(xué)習(xí)是以游戲的各種形式開(kāi)展教學(xué)活動(dòng)，將游戲作為輔助教學(xué)的手段，提供支架式的教學(xué)引導(dǎo)，不僅僅是作為微觀層面的使用[3]。本文主要依托游戲化學(xué)習(xí)中的三種核心教育價(jià)值，利用移動(dòng)終端的AR游戲開(kāi)展教學(xué)來(lái)探究學(xué)生的學(xué)習(xí)投入和構(gòu)建識(shí)別模型。

1.2 情境認(rèn)知學(xué)習(xí)理論

情境認(rèn)知學(xué)習(xí)理論由美國(guó)心理學(xué)家馬斯洛和羅杰斯創(chuàng)立并且進(jìn)一步發(fā)展。它認(rèn)為知識(shí)是在一定的情境中獲取的，基于情境化的學(xué)習(xí)有助于學(xué)習(xí)者得到知識(shí)的建構(gòu)協(xié)商[4]。學(xué)習(xí)活動(dòng)本身并不是獨(dú)立的，需要結(jié)合一定的教學(xué)場(chǎng)景來(lái)開(kāi)展。學(xué)習(xí)者進(jìn)行知識(shí)獲取時(shí)，不僅有單向的信息獲取環(huán)節(jié)，還有對(duì)信息進(jìn)行加工處理并作出反饋的過(guò)程。利用AR技術(shù)開(kāi)發(fā)的教育游戲應(yīng)用將虛擬場(chǎng)景和真實(shí)場(chǎng)景結(jié)合，支持學(xué)習(xí)者通過(guò)移動(dòng)設(shè)備在規(guī)定的虛擬場(chǎng)景中與真實(shí)情境產(chǎn)生互動(dòng)，促使學(xué)習(xí)者在情境中進(jìn)行學(xué)習(xí)，基于AR特殊的教學(xué)環(huán)境來(lái)提升學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)投入度，以期利用新的教學(xué)手段增強(qiáng)教學(xué)效果。

1.3 動(dòng)機(jī)理論

動(dòng)機(jī)是影響學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)成效的重要因素之一。心理學(xué)家將動(dòng)機(jī)解釋為一個(gè)能引發(fā)并且保持某種傾向的過(guò)程。利用動(dòng)機(jī)理論指導(dǎo)教學(xué)，必須為預(yù)期發(fā)生的學(xué)習(xí)行為采取一定的動(dòng)機(jī)激發(fā)策略。AR教育游戲具有放松玩家身心的特性，還具有為教育服務(wù)的特性，它的游戲性可以誘發(fā)學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過(guò)程中的參與度，它的教育性可以維持學(xué)習(xí)行為的持續(xù)性。

1.4 建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論

建構(gòu)主義最早由心理學(xué)家皮亞杰提出，主要觀點(diǎn)是倡導(dǎo)以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)。建構(gòu)主義認(rèn)為，知識(shí)的習(xí)得是學(xué)習(xí)者在特定的社會(huì)背景下，通過(guò)教師或他人的輔助引導(dǎo)來(lái)完成的，提倡學(xué)習(xí)者通過(guò)情境、協(xié)助、交流來(lái)完成有意義知識(shí)的自我建構(gòu) [5]。建構(gòu)主義強(qiáng)調(diào)以學(xué)習(xí)者為中心的教學(xué)觀點(diǎn)，為學(xué)習(xí)投入識(shí)別模型的構(gòu)建提供了理論基礎(chǔ)，在整個(gè)模型構(gòu)建過(guò)程中要考慮學(xué)習(xí)者的主觀能動(dòng)性，幫助學(xué)習(xí)者體驗(yàn)各種游戲場(chǎng)景以及和同伴的相互討論，實(shí)現(xiàn)知識(shí)的自我建構(gòu)。

2 AR教育游戲環(huán)境下的學(xué)習(xí)投入研究

2.1 研究目標(biāo)

本研究通過(guò)對(duì)小學(xué)課程中學(xué)生學(xué)習(xí)投入的內(nèi)涵及其構(gòu)成維度進(jìn)行分析，參考UWES-S學(xué)習(xí)投入量表中文版并根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)《AR教育游戲環(huán)境下小學(xué)科學(xué)課堂學(xué)習(xí)投入調(diào)查問(wèn)卷》，問(wèn)卷以參與、交互、專(zhuān)注、持續(xù)四個(gè)維度構(gòu)成，問(wèn)卷題目以自我評(píng)價(jià)為主，包括正向和反向評(píng)價(jià)。同時(shí)，采用李克特五點(diǎn)記分法，“完全符合”記5分，“比較符合”記4分，“不確定”記3分，“比較不符合”記2分，“非常不符合”記1分。對(duì)于正向題，總分越高表明學(xué)習(xí)投入的程度越高；對(duì)于反向題，總分越高說(shuō)明學(xué)習(xí)投入的程度越低。

使用問(wèn)卷調(diào)查法對(duì)小學(xué)生在AR教育游戲環(huán)境下的學(xué)習(xí)投入現(xiàn)狀進(jìn)行調(diào)查，對(duì)收集的問(wèn)卷數(shù)據(jù)在SPSS 24.0軟件中進(jìn)行分析，找出AR教學(xué)課堂中學(xué)習(xí)投入方面存在的問(wèn)題，針對(duì)現(xiàn)狀及暴露出的問(wèn)題采取改進(jìn)策略來(lái)更好地支撐AR教育游戲環(huán)境下學(xué)習(xí)投入識(shí)別模型的構(gòu)建。

2.2 研究?jī)?nèi)容

學(xué)習(xí)投入為基于AR教學(xué)的課堂學(xué)習(xí)行為數(shù)據(jù)分析提供了重要視角，學(xué)生的學(xué)習(xí)行為體現(xiàn)了學(xué)習(xí)活動(dòng)中維持的學(xué)習(xí)狀態(tài)和學(xué)習(xí)過(guò)程[6]。為了進(jìn)一步分析AR課堂教學(xué)環(huán)境下的學(xué)習(xí)投入，本研究以南昌市某小學(xué)的六年級(jí)學(xué)生為調(diào)查對(duì)象，隨機(jī)選取六年級(jí)兩個(gè)班共100人，在科學(xué)課上應(yīng)用一款A(yù)R教育游戲，發(fā)放問(wèn)卷100份，回收有效問(wèn)卷79份。

2.2.1 AR教育游戲環(huán)境下的學(xué)習(xí)投入分類(lèi) 對(duì)

問(wèn)卷數(shù)據(jù)進(jìn)行信效度檢驗(yàn)，以驗(yàn)證問(wèn)卷數(shù)據(jù)的可靠性。KMO的度量標(biāo)準(zhǔn)：0.9以上表示非常適合；0.8表示適合；0.7表示一般；0.6表示不太適合；0.5以下表示極不適合。KMO的取值在0和1之間，越接近于1，意味著變量間的相關(guān)性越強(qiáng)，原有變量越適合作因子分析；越接近于0，意味著變量間的相關(guān)性越弱，原有變量越不適合作因子分析。Bart-

lett球形檢驗(yàn)用于檢驗(yàn)相關(guān)陣中各變量間的相關(guān)性，檢驗(yàn)各個(gè)變量是否各自獨(dú)立。由檢驗(yàn)結(jié)果可知，KMO為0.852，大于0.7，說(shuō)明本研究中的問(wèn)卷數(shù)據(jù)是適合作因子分析的。對(duì)問(wèn)卷數(shù)據(jù)進(jìn)行因子分析，結(jié)果如圖1所示?；谔卣髦荡笥?時(shí)的累積百分比為70.977%，大于60%，說(shuō)明當(dāng)前探索出來(lái)的四個(gè)維度能夠較好地代表整個(gè)數(shù)據(jù)。

綜合旋轉(zhuǎn)成分矩陣的結(jié)果，在提取的學(xué)習(xí)投入的四個(gè)因子當(dāng)中：第一列，最大的因子載荷系數(shù)為0.788；第二列，最大的因子載荷系數(shù)為0.773；第三列，最大的因子載荷系數(shù)為0.679；第四列，最大的因子載荷系數(shù)為0.840。這說(shuō)明四個(gè)因子載荷系數(shù)對(duì)應(yīng)問(wèn)卷中的四個(gè)項(xiàng)目可以很好地表達(dá)本研究中學(xué)習(xí)投入的四個(gè)維度。對(duì)四個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行歸結(jié)，將學(xué)習(xí)投入分為認(rèn)知投入、教師輔助性投入、情感投入、非學(xué)習(xí)性投入。具體分類(lèi)結(jié)果如表1所示。

2.2.2 AR教育游戲環(huán)境下的學(xué)習(xí)投入編碼 本

研究使用ITIAS課堂觀察量表對(duì)課堂學(xué)習(xí)投入打點(diǎn)編碼。觀察記錄的方式依照課堂教和學(xué)的行為先后順序進(jìn)行排序，間隔30秒記錄一次學(xué)生行為。以一節(jié)課的時(shí)間為記錄的總時(shí)間，記錄一節(jié)課中學(xué)生的主要行為。觀看的課堂教學(xué)視頻來(lái)源于應(yīng)用AR教育游戲教學(xué)的一堂小學(xué)科學(xué)課。將課堂觀察量表中所有課堂教學(xué)行為按照順序依次在一款定量分析學(xué)習(xí)行為的軟件GSEQ中輸入，然后運(yùn)用觀察量表打點(diǎn)記錄課堂數(shù)據(jù)，按照行為發(fā)生的順序錄入，最后運(yùn)用GSEQ軟件進(jìn)行處理，可得到圖2所示行為轉(zhuǎn)換頻率結(jié)果。

為了更為直觀地分析行為轉(zhuǎn)換結(jié)果，繪制圖3所示行為轉(zhuǎn)換直方圖。由圖3可知，在整個(gè)課堂教學(xué)中，行為轉(zhuǎn)換頻率較高的有：教師講授→教師講授，此行為序列發(fā)生6次；教師指示→教師指示，此行為序列發(fā)生4次；教師講授→教師指示，此行為序列發(fā)生3次；教師指示→無(wú)助于教學(xué)的混亂，此行為序列發(fā)生3次；學(xué)生應(yīng)答（主動(dòng)反應(yīng)）→學(xué)生應(yīng)答（主動(dòng)反應(yīng)），此行為序列發(fā)生28次。

根據(jù)游戲化學(xué)習(xí)理論所倡導(dǎo)的游戲精神，在今后的AR課堂教學(xué)中，教師應(yīng)該最大限度地保證學(xué)生在AR教育游戲中的參與度，增強(qiáng)學(xué)生在AR教育游戲中的體驗(yàn)感和情境認(rèn)知學(xué)習(xí)理論所蘊(yùn)含的沉浸感。在運(yùn)用新技術(shù)教學(xué)時(shí)，教師應(yīng)注意適當(dāng)降低學(xué)生應(yīng)答次數(shù)，注重教育技術(shù)、新的教學(xué)形式應(yīng)用于課堂教學(xué)時(shí)，對(duì)學(xué)生傳統(tǒng)課堂學(xué)習(xí)認(rèn)知的改變及新的學(xué)習(xí)觀念的塑造。此外，根據(jù)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論，在采用AR技術(shù)進(jìn)行課堂教學(xué)時(shí)，教學(xué)要以學(xué)生為中心，所以在今后的AR課堂教學(xué)中，教師應(yīng)避免過(guò)多的講授，應(yīng)該讓學(xué)生在技術(shù)環(huán)境下主動(dòng)探索，利用教育游戲來(lái)激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，培養(yǎng)學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐能力，讓學(xué)生形成自我建構(gòu)。所以，在進(jìn)行學(xué)習(xí)投入識(shí)別模型構(gòu)建時(shí)，應(yīng)該設(shè)計(jì)對(duì)于學(xué)習(xí)行為序列監(jiān)測(cè)分析的環(huán)節(jié)，并根據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作出相應(yīng)的教學(xué)策略調(diào)整。

3 AR教育游戲環(huán)境下的學(xué)習(xí)投入識(shí)別模

型構(gòu)建

3.1 學(xué)習(xí)投入識(shí)別模型的行為序列分類(lèi)

根據(jù)圖3，將上述分析中行為轉(zhuǎn)換頻率較高的五種學(xué)習(xí)行為序列按照認(rèn)知投入、教師輔助投入、情感投入、非學(xué)習(xí)性投入四個(gè)維度進(jìn)行分類(lèi)，如圖4所示。教師輔助投入是指在運(yùn)用AR技術(shù)進(jìn)行教學(xué)時(shí)，教師對(duì)于AR教育游戲的示范、演示操作。在AR教育游戲環(huán)境下，教師需要先對(duì)學(xué)生進(jìn)行引導(dǎo)，通過(guò)講解和示范性動(dòng)作來(lái)指示學(xué)生進(jìn)行AR教育游戲的操作性學(xué)習(xí)。Connell[7]認(rèn)為，學(xué)生的情感投入是一個(gè)連續(xù)變量，該變量包含六個(gè)成分，即孤僻、遵守規(guī)范、反叛、順從、革新和投入。在高度投入的時(shí)候，學(xué)生表現(xiàn)得主動(dòng)并具有積極的情感體驗(yàn)，如興趣和快樂(lè)；在不投入的時(shí)候，學(xué)生表現(xiàn)得被動(dòng)并具有消極的情感體驗(yàn)，如憂(yōu)慮和憤怒。同樣，AR課堂也需要學(xué)生產(chǎn)生積極的情感支持。非學(xué)習(xí)性投入主要是指教師在指示學(xué)生如何進(jìn)行新技術(shù)的操作學(xué)習(xí)后，學(xué)生隨即產(chǎn)生的一系列無(wú)助于促進(jìn)教學(xué)的其他行為。

3.2 學(xué)習(xí)投入識(shí)別模型的構(gòu)建

基于對(duì)課程視頻錄像的觀看和分析，學(xué)習(xí)投入持續(xù)發(fā)生在整個(gè)教學(xué)活動(dòng)過(guò)程中。AR教育游戲環(huán)境是由學(xué)生、教室環(huán)境、AR教學(xué)工具、教學(xué)活動(dòng)和學(xué)習(xí)活動(dòng)、教師行為和學(xué)生行為等組成的復(fù)雜系統(tǒng)。該系統(tǒng)中，學(xué)習(xí)投入持續(xù)發(fā)生，包括個(gè)體和個(gè)體之間、個(gè)體與小組之間、小組和小組之間。研究設(shè)計(jì)基于AR課堂教學(xué)表現(xiàn)的學(xué)習(xí)投入識(shí)別模型，如圖5所示。該模型由四個(gè)模塊組成：

1）學(xué)習(xí)行為獲取模塊，主要是由教室內(nèi)的錄像設(shè)備采集視頻完成；

2）學(xué)習(xí)投入編碼模塊，主要是根據(jù)課堂行為觀察量表對(duì)學(xué)習(xí)投入進(jìn)行編碼，根據(jù)打點(diǎn)記錄表格進(jìn)行數(shù)據(jù)的錄入，然后運(yùn)用相關(guān)軟件進(jìn)行學(xué)習(xí)投入的行為序列分析；

3）學(xué)習(xí)投入分類(lèi)模塊，主要是依據(jù)模塊二中的分析結(jié)果，選取行為轉(zhuǎn)換頻率較高的學(xué)習(xí)行為序列，通過(guò)判斷行為信息，結(jié)合AR課堂學(xué)習(xí)投入調(diào)查問(wèn)卷的數(shù)據(jù)分析結(jié)果，對(duì)學(xué)習(xí)投入進(jìn)行分類(lèi)，依據(jù)建構(gòu)主義學(xué)習(xí)理論強(qiáng)調(diào)以學(xué)生為中心的觀點(diǎn)，并對(duì)分類(lèi)維度進(jìn)行解釋?zhuān)?/p>

4）教師調(diào)整模塊，主要是根據(jù)學(xué)生實(shí)時(shí)的學(xué)習(xí)投入現(xiàn)狀，有針對(duì)性地作出教學(xué)策略的調(diào)整，以適應(yīng)學(xué)生的學(xué)習(xí)節(jié)奏。

4 結(jié)束語(yǔ)

本研究通過(guò)在小學(xué)科學(xué)課堂中應(yīng)用AR教育游戲進(jìn)行游戲化教學(xué)，主要采用視頻分析法對(duì)課堂錄像中學(xué)生的學(xué)習(xí)投入進(jìn)行分類(lèi)識(shí)別，構(gòu)建基于AR課堂教學(xué)表現(xiàn)的學(xué)習(xí)投入識(shí)別模型，一方面讓學(xué)生在學(xué)習(xí)過(guò)程中根據(jù)自身的學(xué)習(xí)投入情況作出相應(yīng)的學(xué)習(xí)行為序列的調(diào)整與轉(zhuǎn)換；另一方面輔助教師在運(yùn)用新技術(shù)時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際課堂教學(xué)情況來(lái)采取相應(yīng)的教學(xué)策略提升教學(xué)成效。此外，由于編碼選取的時(shí)間間隔不同，可能會(huì)對(duì)得出的學(xué)習(xí)投入行為序列的數(shù)據(jù)產(chǎn)生一定的偏差，因此在后續(xù)的研究中會(huì)進(jìn)一步細(xì)化時(shí)間段，選取盡可能多的不同學(xué)科、不同班級(jí)的學(xué)生進(jìn)行教學(xué)實(shí)驗(yàn)，加入可視化工具對(duì)學(xué)習(xí)投入進(jìn)行檢測(cè)，以期為AR技術(shù)應(yīng)用于課堂教學(xué)提供更加普適、完善的識(shí)別模型。

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*基金項(xiàng)目：江西省高校人文社會(huì)科學(xué)研究2019年度項(xiàng)目“AR教育游戲支持下的學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)行為投入測(cè)度與提升研究”（基金編號(hào)：JY19118）。

作者：方開(kāi)亮，江西服裝學(xué)院藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，南昌VR感知交互重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)；高俊杰，江西服裝學(xué)院藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院，研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)（330200）；何玲，江西科技師范大學(xué)，碩導(dǎo)，副教授，南昌VR感知交互重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，研究方向?yàn)樘摂M現(xiàn)實(shí)技術(shù)教育應(yīng)用、游戲化學(xué)習(xí)與教育游戲（330038）。