混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)的研究

摘 要 以探究如何將混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)有效地應(yīng)用于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)為目標(biāo)，本研究設(shè)計(jì)和應(yīng)用了認(rèn)知負(fù)荷測(cè)量量表、沉浸感測(cè)量量表、情緒測(cè)量量表、學(xué)生態(tài)度測(cè)量量表以及知識(shí)掌握問(wèn)卷。利用HoloLens2設(shè)備實(shí)現(xiàn)了原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)探針安裝過(guò)程的混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，應(yīng)用于真實(shí)實(shí)驗(yàn)課堂教學(xué)，并以參與的學(xué)生為被試收集數(shù)據(jù)。研究結(jié)果顯示，學(xué)生在使用混合現(xiàn)實(shí)的原子力顯微鏡探針安裝系統(tǒng)的過(guò)程中，抱有較為積極的學(xué)習(xí)態(tài)度，感受到深入的沉浸式體驗(yàn)，掌握知識(shí)的準(zhǔn)確率較高，且普遍認(rèn)為自己沒(méi)有感受到較大的認(rèn)知負(fù)荷。但結(jié)果也顯示，在將物理量可視化的過(guò)程中，混合現(xiàn)實(shí)的實(shí)驗(yàn)形式可能會(huì)給學(xué)生帶來(lái)一些認(rèn)知誤區(qū)。在沉浸感控制維度方面學(xué)生表現(xiàn)不理想，表明部分學(xué)生認(rèn)為自己在操控混合現(xiàn)實(shí)設(shè)備上存在一定的困難。

關(guān)鍵詞 混合現(xiàn)實(shí);物理實(shí)驗(yàn)教學(xué);認(rèn)知負(fù)荷;沉浸體驗(yàn)

混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)將現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景與虛擬環(huán)境相結(jié)合，搭建了融合虛擬世界、現(xiàn)實(shí)世界和用戶感知交互的智能平臺(tái)，給用戶帶來(lái)沉浸式體驗(yàn)，被應(yīng)用于科學(xué)研究、工業(yè)生產(chǎn)和教育培訓(xùn)等領(lǐng)域[1]。在物理實(shí)驗(yàn)課程教學(xué)的過(guò)程中，積極探索和引進(jìn)前沿科技手段，應(yīng)用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)可以搭建智慧學(xué)習(xí)環(huán)境，有益于提升學(xué)生的實(shí)驗(yàn)體驗(yàn)和學(xué)習(xí)效果[2-4]。因此，在本科生的近代物理實(shí)驗(yàn)課程的原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目教學(xué)中，利用微軟的Holo-Lens2設(shè)備實(shí)現(xiàn)了探針安裝操作的混合現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)后，從沉浸感、認(rèn)知負(fù)荷、情緒態(tài)度、知識(shí)掌握多個(gè)方面收集了學(xué)生數(shù)據(jù)，分析混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入對(duì)實(shí)驗(yàn)教學(xué)帶來(lái)的影響。

1 混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

在原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)探針安裝過(guò)程設(shè)計(jì)的混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中，采用了微軟的HoloLens 2裝置，該裝置外觀為頭戴式眼鏡，內(nèi)置攝像頭和傳感器，可以實(shí)現(xiàn)虹膜識(shí)別、語(yǔ)音識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別、跟蹤定位等功能，是目前最先進(jìn)的混合現(xiàn)實(shí)裝置之一。HoloLens2采用了全息投影等技術(shù)能夠直接將圖像投影到人眼之中，形成全息影像，并提供手勢(shì)交互功能，讓用戶能夠與數(shù)字全息影像進(jìn)行互動(dòng)。

系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的技術(shù)棧采用的是Blender軟件建模，如圖1（a）所示，利用MRTK 軟件包簡(jiǎn)化開(kāi)發(fā)流程，在Unity平臺(tái)中完成程序開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)，利用Visual Studio 2022進(jìn)行部署。通過(guò)懸掛C 腳本的方式實(shí)現(xiàn)各類交互，UI設(shè)計(jì)則是采用微軟提供的混合現(xiàn)實(shí)開(kāi)發(fā)軟件包MRTK中的各類基礎(chǔ)UI。

學(xué)生進(jìn)入混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)后，看到如圖1（b）所示的虛擬的探針安裝盒和鑷子等，能夠使用右手手持虛擬的鑷子，用鑷子去夾取儲(chǔ)物盒中所放置的原子力顯微鏡探針，夾取成功后在混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境中尋找原子力顯微鏡探針的支架，利用左手的中指和食指按壓支架正確的位置將支架上方的擋板升起一個(gè)角度后，學(xué)生可以將右手夾取的探針靠近并安裝在合適的位置。在安裝的過(guò)程中，該系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)提示的面板，簡(jiǎn)要說(shuō)明整個(gè)過(guò)程，讓學(xué)生目標(biāo)明確地進(jìn)行探針安裝操作，當(dāng)學(xué)生在一定時(shí)間內(nèi)還未完成探針安裝操作時(shí)，會(huì)出現(xiàn)提示要求學(xué)生聚焦于任務(wù)，盡快完成操作，也可以作為混（a） MRTK開(kāi)發(fā)界面; （b） MR眼鏡中觀察到的原子力顯微鏡探針安裝盒合現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)考評(píng)的指標(biāo)之一。

2 混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的教學(xué)應(yīng)用

在本科生的近代物理實(shí)驗(yàn)課程中，應(yīng)用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)如圖2所示。在原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)中，學(xué)生一般先完成探針安裝混合現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)操作，再開(kāi)始后續(xù)真實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)。在教學(xué)環(huán)節(jié)中利用混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)使得該實(shí)驗(yàn)教學(xué)的內(nèi)容更加豐富，學(xué)生也能夠建立更加健全的認(rèn)知圖譜。

首先，教師引導(dǎo)學(xué)生在HoloLens中完成原子力顯微鏡的探針安裝操作，具體的內(nèi)容包括：在混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境中拿起彎頭鑷子，找到儲(chǔ)物盒中的原子力顯微鏡探針，并利用食指和中指正確地操作支架使其上方的擋板升起，將探針安入空隙中。完成上述流程后，學(xué)生基本理解了原子力顯微鏡探針的結(jié)構(gòu)以及安裝的過(guò)程。教師也會(huì)進(jìn)行講解，并引導(dǎo)學(xué)生觀察現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)環(huán)境中的實(shí)驗(yàn)儀器，將虛擬元素和真實(shí)空間連接到一起。學(xué)生摘下眼鏡后，就可以繼續(xù)其他不需要以混合現(xiàn)實(shí)方式呈現(xiàn)的真實(shí)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容。

3 測(cè)量指標(biāo)的確定

認(rèn)知負(fù)荷主要用于考察混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)是否在認(rèn)知上給學(xué)生造成了更大的負(fù)擔(dān)，認(rèn)知負(fù)荷過(guò)高或過(guò)低都會(huì)影響學(xué)習(xí)者最終的學(xué)習(xí)效果，因此進(jìn)行學(xué)習(xí)過(guò)程中的認(rèn)知負(fù)荷評(píng)估十分重要[5];沉浸感則是虛擬現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)等技術(shù)應(yīng)用最常見(jiàn)的考察指標(biāo)之一，能夠檢測(cè)學(xué)生的參與度和專注度，可以用來(lái)衡量系統(tǒng)所呈現(xiàn)虛擬環(huán)境的生動(dòng)性以及隔絕外部世界的程度[6]。它是人對(duì)客觀事物的態(tài)度體驗(yàn)及相應(yīng)的行為反應(yīng)，是人腦的高級(jí)功能，與其他的心理過(guò)程有復(fù)雜的相互作用關(guān)系，從而保證個(gè)體的生存和發(fā)展[7]。情緒能反映學(xué)生的狀態(tài)，對(duì)其行為發(fā)展做出預(yù)測(cè)，反映出學(xué)生對(duì)于學(xué)習(xí)內(nèi)容和教學(xué)方法的真實(shí)感受。

態(tài)度指一種比較穩(wěn)定的心理狀態(tài)，正確的學(xué)習(xí)態(tài)度主要表現(xiàn)為四種循序漸進(jìn)的過(guò)程：適應(yīng)過(guò)程、認(rèn)知過(guò)程、滿足過(guò)程和飛躍過(guò)程[8]。學(xué)生在這個(gè)過(guò)程中會(huì)基于以往的經(jīng)驗(yàn)顯示出不同的偏好，但在學(xué)生群體中，同伴之間往往存在相似性，考查學(xué)生群體比較具有共性的態(tài)度及行為傾向，能夠?yàn)獒槍?duì)物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)場(chǎng)景的混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)以及混合現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序的設(shè)計(jì)提供參考，真正了解利用什么技術(shù)以及如何利用技術(shù)能讓學(xué)生在物理實(shí)驗(yàn)課堂中發(fā)揮主觀能動(dòng)性，這一指標(biāo)的測(cè)量對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果的優(yōu)化至關(guān)重要。

物理實(shí)驗(yàn)課堂通過(guò)向?qū)W生傳授知識(shí)和技能，幫助學(xué)生打下扎實(shí)的物理學(xué)基礎(chǔ)，為更深入的物理學(xué)科知識(shí)的探索提供支持。學(xué)生是否在融合了混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)的物理實(shí)驗(yàn)課堂中掌握了正確的概念和操作過(guò)程，即相關(guān)的陳述性知識(shí)和程序性知識(shí)是否被正確習(xí)得，是考查混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)或混合現(xiàn)實(shí)程序的教學(xué)有效性的重要方面，應(yīng)設(shè)計(jì)合理的問(wèn)卷以檢測(cè)學(xué)生的知識(shí)掌握水平。

4 研究方法

4.1 調(diào)研樣本

被試為T大學(xué)物理科學(xué)與工程學(xué)院應(yīng)用物理專業(yè)的本科生、物理學(xué)專業(yè)碩士研究生，以及教育技術(shù)專業(yè)的碩士研究生。他們?cè)诮邮芑旌犀F(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的探針安裝操作學(xué)習(xí)之前，都在實(shí)驗(yàn)室中學(xué)習(xí)過(guò)傳統(tǒng)的原子力顯微鏡實(shí)做實(shí)驗(yàn)，即用真實(shí)儀器操作的原子力顯微鏡實(shí)操實(shí)驗(yàn)。被試擁有一定的物理學(xué)基礎(chǔ)，且不僅接受了傳統(tǒng)型的原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)授課，也接受了混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境的原子力顯微鏡探針安裝實(shí)驗(yàn)授課。問(wèn)卷發(fā)放的過(guò)程中，為保證客觀性，向被試公布了填寫的基本原則和回收方式?；厥諉?wèn)卷后，研究人員也對(duì)試卷進(jìn)行了篩選，剔除了不合格問(wèn)卷，保證數(shù)據(jù)的有效性。

4.2 研究工具

研究工具基于被試的特征以及問(wèn)卷的科學(xué)性進(jìn)行設(shè)計(jì)。本研究參考了國(guó)際上知名的量表設(shè)計(jì)，并結(jié)合本項(xiàng)目學(xué)生特點(diǎn)，以及原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)情況進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷摹Ｑ芯繂?wèn)卷相關(guān)的測(cè)量對(duì)象、維度設(shè)置、題項(xiàng)類型和題項(xiàng)數(shù)量如表1所示。

4.2.1 認(rèn)知負(fù)荷的測(cè)量

認(rèn)知負(fù)荷測(cè)量量表參考了PASS、WP、NASATLX[9-11]三個(gè)經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的國(guó)際量表，最終將認(rèn)知負(fù)荷分為心理負(fù)荷、情緒負(fù)荷、外部負(fù)荷和軀體要求四個(gè)維度，設(shè)計(jì)了15個(gè)子題項(xiàng)，較為全面、客觀地考查學(xué)生在混合現(xiàn)實(shí)實(shí)驗(yàn)中所面臨的認(rèn)知負(fù)荷真實(shí)情況。經(jīng)檢驗(yàn)，修改后的認(rèn)知負(fù)荷測(cè)量量表的克隆巴赫系數(shù)達(dá)到0.876，信度較高;KMO 統(tǒng)計(jì)量值大于0.5，變量間的相關(guān)程度差異不大，數(shù)據(jù)適于做因子分析，巴特利特球形檢驗(yàn)的顯著性結(jié)果小于0.05，球形假設(shè)被拒絕，原始變量之間存在相關(guān)性，適合做因子分析。

4.2.2 沉浸感的測(cè)量

沉浸感是考察虛擬現(xiàn)實(shí)、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)、混合現(xiàn)實(shí)等技術(shù)應(yīng)用于教育教學(xué)場(chǎng)景中效果的重要指標(biāo)，本研究對(duì)PQ、IPQ、MPS、MEC-SPQ、SUS[12-16]量表的題項(xiàng)進(jìn)行了分類總結(jié)，將重復(fù)條目以及不相關(guān)的條目進(jìn)行剔除。指標(biāo)之間的維度會(huì)發(fā)生重合，本研究會(huì)測(cè)量情緒狀態(tài)和認(rèn)知負(fù)荷的各維度，因此將沉浸感量表中涉及這兩方面的條目剔除，最終選取并修改出18個(gè)題項(xiàng)進(jìn)行測(cè)量。經(jīng)檢驗(yàn)，本研究制定的沉浸感測(cè)量量表的克隆巴赫系數(shù)達(dá)到0.856，信度較高;KMO 統(tǒng)計(jì)量值大于0.6，變量間的相關(guān)程度無(wú)太大差異，數(shù)據(jù)很適合做因子分析，巴特利特球形檢驗(yàn)的顯著性結(jié)果小于0.05，球形假設(shè)被拒絕，因而原始變量之間存在相關(guān)性，適合做因子分析。

4.2.3 態(tài)度的測(cè)量

態(tài)度是學(xué)生所持有的較為穩(wěn)定的心理要素，基于態(tài)度會(huì)產(chǎn)生不同的行為傾向，促進(jìn)不同的學(xué)習(xí)結(jié)果。關(guān)于態(tài)度測(cè)量量表維度的確定和題項(xiàng)的制定，考慮到相關(guān)學(xué)生的特點(diǎn)和不同學(xué)科門類學(xué)生態(tài)度測(cè)量的貼切性，本研究量表中關(guān)于態(tài)度三維結(jié)構(gòu)模型的理解和應(yīng)用設(shè)計(jì)參考了《學(xué)習(xí)態(tài)度的理論與研究》[17]。同時(shí)，在量表的制定上還借鑒了《工科大學(xué)生學(xué)習(xí)態(tài)度影響的實(shí)證研究》[18]中的工科類學(xué)生態(tài)度測(cè)量量表。本量表測(cè)量指標(biāo)分為認(rèn)知、情感、行為傾向三個(gè)維度，包含了12個(gè)題項(xiàng)。經(jīng)檢驗(yàn)，本研究基于態(tài)度的三維結(jié)構(gòu)模型和張俊珍的量表設(shè)計(jì)的測(cè)量量表的克隆巴赫系數(shù)達(dá)到0.803，信度較高;KMO 統(tǒng)計(jì)量值大于0.5，變量間的相關(guān)程度無(wú)太大差異，數(shù)據(jù)適合做因子分析，巴特利特球形檢驗(yàn)的顯著性結(jié)果小于0.05，球形假設(shè)被拒絕，原始變量之間存在相關(guān)性，適合做因子分析。

4.2.4 情緒的測(cè)量

學(xué)生的情緒可以歸納為正向情緒和負(fù)向情緒兩方面，正向情緒包含了多種體現(xiàn)學(xué)生積極快樂(lè)的情緒，負(fù)向情緒則體現(xiàn)學(xué)生的低迷和困惑等。為保證測(cè)量的有效性，參考PANAS積極消極情緒測(cè)量量表[19，20]，并將其中不適合的題項(xiàng)進(jìn)行適當(dāng)?shù)貏h減，最終采用16個(gè)分別能夠代表學(xué)生積極情緒狀態(tài)和消極情緒狀態(tài)的形容詞作為檢測(cè)的指標(biāo)，考查學(xué)生在混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境中進(jìn)行探針安裝操作的情緒狀態(tài)。經(jīng)檢驗(yàn)，本研究在PANAS基礎(chǔ)上修改的測(cè)量量表的克隆巴赫系數(shù)達(dá)到0.915，信度較高;KMO 統(tǒng)計(jì)量值大于0.7，變量間的相關(guān)程度無(wú)太大差異，數(shù)據(jù)適合做因子分析，巴特利特球形檢驗(yàn)的顯著性結(jié)果小于0.05，球形假設(shè)被拒絕，原始變量之間存在相關(guān)性，適合做因子分析。

4.2.5 知識(shí)掌握水平的測(cè)量

本研究設(shè)計(jì)了7個(gè)題項(xiàng)，分別從理論知識(shí)及操作技能的角度來(lái)考查學(xué)生的習(xí)得水平，驗(yàn)證他們是否在混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中對(duì)實(shí)驗(yàn)的理論知識(shí)及操作技巧建構(gòu)了正確的理解。例如，其中一個(gè)題項(xiàng)“在安裝原子力顯微鏡探針時(shí)，應(yīng)該將探針帶有溝槽的一面朝上放置還是朝下放置？”，這一題目回答的正確與否直接影響到學(xué)生探針安裝操作的成敗，但在物理空間中，原子力顯微鏡探針的結(jié)構(gòu)較為微小，學(xué)生不易觀察溝槽，在混合現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中，他們能夠從全方位視角進(jìn)行觀察，按照需求進(jìn)行放大和移動(dòng)，提高正確操作的水平。

5 研究結(jié)果

5.1 認(rèn)知負(fù)荷

認(rèn)知負(fù)荷量表測(cè)量的平均值為3.385，高于中等水平2.5，證明總體上混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)沒(méi)有給學(xué)生造成過(guò)大的認(rèn)知負(fù)荷。針對(duì)具體的題項(xiàng)，“系統(tǒng)展示內(nèi)容的形式容易理解”“系統(tǒng)呈現(xiàn)方式很清晰易懂”“系統(tǒng)的布局很清晰易懂”分別表現(xiàn)出均值4.17、3.90和3.83的較高分?jǐn)?shù)，該系統(tǒng)在認(rèn)知負(fù)荷的外部負(fù)荷維度表現(xiàn)優(yōu)秀。但關(guān)于以下題項(xiàng)，“在這個(gè)系統(tǒng)中學(xué)習(xí)時(shí)，我需要不斷地思考和努力”“我覺(jué)得自己的腦力被充分利用了”“這個(gè)系統(tǒng)需要我全神貫注”，學(xué)生們得分較低，普遍感受到自己承受了一定的神經(jīng)負(fù)荷或情緒負(fù)荷。

在實(shí)驗(yàn)教學(xué)的過(guò)程中要注意學(xué)生內(nèi)在認(rèn)知負(fù)荷、外在認(rèn)知負(fù)荷和關(guān)聯(lián)認(rèn)知負(fù)荷之間的累加關(guān)系， 使之不要出現(xiàn)認(rèn)知超負(fù)荷現(xiàn)象[21]。整體來(lái)看，該混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)并不會(huì)給學(xué)生帶來(lái)過(guò)多的認(rèn)知負(fù)荷，其在心理負(fù)荷、外部負(fù)荷以及軀體要求的維度上表現(xiàn)良好，但該系統(tǒng)應(yīng)考慮到造成神經(jīng)負(fù)荷和情緒負(fù)荷的方面并進(jìn)一步改進(jìn)，從而和課堂教學(xué)更好地融合。關(guān)于為何在教學(xué)過(guò)程中帶給學(xué)生較高的情緒負(fù)荷和神經(jīng)負(fù)荷，對(duì)應(yīng)具體的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)考慮。首先，學(xué)生對(duì)于原子力顯微鏡的精密結(jié)構(gòu)認(rèn)知不足，又接觸了新的技術(shù)手段，佩戴混合現(xiàn)實(shí)眼鏡的過(guò)程中要完成操作，部分學(xué)生就會(huì)出現(xiàn)一些憂慮情緒。

5.2 沉浸感

沉浸感測(cè)量量表的平均值為3.373，學(xué)生在該系統(tǒng)內(nèi)操作過(guò)程的沉浸水平較高。在相關(guān)的題項(xiàng)中，學(xué)生一致認(rèn)為該混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境中可以邊走動(dòng)邊觀察，同時(shí)多個(gè)角度觀察虛擬環(huán)境和虛擬物體，這體現(xiàn)了HoloLens 2的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，也凸顯了混合現(xiàn)實(shí)相較于虛擬現(xiàn)實(shí)而言的優(yōu)勢(shì)性，即學(xué)生可以同時(shí)觀察真實(shí)空間和虛擬物體，視線不會(huì)被完全遮擋，可以自由地走動(dòng)并觀察。但在“我會(huì)花費(fèi)很多的精力在控制設(shè)備的操作方法上”的分值較低，均值只有2.83，證明在混合現(xiàn)實(shí)空間中，用雙手來(lái)控制虛擬物體以實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)操作仍存在一定困難，還不能像直接用雙手操作一樣地靈活自如。對(duì)應(yīng)具體的實(shí)驗(yàn)環(huán)節(jié)，學(xué)生主要是在按壓原子力顯微鏡支架以及將探針?lè)湃氲倪^(guò)程中遇到了困難。一方面，混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)先識(shí)別到學(xué)生的雙手手勢(shì)，再出現(xiàn)相應(yīng)的虛擬映像，學(xué)生總會(huì)覺(jué)得混合現(xiàn)實(shí)環(huán)境中雙手操作沒(méi)有真實(shí)空間中靈活。另一方面，混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的技術(shù)有限，難免會(huì)造成一些時(shí)間上的延遲和卡頓。

5.3 態(tài)度

態(tài)度測(cè)量量表回收數(shù)據(jù)的均值結(jié)果為3.976，說(shuō)明學(xué)生們對(duì)于使用混合現(xiàn)實(shí)的原子力顯微鏡探針安裝系統(tǒng)表現(xiàn)出良好的態(tài)度。針對(duì)具體的題項(xiàng)，學(xué)生不僅表示自身對(duì)該系統(tǒng)感興趣，同時(shí)也表明了愿意參與該系統(tǒng)相關(guān)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的行為意向。在學(xué)習(xí)的過(guò)程中，學(xué)生們表明愿意主動(dòng)查閱相關(guān)資料并向教師尋求幫助。但在另一方面，學(xué)生們認(rèn)為混合現(xiàn)實(shí)學(xué)習(xí)系統(tǒng)對(duì)于自身世界觀、人生觀、價(jià)值觀形成的幫助是比較有限的?；旌犀F(xiàn)實(shí)以技術(shù)賦能的方式開(kāi)闊了學(xué)生的視野，使其體會(huì)到新興技術(shù)手段的神奇之處，更深入、有效地學(xué)習(xí)物理實(shí)驗(yàn)的內(nèi)容。

5.4 情緒

關(guān)于情緒測(cè)量，PANAS量表是將正向詞匯和負(fù)向詞匯呈現(xiàn)，學(xué)生要按詞匯描述的符合程度打分。本研究中，將消極詞匯所描寫的題項(xiàng)進(jìn)行了轉(zhuǎn)置并賦分，以保證得到的均值的合理性，最終該情緒測(cè)量量表回收的數(shù)據(jù)均值為3.741，證明學(xué)生在混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)學(xué)習(xí)的過(guò)程是以正向的積極情緒為主導(dǎo)。學(xué)生感覺(jué)到活躍的、充滿熱情的、興奮的、欣喜的等積極的情緒。

值得注意的是，部分學(xué)生在實(shí)驗(yàn)中感覺(jué)有些緊張，甚至在解決問(wèn)題的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些挫折情緒。這一方面是源于該系統(tǒng)本身的設(shè)計(jì)，應(yīng)該在后續(xù)進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化以帶來(lái)更好的體驗(yàn)。另一方面，新興教育技術(shù)的迅速普及和廣泛應(yīng)用也不可避免地對(duì)教育發(fā)展秩序產(chǎn)生一定的干擾，助長(zhǎng)人們對(duì)教育技術(shù)的焦慮情緒[22]。學(xué)生接受融合了新技術(shù)的課堂需要一個(gè)過(guò)程，其中難免會(huì)伴有緊張情緒和挫折情緒，教師要注意加以正確的引導(dǎo)，使學(xué)生保持對(duì)于物理實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的熱情。

5.5 知識(shí)掌握

關(guān)于知識(shí)測(cè)量問(wèn)卷的理論知識(shí)測(cè)評(píng)部分，總體的正確率達(dá)到80%。學(xué)生在混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)學(xué)習(xí)的過(guò)程中對(duì)知識(shí)的掌握情況良好。針對(duì)具體的題項(xiàng)，對(duì)于“原子力顯微鏡工作的原理”以及“探針是否可以反復(fù)利用”問(wèn)題回答的正確率分別達(dá)到了100%和96.7%，但學(xué)生對(duì)于“原子力顯微鏡探針針尖是否肉眼可見(jiàn)”的問(wèn)題產(chǎn)生了誤區(qū)，正確率只有43.3%，這可能是由于在混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中對(duì)于納米級(jí)別的探針進(jìn)行了可視化呈現(xiàn)，設(shè)計(jì)的本意是為了加深學(xué)生對(duì)于探針結(jié)構(gòu)的了解。在后續(xù)系統(tǒng)的修改中，應(yīng)該解決這個(gè)問(wèn)題，也提醒其他高校在利用混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行不可見(jiàn)實(shí)驗(yàn)過(guò)程可視化設(shè)計(jì)時(shí)要進(jìn)行充分的說(shuō)明，以免給學(xué)生帶來(lái)誤解;關(guān)于知識(shí)測(cè)量問(wèn)卷的操作知識(shí)測(cè)評(píng)部分，總體的正確率達(dá)到了78.3%，學(xué)生對(duì)于操作知識(shí)的掌握情況良好，能夠清晰地了解探針?lè)胖玫木唧w位置，彎頭鑷子的使用過(guò)程，支架的移動(dòng)部位以及探針溝槽面向上放置的操作要點(diǎn)。

5.6 綜合分析

研究結(jié)果如圖3所示，學(xué)生在知識(shí)掌握和態(tài)度方面的表現(xiàn)較為突出，這與系統(tǒng)生動(dòng)展示儀器結(jié)構(gòu)的特性密不可分，學(xué)生親身經(jīng)歷了安裝探針的過(guò)程后，對(duì)知識(shí)能有更好的理解。同時(shí)，因?yàn)榧夹g(shù)的新穎性以及教師的有序引導(dǎo)，學(xué)生對(duì)于混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的態(tài)度較為積極。沉浸感和認(rèn)知負(fù)荷的平均值都大于中間值2.5，且大于3.3，證明該系統(tǒng)帶給學(xué)生較好的沉浸體驗(yàn)。認(rèn)知負(fù)荷這一指標(biāo)稍差的結(jié)果可能源于技術(shù)的有限性，混合現(xiàn)實(shí)空間中的操作無(wú)法像傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)?zāi)菢?，讓學(xué)生感覺(jué)自己的雙手“一樣地靈活和絲滑”，部分學(xué)生覺(jué)得混合現(xiàn)實(shí)教學(xué)系統(tǒng)給自己造成了一些認(rèn)知負(fù)擔(dān)。

6 結(jié)語(yǔ)

將混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)融入原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)教學(xué)，研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)在認(rèn)知負(fù)荷、情緒狀態(tài)、三維態(tài)度、沉浸體驗(yàn)以及知識(shí)掌握等五個(gè)方面，皆得到了較為良好的測(cè)量結(jié)果。因此，學(xué)生對(duì)于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)在原子力顯微鏡實(shí)驗(yàn)課堂中的應(yīng)用持有積極的態(tài)度和較高的接受水平。同時(shí)，在知識(shí)掌握方面，學(xué)生的理論知識(shí)和操作技能知識(shí)的正確率都很高，分別達(dá)到了80%和78.3%，證明混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)能夠達(dá)到物理實(shí)驗(yàn)課堂知識(shí)傳授的目標(biāo)。研究結(jié)果初步證明了相關(guān)技術(shù)手段的適用性，既沒(méi)有給學(xué)生造成很強(qiáng)的認(rèn)知負(fù)荷，也達(dá)到了知識(shí)掌握的目的。

對(duì)于混合現(xiàn)實(shí)的物理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計(jì)，本研究也發(fā)現(xiàn)了一些需要引起重視的問(wèn)題。首先，在沉浸感測(cè)量的控制維度上得到了一些不太理想的結(jié)果，這是由于混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)場(chǎng)景中并不能完全復(fù)刻真實(shí)場(chǎng)景。站在技術(shù)角度，系統(tǒng)首先會(huì)識(shí)別學(xué)生的手部指令，學(xué)生再利用手部指令對(duì)虛擬物體進(jìn)行一系列操作，這個(gè)過(guò)程中很容易發(fā)生不太靈敏或卡頓的情況，部分學(xué)生因而產(chǎn)生一些消極情緒。其次，在知識(shí)掌握問(wèn)卷測(cè)量的過(guò)程中，本研究發(fā)現(xiàn)混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的一些可視化呈現(xiàn)效果很可能會(huì)給學(xué)生帶來(lái)誤解。例如，系統(tǒng)將原子力顯微鏡探針針尖可視化，這樣設(shè)計(jì)的目的是方便學(xué)生理解針尖所處的位置，對(duì)針尖結(jié)構(gòu)建構(gòu)自身的理解。但很多同學(xué)會(huì)誤以為在混合現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)中針尖是可見(jiàn)的，那么真實(shí)的物理空間中原子力顯微鏡探針針尖也是肉眼可見(jiàn)的。情境認(rèn)知理論認(rèn)為，知識(shí)應(yīng)融入真實(shí)情境，向真實(shí)情境遷移，學(xué)生才有機(jī)會(huì)體驗(yàn)知識(shí)在真實(shí)生活中的應(yīng)用，感悟知識(shí)的價(jià)值[23]，但若知識(shí)在遷移的過(guò)程被誤解，造成學(xué)生的認(rèn)知偏差，則會(huì)影響整個(gè)知識(shí)建構(gòu)過(guò)程。這提醒研究者，在利用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)、混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)進(jìn)行各類物理實(shí)驗(yàn)過(guò)程復(fù)現(xiàn)，將不可見(jiàn)的物理量可視化的過(guò)程中，要考慮到學(xué)生會(huì)產(chǎn)生認(rèn)知誤區(qū)的情況，并改進(jìn)混合現(xiàn)實(shí)技術(shù)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)設(shè)計(jì)。

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