面向协同知识建构的AR协作探究式教学模型设计与应用*

王 洋 沈书生

面向协同知识建构的AR协作探究式教学模型设计与应用*

王 洋 沈书生[通讯作者]

（南京师范大学 教育科学学院，江苏南京 210042）

协作探究式教学是一种被广泛应用且公认有效的教学模型，但由于缺乏真实的探究环境，导致其在教学应用中受到限制。为此，文章首先基于目前协作探究式教学的应用困境，设计了一种面向协同知识建构的AR协作探究式教学模型；
然后文章结合实践验证了该模型的应用效果，最后文章总结了面向协同知识建构的AR协作探究式教学模型的价值，即呈现可视化形象，促进学习者自主探究；
扩展探究空间，深化协同知识建构；
强调会话协商，构建学习共同体。文章通过研究，旨在为教师实施基于AR技术的协作探究式教学提供理论和实践参考。

协同知识建构；
增强现实技术；
协作探究式教学；
模型构建与应用

协作探究式教学作为一种有效的教学模式，重视学习者的主体地位，强调学习者在自主探究和协作探究过程中通过发现问题、探究问题、解决问题、发现新问题的循环，以不断促进自身知识、能力和情感方面的发展，因而受到了教育研究者和实践者的关注。但结合已有研究发现，缺乏真实的探究环境和模型指导已成为目前协作探究式教学面临的重大挑战[1]。如何在协作探究式教学中克服这两大挑战值得深入探究。2020年3月，美国高等教育信息化协会（EDUCASE）发布的《2020地平线报告》将增强现实（Augmented Reality，AR）作为影响未来教育的新兴技术之一，主张通过计算机技术将虚拟信息叠加到真实世界，允许用户看到真实世界以及融合于真实世界之中的虚拟对象，这使其可应用于探究学习环境构建。基于此，本研究立足于协作探究式教学的应用困境，尝试设计一种面向协同知识建构的AR协作探究式教学模型，并将其应用于实际教学中，从个体和小组协同知识建构角度证实该模型的有效性和可行性，同时总结面向协同知识建构的AR协作探究式教学的价值，以期为教师实施面向协同知识建构的AR协作探究式教学提供理论和实践指导，促进AR技术在教育领域的应用，进而推动AR技术与教学实践的深度融合。

协作探究式教学是指在学习过程中，让学习者通过观察、实验、思考、讨论等方法主动探究，在协同思考的基础上自行发现并掌握知识的一种方法[2]。在这一过程中，学习者通过调查和收集数据，能积累丰富的获取、解释和应用科学概念的经验[3]。由于协作探究式教学为学习者从不同方面观察、探究和理解问题创造了条件，因此它往往可以激发学习者的积极性，提高其问题解决能力和创造力，进而培养学习者的科学探究能力和高阶思维[4]。基于此，协作探究式教学受到了研究者和教学实践者的青睐[5]。但就实践来看，环境与模型两方面的困境会制约协作探究式教学的质量。一方面，缺少真实探究环境是目前协作探究式教学的主要困难。协作探究式教学的核心是通过探究学习环境和活动引导学习者积极沟通，协作探索，但由于缺少真实探究环境，当前大多数协作探究式教学活动仍以知识传授为主要目标，活动过程和形式较为固化[6]。另一方面，基于AR开展协作探究式教学的模型研究有待深入。随着AR技术的发展，国内外研究者纷纷将AR技术应用视角投向教育领域，其研究聚焦于AR教育应用的可行性研究[7]、AR支持的教学系统设计和开发[8]、AR教育应用效果研究[9]等。但已有研究大多为个案研究，较少形成基于AR教学应用过程的模型设计，如何将AR有效融入协作探究式教学实践仍有待挖掘。鉴于此，本研究充分发挥AR技术优势，设计了一个AR协作探究式教学模型，以促进学习者的协同知识建构，进而为协作探究式教学环境构建和活动设计提供参考。

本研究提出的面向协同知识建构的AR协作探究式教学模型以探究学习和协同知识建构理论为指导，基于AR技术的交互性加深AR与协作探究学习活动的融合，强调自主探究、组内协作探究和组间协作探究，进而促进协同知识建构。

1 理论基础：探究式学习与协同知识建构

①探究式学习。探究式学习是一种以学习者为中心的学习方法，其目的是引导学习者以问题为中心，主动探索问题，提高自身分析、探究和解决问题的能力，从而促进认知发展。探究式学习主要包括问题提出、作出假设、寻找证据、实验验证、得出结论、观点整合。这些探究环节不仅能促进学习者的探究能力，还能培养其深层思考能力，学习者通过不断提问、假设、验证、对新问题再提问、再假设、再验证来促进知识建构[10]。

②协同知识建构。协作探究学习的目的是促进学习者的认知建构，而协同知识建构理论强调认知建构是社会和认知等多方面因素共同作用的结果。学习者在集体环境中通过分享自主建构的知识，可以进一步协商、反思，从而实现新知识的建构和个体认知水平的提升[11]。学习者在协作探究过程中的知识建构主要包括分享、对比、协商、验证以及新意义的建构等阶段[12]。学习者的分享、协商和整合能反映其协同知识建构情况。

2 模型构建：基于AR技术的协作探究式教学机理

面向协同知识建构的AR协作探究式教学不仅是由外到内的知识传递，还强调学习者在相对真实的情境中产生认知冲突并形成探究问题，通过独立思考、组内协作、组间交流，逐步实现认知建构，将自主、组内及组间探究有效融合。由此，本研究设计了面向协同知识建构的AR探究式教学模型，如图1所示。该模型将协同知识建构中的个体和小组通过AR探究活动进行融合，聚焦于学习者在协作探究学习中的会话和知识建构过程。AR技术在协作探究式教学中的作用为：构建协作探究教学环境，充当探究工具和共享平台，支持个体的观念呈现，以形成AR资料区、AR实验区和AR协作区。模型外部是基于AR的协作探究式学习环境，中间部分阐述了协同知识建构的三个主要过程：自主探究、组内探究和组间探究。在自主探究环节，学习者基于AR探究平台，提出探究问题，通过实验寻找证据，验证探究假设并形成个人观点。在组内探究环节，学习者通过观点的分享协商，提出小组假设、寻找证据，开展实验验证，得出组内观点。在组间探究环节，各组代表通过组间观点协商，作出假设，寻找证据并进行实验验证，最后进行观点整合，形成共同理解。在实践过程中，各环节可迭代循环。下面从探究式教学和协同知识建构两方面剖析该模型。

图1 面向协同知识建构的AR协作探究式教学模型

（1）探究式教学：探究主体—探究目标—探究工具—探究共同体

面向协同知识建构的AR协作探究式教学是一种教学活动，主要受主体、目标、工具和共同体等因素的影响。因此，本研究从这些因素出发，系统探究了该模型中各要素间的相互作用。

①探究主体。学习者是自主探究活动主体，面向协同知识建构的AR协作探究式教学将课堂转变为学习者探究的“体验场”，教师主要担任组织者和引导者的角色，学习者可借助AR平台，通过提出问题、寻找证据、实验验证、形成观点等过程，最终在探究实践中实现认知建构。

②探究目标。面向协同知识建构的AR协作探究式教学目标源于教材又超越教材，学习者借助于AR教学情境，通过自主和协作探究，不断深化学习目标。探究目标是学习目标的转化与分解，根据探究对象可分为个体目标、小组目标、班级目标和课程目标；
根据能力方向可分为知识目标、能力目标和情感目标；
根据目标层级可分为浅层目标与深层目标。此外，AR技术的支持能进一步拓展教学内容的深度和广度，支持探究目标的实现。

③探究工具。工具是指主体实现目标过程中使用到的外部支持，包括环境资源、共享平台和知识表征工具等。相较于传统教学，AR为协作探究式教学提供了丰富的探究工具支持，通过AR技术增强知识呈现，可使探究情境更为真实，增强学习者的沉浸感，进而支持学习者形成对知识的深度理解。

④探究共同体。探究活动中的共同体指的是由学习者及其助学者共同构成的共同体。基于AR技术的协作探究式教学，为“共同体”提供了知识建构和共同协作的平台，使师生、生生间能构建起以课程标准为依据、以学习任务为载体、以全面发展为导向的“学习共同体”，其既包括组内成员构成的组内共同体，还包括组间成员构成的组间共同体。学习者通过自主构建，形成初步认知；
学习者通过在组内的分享、探究、反思和协商，形成组内共识；
学习者在组间的共享和互评，能促进意义协商和组间知识共建。

（2）协同知识建构：协作认知调节和协作认知循环

①协作认知调节。协作认知调节关注的是学习者在协作探究学习中知识结构的动态平衡过程。面向协同知识建构的AR协作探究式教学模型强调个体、组内和组间在协作探究学习中的交互。学习者作为知识源，能根据已有认知背景和现有的探究环境和资源进行自主探究。通过分析学习者是否为知识和行动源，可以分析出学习者的动机和自我效能水平，以及协作探究参与度。学习者在组内通过知识分享和整合，可以对原有认知结构进行调整，完善已有认知。学习者在组间通过观点分享、协商和探索，可以实现共同理解，进一步促进自身认知发展。在该模型中，组内和组间协作都能帮助学习者获取新知，当学习者充当知识和行动源时，其认同会话可朝着不同的方向发展，以接受新观点和新想法，协同知识建构才得以发生。

②协作认知循环。协作认知循环包括自主学习、组内学习和组间学习三阶段，呈螺旋上升结构。其中，自主学习是学习者通过学习材料自学形成个人理解，提出观点和疑问；
组内学习是组内成员分享自己的观点和疑问，经过组内交流协商，最终达成一致，以实现认知发展的过程；
组间学习是学习者通过各小组观点分享和讨论，实现组间知识共享。协作认知循环过程主要体现在个体认知能促进组内交流，进而解决个体的疑问；
组内的协商能促进组内成员的会话，进而达成一致；
组间互评能促进组间再次协商、讨论并达成共识，进而促进各成员认知发展[13]。

1 应用背景：情境与过程

为验证模型的有效性，本研究将其应用于武汉市A中学《物理》（人教版）八年级下册第九章第二节的“磁场与磁感线”教学中。参与的学生是该校2019年秋季学期八年级3班的34名学生。由于磁场本身“看不见、摸不着”的物理特性，导致很多学生在该部分学习存在困难。为验证面向协同知识建构的AR协作探究式教学模型的有效性和可操作性，本研究将前期基于AR技术开发的“磁场与磁感线”教学平台和该模型提供给该校的8名物理教师，并与其一起基于该平台和模型设计和实施了三节探究课。课程结束后，本研究运用协同知识建构内容分析编码框架对学生在平台中的讨论数据进行分析。参考技术接受度模型，本研究构建了一个由14个题项构成的问卷来了解学生的学习体验，由两位教育技术专家确定了其有效性，一致性检验结果表明其信度良好（Cronbach’s α=0.81）。此外，本研究还对参与教学的8名教师和随机抽取的5名学生进行访谈，包括“通过这次学习，你的感受如何”“你觉得有哪些收获和待改进的地方”，以了解其教学和学习经历。教师根据均分原则将学生随机分成了5个小组，每组6～7人。课程主要包括自主探究、组内探究和组间探究三大环节；
在自主探究环节，每位学生基于课本和AR平台探究条形磁铁的磁场分布情况，并画出假设分布图，再运用该AR平台验证假设；
在组内探究环节，每位学生在讨论区分享探究过程，包括提出初始假设、验证假设、总结收获等，小组成员通过分享协商，总结出条形磁铁周围的磁场性质；
在组间探究阶段，小组间分享本组成果。学生个体在组内和组间协作中随时分享反思和收获，进而探究U形磁铁的磁场分布。

2 编码分析：面向协作探究式学习的知识建构

为了探究该模型的有效性，本研究设计了探究式学习中协同知识建构的内容分析编码框架（如表1所示），以分析学生的协同知识建构情况。其中，“分享”维度的知识源、叙述行动、指示行动、挑战行动被视为会话主导源，接受者和其他行动被归类为非主导源。

表1 探究式学习中协同知识建构的内容分析编码框架

由两位熟悉编码框架的研究者分别编码前500条（约占总发帖量的1/3）讨论文本，编码结束后分析一致性，对于编码不一致的帖子，协商直至达成一致。再从剩余帖子中随机选取500条文本进行编码，Kappa系数为0.84，表明一致性良好[17]。剩余的帖子由两位编码者一起完成。

3 结果分析：协同知识建构与总体分析

学习结束后，本研究对学生讨论数据进行分析，从个体、小组和组间维度了解学生协作探究情况，并从技术接受度方面分析师生的学习体验。

（1）自主和组内协作探究分析

第1组学生的协同知识建构情况如表2所示（主导源是知识源、叙述行动、指示行动和挑战行动的总和，非主导源是接受者和其他的总和），考虑到无推理对于知识整合的贡献较小，故未将其展示在表中。表2显示，学生7的主导行为最明显，在知识源、叙述行动、主导源、单声、对话拓展、对话紧缩和协同共建这五个维度，学生7讨论数量最多，表明他想要快速完成小组任务，这与其组长身份一致。学生3在挑战行动、对话拓展和外化维度信息频次最高，他总能在其他同学观点的基础上提出新问题并深入拓展，表明其对磁场概念了解较深。学生6在指示行动和非主导源（接受者和其他）维度频次最高，表明其作为信息记录员尽管在协作过程中未起到主导作用，但也能推动协作学习活动的发展。学生1协作学习模式跟学生3类似，尽管其对话频次不是最高，但在知识源、挑战行动、主导源、对话拓展、外化和协同共建维度对话频次均较高，表明其核心成员的身份。学生4和学生5的协同知识建构频次相对较少，表明其协作探究活动参与度较低。除了学生4和学生5，第1组学生各司其职，整体协作情况较好。

表2 第1组学生的协同知识建构情况

注：表中数字为行为频次。

（2）组间协作探究分析

五组学生的协同知识建构情况如表3所示：第2组和第4组学生的协同知识建构行为最多，这两组在主导源、对话拓展、外化和协同共建维度对话频次最高，表明这两组在协作探究学习活动中整体投入情况良好。在组间分享阶段，这两组的成果也最为丰富。第5组学生尽管人数较少（1～4组每组7人，第5组6人），但其在叙述行动、指示行动和对话紧缩维度对话频次最高，表明该组学生整体协作探究活动参与度较高。第3组学生的协作行为最少，表明该组学生协作探究学习参与度较低。整体结果证实了面向协同知识建构的AR协作探究式教学模型的有效性和可行性，表明该分析框架能客观反映学生个体和小组的协作学习情况，为协作探究式学习评价提供参考。

表3 五组学生的协同知识建构情况

（3）整体分析

调查分析结果表明，学生整体学习体验感较好（M=3.97），其中学习意向最高（M=4.24），其次是感知有用性（M=4.11）、感知注意力（M=4.03）和感知易用性（M=3.49），表明该AR探究学习平台能促进学生的学习意向和感知有用性，帮助他们投入协作探究学习。

通过对8位教师的访谈可知，该面向协同知识建构的AR协作探究式教学模型能给教学实践提供指导，帮助其设计适合学生协同知识建构的教学活动。分析结果能客观反映学生个体和小组的协作探究学习情况，为基于过程的学习评价提供支持。此外，学生的协作探究学习活动能反映其认知误区，这在传统教学中难以实现。例如，本研究通过协作探究发现学生常出现的认知误区存在于磁感线的弯曲方向和密度方面。学生访谈结果，表明该基于AR的协作探究教学平台能够激发其学习兴趣，协助其开展探究学习。该平台能帮助小组成员建构个体知识，组内交流协商可以深化学生个体的反思和理解；
组间分享讨论能帮助组间吸收其他小组观点，促进知识融合创新。师生均表示实施难点在于确定探究问题并设计探究假设，这为未来研究指明了方向。

本研究设计了面向协同知识建构的AR协作探究式教学模型，并通过实践验证了该模型的有效性和可行性。结果表明该模型既发挥了AR技术优势，又借助了协作探究式教学的有效互动，体现了该模型的价值。

1 呈现可视化形象，促进自主探究

AR通过呈现可视化形象能促进学习者对问题的自主探究。具体而言，面向协同知识建构的AR协作探究式教学能帮助学习者观察现象全貌，建立起对知识的全面理解，为自主探究提供环境支持，主要表现为：首先，AR技术能弥补传统实验的物理限制，为学习者创设问题情境。基于AR所创设的问题情境能激发学习者的反思，帮助其提出探究问题，确定探究目标。其次，AR技术将抽象知识具象化，能促进学习者的自主探究兴趣，调动其探究积极性，为自主探究创造可能。最后，AR平台通过与知识融合，为自主探究学习提供工具支持，促进学习者认知建构。

2 扩展探究空间，深化协同知识建构

协作探究式教学虽由来已久，但由于缺乏探究空间其并未得到全面普及和应用。AR虚实融合的特性，将协作探究式教学空间从物理和社会两空间拓展到了物理、社会、信息三空间。据此，面向协同知识建构的AR协作探究式教学突破了物理空间限制，有利于协作探究式教学的普及，深化学习者的协同知识建构。引入AR技术后，学习者能够通过虚拟实验来完成协作探究活动，这在一定程度上突破了实验设备的限制。面向协同知识建构的AR协作探究式教学有三大优势：一是拓展了协同知识建构平台，即学习者个体在虚实融合的探究空间中充当知识行动源，可通过AR技术平台确定探究问题，开展探究活动，并通过反思将信息进行过滤，分享其发现。二是为会话协商提供支持，学习者个体将自主探究获取的知识通过虚拟探究平台与其他组员进行分享，同伴间通过分享、拓展、对话紧缩等活动完成会话协商。三是进一步验证和整合协同构建的知识，即学习者根据其自身认知特点，在面向协同知识建构的AR协作探究式教学平台中通过外化、协商、解释、评估来验证所建构的知识，通过协商来对各组员的观点和建议进行整合，达成观点共识，深化协同知识建构。

3 强调会话协商，构建学习共同体

虽然在AR技术支持下，能够实现学习者与教学平台的自然交互。但AR技术却无法与学习者进行情感上的交流，协作探究式教学就可以弥补这一不足。协作探究式教学活动中强调学习者以小组的形式对问题进行探究，在交流互动中实现协同知识建构。在探究学习活动中，交流互动不仅能够激发学习者学习兴趣，还有利于构建学习共同体。在面向协同知识建构的AR协作探究式教学活动中，会话协商主要体现在三个方面：一是学习者与技术平台间的会话，有利于学习资源的获取和学习者个体进行自主意义建构；
二是组内学习者之间的互动协商，有助于学习者通过共享交流，促进知识整合；
三是组间的协作沟通，有利于组间成员的观点交流和整合创新能力的培养。简言之，面向协同知识建构的AR协作探究式教学既可以加强人与技术的交互，也可以促进师生之间、生生之间的会话协商，最终促进学习共同体的构建。

新一轮信息技术如移动互联网、人工智能、大数据、5G技术等正在快速发展，并迅速渗透到各个领域，也延伸到了教育领域。AR作为改变人们生活方式的新兴技术，其虚实结合、自然交互、应用便捷等特点在教育领域具有巨大的应用潜能。虽然将AR技术融入协作探究式教学价值无限，但就实践来看，环境和模型方面的困境会制约协作探究式教学的质量。本研究基于协作学习理论设计了面向协同知识建构的AR协作探究式教学模型，充分发挥了AR技术的优势，可为学习者的协作探究式教学呈现可视化形象，促进学习者自主探究；
同时，可以拓展探究空间，深化协同知识建构，并有助于构建学习共同体。通过对该模型的进一步深化研究，期望能促进AR技术与教学实践的深度融合，并推动教育信息化的发展。

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The Design and Application of AR Collaborative Inquiry Teaching Model Oriented to Collaborative Knowledge Construction

WANG Yang SHEN Shu-sheng

Collaborative inquiry teaching is a widely used and recognized effective teachinmodel, however, its application in the teaching application has been limited due to the lack of authentic environment. Therefore, the paper firstly constructed an augmented reality (AR) inquiry model oriented to collaborative knowledge construction based on the current application dilemma of collaborative inquiry teaching. Then, the application effect of the model was verfied with practice. Finally, the values of the AR collaborative inquiry teaching model oriented to collaborative knowledge construction was summarized, namely, presenting visual images to promote learners’ independent inquiry, expanding inquiry space to deepen collaborative knowledge construction and emphasizing conversational negotiation to build a learning community. Through research, it was expected in this paper that provide theoretical and practical references for teachers to implement collaborative inquiry teaching based on AR.

collaborative knowledge construction; augmented reality; collaborative inquiry learning; model construction and application

G40-057

A

1009—8097（2023）02—0110—09

10.3969/j.issn.1009-8097.2023.02.012

本文为2021年度国家自然科学基金项目“人工智能技术支持的在线学习投入度预测与自适应干预应用研究”（项目编号：62107023）、2021年度教育部人文社科项目“人工智能技术支持的在线学习投入度分析与干预应用研究”（项目编号：21YJC880076）、2021年度国家新闻出版署出版融合发展（人教社）数字教育研究院重点课题“基于AR技术提升学习者学习投入度的教学策略研究”（项目编号：RJA0121007）的阶段性研究成果。

王洋，讲师，博士，研究方向为计算机支持的协作学习，邮箱为wangyang@nnu.edu.cn。

2022年9月30日

编辑：小时

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