基于分布式认知理论的AR电子书特征分析效果研讨

　引言
　　增强现实电子书，即Augmented Reality E-book（以下简称AR电子书）是将增强现实技术应用于教育领域的一项重大突破，也是AR教育应用的一个重要分支。AR电子书经历了从理论研究向实践探索的转变——在我国，其在教育领域中的应用尚处于起步阶段，研究重点大多侧重于技术本身，在实践中的应用相对较少。在国外，AR电子书在教育中的运用初步进入应用阶段。目前，其在婴幼儿、中小学及大学阶段均有涉及。婴幼儿阶段的AR电子书主要以寓言故事为素材，如：Azfar Bin Tomi等人以乌鸦喝水的故事为素材开发。
　　分布式理论强调：学习不仅仅分布于学习者这一认知主体本身，也分布于认知主体外的环境因素中，包括其他认知个体、工具、情境及认知对象等。它摒弃了以往以个体作为分析单元的思想，重视系统中参与认知活动的各要素间的相互依赖。AR电子书从系统的观点出发，旨在应用增强现实技术为学习者提供更为丰富的学习环境，以期促进学习者的学习。然而，这一环境是否能促进学习者的学习以及它有哪些待完善之处，本文试图结合分布式认知理论，主要从认知、情境、交互三方面对AR电子书加以分析与探讨，以期为AR电子书进一步的应用与完善提供一定的借鉴作用。
　　一、分布式认知理论概述
　　分布式认知是指个体的认知活动分布于认知主体及其学习环境中，并强调个体与其他环境要素间互动交流对认知活动的重要作用。随着信息技术与网络的不断发展，分布式认知理论中的“制品”即计算机等设备及其产生的数据，作为学习环境的典型要素备受关注。许多研究表明，“制品”在增强人们的认知、促进信息共享、拓展人们的理解与能力方面发挥着愈发重要的作用，分布式认知理论亦由此逐步为人们所认识和理解，并发展成为学习环境的基础理论[7]。其具体特征有以下几点。
　　1.强调认知的分布性
　　分布式认知理论认为人的认知分布于参与认知活动的全部要素，即认知的分布性，而这些要素构成了人与设置的学习环境系统，在该系统中，为促进学习者的学习，除了关注学习者个人独立的认知活动外，还需引导学习者通过关注同他人或机器交流获取有效数据等方式增强认知与理解。
　　2.强调系统要素的交互性
　　分布式认知理论认为，人所处的学习环境是动态系统，系统要素间的互动交流是分布式认知的潜在动力。而技术作为高度交互的媒介，为分布式学习环境设计提供重要给养，从而使分布式认知理论成为一系列的分布式认知活动——学习者共同体、概念学习交流和知识建构共同体以及日益发展的计算机支持的协作学习等重要的理论支持与审视框架。
　　3.强调社会物质境脉的塑造力
　　分布式认知理论认为社会物质境脉以自然或非自然的交互方式塑造人的认知过程，并且关注个人和物质世界如何以重要的方式进行交互，而非简单理解为意义建构或知识加工过程，更为强调其对人认知过程的塑造能力。
　　4.强调智能制品的认知作用
　　分布式认知理论高度关注智能制品，并认为在分布式认知系统中，制品和人同样重要。其认知作用的核心在于交流共享，交流是分布式认知的必备条件，而知识若不被共享则变得无用，制品作为交流与共享的载体可将知识表征出来，在此过程中制品就作为载体工具、作为知识表征工具、作为知识可视化工具促进人的认知与理解。
　　二、基于分布式理论的AR电子书特征分析
　　1.可视化学习内容，减少学习者认知负荷
　　学习中的认知负荷，主要是指一项具体项目的执行给个体认知系统所施加的负荷。一般包括固有认知负荷、固加认知负荷和生成认知负荷。固有认知负荷主要取决于学习材料相对复杂的程度和学习者的经验水平；固加认知负荷是指学习者学习过程中额外产生的附加负荷；而生成认知负荷主要是指形成生成性知识的相对阻力。分布式认知理论中，认知在媒介中的分布模型主张认知分布于个体、认知对象和认知工具等之中。AR电子书作为学习者的认知工具，承载着学习者所学内容（认知对象）、承载着部分认知。相较于传统图书而言，AR电子书将抽象的间接经验转化为形象的直接经验，降低了学习材料本身的复杂程度，从而减少了固有认知负荷。虽然学习过程中学习者需要对AR电子书进行操作，但其易于操作的特征并没有增加学习者的固加负荷，同时，还替代了学习者部分低层工作；此外，三维知识场景中所学知识的形象展现为学习者生成性知识的形成奠定了基础，促进了学习者生成性知识的形成。因此，AR电子书减少了学习者的认知负荷，进而提高学习效率。如：Mark Billinghurst和Poupyrev博士利用AR技术研发出了“Magic Book”，使读者在阅读文字的同时可直接在AR显示设备上观察真实的场景，从而感知书本内容生成的虚拟对象和事件，使学习更加直观、深入[8]。Utku Kose等人将增强现实应用于计算机科学课程中，将教材中实践操作部分运用AR技术制作成电子书，让学习者获取计算机实践操作的直接经验[9]。Albertina Dias开发的mibook通过AR的图像识别技术来实现纸质图书中文字及图片内容的三维呈现，实验证实相较于传统书籍而言，miBook的现实增强功能更有利于激发学习者的学习兴趣、更易于学习者对知识的理解[10]。
　2.丰富学习情境，促进学习者高效投入
　　首先，AR电子书促进了学习者的行为投入。行为投入主要是指学习者学习过程中的操作表现、交流互动及坚持性。AR电子书所提供的三维知识场景通过增强自然的认知情境为学习者进行主动、体验式学习提供了支持，其真实、沉浸、互动的特点实现了学习者对当前环境的沉浸，增强了学习的持久性。此外，基于相应技术支持它能够有效响应用户输入，即通过个人与“制 品”间实现学习者与AR电子书之间的实时交流，促进学习者的行为投入。如：Azfar Bin Tomi等人以乌鸦喝水的故事为素材开发了交互式移动增强现实魔幻剧本，让婴幼儿进行数字学习[11]。在学习过程中，学习者可以通过有形交互技术用手指与乌鸦进行交互，交互效果良好；George Margetis等人在纸质图书上集成了手写功能，运用3D跟踪笔实现文本的操作与输入，实现了AR教育手写方面的重大突破[12]；Utku Kose等人在计算机科学课程中开发出了一款电子学习工具，实现了学习者与三维场景的实时互动[13]。
　　其次，AR电子书促进了学习者的认知投入。认知投入主要是指认知加工、对知识的深层理解及自我调节。分布式认知理论强调学习环境对学习者认知的塑造，而知识的意义存在于符号的情境之中，阅读传统书籍，学习者只能通过自己的经验为抽象的文字赋予情境进行理解，而当学习者经验不足时，就难以理解抽象文字。AR电子书直接为学习者提供了增强现实情境，学习者即使经验不足，也可以通过AR电子书的形象化呈现有力地塑造这一认知进程。当学习者接触自己以前未接触过的知识时，其会通过对AR电子书的学习获得反馈并进行自我调节，完善自己的个体认知。
　　最后，AR电子书促进了学习者的情感投入。情感投入主要是指学习者对学习活动的情绪反应。其一，AR电子书变革了传统的学习方式，运用AR电子书学习，学习者间皆可以实现不同程度的协作，使学习者的认知交互变得更协调，从而促进了学习者的情感投入，弥补了学习中易忽略学习者情感因素方面的不足，激发了学习者的学习兴趣。其二，AR电子书的运用促使教师与学生的角色发生了转变。学生成为了学习的主体，而教师在整个学习过程中是学生的帮助者和促进者，师生的交互变革，使学生由知识的接受者转变为知识的主动吸收者，学生的学习欲望增强。
　　3.加强互动交流，促进学习者多种思维力的提升
　　首先，培养学习者直通思维能力。直通思维能力强调学习者可以以他人的思维为基石进行深层次思考，从而实现学习的小步子跳跃。在用AR电子书进行学习活动时，可以实现学习者之间、学习者与认知工具及认知工具之间的互动交流，其拓宽了“他人”的概念，他人可以是其他学习者，也可以是与学习者交流的认知工具，促进学习者与“他人”的协作，从而促进学习者的直通思维，增强培养学习者的学习力。
　　其次，培养学习者的横向思维。AR电子书在教育中的应用通过知识可视化情境、交流共享等方式在不同程度上均促进了学习者的学习迁移。实现了抽象知识的直观具化，能够有效地让学习者将其与所学知识建立密切联系，有利于学习者对所学知识的理解与概括，从而促进学习正迁移，在此基础上促进高层思考。
　　最后，培养学习者的批判性思维。在AR环境中学习者可以利用PC机、PDA等技术设备，通过各种手段或途径去获取所需信息，并对信息进行分析和加工处理，最终利用信息完成任务，在这一学习过程中进一步提升了学习者的信息素养，培养学习者对所学知识的发现、总结、概括、应用与质疑能力，进而促使其批判性思维的形成。通过智能制品促使学习者在经历过程中逐步积累思维经验以形成智慧，进而达到学习者“知识学习与智慧培养”的有效融合。
　　三、分布式认知理论对AR电子书应用的启示
　　1.设计层面：优化媒体内容、加强流程控制
　　分布式认知理论关注表征状态的传播与转换，指出人的内部认知能力加上外部设备的促进，能够实现认知的最佳理解。AR电子书在为学习者提供学习环境的同时也作为媒体工具承载着对认知对象的表征，若媒体工具设计不合理，必会增加学习者的固加负荷。而认知对象是学习者学习的主体，在设计过程中要突显认知对象。反之，若三维沉浸环境引人入胜而没有突出学习者所学信息则会得不偿失。
　　加强流程控制即加强AR电子书的应用流程控制设计，也就是对各要素之间相互作用的时间、方式、活动等进行合理规划。分布式认知摒弃了以往以个体作为分析单元的思想，强调参与认知活动的各要素间的相互依赖。学习者运用AR电子书进行学习的过程可以理解为学习者与个体、AR情境、工具等系统要素间的交互过程。其流程控制设计至关重要，如：通过对“制品”的流程控制合理安排练习项目、记忆项目与新学项目的数量。只有精细设计流程中的每一小步才能为学习者与系统要素间交互及深层认知提供依托。
　　2.技术层面：掌握应用原则、优化技术支持
　　掌握应用原则即注意技术应用的适时性、适当性和适度性原则，是对“制品”的应用时机进行考量。目前，AR电子书大多用于非正式学习，在课堂教学中应用相对较少。掌握应用原则将为其在课堂教学应用的普及提供契机。没有一种能够适用于所有学科、所有教学的万能模式，同样，也没有一种能支持所有学科、所有教学环节的万能技术。技术只有应用在合适的时机，支持恰当的教学环节、并做到有的放矢才能为教育教学提供支持、为创新提供支撑。
　　学习者运用AR电子书学习过程中，其所提供的学习环境是显性的，可被学习者感知到的。而显性环境是以一系列隐性的技术作为支撑。AR电子书在实践过程中其技术方面仍可进一步优化。如：优化参数以消除虚拟图像噪声，优化算法以加强虚拟物体的平稳性，为更好的“智能制品”提供支持。“教育是一门遗憾的艺术”，只有在不断应用、不断发现问题的过程中，才能不断改进以逐步完善。
　　四、结束语
　　文章结合分布式认知理论，从认知、情境、交互等方面分析了AR电子书在教育领域中通过虚实融合、实时交互、高度沉浸等学习体验增强学习者的认知活动，促进学习者的认知协调以及塑造学习者的认知模式，并由此改变了学习者以往的学习方式，向着便捷、实用、沉浸、体验的方向发展，其在教育领域中的应用前景广泛。但由于AR电子书的教育应用起步较晚，尚存一些问题有待深入探讨，如由于技术的限制，其对学习活动复杂性的支持有待进一步提升；学习过程中若让每位学习者配备一部智能手机或PDA其可行性有待商榷。但相信随着相关技术的进一步发展以及智能终端的普及，技术、价格等问题都将会得到有效解决，届时AR电子书将进一步变革教育教学的模式与方法。
　　参考文献：
　　[1] 周国梅，傅小兰.分布式认知——一种新的认知观点[J].心理科学 进展，2002，（2）：147-153.
　　. Procedia Computer Science， 2013，（25）：123-130.
　　.Interacting with Computers. 2009，21 （1）：95-107.
　　[4] 董子龙，章国锋，邵元龙等.基于汉字标志的增强现实系统[J].中 国图像图形学报，2009，（7）：1463-1468.
　　[5] 蔡苏，宋倩，唐瑶.增强现实学习环境的架构与实践[J].中国电化 教育，2011，（8）：114-119.
　　. Procedia Computer Science， 2013，（25）： 370-374.
　　[7] （美）戴维·乔纳森等编；郑太年等译.学习环境的理论基础[M]. 上海：华东师范大学，2002，9.
　　[8] Billinghurst， M.， Kato， H. Collaborative Augmented Reality [J]. Communications of the ACM， 2002， 45（7）：64-70.
　　[10] Albertina logy Enhanced Learning and Augmented Reality An Application on Multimedia Interactive Books[J]. International Business & Economics Review， vol.1， n.1.