摘要：增强现实（AR）技术可为学习者提供虚实融合的学习环境，对学习者的学习体验和知识获取具有潜在的影响。因此该技术被认为是继泛在学习、移动学习之后，人们寄予厚望能够革新传统教育的一项技术。本研究选取了中国知网和Web of Science 两个数据库中增强现实教育应用相关文献，运用 CiteSpace 5.8 R2 软件对这些文献进行发文量分析、关键节点分析和聚类分析，以进一步梳理相关主题和发展热点，从而把握国内外增强现实在教育领域中的研究现状以及发展趋势，以期为我国在该领域的后续研究提供参考。

关键词：增强现实；AR;教育应用；CiteSpace；可视化分析

  增强现实（Augmented Reality），也被称之为混合现实，于1990年由波音公司的员工考德尔首次提出。AR是一种三维自然交互技术，可实现将真实世界的信息和虚拟世界内容综合在一起。该技术通过在现实世界中的实体上动态叠加一些相关位置和虚拟信息，且此过程中能够被人类感官所感知，从而实现使人们能感受到超越现实的感官体验。由于AR技术的颠覆性以及革命性，AR获得了各领域研究人员的大量关注，随着AR技术的成熟，该技术越来越多的被用于各行各业。

  在2016年的《地平线报告（高等教育版）》中，AR技术被预测为2~3年内采用的中期技术。但在接下来的三年中，AR技术不但没有蓬勃发展，反而被更为尖端的混合现实技术所替代。这使得AR在教育领域中的应用研究出现了断层。然而，在2021年7月5日，工信部印发了《5G应用“扬帆”行动计划（2021-2023年）》，以下简称“计划”。该计划中明确提出要加快5G教学终端设备及AR/VR教学数字内容的研发，结合AR/VR、全息投影等技术实现场景化交互教学，打造沉浸式课堂[1]。该计划表明，增强现实技术在教育领域中具有巨大的潜在应用价值。基于此，本研究聚焦于国内外“增强现实教育应用”研究热点、关键词聚类分析等，通过可视化分析软件Cite Space 5.8 R2绘制增强现实教育应用的知识图谱，以进一步梳理相关主题关键词和发展热点，从而把握国内外增强现实在教育领域中的研究现状以及发展趋势，以期为我国在该领域的后续研究提供参考。

1.数据来源

  本研究中的中文文献以“中国知网”（CNKI中国学术期刊全文数据库）为数据来源。笔者于2021年12月9日在中国知网（CNKI）数据库中，进行“高级检索”，点击“学术期刊”。以“增强现实（AR）”为主题词，将“增强现实（AR）教育应用”相关主题词设定为“增强现实（AR）+(教育、教学、学习、教师、学生、学校、图书馆、资源、课程)”做进一步检索，限定文献发表时间为2010年1月1日~2021年12月30日，选择SCI、北大核心、CSSCI三大数据库；选择点击“中文文献”进行精确匹配。检索到文献227篇，去除不相关的文献，得到有效文献181篇。本研究中的外文文献以Web of Science核心合集数据库为文献样本来源。笔者于2021年11月29日在该数据库中使用“高级检索”功能，进行反复检索，得到最优检索式为：TS=(Augmented Reality* ) AND TS = (Teach* OR  Education*  OR  Learn*  OR  classroom*  OR  School* ) AND 语种：(English) AND 文献类型：(Review) AND (Article)，时间跨度为自定义为2010-2021年，得到文献1729篇（其中Review 243篇，Article 1486篇）。通过筛选得到符合要求的文献471篇。故本研究最终选取中文文献181篇，外文文献471篇为文献样本进行可视化分析。

2.研究步骤

  本研究首先对国内外论文发文量进行分析，然后对相关文献进行可视化分析。可视化分析包括发文量分析、关键节点分析和聚类分析。具体操作过程如下：先将选取的核心期刊论文数据导入到cite space软件中并使用该软件自带的数据格式转换器对论文进行格式转换（外文文献不需要进行转换）。然后新建项目并设置Cite Space相关参数，如时间范围、分析节点类型和分析数据的阈值等。最后点击GO进行运行，得到相关知识图谱。本研究利用高频关键词共现图谱进行热点分析；利用突现关键词时间区域图谱进行前沿分析；利用关键词聚类分析图谱进行聚类分析。

1.发文量分析

  发文量分析有助于我们了解国内外研究者在增强现实教育应用领域研究的整体情况。如图1所示为2010年~2021年之间国内外增强现实教育应用相关论文发文量。从图1可以看出，2010年至2016年之间，我国在增强现实教育应用领域的发文量要略少于国外，2017年我国发文量略多于国外，而在2018年之后，我国的发文量远落后于国外的发文量。从2018年以后的发文量趋势上来看，国外在增强现实教育应用领域的发文量呈快速上升趋势，而国内在2019年之后呈减少趋势。所以近两年国内和国外发文量差距越来越大。特别是在2021年，国外发文量已经多达国内发文量的7倍。从发文量总体趋势上来看，国外近几年对AR技术在教育领域中的应用研究不断深入，而国内近两年来在增强现实教育应用的研究投入的精力较少。

图1 国内外增强现实教育应用相关论文的年发文量（核心期刊）

2.关键节点分析

 （1）热点分析

  热点分析有助于我们了解增强现实技术在教育领域应用的研究重点。关键词被认为是论文研究主题的高质量浓缩，因此，一般认为出现频次较高的关键词是相关领域的研究热点。从Web of Science核心合集数据库中选取文献，运行Cite Space软件进行关键词分析，得到国外增强现实教育应用高频关键词共现图谱（见图2右）同理，从中国知网核心期刊选取相关文献，将文献导入到Cite Space软件进行分析得到国内增强现实教育应用高频关键词共现图谱（见图2左）。图2显示，国外关键词共现图谱中共有节点391个，连线1806条，网络密度为0.0237；国内共有节点224个，连线389条，网络整体密度为0.0156。可以看出关键词共现网络结构较分散，密度不高。根据后台相关数据，导出国内外关键词的共现频次和中心性的相关指标（见表1）。

  在关键词共现图谱中颜色越深的圆形节点代表该关键词出现频次越高，也代表该关键词所指示的问题是本领域的研究热点。通过图2的关键词共现可以看出，国内和国外颜色最深的圆形节点都是增强现实和虚拟现实。显然，这是该研究领域出现频次最高两个关键词，这说明国内和国外在研究增强现实教育应用的同时也在研究虚拟现实在教育领域中的应用。关键词出现频次越高，其中心性越高，代表该关键词在该领域愈重要。如表1所示，国外研究文献中出现频次较高的关键词有“education”、“system”、“technology”等等，而国内则是“图书馆”、“教育应用”、“教育游戏”等等。通过对比可以发现，国外增强现实教育应用研究主要教学系统设计开发与应用为主，而国内在这方面的研究主要聚焦于AR在图书馆等具体场景中的开发和应用以及将AR技术与实际教学相结合。

图2 国内外增强现实教育应用高频关键词共现图谱

表1  国内外相关文献关键词共现频次、中心度及年份（部分）

 （2）前沿分析 

  前沿分析有助于我们更清晰的了解国内外增强现实教育应用发展潜力的研究方向和趋势。而关键词时序图在一定程度反映相关领域在某个时间点的研究前沿和趋势。通过设置相关参数并运行Cite Space进行突现关键词分析。其中国外时间切片设置为2年，国内设置为1年，得到图3和图4国内外增强现实教育应用关键词时序图。

  如图3所示，此图谱直观的展示了国外增强现实教育应用文献关键词突现时间，本研究大致分三个时间段对国外研究历程进行分析。从图谱中可以看出“augmented reality”、“design”、“virtual reality”、“education”、“technology”等是2010-2013年的研究热点，可以发现这段时间主要聚焦于技术而且在教育中的应用方面的研究比较宽泛；2014-2018年出现了“system”、“environment”、“mixed reality”等关键词，可以看出这几年则主要研究增强现实相关技术以及探究其在实际教育教学中的使用；而从近两年出现的“undergraduate education”、“leaning outcome”等关键词，不难发现国外的研究开始关注增强现实技术在具体学段的应用以及学生学习的输出等方面的研究。

  国内文献关键词突现时间如图4所示，同样大致分三个时间段对国内研究历程进行分析。从图中可以看到，“学习环境”、“教育游戏”、“图书馆”等关键词出现在2010-2013年之间，表明国内很早就开始探索AR技术辅助教学以及该技术在具体场景中的使用；在2014-2018年之间，出现了“职业教育”、“MR”、“工程图学”等关键词，体现了这几年国内在AR技术教育应用的研究逐渐细化到具体的学科领域，并且在研究的过程中出现了新的技术混合现实。从近两年出现的“学习效果”、“人机交互”等关键词，可以发现国内和国外一样开始关注AR技术对学生的学习效果的影响。

  从对国内和国外文献关键词突现时间的分析来看，国内外在增强现实教育应用研究方向逐渐趋于一致性，都聚焦于学习的产出以及探究将AR技术与教育教学相融合。想必在未来几年的研究中，这两个方向依然会成为AR技术教育应用研究的重要议题和发展方向。

图3 国外增强现实教育应用关键词时序图

图4 国内增强现实教育应用关键词时序图

3.聚类分析

  对关键词网络进行聚类分析，可以清晰的呈现相关领域研究方向的分类情况。在关键词共现知识图谱的基础上，点击Clusters（聚类）选项，对关键词网络进行聚类分析。通过采用对数似然比（LLR）算法对国内关键词共现进行聚类分析，共得到得到7个主要聚类（见图5左）。观察这7个聚类主要内容将其总结为技术类、场景类和应用类三大类研究内容。

  第一类为技术类，包括4个聚类，#0增强现实聚类、#1ar聚类、#2虚拟现实聚类和#3AR技术聚类，这几个聚类下提取的特征词有教育应用、教学演示、学习情境、智慧课堂和职业教育等。增强现实技术可实现将现实世界与虚拟世界相结合，对教学情境设计以及打造虚实融合的智慧课堂提供了技术支撑。AR技术可实现将抽象的学习内容可视化、形象化且支持泛在环境下的情境式学习。沉浸式的学习环境能提升学习者的存在感、直觉和专注度。基于AR技术的虚拟学习环境能使学习者在学习过程中使用自然方式与学习对象进行交互，从而有效的将传统学习与新型学习相结合。胡智标等^[2]认为，AR技术在教育中的应用能够创设智慧学习环境、革新教育模式、拓展学习空间，提供沉浸式学习环境、实现情景化学习。

  第二类是场景类，包含1个聚类，#4图书馆。该聚类下有智能手机、虚实结合、图书检索等关键词。基于AR技术的图书馆可实现为读者提供一站式包括比如查询、借阅、参考咨询等在内的一系列可视化的、实时交互的立体服务。另外通过AR技术，将文献与数据库中的图像、音频、视频等进行有效叠加，使读者可以沉浸于文献中描述的虚拟与现实相融合叠加的3D场景，让读者仿佛置身于真正的现实里，加深读者阅读体验。

  第三类为应用类，共有2个聚类，#5号和#6号聚类。这两个聚类的关键词有教育游戏、教学系统、移动学习、沉浸感、具身认知、工程图学等等。增强现实技术的教育应用涵盖着课堂学习（学科分类）和课外非正式学习，目前的教育中已经有了不少实践，并初步形成了基于角色扮演、基于位置和基于任务的三类增强现实学习环境教学模式。汪存友等^[3]对已有的增强现实教育产品进行研究，将其分为了AR阅读、教学演示、动作指引和教育游戏与开发工具五大类。王德宇等^[4]认为，AR技术的实时交互特性使得它可以作为教学工具，而新颖性又使得它可以作为教学内容，因此，应用AR技术能够改善教学过程。

  笔者通过采用对数似然比（LLR）算法对国外文献进行聚类分析后，得到10个主要关键词聚类（见图5右）。根据聚类内容可以将其归为三类研究内容。第一类研究内容围绕医学领域展开讨论，包括#4自闭症和#9解剖学教学技术两个聚类。增强现实技术在医学教育领域可以发挥独特的作用，利用AR技术，可以帮助医学学生建立对人体系统的立体动态概念，形象的观察内部活动以及进行模拟手术实践等。第二类研究内容则是围绕将增强现实作为教育教学中一种媒体而展开的研究，包括#2号、#5号和#6号聚类。AR技术简单易操作，能够帮助学习者集中注意力，因此，AR技术被认为是一种更好的寓教于乐的娱教技术。基于增强现实的教育应用产品具有以图像识别为主的跟踪技术、触屏交互技术。AR技术作为教育媒体中的一类，可实现教育媒体功能多样化、平台移动化、小型化、可达性与普及度提高等新特点。第三类主要聚焦于AR技术在教育教学中的作用和对教学产生的效果。包括#3形象化、#7技术接受、#0科学、#8教育中的增强现实和#1深度学习5个聚类。增强现实技术对学生的学习具有积极的影响，学生在基于增强现实的学习环境中，注意力和满意度的动机因素比在基于幻灯片的学习环境中获得的动机因素得分更高。

图5 国内外增强现实教育应用关键词聚类图谱

1.结论

  首先从年度发文情况来看，无论是文章发文量还是发文速度，国内都远落后于国外。并且从趋势上国外今后在增强现实教育应用方面的发文量很有可能进一步大幅度增长，而国内则较为平缓，即发文量增加和减少趋势波动较小。其次，在研究热点上，国外增强现实教育应用研究聚焦于教学系统设计开发与应用为主，而国内在这方面的研究主要探讨AR技术在图书馆等具体场景中的开发和应用，这也体现了国内外在AR技术应用于教育研究中不同的侧重领域。当然，国内和国外也有交叉的研究方向，如探讨如何更好地将AR技术与具体学科教学相融合以及探究AR技术在医学教学和其他培训领域的应用等。最后，就研究趋势而言，国内外AR技术在教育领域中的应用研究更为广泛且聚焦点更为细化。结合关键词突现时序图可以看出国内外在增强现实教育应用领域的研究会逐渐聚焦于学习的产出以及探究更有效的将AR技术与教育教学相融合。想必在未来几年的研究中，这两个方向依然会成为AR技术教育应用研究的重要议题和发展方向。

2.启示

  （1）加强交流合作，全方位提升研究水平

  目前，国外在该领域的研究水平占先手优势。接下来，我国该领域的研究人员应该立足于我国国情，加强与国外学者交流，互利共赢，共同进步。以进一步提升我国在该领域的学术研究地位。近几年，我国多所高校已经建立了增强现实教学实验室，并对该技术如何更有效应用于教学进行积极的探索和试验。因此，除了进行国际交流外，国内各个机构之间更需要加强交流与合作。相互启发，汲取好的建设和使用经验，提升总体研究水平。

  （2）促进多学科领域融合

  当前很多 AR 系统主要是教授科学、工程、数学和医学等等，其实 AR 的潜力可以拓展到更深的领域，比如，有特殊需求的学生、终身的学习者。虽然国外有学者将增强现实技术用于训练自闭症儿童的精细动作和认知能力，并且取得了比较好的效果。但在这方面的研究尚处于起步阶段，要做进一步深度研究，还需要很长一段时间的努力。当然，AR技术语言教学方面也具有很大的应用潜能。魏小东等人通过分析 AR 技术进行语言教学的相关文献，发现在交互中包含丰富的多感官信息，它们可以隐性地来支持学习者的语言学习。在学习语言时，隐性学习不受年龄和智力的影响，同时也具有抗干扰性，所以在学习语言具体内容时，隐性学习的效果最好^[5]。

  （3）推进AR教育游戏设计与开发

  教育游戏是一种有效促进学习者自身发展与学习体验的方式,而增强现实技术正以颠覆传统之势融入其中,赋予教育游戏新的发展潜力和应用前景。基于增强现实技术的教育游戏具有激发学习兴趣、强化互动参与、提升学习效率、提供沉浸的学习环境以及泛在学习条件的特征^[6]。叶强等设计并实施了传统平衡练习教学和增强现实体育游戏教学对比实验。研究结果表明增强现实体育游戏实现了儿童有效安全的身体活动,促进了儿童运动能力的深入发展,丰富了教学方法,改善了师生关系,增强了儿童体育活动课程的教学效果,是一种有效的替代性体育教学方法^[7]。

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