《Proceedings of the Design Society》：Mobile vs. head-mounted AR for learning additive manufacturing and supporting design creativity
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本研究探讨了不同增强现实（AR）平台如何支持增材制造（AM）教育中的学习与创造力。设计专业学生使用基于智能手机或头戴式设备的AR应用程序探索虚拟AM模型，随后完成一项设计任务和问卷调查。专家评审和曼-惠特尼U检验表明，头戴式AR用户报告了更高的可用性、更好的A
本研究探讨了不同增强现实（AR）平台如何支持增材制造（AM）教育中的学习与创造力。设计专业学生使用基于智能手机或头戴式设备的AR应用程序探索虚拟AM模型，随后完成一项设计任务和问卷调查。专家评审和曼-惠特尼U检验表明，头戴式AR用户报告了更高的可用性、更好的AM理解，并产生了更具创造性的设计方案。研究结果凸显了沉浸式AR在提升技术理解和创造性表现方面的教育价值。
### **基于增强现实平台的增材制造教育：对学习效果与设计创造力的影响研究**
#### **一、 研究背景与问题提出**
增材制造（AM），俗称3D打印，是一种通过逐层累加材料来制造物体的技术，与传统减材制造方法形成鲜明对比。凭借其支持大规模定制、减少材料浪费和实现复杂几何形状的能力，AM在航空航天、汽车、医疗和消费品等行业得到了广泛应用。然而，对于设计专业学生而言，AM在概念上仍然较为抽象且难以掌握。其与传统制造方式的差异不仅要求技术知识，还要求空间推理能力和对数字制造原理的直观把握。这些挑战凸显了需要能够弥合抽象技术内容与学习者理解之间鸿沟的教学策略。类似的问题也存在于更广泛的面向制造与装配的设计（DfMA）领域，设计师必须在早期设计中考虑可制造性和装配约束。
与此同时，增强现实（AR）技术将虚拟内容叠加到物理环境中，在科学、技术、工程和数学（STEM）教育领域日益受到关注。将沉浸式技术融入教育为促进更深层次的参与和体验式学习提供了有前景的机会。先前研究表明，AR通过提供交互式、可视化的学习体验，可以增强概念理解、参与度和学习动机。因此，AR具有支持AM教育的潜力。
尽管现有研究已表明AR能够增强概念理解和学习者动机，但关于不同AR平台（如智能手机和头戴式显示器）在有效性方面的差异研究尚显不足。此外，很少有研究探讨沉浸式AR环境如何融入以设计思维为导向的教育任务中，这类任务强调知识在现实情境中的创造性应用。这一研究空白对于AM教育尤为重要，因为其目标不仅是知识获取，还包括基于技术理解的创造性设计应用。
#### **二、 研究概述与意义**
为了填补上述空白，本研究旨在探究AR平台差异如何影响学生在基于设计的教育任务中的学习体验、AM理解以及创造性应用。研究人员在《Proceedings of the Design Society》上发表的这项研究中，进行了一项对照实验。设计专业学生被随机分配到基于智能手机或基于头戴式设备的AR条件下。参与者探索虚拟AM模型，随后完成一项受其学习启发的概念设计任务。通过问卷调查和专家对其设计作品的评估来衡量参与者的学习成果。本研究的主要目标是比较两种AR平台（基于智能手机与基于头戴式设备）在支持AM相关任务中的学习和设计应用方面的效果。研究以面向增材制造的设计（DfAM）作为要求同时考虑几何约束和创造性应用的典型案例。
本研究的贡献在于：填补了关于不同AR平台如何影响AM教育中概念理解和创造力的文献空白；引入并验证了一款基于AR的教育工具，该工具通过交互式3D模型可视化AM原理，实现了更直观、更具吸引力的学习；证明了将沉浸式AR与设计任务相结合，不仅能支持概念理解，还能支持创造性应用的有效性，为STEM学习和产品设计教育的课程设计提供了实践启示。
#### **三、 关键技术方法**
本研究采用对照比较实验设计。参与者为来自法国国立工艺学院（ENSAM）的16名设计专业学生，他们具备AM基础知识但无AR应用经验，被随机分为智能手机AR组和头戴式AR组。研究人员为两个平台开发了功能等效的AR应用程序，核心内容是基于Lang等人提出的14个虚拟立方体模型，每个模型代表一个特定的AM机会（如晶格结构、内部通道、拓扑优化和集成装配）。这些立方体通过可操作的3D可视化展示抽象AM原理。智能手机应用通过触摸屏交互，而头戴式应用（基于Meta Quest 3）通过手势追踪实现沉浸式交互。实验流程包括系统介绍、模型探索、设计任务（构思利用AM机会的厨房用具）和问卷调查。学习成果通过改编的问卷（评估交互性、系统质量、信息性、真实感、沉浸感、有用性及AM感知）和专家对设计方案的创造力评估（新颖性和质量两个维度）进行测量，数据分析采用曼-惠特尼U检验。
#### **四、 研究结果**
**4.1 问卷测量结果：平台感知差异**
与智能手机应用相比，头戴式（Quest 3）版本在多个维度上获得了显著更高的评分。具体而言，在**产品信息性**、**现实一致性**、**沉浸感**、**媒体有用性**和**对AM的感知**方面，头戴式组均表现出显著优势。这些结果表明，沉浸式头戴环境为理解AM模型的几何、结构和功能提供了更丰富、更可靠的线索，从而在交互过程中培养了更强的真实感和参与感。媒体有用性和AM感知方面的更高评分进一步表明，头戴式平台被视为更有效的学习工具，并与参与者自我报告的更高AM理解水平相关。
相比之下，在**交互性**、**系统质量**、**立方体喜好度**或**重用意愿**方面，未观察到统计学上的显著差异。这表明两个平台在系统响应性、可用性和总体吸引力方面提供了可比的水平，并且学生对于在未来学习场景中重复使用任一工具持同等开放态度。
**4.2 专家评估结果：设计创造力差异**
对设计输出的专家评估显示，在所有八个创造力维度上均存在显著差异。与智能手机条件相比，头戴式（Quest 3）条件在**原创性**和**范式相关性**上 consistently 获得更高分数，表明参与者产生了更具创新性且更不同于常规解决方案的想法。同样，在**可接受性**和**可实施性**方面的评分表明，头戴式组的设计被认为在现实约束下更具可行性。头戴式组在**适用性**和**有效性**方面也获得了显著更高的评分，表明其想法与设计目标的一致性更强。最后，头戴式条件在**完整性**和**含义明确性**方面优于智能手机条件，反映了所提出解决方案具有更高程度的细节和清晰度。
总之，这些发现表明，头戴式（Quest 3）应用不仅催生了更具原创性和非常规性的想法，还产生了更切实可行且结构更完善的设计成果。在所有维度上的一致优势表明，头戴式环境的沉浸式特性（如增强的空间可视化和持续的参与感）可能使参与者能够更有效地将AM原理整合到他们的创造性工作中。
#### **五、 讨论与结论**
**5.1 讨论**
本研究为AR在支持AM概念理解和创造性设计产出生成方面的价值提供了实证证据。通过系统比较基于智能手机和基于头戴式设备的AR，研究结果表明，头戴式条件在用户对信息性、一致性、沉浸感和有用性的感知，以及专家对设计成果创造力的评估方面， consistently 获得了更高的评价。
然而，本研究也存在一些局限性。样本量有限，未来工作需要更大样本进行补充验证。未收集使用遥测数据，未来应纳入以补充问卷测量。此外，由于沉浸感和交互方式与平台本身存在共变，在当前实验设计中，AM任务特异性效应无法与一般媒介效应完全分离。学习成果主要通过自我报告评估，因此关于AM学习的结论被框定为感知理解的改善。未来工作应纳入客观学习检查（如小测验、前/后测或迁移任务）以验证这些效应。
**5.2 研究结论与未来展望**
**研究结论：** 在头戴式条件下生成的设计被评为更具原创性、可行性和完整性，这表明更高水平的沉浸感可以支持设计过程中发散性和收敛性两个方面。这些结果有助于不断增长的研究体系，证明AR技术在弥合抽象技术原理与其在设计导向任务中的应用之间的差距方面具有潜力。
**未来展望：** 一个关键视角涉及AR系统中嵌入的AM模型的范围。当前工作采用了为教育探索量身定制的简化模型，这对于评估跨AR模式的基线差异被证明是有效的。然而，此类模型无法完全代表专业环境中遇到的AM实践的广度。因此，未来研究应寻求纳入更广泛的真实AM案例，包括功能复杂的零件、多材料结构和面向行业的原型。这样做将提高基于AR干预的生态效度，并允许学习者和设计师更直接地应对现实世界AM特有的技术、功能和情境挑战。
扩展AM模型库对教育和实践都具有重要影响。对于学习者而言，接触真实且受功能约束的AM案例可能增强概念理解向应用问题解决的迁移。对于专业设计师而言，在AR中与更复杂的AM工件交互可以支持对想法进行更严格的评估，从而加强创意探索与实际实施之间的一致性。通过这种方式，AR有潜力从教学工具演变为一个将有意义的AM知识整合到设计实践中的平台。
总之，研究结果强调了AR，特别是基于头戴式设备的AR，在丰富AM相关任务中的理解和培养创造力方面的能力。同时，它们指出了未来工作需要将AR应用建立在真实的AM场景中，从而加强其在教育和工业环境中的相关性和影响力。
