引言
随着虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术变得越来越普及，它们正成为工业培训中具有变革性的工具，提供安全、沉浸式和互动的学习体验，超越了传统方法的能力[1]、[2]。研究表明，AR和VR能够有效提高参与度、支持探索性学习，并改善复杂任务中的概念理解。然而，这些技术在工作负荷、可用性和学习成果方面的差异对于制定最佳培训策略至关重要，但这些差异仍大多未被充分研究[3]、[4]。这在工业培训中尤为重要，尤其是在装配、维护或检查等程序性任务中[5]、[6]。基于作者之前的研究[7]，本文旨在探讨完全沉浸式VR培训和在职AR培训对同一工业任务中技能获取的影响，包括单独使用以及在不同顺序下使用（即AR→VR vs VR→AR）。作者为真实冷喷涂增材制造任务开发了新的AR和VR应用程序，在实验室环境中比较和对比了这两种技术的优势。我们通过各种指标和具体任务评估了每种技术适合技能获取的程度，以及暴露顺序对培训结果的影响。为了解决这些问题，我们进行了一个涉及20名参与者的两阶段用户研究。在受控环境中比较每种技术对同一应用的学习成果至关重要，以了解它们在优势和对学习影响方面的显著差异[8]。鉴于AR和VR可以互补并共同使用，本文采用混合方法研究来比较这两种技术提供的学习体验。由于AR提供了更结构化的在职培训，而VR则实现了更安全的、更灵活的探索，因此提出了一个相对较少被理解的问题[7]、[9]：接受AR和VR培训系统的顺序如何影响知识和技能的获取？这种方法在某种程度上类似于K-12和高等教育中的翻转学习概念[10]——一种通过在线媒体（例如VR）在课前传递教学内容的方法，使课堂时间能够专注于积极的、动手的学习（例如在AR的引导下）。在我们的案例中，AR→VR和VR→AR的处理方式分别类似于传统的和翻转学习方法（见图1）。鉴于这些技术在工业培训中的采用速度迅速，本文旨在了解如何有效利用它们来最大化学习成果[11]，具体方法包括：(a) 识别将AR和VR作为复杂心理运动任务学习工具的使用模式；(b) 理解接受AR和VR系统顺序对最佳学习体验和成果的影响。本文解决了AR/VR整合的挑战，重点是需要制定能够利用每种技术独特优势的定制培训方法。通过利用AR的情境指导和VR的空间模拟，目标是找到能够提高工业培训效果的方法，同时解决可用性、工作负荷管理和学习成果差距的问题[7]、[8]。先前的研究已经确定AR和VR各自支持工业心理运动学习的不同方面，但尚未明确这些模式应该如何排序或组合以获得最大收益[7]。基于这些发现，本文提出了以下研究问题：
先进行AR培训与先进行VR培训在塑造学习和表现轨迹方面有何不同？
结合这两种模式能否带来协同学习效果，还是会导致冗余？
本文的贡献包括：
- • 研究在真实冷喷涂增材制造应用场景中协同开发的AR和VR应用程序的优势，使用任务完成时间、错误率、知识评估、工作负荷、感知信心和有效性等定量和定性指标。
- • 识别个体参与者在关键领域的模式，这些模式在汇总数据中未能显现出来。
- • 分析不同类型的错误，超越简单的错误计数，对与任务执行相关的错误性质以及参与者获得的知识进行分类。
本文的主要发现强调了在选择适当的XR模式之前，区分工业培训任务的空间学习和程序学习目标的重要性。尽管本研究中的AR和VR应用程序遵循相同的逐步程序，但它们以两种不同的方式实现这一程序：VR在设备的虚拟副本上提供该程序，而AR则直接在物理设备上提供。我们的结果表明，AR和VR实施的有效性不仅取决于模式本身，还取决于体验它们的顺序。在某些情况下，仅一次接触AR或VR就足以达到学习成果。然而，对于结合宏观空间推理和微观程序执行的混合工业任务，我们发现VR→AR顺序带来的好处最大，即学习者首先在VR中的设备外模拟中练习程序，然后在AR的引导下在真实设备上执行（见表1、表10）。这种“先空间推理、再程序执行”的顺序减少了感知的工作负荷，增强了空间记忆，并支持更高效的现实世界执行，相比从物理设备开始再回到VR中执行更为有效（见图1）。这种模式与分阶段模拟和培训迁移模型一致，即学习者首先在低风险模拟环境中建立心理模型，然后再在更高保真度的真实世界培训和学习环境中进行实践。
相关研究
相关工作
大量研究表明，AR和VR应用程序在工业和教育领域都有潜力提高培训效果。传统培训方法往往在参与度和可扩展性方面存在困难[12]。AR和VR通过提供沉浸式、可重复和有效的学习体验，提供了创新的解决方案。本研究建立在先前文献中的基础工作之上。
材料与方法
在本节中，我们首先介绍了作者为冷喷涂增材制造的实际培训应用开发的集成AR/VR培训系统。然后，我们使用该培训系统作为案例，研究了AR和VR独立使用及在不同顺序下使用的独特和协同优势。
结果
本节展示了我们用户研究的发现。分析基于20名参与者中的19名，因为这些个体的数据集是完整的，确保了评估前一节中引入的性能指标的一致性。在统计测试之前，我们使用Shapiro–Wilk检验[56]检查了数据的正态性。一些变量，特别是在主观工作负荷和可用性指标中，表现出偏离正态性的情况。
讨论
本研究的目的是探索在顺序培训框架中使用VR和AR的有效性，通过任务完成速度、知识保留（空间和程序）、工作负荷管理和参与者信心来衡量。先前的研究表明，AR和VR在工业培训中具有独特优势，如提高参与度、提供沉浸式环境以及提高复杂任务的准确性和效率[5]、[8]、[13]。然而，
结论
本研究的结果强调了VR和AR在工业培训中的重要性，揭示了任务表现、工作负荷、信心以及不同暴露顺序下培训效果之间的显著相关性。虽然先前的研究已经承认了AR和VR的独立优势，但仍然存在一个重要问题，即这两种技术如何在顺序使用时互补。此外，
作者贡献声明
Varun Phadke：撰写——初稿、可视化、验证、正式分析、数据整理。Casper Harteveld：撰写——审阅与编辑、监督、项目管理、方法论、资金获取。Kemi Jona：撰写——审阅与编辑、监督、方法论、调查、资金获取、概念化。Mohsen Moghaddam：撰写——审阅与编辑、监督、软件、资源、项目管理、方法论、调查、资金获取，
利益冲突声明
作者声明以下可能被视为潜在利益冲突的财务利益/个人关系：Mohsen Moghaddam报告称获得了东北大学的财务支持。Mohsen Moghaddam与国家科学基金会存在关系，包括资金资助。
致谢
本材料基于美国国家科学基金会的资助（RITEL #2302838）。本材料中表达的任何观点、发现或结论仅代表作者本人，并不反映国家科学基金会的观点。
