AR技術支持下的三球運動教學探究

人工智能、大數據分析和虛擬教育是科技改變未來的三個代表領域。增強現實技術（AR）是虛擬教育技術的核心技術之一，這一技術目前已經在教學中得到運用。AR技術是在體驗者能夠看到現實景象的基礎上融入了虛擬現實技術，體驗者所感受到的情景是現實情景在虛擬部分的增強，而不是完全的虛擬，因此這一技術被稱為增強現實技術。AR技術作為當前研究熱點之一的虛擬現實技術的分支，確實能為學生創設出一個科學探究的環境。

在小學科學教學中，太陽、地球、月球三球運動的關系是小學生理解月相變化、四季變化以及日食和月食現象的基礎，認識三球運動關系需要學生的認知能力從二維平面提升到三維立體，并且要適度地建構抽象的空間概念。利用傳統的教具和教學模式，很難讓學生身臨其境地感受到三球運動的關系，而應用AR技術能夠為解決這一問題提供一個思路。下面結合我們團隊的研究，談談AR技術支持下的三球運動的教學。

案例1：《月相變化》

本課的學習目標是學生探討月相變化規律及變化原因，難點是讓學生在模擬月相變化的模擬實驗的基礎上初步認識月相變化的原因。在學習本課前，學生已經了解了太陽、地球、月球的一些基本情況，但對于它們三者的運動關系知之甚少，更談不上如何能自主進行月相變化模擬實驗，所以要借助直觀的材料以及豐富的多媒體演示，給學生足夠的想象空間，幫助他們建構三球運動的概念。

在《月相變化》一課的教學中，利用VR技術與傳統技術相比具有一定的優勢，以下是兩種方法的優缺點分析：

傳統模式

1.顯示效果單一。主要是利用圖片、視頻、flash等方式，因為多為平面效果，不夠直觀、立體。

2.靜態顯示。利用圖片，顯示不出三球的運動效果；利用視頻，雖然能展示運動效果，但是教師只能播放給學生觀看，不能隨意改變三球之間的運動狀態，缺少動態生成。

3.觀察模式單一。多以俯視的角度進行觀察，雖然視頻中也提供月相變化的動態視頻，但畢竟只是視頻，沒有互動，不能隨時切換觀察模式。

利用AR技術教學

1.顯示效果直觀、逼真和立體。通過AR技術在大屏幕上顯示，學生能直觀地看到三球運動的關系（如圖1），三個星體如在眼前，栩栩如生。

2.動態生成。在三球運動的過程中，月球和地球會根據與太陽的位置關系，即時產生一半是亮面一半是暗面（白晝與黑夜）的動態效果，甚至可以通過改變太陽的位置，使得地球和月球的晝夜變化能夠根據太陽位置發生相應改變。演示效果能夠根據教師的意愿自主控制和選擇，不受限制。

3.觀察模式轉換。利用AR技術，不僅能以俯視的效果（上帝模式）觀察到三球運動的關系，還能隨時把觀察模式轉換成以地球為觀察者的第一人稱模式，這樣就能更真實地模擬出地球上的觀察者看到的月相變化。這種模式也可以作為本課模擬實驗結果正確與否的驗證。

通過利用AR技術對三球運動進行栩栩如生的立體展示，學生的探究興趣高漲，他們能夠很快地認識到產生月相變化的一些重要因素：月球不發光，只能反射太陽的光線；月球繞地球轉動，且公轉方向是逆時針的；在宇宙中看到的月球，無論轉到地球的哪個位置，都是朝向太陽的一半是亮面，背向太陽的一半是暗面。這些都是學生在接下來進行模擬實驗時必須知道的一些很重要的因素，有利于他們開展模擬實驗。實驗后，可以用AR技術對月相變化不同觀察角度進行切換，幫助學生對實驗結果進行進一步驗證，達到事半功倍的效果，同時為他們后續學習日食和月食的相關內容打下堅實的基礎。

案例2：《日食和月食》

每次在學習完《月相變化》一課后，總有許多學生提出這樣一個問題：在農歷每月十五的時候，地球處于太陽和月球之間，地球應該剛好擋住了太陽射向月球的光線，為什么我們看到的月相是一個又大又圓的圓盤？這個問題提得非常好，說明學生對三球運動關系有一定的自主思考和理解。

針對這個問題，后續的《日食和月食》一課需要學生做進一步的探究，正確理解日食和月食的形成原因。有一點非常重要，需要學生把日食、月食時的三球位置與初一和十五的月相區分開，簡單地說，就是三個星體在三維空間的高度問題。解決這些問題，利用AR技術有其特有的優勢，分析如下：

傳統模式教學

1.觀察形式和觀察角度比較單一，只能通過視頻、圖片、flash等進行觀察。觀察的時候不能任意切換觀察角度，學生的認知僅僅停留在二維平面。

2.演示效果單一、平面化，不真實。學生感覺學習難度較大，探究興趣不濃，探究的參與度較低。

3.教師課前準備耗時長，多數教具的觀察停留在俯視角度，很少能做到以第一人稱的方式進行觀察。

利用AR技術教學

1.可以切換不同的觀察角度（如圖2）。如可以從側面觀察三球運動，一目了然地看到三球在三維空間的高度不同，使學生更容易理解日食和月食的成因。

2.演示效果直觀、立體、逼真，能夠迅速吸引學生的興趣，激發他們的學習積極性（如圖3）。

3.可以轉換觀察模式。既可以從俯視角度（上帝模式）進行觀察，又可以以站在地球上的角度（第一人稱角度）進行觀察，特別是以第一人稱觀察日食時，學生猶如身臨其境，置身于宇宙當中，能夠更好地感受到月球阻擋太陽的宏觀場面。

案例3：《為什么一年有四季》

四季的成因主要與地球的自轉、公轉以及地軸是傾斜的有關。許多學生對四季的成因有著錯誤的認識，較普遍的一個觀點是地球在圍繞太陽公轉的過程中，離太陽近時是夏季，離太陽遠時是冬季。本節課特別安排了三組對比實驗：

實驗1：陽光直射和斜射的對比實驗。

實驗2：地球公轉時，直射點變化的觀察實驗。

實驗3：地軸是否傾斜與陽光直射點變化的對比實驗。

現基于以上實驗，對利用傳統模式和AR技術進行教學的優缺點進行對比分析：

傳統模式教學

實驗1：利用實物模擬，對光源和地球儀的要求比較高，再加上受到教室光線的影響，光線在地球上所呈現出的直射和斜射效果均不明顯，學生觀察的準確性較低。

實驗2：自己制作教具非常難，就算制作成功，也只能用于演示，而且演示的時候也很難讓全班學生觀察到。如果僅僅是通過圖片或視頻的方式，直射點在地球公轉時的變化過程不能動態地顯示出來，學生在理解上會更加困難。

實驗3：此實驗在實際模擬中比較容易進行，主要是受周圍的光線影響較大。

利用AR技術教學

實驗1：屏幕上能非常清晰地呈現出太陽和地球的立體圖像，而且地球的亮面非常明顯。更重要的是，觀察者不僅能夠看到地球在“真實”地自轉，還能夠控制太陽改變其照射地球的方向，讓學生觀察到斜射和直射的區別。

實驗2：和實驗1一樣（如圖4），在實驗2中，AR技術可以動態生成地球公轉，并且能夠從360度不同角度對地球進行觀察，這樣，當地球轉到近日點和遠日點時，學生能夠清晰地看到地球上的太陽光照射情況，能夠和學生的原有錯誤認知形成較大的沖突，從而使他們形成正確的認識。

實驗3：可以通過改變地軸的傾斜角度，讓學生直觀清晰地看到直射點的變化，有利于全班大范圍地觀察，而且不受光線影響。

通過以上案例分析，我們可以看到AR技術在小學科學教學中的應用優勢：

1.虛實結合的功能。AR技術是增強現實的技術，能夠讓學生感知虛擬的景象，有利于他們完成現實和虛擬的轉換，也能夠將虛擬對象與真實環境相融合，使他們擺脫對所學知識完全虛擬的困惑。

2.動態生成的優勢。利用AR技術學習三球運動，可以將太陽轉動、晝夜變換看得很清楚，讓更多的學生更直接明了地觀察。這種身臨其境的感受，不僅能夠加深學生的記憶，還能夠幫助他們理解所學的知識點。

3.增強了學生學習過程中的自我體驗。如《月相變化》一課，傳統的教學方式中，學生只能模擬在宇宙中俯視觀察三球關系，這樣的觀察角度無法幫助觀察者真正理解月相變化的原因。利用AR技術不僅可以從宇宙的角度觀察到三球的運動關系，還可以通過虛擬技術的幫助，用第一人稱的模式，模擬人們在地球上觀察月相變化的過程，突破了傳統演示的視角局限，幫助學生真正地建構空間概念。

AR技術在小學科學教學中的應用無疑是科技進步的體現，但這一技術在科學教學中的應用仍有非常大的提升空間。如AR技術在教學過程中的應用需要編制相應的軟件，但是目前軟件數量難以滿足教學應用；現有的AR技術教學軟件存在重形式、輕內容的弊病，軟件編輯脫離教學需求；AR技術教學軟硬件設施價位偏高，普及尚有困難。為了更好地將小學科學課堂與AR技術有效結合起來，需要更多的科學教學工作者與軟件開發者緊密合作，逐步研究AR技術與科學課堂的融合途徑，讓其能夠最大限度地發揮功效，從而有效提升科學課的教學水平。

廣東省深圳市螺嶺外國語實驗學校（518001）