具身認(rèn)知視角下STEM學(xué)科增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)案例述評

錢靜 朱清懿 李楠 胡永斌

摘 要：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)在STEM學(xué)科教學(xué)中已有較為深入的應(yīng)用，并成為技術(shù)變革教育的新趨勢。本研究首先選取了增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)促進(jìn)STEM教學(xué)的國內(nèi)外典型應(yīng)用案例;其次，對這些案例的參與對象、實(shí)驗(yàn)材料、研究過程和研究結(jié)論進(jìn)行實(shí)證分析;最后從具身認(rèn)知的具身性、情境性、生成性等視角，提出以增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)增強(qiáng)STEM教學(xué)的三大建議。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí);STEM教育;具身認(rèn)知

中圖分類號：G4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：2096-0069（2020）03-0021-05

一、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)及其具身認(rèn)知優(yōu)勢

《2017年新媒體聯(lián)盟中國高等教育技術(shù)展望：地平線項(xiàng)目區(qū)域報(bào)告》[1]指出：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）將作為K-12和高等教育發(fā)展中長期所采用的關(guān)鍵技術(shù)。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是指以計(jì)算機(jī)圖形、可視化等技術(shù)為核心，將虛擬的信息與真實(shí)環(huán)境相融合，從而達(dá)到超越現(xiàn)實(shí)的感官體驗(yàn)的數(shù)字化技術(shù)[2]。用戶不僅可以看到真實(shí)世界以及融合于真實(shí)世界之中的虛擬物體，還能夠在真實(shí)場景中與之交互，形成個(gè)人探索空間，引導(dǎo)用戶深入理解概念知識，產(chǎn)生新的構(gòu)思與創(chuàng)意。

技術(shù)的發(fā)展促使認(rèn)知理論發(fā)生變革，人們對認(rèn)知本質(zhì)和教學(xué)過程等進(jìn)行新的探討，對傳統(tǒng)“離身”特征的認(rèn)知理論提出新的思維方式：具身認(rèn)知。具身認(rèn)知理論主張身體的知覺是行為產(chǎn)生的基礎(chǔ)，身體的物理屬性、狀態(tài)及其感知運(yùn)動經(jīng)驗(yàn)會改變認(rèn)知，認(rèn)知是具體的個(gè)體在實(shí)時(shí)的環(huán)境中產(chǎn)生的[3]。即其強(qiáng)調(diào)概念的認(rèn)知形成需依托于學(xué)習(xí)者身體感知體驗(yàn)、環(huán)境作用和群體情感互動等，突出“身體—認(rèn)知—環(huán)境”三位一體的重要性。

在課堂中，創(chuàng)建的學(xué)習(xí)共同體在具身認(rèn)知學(xué)習(xí)環(huán)境下進(jìn)行群體的情感互動，更能加深認(rèn)知體驗(yàn)。因此，將AR技術(shù)應(yīng)用于教育領(lǐng)域存在著巨大潛力，尤其是對STEM教學(xué)，如物理、化學(xué)、生物等學(xué)科，可以創(chuàng)造一種體驗(yàn)與沉浸式的學(xué)習(xí)環(huán)境，快速提高學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣，達(dá)到知識的建構(gòu)，具有強(qiáng)大的啟發(fā)意義。

二、STEM教學(xué)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)典型案例分析

STEM學(xué)科（Science，Technology，Engineering，Mathematics）具備抽象化、微觀化、模型化、空間認(rèn)知以及彰顯實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Φ膶W(xué)科特征[4]，這些特征在實(shí)際應(yīng)用中給教師教學(xué)帶來巨大的挑戰(zhàn)，但AR技術(shù)極強(qiáng)的沉浸性可以彌補(bǔ)現(xiàn)實(shí)模型不精確、認(rèn)知不足等缺陷。為了解AR技術(shù)的應(yīng)用現(xiàn)狀，本研究從Computers & Education和《化學(xué)教學(xué)》期刊中選取了三個(gè)來自國內(nèi)外引用率較高的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)實(shí)證研究案例。

（一）物理AR教學(xué)實(shí)例[5]：電磁學(xué)的基本原理學(xué)習(xí)

該研究的目的是評估在物理基本原理的學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生運(yùn)用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)應(yīng)用程序的狀態(tài)，并探究AR技術(shù)對學(xué)習(xí)者滿意程度和學(xué)習(xí)效果的影響。

1.實(shí)驗(yàn)對象

該研究選取西班牙4所中學(xué)共60名高三學(xué)生作為實(shí)驗(yàn)對象，按照隨機(jī)分配原則進(jìn)行分組。其中，實(shí)驗(yàn)組的32名學(xué)生使用基于AR的應(yīng)用程序進(jìn)行電磁學(xué)基本原理的學(xué)習(xí)，對照組的28名學(xué)生使用基于Web的應(yīng)用程序進(jìn)行學(xué)習(xí)。

2.研究設(shè)計(jì)

（1）程序設(shè)計(jì)

程序設(shè)計(jì)包括兩類。一類是基于AR的應(yīng)用程序，學(xué)生通過平板電腦掃描基準(zhǔn)標(biāo)記（如圖1所示）識別模擬電路的三維模型，且每個(gè)模型的操作都關(guān)聯(lián)著具體的學(xué)習(xí)材料、要解決的問題及一些可以幫助學(xué)生可視化電磁力及探索電路的模擬活動（如圖2所示）。另一類是基于Web的應(yīng)用程序，每個(gè)階段包含著與前者相同的學(xué)習(xí)目標(biāo)和教育內(nèi)容應(yīng)用，主要通過導(dǎo)航超鏈接訪問學(xué)習(xí)材料。

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

研究根據(jù)學(xué)生的測驗(yàn)情況收集電磁學(xué)基本原理的學(xué)習(xí)效果數(shù)據(jù)，使用沉浸體驗(yàn)量表和開放式問卷來收集學(xué)生使用AR應(yīng)用程序輔助學(xué)習(xí)的身心狀態(tài)和情感態(tài)度方面的相關(guān)數(shù)據(jù)。前者用來比較兩組的學(xué)習(xí)效果，后者了解實(shí)驗(yàn)組應(yīng)用程序的情感態(tài)度。研究過程的設(shè)計(jì)如圖3所示。

3.研究結(jié)果

（1）學(xué)生狀態(tài)分析

通過對學(xué)生課堂狀態(tài)的調(diào)研，實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生基本能全身心地投入課堂。他們在學(xué)習(xí)過程中應(yīng)用AR程序從做中學(xué)，將身體與認(rèn)知相結(jié)合，從而深入學(xué)習(xí)，更有利于學(xué)生創(chuàng)造性地生成電磁學(xué)基本原理的規(guī)律，且實(shí)驗(yàn)組的班級整體氛圍相較于對照組更加活躍。

（2）學(xué)習(xí)結(jié)果分析

通過前后測的數(shù)據(jù)對比可以發(fā)現(xiàn)，使用AR應(yīng)用程序的學(xué)生在知識方面的表現(xiàn)以及學(xué)業(yè)成績的提高明顯優(yōu)于使用基于Web應(yīng)用程序的學(xué)生，并且前者在學(xué)習(xí)活動之后更有可能產(chǎn)生積極的情緒，激發(fā)較深的成就學(xué)習(xí)，幫助學(xué)生更好地專注于任務(wù)。

（二）天文AR教學(xué)實(shí)例[6]：太陽系內(nèi)外結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)

該研究旨在探討使用AR技術(shù)開發(fā)的學(xué)習(xí)材料應(yīng)用于天文課程對中學(xué)生成績的影響，以及確定他們對AR應(yīng)用程序的使用狀態(tài)及態(tài)度。

1.實(shí)驗(yàn)對象

該研究選取來自兩所不同公立學(xué)校的100名七年級學(xué)生，并將其隨機(jī)分為實(shí)驗(yàn)組和對照組，其中，實(shí)驗(yàn)組和對照組各50人，實(shí)驗(yàn)組使用AR軟件學(xué)習(xí)“太陽系內(nèi)外”模塊，而對照組則使用教科書和傳統(tǒng)方法完成相同模塊。

2.研究設(shè)計(jì)

（1）研究工具

基于AR的學(xué)習(xí)軟件是由一位擁有計(jì)算機(jī)教育和教學(xué)技術(shù)能力的專家設(shè)計(jì)和開發(fā)的。軟件包括太陽系行星的三維立體圖像、天體重要概念信息和相關(guān)練習(xí)，并附帶活動手冊。其次，記錄課堂語言行為以此來調(diào)查學(xué)生學(xué)習(xí)狀態(tài)，以及設(shè)計(jì)具有效度的“AR活動態(tài)度量表”，確定實(shí)驗(yàn)組對AR應(yīng)用的態(tài)度。

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)研究分為前測、教學(xué)和后測三個(gè)部分，在實(shí)驗(yàn)中保證學(xué)習(xí)內(nèi)容、教學(xué)者等不變，只改變教學(xué)手段這一變量，即實(shí)驗(yàn)組使用AR軟件進(jìn)行教學(xué)，而對照組使用傳統(tǒng)課本教學(xué)。具體實(shí)驗(yàn)過程如圖4所示。

3.研究結(jié)果

研究結(jié)果表明，在使用AR學(xué)習(xí)軟件的課堂中，學(xué)生的學(xué)習(xí)狀態(tài)更佳。實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生比對照組的學(xué)生有更高的成就水平，他們對課程有著更積極的態(tài)度，在使用AR軟件時(shí)也沒有表現(xiàn)出焦慮的跡象，并且學(xué)生們樂意并希望在未來能夠繼續(xù)使用AR應(yīng)用程序進(jìn)行學(xué)習(xí)。

（三）化學(xué)AR教學(xué)實(shí)例[7]：物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)

該研究旨在探究應(yīng)用AR技術(shù)對學(xué)生化學(xué)學(xué)科中物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)知識的學(xué)習(xí)狀態(tài)和學(xué)習(xí)效果的影響。

1.實(shí)驗(yàn)對象

該研究先對學(xué)生物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)知識學(xué)習(xí)情況進(jìn)行前測，再選取江蘇省無錫市某中學(xué)高二前測成績相近的50名學(xué)生，隨機(jī)選擇其中25名分配至實(shí)驗(yàn)組使用AR技術(shù)應(yīng)用程序和常見實(shí)物模型進(jìn)行高中化學(xué)“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”模塊的學(xué)習(xí)，其余為對照組且僅使用實(shí)物模型學(xué)習(xí)。

2.研究設(shè)計(jì)

（1）研究工具

本研究使用的AR軟件由國內(nèi)某公司針對高中化學(xué)選修模塊“物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)”精心設(shè)計(jì)開發(fā)，軟件中包含多種物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)模型，包括各類晶體和分子結(jié)構(gòu)、化學(xué)鍵等。

（2）實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

根據(jù)前測成績分配學(xué)生到實(shí)驗(yàn)組和對照組，并由一位有經(jīng)驗(yàn)的化學(xué)教師對兩組分別教學(xué)。在教學(xué)前，對實(shí)驗(yàn)組的學(xué)生闡述以“金屬晶體”為例的AR應(yīng)用程序的使用方法;正式教學(xué)時(shí)，在不改變教學(xué)目標(biāo)和教學(xué)內(nèi)容的條件下，分兩次授課（教學(xué)設(shè)計(jì)流程如表1所示）;教學(xué)結(jié)束后，兩組進(jìn)行化學(xué)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)知識的后測。

3.研究結(jié)果

根據(jù)研究結(jié)果顯示，AR軟件對學(xué)生物質(zhì)微觀空間結(jié)構(gòu)知識的接受有明顯的促進(jìn)作用。學(xué)生可通過觀察與控制微觀結(jié)構(gòu)模型來判斷自己是否真正掌握模型內(nèi)在結(jié)構(gòu)，從而與虛擬物體進(jìn)行深入交互。在這一過程中，學(xué)生對抽象、微觀的知識內(nèi)容有更深入的了解，促進(jìn)了知識體系建構(gòu)。

三、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)教學(xué)建議

國內(nèi)外典型案例的分析研究都體現(xiàn)了具身認(rèn)知理論的重要特性以及AR技術(shù)的優(yōu)勢。因此，基于具身理論視角，對AR技術(shù)應(yīng)用于STEM教育提出可行建議，實(shí)現(xiàn)AR技術(shù)促進(jìn)STEM教育的高質(zhì)量發(fā)展。

（一）創(chuàng)設(shè)情境課堂，提升環(huán)境交互

具身認(rèn)知理論的情境性主要體現(xiàn)在學(xué)習(xí)者與學(xué)習(xí)環(huán)境中各個(gè)要素交互影響的過程中，即將學(xué)習(xí)者的大腦、身體、環(huán)境作為一個(gè)交互式系統(tǒng)，通過全方位的體驗(yàn)感知，提升學(xué)習(xí)效果。例如，北京師范大學(xué)蔡蘇團(tuán)隊(duì)[8]利用AR技術(shù)在多門課程中創(chuàng)設(shè)了真實(shí)有意義的情境。在化學(xué)課程中創(chuàng)設(shè)微觀粒子的交互式學(xué)習(xí)情境，學(xué)生通過觀察分子模型以及在情境中與水分子進(jìn)行交互，了解水的形成;在地理課程中開發(fā)基于位置的校園導(dǎo)覽系統(tǒng)，創(chuàng)建虛擬的校園情境，讓學(xué)生足不出戶地了解校園概況等。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)與教學(xué)的融合，可以將沉浸理論與情境認(rèn)知學(xué)習(xí)理論作為其實(shí)現(xiàn)的理論基礎(chǔ)[9]。AR以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢，通過搭建各種逼真的模型從而構(gòu)建真實(shí)而生動的情境。其強(qiáng)大的情境性，使學(xué)習(xí)者在學(xué)習(xí)過程中，提升自身專注力，進(jìn)入學(xué)習(xí)沉浸狀態(tài)，自主地與虛擬教學(xué)環(huán)境和教學(xué)任務(wù)進(jìn)行交互，因此在STEM教育中模型的真實(shí)性、互動的質(zhì)量以及STEM教育為學(xué)習(xí)者構(gòu)建的真實(shí)有效的虛擬環(huán)境顯得尤為重要。

（二）擴(kuò)展認(rèn)知途徑，增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)

傳統(tǒng)認(rèn)知理論以身心二元論為主，認(rèn)為學(xué)習(xí)過程是“身”的學(xué)習(xí)與“心”的學(xué)習(xí)的分離，教學(xué)呈現(xiàn)出一種靜態(tài)的過程，教學(xué)內(nèi)容具有片面性，教學(xué)活動單一，師生互動欠缺，學(xué)生發(fā)展也呈現(xiàn)出一種不平衡的狀態(tài)，各方面素質(zhì)無法得到綜合提升。而具身認(rèn)知的具身性特點(diǎn)則強(qiáng)調(diào)身心結(jié)合的學(xué)習(xí)，體現(xiàn)在教學(xué)應(yīng)用的過程中應(yīng)通過多種認(rèn)知途徑與方式相結(jié)合，以學(xué)生為主體進(jìn)行“心—身—物”的互動建構(gòu)，使學(xué)生能夠自主生成經(jīng)驗(yàn)，促進(jìn)學(xué)生德智體美的全面發(fā)展。

如在前文提到的天文課程教學(xué)案例中，教師在設(shè)計(jì)教學(xué)活動時(shí)，根據(jù)教學(xué)目標(biāo)，創(chuàng)建情境，確定豐富多彩的教學(xué)內(nèi)容拓寬學(xué)生的認(rèn)知途徑，課堂在某段時(shí)間內(nèi)使用AR程序，引導(dǎo)學(xué)生活動時(shí)，布置多種多樣的任務(wù)，組織學(xué)習(xí)共同體協(xié)作學(xué)習(xí)，增強(qiáng)學(xué)習(xí)體驗(yàn)，使得學(xué)生在知識、技能、情感等領(lǐng)域中得到發(fā)展。

（三）注重意義生成，重構(gòu)自身認(rèn)知

具身認(rèn)知認(rèn)為學(xué)生在真實(shí)情境中生理體驗(yàn)與心理體驗(yàn)有著強(qiáng)烈的相互作用。具身認(rèn)知的生成性，則是學(xué)生在與環(huán)境相互作用的過程中獲得生理體驗(yàn)從而促進(jìn)心理發(fā)展，在心理發(fā)展的基礎(chǔ)上又進(jìn)一步提升生理體驗(yàn)。

傳統(tǒng)的課堂教學(xué)，主要是以教師為中心進(jìn)行基本知識與基本技能的傳授，教學(xué)方式單一，缺少與學(xué)生的互動，學(xué)生的主體性無法有效發(fā)揮。AR技術(shù)教學(xué)應(yīng)用于STEM教學(xué)，尊重學(xué)生的主體地位，讓學(xué)生自己通過于虛擬環(huán)境的互動，去探索去理解教學(xué)內(nèi)容，在互動中不斷建構(gòu)自己的經(jīng)驗(yàn)，深化對教學(xué)內(nèi)容的認(rèn)知。一個(gè)優(yōu)秀的課堂必須是“預(yù)設(shè)性”與“生成性”的有機(jī)統(tǒng)一。AR技術(shù)在STEM教學(xué)領(lǐng)域中運(yùn)用，應(yīng)在遵循教學(xué)目標(biāo)的方向基礎(chǔ)上，注重學(xué)生的主體地位，在真實(shí)的情境中，鼓勵(lì)學(xué)生探索發(fā)現(xiàn)，促進(jìn)學(xué)生經(jīng)驗(yàn)的生成。如在物理AR教學(xué)中，教師通過引導(dǎo)學(xué)生對電路元素三維模型的操作，以學(xué)生為主體，鼓勵(lì)學(xué)生自主動手探究電路的模擬活動，進(jìn)而掌握電路原理。

四、結(jié)語

國內(nèi)外在基礎(chǔ)教育STEM課程中應(yīng)用AR教學(xué)案例普遍偏少，AR技術(shù)與教學(xué)的融合還處在應(yīng)用初期，但AR技術(shù)為學(xué)習(xí)者提供感官體驗(yàn)，刺激學(xué)生學(xué)習(xí)興趣，提高學(xué)習(xí)效果，推動教育信息化的發(fā)展進(jìn)程，卻是毋庸置疑的。

本研究通過對典型案例的探討，在具身認(rèn)知視角下，從理論的特征出發(fā)，創(chuàng)設(shè)情境、拓展認(rèn)知、促進(jìn)意義生成，為AR技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)提供可行性建議，從而充分發(fā)揮AR的教育價(jià)值，促進(jìn)AR技術(shù)與教學(xué)的深度融合，推進(jìn)教育的高質(zhì)量發(fā)展。

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（責(zé)任編輯 王策）