AR技術支持下的小學科學沉浸式學習

增強現實 （ Augmented Reality，簡稱AR），即通過計算機圖形學和視覺技術，將虛擬的信息應用到真實世界，使真實的環境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個空間或畫面，AR技術具有沉浸性、交互性、想象性的特點^[1]。教師可借助AR技術彌補小學科學教學短板，將科學世界中那些抽象的概念或者復雜的空間結構形象地展現在眼前，通過形、聲、色等多種感官刺激，為以形象思維為主的小學生創設沉浸式的教學環境，提升他們在學習中的專注度、存在感、參與感，更好地培養他們的邏輯思維能力、自主探究能力、洞察能力、實踐能力。

一、AR技術與科學教學結合的優勢

優化小學科學課堂教學關鍵是將抽象問題具體化、可視化。AR技術的應用使抽象變具體，使虛擬變真實，讓原本只能想象的事物變得可觀察、可操作，使之可視化并具有交互性。將AR技術融入科學教學具有如下優勢。

（一）使課堂教學更有趣

教師應用AR技術可創設生動直觀的情境，讓學生有身臨其境的感覺，獲得最直觀的學習體驗。借助AR技術創造的直觀情境引導學生觀察與探索，使課堂教學更生動、有趣，從而激發學生學習的積極性。例如，教師利用AR技術，讓學生穿越到侏羅紀時代與恐龍進行“真實”交互，充分滿足學生好奇心。

（二）使現象呈現更生動

科學課堂上學生需要經歷科學實踐的過程，但有些現象或結構在課堂上肉眼無法觀察，如地球的結構、火山、地震、細胞等。有些知識比較抽象，如電流等，教師需要通過示意圖、模擬實驗等幫助學生理解。但通過這些傳統方式，學生觀察依然不夠直觀，不好理解或感覺枯燥無味。教師借助AR技術使得抽象枯燥的知識變得栩栩如生，為學生提供了沉浸式自主深入探究的機會。

（三）使學生理解更深刻

在科學課程教學中，教師將AR技術應用于生命科學、地球宇宙、技術工程、物質科學等領域，構建智能型交互課堂系統，為教學帶來了生機與躍升，也讓學生對相關知識的理解更加深刻。例如，執教太陽系八大行星內容時，教師用AR技術創設令人身臨其境一樣的宇宙空間，讓行星近在眼前。教師創設沉浸式的學習環境，讓學生對八大行星的關系及太陽系構成有更深刻的認識。

（四）使科學探究更自由

教師應用AR技術不僅為學生營造了虛擬與真實相融合的學習環境，而且讓學生成為這個環境中的主角。例如，學生可以直接操作虛擬的實驗器材，這種操作接近真實的實驗探究。對于危險性較高的實驗，應用AR技術進行操作可以保證學生安全，使學生對科學的探究更深入。AR技術支持下的泛在學習，突破了實驗室、教室、操場等使實驗場地局限，使學生的體驗不受時空限制，任何時候都能體驗科學探究。

二、構建基于AR技術的沉浸式學習模式

沉浸式學習可以理解為一種具有一定廣度和深度的學習，是一種理解與批判、聯系與建構、遷移與應用的學習，是以學生為中心，引導學生圍繞具有趣味性、挑戰性的問題，自主探究、分組合作，全身心地投入，獲得能力提升與發展的學習過程^[2]。以學生為中心，應用AR技術為學生提供沉浸式學習體驗，這與探究式學習的要求也是契合的。根據科學探究式學習特點，筆者設計了AR技術支持下的沉浸式教學流程（如圖1）。

（一）創設情境，聚焦問題

沉浸式學習應基于真實情境。問題源于生活，才能激發學生學習動機，讓學生有學習的欲望。

1.呈現情境（如圖2）。借助AR技術將虛擬的對象展現在真實的情境中，讓學生沉浸于這個情境中，將學生的學習熱情調動到高點。

2.進入情境。學生置身于這樣的情境中，自覺地將身心投入本課學習中。

3.聚焦問題。AR技術的應用將生動的形象展現在學生的面前，讓學生將思維聚焦于問題中，為接下來的學習奠定基礎。

（二）提供資源，醞釀學習

這是進一步激發學生潛意識的學習階段。學生通過幾分鐘的自主體驗，動手嘗試，其探究學習逐步深入，快速沉浸于解決問題的狀態。

1.自主體驗。體驗的目的就是讓學生理解原理與現象。AR設備內部資源庫就是一個跨學科理念的STEAM（科學、技術、工程、藝術、數學）實驗室，包含了科學領域的化學、地理、數學、生物的探索平臺。學生在學習新知前，利用AR技術可直接體驗類似“浩瀚的宇宙”“太陽的升起”“燒水的過程”這些現象，使經驗與真實的原理現象產生矛盾，為探究學習做好準備。

2.猜測假設。此階段是自主學習階段，學生利用AR設備開展自主活動，調用AR資源庫中3D資源可以進行假設性的學習。例如在學習“認識電路”時，學生可以按自己的想法利用虛擬的電池、電線組建一個電路并嘗試點亮小燈泡。

（三）合作探究，展示成果

本階段是學習科學原理建立認知的核心階段，包括以下三步。

1.探究合作。學生分組開展合作探究活動。ARSeek智能課堂系統（整合性AR/MR教育平臺）已經開發出脫離佩戴式設備，學生利用該設備可以同步在一個畫面。仿真虛擬的實驗器材與真實的環境或者人進行結合交互，讓小組的成員同步在一個畫面中，這樣有利于提高學生的關注度。

2.分享成果。小組合作完成探究任務后，發布設計稿或者文字方案，一邊分享一邊操作栩栩如生的作品。學生分享的不僅有文字、圖片，而且有三維動畫，這有利于作品獲得客觀評價。

3.修改成果。通過分析作品，各組學生已經進一步將知識與經驗進行磨合內化形成新知識體系，再利用仿真式的素材對作品進行修改、創新，進一步加深對科學原理的認識。

（四）實踐運用，達成目標

本階段是沉浸式學習的終點，也是深度學習的起點。小學科學教學的目標是培養學生的興趣，提升探究能力，促進學生素養的提升。教師可以組織一系列的評價、總結、反思、拓展等活動，讓學生將知識進一步內化成自身的經驗。

1.評價反思。教師開展多元、多主體的評價，對學生作品成果不能只看結果，還需利用AR技術重現學生制作作品的過程。評價指標應該多元，意見建議結合實際有針對性，從而幫助學生進一步思考在學習過程中產生的問題，提升元認知水平。

2.拓展遷移。反思可促成學生對科學知識進行有效遷移。在問題情境中，學生反復練習，有利于進一步內化知識、拓展知識體系。

三、AR技術支持下的小學科學沉浸式學習實踐

教師應用AR技術開展小學科學教學將虛擬對象與真實情境進行疊加融合，使復雜的科學概念可視化、形象化、具體化，不僅豐富了教學資源，而且創新了教學方式，激發學生進行創造性探究學習。以教學“月相變化”為例，教學難點是讓學生理解月相變化規律，通過觀察日、月、地三者的位置探究月相，再利用AR技術進行全方位、多角度、沉浸式學習，深入理解不同角度看到的月相變化規律，從而建立月相變化的概念。AR技術用于課堂教學大大提高了效率，促進學生主動、深入地學習。

（一）創設情境，聚焦問題

1.呈現情境：教師用謎語引題（月相變化）。

2.進入情境：打開AR資源庫，讓學生置身宇宙，觀察月球與地球及太陽的位置及運動關系。

3.聚焦問題：讓學生帶著問題觀察月球大小、外形、位置等，回答問題“月球與地球有什么關系，它是月相變化的原因嗎”。

（二）提供資源，醞釀學習

1.自主體驗：學生觀察月相變化。他們借助AR技術置身宇宙，觀察月球圍繞地球運轉的情形。

2.猜測假設：學生將AR環境下觀DXMrg+ndv50/bNRjZVeahQ==察到的現象畫在黑板上，并互相評價自主學習的結果，為接下來小組探究學習做準備。

（三）合作探究，展示成果

1.探究合作。

任務1：探究月相變化的原因。小組展開深度的合作學習，打開AR資源庫，找到關于地球和月球及太陽之間的方位、運動軌跡、光線傳播等數據資料，探究月相變化的原因。小組成員將探究學習的成果通過AR技術進行立體、形象的展示。

任務2：探究不同名稱的月相形成規律。教師引導學生利用AR技術切換觀察角度，置身宇宙空間（太空）和地球觀察月亮形狀變化并進行比較，從而建立關于月相形成規律的深度認知。

2.交流成果：小組利用AR技術展示、分享、討論“月相變化規律”。

3.修改成果：學生根據分析交流后的結果，再修改作品。

（四）實踐運用，達成目標

1.評價反思：根據評價結果，小組成員已經完全明白月相成因，掌握月相變化的規律。

2.提升遷移：學生利用奧利奧餅干，繪制“奧利奧”月相圖。

在本課的任務式教學中，教師借助AR技術創設情境，引導學生思考，幫助學生學習新知找到突破點，使原本只能想象的事物變成真實的場景，讓學生體驗到置身太空的感覺，層層深入探究。

AR教學方興未艾。不少理論和實踐上創新來自AR技術的科學應用，但AR技術有一定開發難度且成本不低，因而還不能普及。AR技術多是一些專業人員開發的與教學融合還不夠，若能引導教師針對教學需求進行開發研究，將有更好的適用性。筆者相信未來會有積極的改進與發展。

參考文獻

[1] 李軼.增強現實（AR）技術在教育教學中的設計與應用[J].數字教育，2018（5）：28-31.

[2] 羅英.批判性思維與元認知的關系探析[J].教育理論與實踐，2019（23）：3-5.

（作者許賢蘇系廣東省佛山市南海區獅山實驗學校校長;李玲芬系廣東省佛山市南海區獅山實驗學校教研主任）

責任編輯：祝元志