AR技術應用于課堂的嘗試

李敬 陳靜 柳姿怡

新興技術的融入，為教育帶來了更多的新型教學模式，增強虛擬現實（AR）技術的興起或將為教育信息化掀開新的篇章。當下，已有將AR技術應用于科學課堂的眾多嘗試。應用AR技術可以將難以理解的知識更加生動地呈現在學生眼前，實現更直接的更新穎的互動活動，有助于學生更好地獲得學習體驗、更好地激發學習興趣，實現更深層次的學習。

一、AR與VR

VR （Virtual Reality）即虛擬現實技術，主要通過使用模擬、電子信息、計算機、傳感器等技術手段，創造一個與真實世界完全隔離的虛擬世界。AR（Augmented Reality）即增強現實技術，是在VR基礎上發展而來的一種新型技術，將虛擬信息疊加在現實世界上，其主要利用計算機等科學技術模擬、仿真虛擬信息，并將其應用到我們的現實世界中。虛擬信息和真實信息相互補充，進而實現對現實世界的“增強”。

AR和VR都是基于虛擬現實的模擬技術，兩者都是當今科技發展的重心，未來將會在各個領域進一步普及推廣。雖然兩種技術都使用計算機、傳感等技術手段，但AR和VR在技術實現與應用中還是有所區別的。

（一）AR技術強調真實世界和虛擬場景的互動

VR是一種完全虛擬現實的技術，多是仿真技術、多媒體技術和網絡技術等多種技術的結合，只是虛構出一個數字世界，或是虛擬現實中的一切場景，旨在構建一個新的虛擬世界，讓人有一種身臨其境的感覺。

而AR是基于現實的一種增強技術，運用三維建模、多傳感器融合等多種新型技術，實現現實和虛擬的結合，將真實世界和虛擬場景兩者結合起來，增強了與虛擬世界的互動，使人在真實世界中就能感受虛擬信息，或與虛擬場景互動。從這個角度來看，AR是在VR技術基礎上發展而來的，AR技術包含VR。

（二）AR技術更注重實用性

VR技術主要通過虛擬場景，為使用者提供沉浸式的體驗，更注重趣味性，目前多用于電子游戲、娛樂等商業領域。其典型產品就是各類VR眼鏡，使用者通過佩戴VR設備，可以像在現實世界中一樣在虛擬世界中遨游。但是，作為增強虛擬現實的AR技術更注重虛擬與現實間的聯結，如北斗AR地球儀、AR書籍等典型的AR教育產品，在早期的VR眼鏡基礎上設置了更多的互動功能，實現虛擬與現實的結合，凸顯了AR技術的教育實用性，為學習者提供了豐富的個性化的學習體驗。所以，虛實結合的AR技術廣泛應用于建筑、醫療和娛樂領域，在教育領域尤其是在科學教學領域也發揮著越來越重要的作用。

二、AR技術在小學科學課堂的應用

5G時代的到來，將會給AR技術在教育領域的推廣和普及帶來更大的機遇。例如，通過AR技術制作的三維地圖，讓學生與虛擬現實進行互動;AR書籍的使用，讓學生在閱讀的同時獲得個性化的閱讀體驗，盡情遨游在知識的海洋里;在AR課堂上，利用AR技術制作出具體模型可輔助語文教學;等等。AR技術的應用，改變了傳統的學習方式，以生動的場景激發學生學習的興趣，使學生獲得更好的學習體驗。

（一）AR課件的開發與應用

當下，實現AR技術的開發工具有Unity3D、Vuforia、OpenCV、AR Core等。其工作原理是對接收到的信息進行追蹤分析，通過交互式命令生成虛擬信息，將3D模型、音視頻等信息疊加在真實環境中，產生虛實結合的感覺。紀錄片《你好，未來人類》英國篇中的一堂小學健康課上就展示了典型的AR課件：一位手持PAD的學生給另一位貼有定位標記T恤的學生拍照，投影上就根據被拍者身體比例呈現出人體結構圖。教師以此作為課件進行講解，投影中虛擬出的圖像會隨著被拍照學生的動作發生變化，并呈現出吞咽、心跳等虛擬效果。

由此可見，AR課件較之傳統課件需要更多的技術和更復雜的制作過程。一般來說，至少需要三類技術：三維技術，目的是將虛擬信息疊加于真實情境上;虛實融合的顯示技術，目的是渲染虛擬信息使虛實結合效果更加真實;人機交互技術，目的是實現更自然的交互。

制作過程則主要分為虛擬環境架構和交互設計兩部分。首先，虛擬素材準備階段：將課程教學內容所需素材——音頻、視頻、圖片、3D模型、背景音樂等放置于配置好的AR開發環境中，然后，在相關軟件如Unity中進行一系列后續操作完成課程配套的AR程序。這類程序支持在屏幕上顯示特定3D模型，并能通過設置交互點呈現知識點的文字或視頻介紹。由此，實現三維實時交互過程，讓虛擬物體融入真實環境，虛擬信息與真實環境相互疊加直接呈現在學生眼前，實現了教學內容的可視化。

（二）AR技術給小學科學教學帶來的變化

科學教育是以培養學生科學素養為宗旨、倡導探究發現的教學科目，科學課程具有事實概念和驗證性實驗兩個主要特征，強調科學知識與生活實踐的緊密結合。但受傳統科學教育模式和傳統教學課件水平限制，學生除了閱讀教科書和觀看影音材料之外，缺乏對科學現象和科學規律的切實體驗。AR技術的出現可以有效解決這一現狀。Cheng等認為在科學教育中，AR技術的參與使學習者在理解學習知識和提升學習者的空間技能和操作技能方面有了很大進步，AR技術更有利于培養學習者探索解決問題的能力。張四方提出科學教育領域的AR教育主要基于AR技術的可視化、體驗性和移動性。基于可視化可以增強抽象概念理解和空間觀念認知;基于體驗性置于學習情境可以促進科學研究;基于移動性則在于其開放、靈活的表現形式。在科學教育視域下AR教學應用分為應用、認知、技術三個層次。

1.應用：將微觀的、不可見的世界可視化

傳統的科學教育課堂一般通過講解書本知識、查閱文獻和實驗探索的方式開展，對于日常生活中可見的現象，如“認識根、莖、葉”比較容易開展，但是對于一些微觀世界（如認識細胞）和宇宙地球領域的知識則只能通過圖片視頻學習，學生很難有切實體驗感。AR技術的出現彌補了這一方面的缺失，增強了學習體驗。

2.認知：將復雜抽象的知識可視化

科學教育中常常有許多復雜抽象的知識難以理解（如晝夜交替產生的原因），對小學生空間理解能力要求較高，而傳統科學教育只能以二維平面的圖片和視頻講解，不符合學習者三維學習的思維習慣。AR技術提供的3D模型更具真實性和立體感，通過立體圖形的擴大、縮小、旋轉等操作，學習者能更直觀地理解知識。

3.技術：支持情境下的學習

隨著AR技術的發展，在小學科學教育課堂中更方便開展科學知識的探索，同時將書本上的知識引入現實中。虛擬情境與真實情境互相疊加，增加了小學科學課堂的互動性，使學習者置身于學習情境中，增強了學習興趣，進而提高了學習效率。

總體來說，應用于教育中的AR產品具有將知識可視化的特點。利用AR技術做出的教學型軟件能夠創造出直觀可視的真實情境，在充分調動學生興趣的前提下，使之主動探究完成對知識的吸收。虛擬環境中的實時交互功能，配合理論知識的講解，不僅能夠讓學生完成對知識的架構，而且這個過程不會產生對學習的滯澀感、厭惡感，反而能夠實現動手動腦相結合，有利于進行思維培養。

三、基于AR技術的小學科學教學實踐

諸多學者都對AR技術在小學科學教育領域的應用進行了嘗試設計、教育資源開發，并測試了其教育的有效性。AR技術在科學課堂上不僅提供了豐富的教學資源，激發了學生學習探究的積極性，還因創新了教學形式而提高了教學效率。

（一）運用AR技術實現虛擬情境，增強展示效果

為了更好地完成小學科學探究教學，小學科學教師應對探究內容進行詳細分析，并對學生的心理特征加以了解，通過運用AR技術進行情境的創設，從而吸引學生進入問題情境。這樣，能夠更好地吸引學生的注意力，更好地完成小學科學探究實驗的目標。例如宋燕學者以“我們來養蠶”為例，利用AR技術探索觀察蠶寶寶的一生生長變化（如圖1）。

（二）運用AR技術實現可視化，突破教學重難點

如《四季是怎樣形成的》一課的教學，重難點是認識地球圍繞太陽公轉引起地球四季的形成（如圖2）。因為地球、太陽比較宏觀、抽象，學生難以理解，可借助AR技術三維再現地球公轉。學生討論后教師再引導學生分析，地球是自西向東運動的，由近日端—遠日端—近日端—遠日端轉動變化;進一步探究“為什么同樣是遠日端，夏季和冬季溫度不同”，并運用AR技術演示地軸傾斜，觀察地球上同一位置溫度是否會有不同的變化。學生自主討論探究最終得出結論：四季的形成與地球公轉和地軸的傾斜有關。

（三）運用AR技術實現體驗式學習，促進學生知識建構

教師將AR技術應用于科學課堂，將虛擬對象與真實情境相結合，可以使復雜的、抽象的科學知識更加具體化、可視化。許賢蘇學者以“月相變化”為例，利用AR技術使學習者身臨其境（如圖3），在體驗的基礎上通過AR課件在互動中感受月相變化過程，更好地培養學習者的邏輯思維能力、自主探索能力和實踐能力。

綜上，在科學課堂中應用AR技術制作的課件，基于3D和虛擬現實技術，不僅呈現了抽象科學知識方面的直觀性，還通過教師與AR課件的互動、學生與AR課件的互動，實現了前所未有的互動體驗，極大地提高了科學課堂教學效果，有利于促進學生主動、深入地學習。

四、AR技術在小學科學課堂的應用展望

目前，AR課件應用于小學科學課堂尚處于嘗試階段，未來，即使AR技術成熟和技術門檻降低，也需要小學科學課程的教學模式與架構做出相應變革才能實現。

（一）AR課件教學需要小班額授課

將AR技術融入課堂的教學課例中，國外學校的小班教學更有利于大多數學生得到體驗，更好地完成對知識的吸收。希望未來我國也能普及小班教學，以充分發揮AR產品的作用。

（二）AR科學課件不夠系統化，交互功能設計仍需優化

目前，AR技術在科學教學中的運用基本上都是基于個別案例，沒有配套的、完整的教育資源，如果未來能開發出系統化的課程資源，則更利于推廣普及。另外，AR技術的教學交互功能仍需緊密結合科學課程進行設計，以期能更好地應用于教學實踐。

未來科學教育的信息化，必然是AR技術發展和科學教育模式變革“雙向奔赴”的結果。

【本文系 2021年國家級大學生創新創業訓練計劃項目“科學觸手可及——AR技術與自然科學”研究成果，項目編號202110798015，指導教師：程超 朱玉蓮 焦偉婷 李建英】