增強現實技術(AR) 在中小學教育中的應用現狀述評與展望

任莉萍

關鍵詞：AR；中小學教育；3D模型；學習策略

1 問題的提出

近年來，增強現實以其獨特的教育價值，正迅速走進中小學教育研究領域。2001年，Azuma明確了增強現實的定義：增強現實（Augmented Reality，AR） 是指一個可以將虛擬（計算機生成的）元素或信息與物理環境集成在一起的系統，是虛擬環境的一種變體，它包含三個特征“： 實時交互”“真實與虛擬相結合”和“三維注冊”[1]。AR技術是虛擬技術的延伸，可以為學習者提供交互性、情境性、移動性的學習環境，填補學生對抽象概念和真實世界的認知鴻溝。小學教育和中學教育作為人才培養的“出發點”和“拔高點”，影響著學生今后的學習思維的形成和學習方法的掌握。然后，現如今的中小學教育存在以下問題：

1） 知識點抽象難理解。理科知識（包括數學、物理、化學、生物等）較抽象、復雜、難懂；文科知識（包括語文、英語、地理、戲曲等）的內容較單調、難記憶、難理解，缺少有效的教學資源。

2） 教學方式不合理。忽視學生的知識體驗；課堂設計不合理；授課形式單一。

3） 學生的自主學習能力不足。小學生注意力水平有限；中學生抽象思維把能力不足，動手能力弱，課堂參與度不高，缺乏學習興趣。

4） 學習方式不合理。以接受知識為主，學習主動性不高。

基于中小學教育中存在的問題，教育改革勢在必行。隨著信息技術的發展，其被認為是教育改革的有效手段。2018年，中國政府對信息技術有了進一步的認識，在《教育信息化2.0行動計劃》中就提到了“推進新技術與教育教學的深度融合”[2]。2021年7月，十部門印發關于《5G應用“揚帆”行動計劃（2021-2023年）》的通知就明確提到“加快5G教學終端設備及AR/VR 教學數字內容的研發，實現場景化交互教學，打造沉浸式課堂”[3]。上海最先探索新技術在教育教學改革上的使用，2021年11月，上海教委在《上海市教育數字化轉型實施方案（2021—2023）》提到要積極探索發展基礎教育、職業教育、高等教育基于人工智能的探究式、個性化學習，基于AR和VR的沉浸式、體驗式教學[4]。AR作為一種新興技術，能否解決中小學教育中存在的以上問題，學者們做了一些研究。

2 增強現實技術（AR） 在中小學教育中的應用研究與價值

AR是利用計算機模擬虛擬事物，可以讓學習者在抽象知識和具象物體間輕松轉換，具有交互性、多維性、沉浸性、移動性和多樣性等特點，是教育改革的標志。AR的使用，為中小學教育帶去了新的契機，為中小學教育開辟新的研究方向，促進了中小學課程、教學的高質量發展。當前AR在中小學教育應用的研究主要集中在以下幾個方面。

2.1 基于創設逼真的學習情境促進抽象知識的轉換

抽象知識常出現在中小學數學、物理、化學和生物等學科中，具有微觀、復雜和抽象等特點。基于AR 的情境化教學可以有效展現抽象知識，還原抽象概念的形成過程。如物理學科是研究物質的運動規律和物質基本結構的科學，也是一門崇尚理性、重視邏輯推理的科學。研究指出，3D虛擬增強現實可以提供逼真、沉浸和交互的教學情境，完成傳統物理課堂上不可能完成的實驗和展示[5]。而化學學科是研究微觀物質的，在原子、分子的水平上研究物質的組成、結構和性質。針對化學教學資源缺乏的問題，蕭銘樺等人提出移動AR的化學教學軟件，從前期準備、設計開發和測試發布等三個階段闡述了軟件開發的一般流程。AR技術利用3D模型呈現微觀物質的不同狀態，學生可以從原子、分子層進行概念學習[6]。

初中科學課一直不被重視，但是科學教育被認為是培養學生抽象思維、邏輯思維的重要學科，學生只有在初中接受思維的訓練，才能學習高中較難的科學課程。但是，大部分初中生的抽象邏輯思維還處于“經驗型”，所以課堂教學更應該注重還原知識情境。如林曉帆[7]等人基于杜威的“做中學”理論，提出利用AR技術創設凸顯學生主體地位的逼真情境，在課堂上將抽象概念轉換成真實元素，促進學生多感官體驗，加強概念學習和空間認知。因此，基于AR的情境化教學在促進抽象、難懂的微觀知識的學習上具有其獨特的優勢，突破了時間、空間和成本的限制，利用其三維的圖像和虛實交互性還原知識的生成過程。

不僅如此，對于感性知識的理解，AR技術可以基于還原知識情境，融合多種媒體技術支持簡單的對話交流，實現豐富多樣的互動方式。小學英語教育的目的是讓學生對英語產生好奇心，書寫并記憶單詞，會用英文表達簡單的情感。而現實的教學狀況是：無法突破學生認知維度的局限，解決難懂、難記的知識點。對此，王雅蕓[8]等人以“At the zoo”為例，探討了基于MAR技術的小學英語學習系統的設計原則和整體框架。該系統創設虛擬動態的環境教學，支持在擬真情境下的簡單互動，學生可以實現知識的理解和內化。同時，AR可將概念學習與日常生活建立聯系，在真實的環境中提升學習者的存在感、角色感和參與感[9]，促進學生的多角度體驗學習。在抽象知識的學習中，AR創設的虛實結合的情境，能有效克服學生的認知阻礙，在知識“橋梁”之間快速建立聯系，大大促進學生對抽象知識的理解。

2.2 基于構建虛擬交互3D 模型激發學生興趣

學習離不開興趣。如果中小學生對學習丟失了興趣，沒有自控力的支撐，他們將難以投入學習。在日常的中學教學中，為了在有限的時間內完成既定的教學任務，教師更多注重知識的傳輸，往往忽視激發學生的學習興趣。AR可以依據學科特點創建豐富的3D模型，激發學習者興趣，促進學生邏輯思維能力和動手實踐能力的提升[10]。由于學生對概念的不熟悉，無法融會貫通、學以致用。但是，AR創建的虛擬3D 模型可支持學習者的協作學習和自主探究學習，讓學生通過親眼所見、親自動手感受知識，從而增強學生的直觀感受能力。所以，AR是彌補局部地區教學資源短缺和受限的基礎。王淑佳等人則介紹了三款AR 技術的App在生物教學上的運用，以此來緩解地域資源分化的問題，促進信息技術與生物教學深度融合[11]。基于AR的教學資源，可以不受限于物質條件，就能提供豐富有趣的模型，為創新教師的教學和學生的學習提供了新思路。

在小學教育中，由于小學生的注意力水平有限，所以趣味性是上好一節課的基礎。研究表明，AR可以增強課堂的有效性，提高學生的學習興趣，降低學生的認知負荷[12]。學生不是與枯燥難懂的文字接觸，而是與生動有趣的3D模型交互，學習的體驗感更強，更有興趣。康藝旋等人以提高小學生的學習興趣為出發點，設計開發了一款基于AR的移動App輔助教學，并在“觀察物體”課堂展示使用，發現該教學App 可以激發學生的學習激情，提高學習效果[13]。在小學語文學習中，因為內容單調、枯燥，教學脫離生活經驗等問題，學生缺乏學習興趣和積極性。對此，高曉曉等人設計開發了一款基于AR的小學語文識字教學輔助App，并對其優勢進行了分析，發現該App對于文字的象形識記有更好的效果[14]。AR利用象形識字的特征，為學習者提供形象生動的象形，促進學生對抽象文字的感知，增強了學習的趣味性。

2.3 基于融合多種學習策略的AR 突破教學重難點

在中小學教育中，多數教師面對重難點知識的教學，總是存在教學困難、無計可施等問題，再加上傳統的教學媒體難于表達知識的完整性，只能使學習停留在視覺和聽覺上，缺乏互動[15]。這也導致學生無法區分重點知識，由于學不懂較難知識而放棄。AR可以通過結合不同教學法進行教學設計，從而提升學習者的思維活動和實踐能力，拓展學習者的視野，從而突破教學難點[16]。

基于AR的教育游戲激發學習者的求知欲，突出教學重難點，并增強學生記憶對知識的記憶。如陳向東等人以小學低年級的英語學習為例，設計并開發了“泡泡星球”的增強現實的教育游戲，通過提供豐富、有趣的畫面，幫助學習者理解和記憶重點知識，優化學習者良好的感官體驗[17]。他們在開發完成后，進行多次用例測試，充分了解用戶的反饋，為后期的進一步研究奠定了基礎。隨著國家越來越重視中小學素質教育的提升，而戲曲教育作為素質教育的發展瓶頸，將會成為研究重點。如郭延龍基于增強現實技術，融合游戲互動學習法，創新教師授課模式，實現互動式、沉浸式、冥想式三種學習模式的有機結合，還原戲曲的原有面貌和文化內涵，促進戲曲文化的有效傳播。

AR還可以結合不同的學習策略，帶來積極的學習效果。孟晨等人基于ARCS動機模型，探究AR結合學習動機策略會產生怎樣的效果。他們以三年級科學課《恐龍》為例，采用教學視頻分析的方法，分析學習動機策略的應用情況，結果顯示，AR技術給學生帶來新奇感受，符合學習動機策略和ARCS策略的運用，促進課堂教學的優化。由于AR提供的可視化和立體化，在各個學科中都存在其運用的優勢，在融合多學科的教學上，AR可以讓學生主動參與探究，展現個人的學習風格和喜好，如錢靜等人以STEM學科教學為案例分析，從具身認知視角下，提出以增強現實技術融合STEAM教學的建議，從而實現AR技術促進STEAM教育的高質量發展。

AR可以融入學科教材中，支持學生的自主探究學習。周靈等人基于AR技術的優勢分析和促進兒童自主探究學習的需求，提出開發AR教科書。他們以開發兒童英語教科書為例，并進行了具體的設計與開發實踐，促進學習者從被動接收信息變成主動獲取信息。然而，AR立體化教材開發仍存在成本高、內容較難維護，以及對學生視力造成不良影響等問題，一直難以施行。所以，趙曉嬿等人提出了AR技術與不同信息技術融合的建議，以期解決AR教材兼容性、維護難度大和影響學生視力等問題。隨著AR技術在教育領域的不斷深入，其靈活、開放的建構方式，促進學習者不斷向“學習設計者”邁進。

3 增強現實技術（AR） 在中小學教育中的應用展望

AR技術是虛擬現實的延伸，其運用充分考慮了學生的自主性，在中小學教育中，其主要功能主要包括：創設逼真的學習情境；構建虛擬交互的3D模型；融合多種教學策略。從而實現抽象知識的理解、學習興趣的激發、突破教學重難點等方面的優勢。基于以往的研究，本研究認為AR技術在中小學教育中的運用將會有以下幾方面的突破，如圖1所示。

3.1 分析層

AR結合教學使用時需要做好前期的分析工作，包括：遵循的教學原則、教學的對象、教學的內容以及需要實現的技術功能等。然而，以往大多數的研究卻忽略了該環節，導致研究結果無依據或者偏離研究主題。AR與教學融合的初期階段主要表現為虛實結合、三維交互、情境創設，這主要依賴于AR技術的優勢。現如今倡導的教育優質均衡，促進AR結合教學的前期分析需有進一步發展。

理論基礎的含義是指將AR與不同學科融合教學的相關理論，以下列舉幾個常見的理論。第一，建構主義理論。其倡導教師指導下，以學生為中心的教學。使用AR的主要目的是激發學習者興趣，促進主動探究學習。如初中科學課中以“生命科學”為主題的教學，利用AR技術讓學生主動觀察不同種類恐龍的特征，知道它們的名字；高中生物課上，呈現三維交互模型，促進學生主動探究人體消化系統的功能呈現。第二，沉浸式理論。讓學習者完全投入到學習內容中，不受任何干擾。如物理學科中，在講解電機原理時，學生可以通過AR技術提供的3D模型清楚觀察電機的整體結構、電流運行等；同理，在化學學科中，學生則清楚觀察到原子、分子等微觀結構，并親自操作虛擬模型，達到深層的交互的深入的觀察。第三，情境學習理論。被認為是一種促進學生意義學習，有助于學生在真實情境中學習的理論。在英語教學中，情境對話一直是教學的重難點，AR可以創設虛擬的人物或者場景，促進學生英文交流能力的提升。

做好內容分析和學習者分析是開發AR的前提。學習內容是學生在完成學習目標以后，在知識、技能和行為經驗上所能達到的總和。在進行教學內容分析時，除了考慮AR是否適用該教學內容，還要考慮如何在AR的支持下，促進學生在學習實踐中理解知識點之間的聯系，從而自主探究知識的廣度和深度。如高中化學學科中，“氧化—還原反應”的知識點貫穿整個高中化學教學中，重難點是離子交換等化學計算。AR技術可以轉換抽象概念，還原化學反應過程，引導學生多角度觀察氧化過程，促進對知識的融會貫通。學習者分析是指對學生的認知特點和學習特點進行分析。如小學生有自身獨特的認知發展特點，該階段的學生：抽象邏輯較差、觀察力缺乏系統性、注意力不受控制等，在運用AR技術時需要融入更多動畫或者游戲元素，學習上需要教師更多的關注和引導；而初中生雖然在抽象邏輯上有所發展，但是只能解決簡單的抽象邏輯題，對于像數學中較抽象知識，仍然無法理解。因此，可以運用AR技術結合學科特點，創建AR教學資源，輔助學生對抽象知識的理解。

技術功能分析是指對AR技術的功能優勢進行分析。從目前對AR的教學應用研究來看，依靠技術實現的教學應用主要包括兩種方式：基于圖像交互和基于位置交互，兩種類型的識別，都會向學習者顯示在物理元素中添加的包括聲音、文字、圖片、視頻、動畫和3D模型等元素。隨著對移動技術的大力發展，AR 也深入課堂教學。通過梳理AR教學的以往研究，可以發現：第一，AR創建虛擬仿真實驗室，可以有效解決實驗器材的浪費，保障教學實驗的安全。如化學、物理等涉及的實驗；第二，AR具有的直觀性和多樣性，促進抽象知識的直觀化；第三，AR可以創建自主探究學習的教學情境，促進學生的協作交流。因此，可以從以上幾個方面對技術功能進一步分析。

3.2 應用層

在開發出AR教學資源以后，將對其進行應用檢驗，在檢驗之前需要抽樣。抽樣是指挑選出實驗對象和確定實驗對象的數目，需要根據研究目標和實驗目的來確定；確定實驗對象以后開始檢驗，檢驗時需要盡可能排除干擾因素。在以往的多數研究中卻忽視或者不重視抽樣和檢驗兩個重要環節。如林曉凡等人在提出AR體驗式教學資源的應用策略以后，卻因為樣本量較少而無法確定其有效性；朱鵬飛則研究了AR技術對化學微觀結構知識學習的研究。但是，被試的選擇較為局限和刻意，導致結果的推廣范圍較小；陳向東等人設計開發了AR教育游戲，用于激發小學低年級的求知欲，輔助學生對英語單詞的認知和記憶。但是，因為樣本量過少，未能充分檢驗其效果。另外，部分研究者在開發出AR教學資源以后并未進行檢驗，因而無法確定其功能的有效性。如周靈等人對AR教科書深入分析，設計并開發了兒童英文教科書，但缺少實踐檢驗，其適用性還有待進一步研究；余愛惠通過對AR的課例分析，然后分析了AR在突破初中地理教學難點中的作用，但是該研究僅停留在提出設想方面。因此，本研究認為AR的教學應用檢驗是必不可少的一環節，檢驗之前的抽樣因受設備和環境的限制，而無法對其功能的有效性檢驗。所以，在今后的研究中，AR技術融合教學的應用需要在這兩個方面有進一步的突破。

3.3 評價層

評價是AR教學應用的最后一個層次，也是在中小學教育中AR技術提升和應用改進的前提。評價主要包括效果評價和技術評價兩方面：效果評價指在運用AR技術以后，學生的課堂表現和學習成績是否產生積極變化。如Simon Creane開發了增強現實學習對象，并探究其在科學教育中的基于探究式學習的效果，以學生在知識、技能、態度和能力等方面的變化為評價標準。研究結果顯示，AR可以促進學生對資源、環境的有效利用。而技術評價是指AR能否達到研究者想要實現的功能，如Fabrício Herpich 等人提出了AR教育應用程序的評估標準，揭示新技術及其在教育領域構建應用程序的可能用途。該研究有利于簡化應用程序的開發，幫助教育工作者在課堂上引入增強現實技術。Maria Cristina Costa 等人提出移動AR 可以促進學生參與STEM教育，并設計開發了AR游戲，經過多輪的應用和修改，實現較完善的AR游戲開發。評價可以多次改良AR技術，促進AR技術與中小學教育有效融合，實現更加精準有效的教育幫助。因此，我國在AR教育應用評價研究上需進一步提升。

4 結束語

教育和技術并不是孤立存在的，也不是單純地結合在一起，要實現技術和教育的深度融合需要考慮三大因素：教育者、學習者、教學媒體。AR等新興技術的出現，打破了常規的教育與技術融合的思路。研究初期大部分學者關注的是AR技術，認為的是只要檢驗出AR技術能提升教學效果就可以了。但是，隨著研究的深入，會發現“教學法”“學習者”和“學習內容”是才是AR技術與中小學教育融合的關鍵因素。所以，今后的研究應該從以上三個方面著手，實現AR從理論功能向實際功能轉換。