基于增強現實技術的體驗式學習活動設計與實踐研究
——以小學科學課程為例

嚴冉 原芳 李華

（西北師范大學 教育技術學院，甘肅 蘭州 730070）

一、問題的提出

2018 年，教育部頒布《教育信息化 2.0 行動計劃》，明確提出把增強現實技術應用到教育中，促進教育與技術的深度融合，推進教育信息化發展[1]。AR 技術應用價值巨大[2]。相關研究表明，AR 技術具備虛實融合、三維立體沉浸、交互性、直觀、生動等特征，能有效支撐學習情境的創設，豐富課堂資源，拓展學習活動形式，增強學生的學習興趣與學習動機，提升學生的學習體驗感。所以，本研究將增強現實技術融入小學科學體驗式學習活動中，通過增強現實技術帶來的豐富的學習情境資源、有趣的互動體驗，激發學生的好奇心與學習興趣，提升學生的學習動機，培養學生的科學素養和技術素養，從而提升學生的創新思維與創造力。

二、基于 AR 的體驗式學習活動

（一）AR 參與學習活動

國內外許多研究者發現，將增強現實技術應用在教學中，對促進師生的教與學具有巨大的潛力[3-4]。相比傳統的課堂教學，增強現實技術支持的教學在教學內容、教學情境、教學資源、教學方法等方面具有獨特的優勢。增強現實技術參與課堂主要是通過“移動設備+APP”的形式，具有操作簡單、導航精準、移動便捷、交互性強的特征。相比傳統的學習方式，它能帶給學習者更好的學習體驗，而且操作簡單靈活，在使用過程中不會給師生增加過多的負擔和技術的壓力。增強現實技術可以靈活地展現學生在日常生活中難以直接觀察到的事物；可以為教學提供逼真的學習情境[5]；可以在自然互動中增加體驗感，鍛煉學習者的動手操作能力，提升學生的空間思維、認知動作、高階思維能力等[6]。

（二）體驗式學習活動的特點

體驗式學習活動是在情境中體驗，在過程中反思和交互，同時結果也具有實用性。體驗式學習一般強調從實踐中獲得直接經驗，即親身經歷現實活動而獲得感性知識。同時，學習者在體驗的過程中，需要不斷觀察反思，最后做到遷移運用。體驗式學習活動是一種在情境中建構知識，通過交互達到對知識的理解的過程。體驗式學習的知識內容也不是簡單的概念性內容，而是具有一定難度等級、可以學用結合的知識內容。

（三）小學科學學習活動特征

小學科學的學習以探究為主，在課堂中，學生通過各種實驗收集數據，然后分析數據，最終得出科學結論[7]。作為教師，首先，要重視探究問題的設計，需設計符合學生探究能力的真實問題；其次，充分考慮探究活動中的每一個環節；再次，在教學中以學生為主體，教師負責指導、啟發。需要注意的是，探究式學習不是唯一的學習方式，教學游戲、現場考察、教學模型制作等都可以提升學生的學習效果。同時，小學科學課程強調培養學生的觀察能力，通過觀察自然環境、科學現象、物質變化等，可以幫助學生養成善于觀察的學習習慣，促進學生對科學知識的理解與掌握。小學科學課程的開展需要豐富的資源和工具支撐，比如，要使學生養成觀察的學習習慣，教師就需要提供給學生觀察實驗所需的材料和工具。除此之外，根據具體教學活動內容的不同，教師要提供相應的輔助教學資源和工具來為學生創設學習情境，以此促進學生對知識內容的深度探究。除了教室和實驗室，博物館、田野、校園、公園、科技館等都可以成為學生學習的場所。

三、基于 AR 的體驗式學習活動設計

本研究借鑒大衛·庫伯（David Kolb）的“體驗學習圈”理論體系，作為活動框架建構的依據。該體驗式學習循環圈包含：（1）具體體驗，即完全投入的“實際體驗”，獲得感受；（2）反思觀察，即體驗活動中的“觀察反思”，在進一步體驗的過程中感受、探索、觀察、思考；（3）抽象概念，即經過觀察反思形成抽象概念，整理回顧，概括總結；（4）實踐應用，即新概念的實踐與應用，通過具體實踐或應用修正知識理論或概念體系[8]。

通過分析增強現實技術參與學習活動的優勢，可以看出增強現實技術在創設學習情境、拓展學習資源、豐富學習工具等諸多方面具有輔助作用。有研究團隊提出的第三代活動理論指出，完整的活動系統包括主體、客體和共同體3 個核心元素，以及中介工具、規則和分工3 個次要元素[9]。應用于本研究中，學習者、學習目標與學習內容將成為第一層設計要素，學習資源和工具、學習規則、學習小組、活動任務將成為對學習者、學習目標與學習內容分析后的第二層設計要素，也即進入活動設計的部分，其設計包括：確定學習資源、準備學習工具、制定學習規則、成立學習小組、設計學習任務。活動實施部分，首先，進行情境的創設，依據“體驗學習圈模型”，融入體驗式學習理念，借助AR 技術創設情境，增強體驗；其次，提供AR 支持的學習資源、AR 支持的互動場景和AR 支持的協助練習活動。

依據增強現實技術參與學習活動的優勢、體驗式學習理論的指導，研究體驗式學習活動設計包括前期設計、活動設計、活動實施3 個階段，以下將對3 個階段進行詳細介紹。

（一）前期設計

1.學習者特征分析

學習者特征分析旨在了解學習者的學習準備情況和學習風格，為學習活動設計階段的制定教學策略、選擇學習資源和工具、設計學習任務和子活動等環節提供依據[10]。學習準備情況包括了解學習者的個體認知水平，分析學習者目前的知識結構，考察他們對于技術的接受度，以及在工具使用方面的態度和能力，針對學習者對于技術和工具的接受度和使用能力，合理使用增強現實輔助學習活動的開展。學習風格是后期建立學習共同體、選擇資源類型、確定教學方法、選擇教學工具以及確定活動形式的重要依據。除此以外，還要分析學習者的生理、心理和行為特征。

六年級的學生處于從童年期向青春期過渡的重要階段，經過小學前段時間的積累，具有一定的知識儲備與經驗，通過教師的引導，可以將課堂上的知識內容與已學內容和生活經驗結合起來進行思考。同時，這個階段的兒童的有意注意逐漸發展，注意時間和同一時間內注意的事物數量有所增加，隨著主體經驗的增加，慢慢開始理解記憶，開始向抽象思維邏輯發展，適合引導與培養高階思維能力。

2.學習目標

學習目標是在一系列的學習活動后，學習者在知識內容、動作技能、行為表現、態度或心理等方面產生的變化。活動理論認為一切學習活動的實施皆是由學習目標驅動的，基于此，在設計學習活動時，一切活動要素的設計與實施都要以學習目標為中心展開。

本研究中，學習目標的確定主要依據《義務教育科學課程標準（2022 年版）》中提出的科學知識目標、科學探究目標、科學態度目標及科學、技術、社會與環境目標4 個方面確定。

3.學習內容

學習內容的選擇很大程度上決定了學習活動設計是否合理以及整個教學過程發展的方向，不同的學習內容適用不同的學習活動。只有用合適的形式將適當的學習內容傳授給學習者，才能收獲好的教學效果。在學習內容選擇與分析的過程中，教師需要對學習內容的深度、廣度及各內容之間的聯系進行深入理解。

本研究案例所選教學內容為小學六年級上冊科學課。科學課作為一門以探究性為主的課程，需要豐富的資源和工具支撐，以創設呈現真實場景，幫助學生學習。六年級科學上冊的內容并不是所有的都適合開展基于增強現實的體驗式學習活動，所以本研究選取了部分內容開展活動，如“我們的地球模型”“不簡單的杠桿”“電和磁”等。

（二）活動設計

1.學習資源

學習資源用以支撐學習活動的開展，增強現實參與學習活動的優勢之一是通過 3D 數字資源、多重信息混合、真實與虛擬結合3 個角度豐富了學習資源，充實了課堂上的信息化資源。在此基礎上，針對具體的學習內容確定學習資源。如在設計“我們的地球模型”這門課程的學習資源時，考慮到學習者對地球的已有認知需要更加形象化和具體化，教師準備了地球結構的相關3D 影像或圖片作為演示的材料，以增強現實教學工具作為資源呈現的輔助工具，為學生展示三維動態的地球結構，動態展示地球的內部構造及形態，促進學生對地球結構的深層認識。

2.學習工具

學習工具和學習資源一樣，支撐學習活動的開展。學習工具的選擇，依據學習活動和學習任務的要求。基于 AR 的科學學習活動中，用到的學習工具有AR 設備和平板電腦及具體學習內容所需的其他工具。如在“我們的地球模型”中用到的AR 設備是“智能地球儀”。該地球儀在普通地球儀的基礎上，增加了AI 智能語音和AR 功能，呈現虛擬場景的同時，還可以進行互動。除此之外，用到的工具還有彩色橡皮泥、美工刀、直尺等，用來幫助學生制作地球內部結構模型。

3.學習規則

在基于AR 的學習活動中，制定規則時要考慮AR設備在學習群體中的分配使用及學習者對其使用的合理性與有序性，保障小組活動中每位成員都能有機會使用AR 設備和其他技術設備進行學習活動，通過制定相關的規則來避免AR 技術的參與造成課堂活動秩序混亂問題，實現技術很好地輔助教學的效果。比如，學生回答問題時聲音洪亮，勇敢表達自己的見解；小組學習時，積極參與討論，每一位成員都要發表自己的見解；實驗過程中，嚴格按照實驗步驟操作，注意安全；實驗結束后，保持桌面清潔。

4.學習小組

形成學習共同體時，應考慮學習者對技術或設備的使用能力，確保每個小組都有技術接受水平較高的學生，以促進小組內活動任務的順利實施。在課堂中，學習者與學習伙伴及教師共同構成的學習群體可稱為學習共同體，他們協作完成學習活動任務，實現共同的學習目標，最終使學習共同體中的每一位成員都得到成長。開展本研究的實驗校共有15 臺平板電腦可供使用，實驗班有40 名同學，其中男生19 名、女生21 名，分組要保證每組至少1 名男生和1 名女生，又不出現落單，所以將學生分成了13 個小組，其中，有1 個小組4 名同學，其他小組都是3 名同學。

5.活動任務

活動任務的設計要針對不同學習活動的內容和目標，教師要有針對性地設計學習任務，并組織形成不同的學習共同體。在基于AR 的學習活動中，增強現實技術可以通過豐富的學習資源和學習情境，給予學習者對知識內容更加直觀具體的感受與體驗，而且通過AR 技術加強了不同知識之間的聯系，輔助意義建構型學習任務設計。另外，AR 技術可以為學生創設知識應用的仿真環境，使學習者沉浸在活動任務體驗中，輔助能力生成型活動任務的設計。例如，在“我們的地球模型”教學中，針對了解地球內部結構，我們設計了3 個活動：真實場景再現，類比觀察；小組探究，總結歸納；動手操作，制作地球內部結構模型。

（三）活動實施

1.情境創設

AR 技術創建的虛實融合的學習情境，是服務教學內容而創建的，在設計時要以學習需求為導向，與教學內容呈現強相關性。因此，AR 技術創設學習情境的方法與仿真度非常重要，而增強現實技術能較好地滿足該需求[11]。增強現實技術為小學科學學習者營造的虛實融合的體驗學習環境，突破了場地限制，有效彌補了傳統課堂中缺乏真實學習場景的不足，有利于小學生在多維學習空間中認識問題和探索任務。在“我們的地球模型”教學中，教師通過“智能地球儀”這一增強現實設備為學習者創設三維動態的地球結構學習情境，動態展示地球的內部構造及形態，展示地震、火山爆發、板塊漂移等三維動態場景，拓展學習者的知識面，加深學生對地球結構的理解。通過這種與教學主題相關的環境和學習者可以體驗感受的情境，使學習者沉浸到課堂中，激發他們的學習興趣和好奇心。

2.實踐應用

首先，根據分好的學習小組，每個小組一臺平板電腦掃描AR 地球儀，依據教師指導和平板電腦上的文字提示，縮放、翻轉地球模型，觀察地球內部的詳細結構，學習地球內部結構的形態及具體結構特征，熟悉各個部分的功能及組成成分。其次，教師組織學生以小組為單位捏造地球內部結構模型，加深理解。再次，小組之間互相展示本小組制作的地球結構模型，并分享制作過程中的奇聞趣事。

3.互動內化

學習者通過分析問題、歸納反思的環節，對知識進行抽象概括。抽象概括的過程是學習者知識建構并內化的過程，教師需要在此階段對學生進行引導，或建立學習小組協助反思，通過師生或生生合作，幫助學習者總結領悟、體驗內化。學習地球的結構模型時，教師先讓小組完成地球內部結構模型的制作，然后小組之間互動討論，分享模型數據，以及模型制作過程中遇到的各種問題和解決辦法，在互動中實現知識的內化。學習者也可通過完成測試題、作品、實驗報告對知識進行應用，并與其他學習者分享，鞏固內化知識。在此階段，增強現實技術可以促進小組成員之間互動學習，成為小組合作完成任務的工具。

4.反思觀察

反思是學習過程中的一個重要環節，可以幫助學生查漏補缺，更好地掌握學習方法和經驗。體驗學習完成后，開展學習評價，通過一系列的測試題、問答、撰寫實驗報告等環節來檢驗學習者對所學知識內容的掌握和理解情況，教師根據測試情況及時給予學生反饋。增強現實軟件會提供相應的配套練習題幫助學習者檢驗學習情況，學生還可以借助平板電腦在相應的APP 中繪制地球的內部結構平面圖。

四、基于增強現實的體驗式學習活動實施與效果分析

（一）實驗對象

為檢驗增強現實支持的小學科學體驗式學習活動的學習效果，筆者以某學校六年級2 個班的學生為研究對象開展準實驗研究：（1）班作為實驗班進行基于增強現實技術的體驗式學習活動；（2）班作為對照班開展基于多媒體的學習活動。2 個班均有40 人，實驗班和對照班的學習活動對比如表1 所示。

表1 實驗班和對照班學習情況對比

（二）實驗工具

本研究采用問卷調查、課堂觀察、訪談等3 種方式收集學生數據。調查問卷包括“學習效果”和“學習興趣”2 個層面。學習效果問卷的題目設置參考了小學課程標準中提出的4 個目標。學習興趣問卷采用了PISA 科學測試（2006）中關于“學生是否對科學感興趣”部分的題目，并結合研究內容進行了調整。課堂觀察量表主要是對學生的科學好奇心進行觀察，將好奇心分為探究傾向、新穎偏好、操控傾向以及專注程度4個維度。采取5 級評分制，即分為優秀、良好、中等、尚可、差5 個等級，分別記作5、4、3、2、1 分。

（三）問卷信效度分析

兩類問卷各發放40 份，收回有效問卷各40 份，問卷有效率100%。為了確保問卷的可靠性，采用α可靠性系數對問卷的信度進行分析，分別測得α系數為0.842和0.819，均處于 0.80 以上，說明問卷的信度良好。

采用KMO值檢驗問卷的信度，分別測得KMO值為0.815 和0.891，均大于0.7，說明可以進行探索性因子分析。通過Bartletts 球形檢驗可發現，p=0.000＜0.001，進一步說明適合做因子分析。

可見，問卷的內在信度和效度都是理想的，可以用于研究測量分析。

（四）實驗結果分析

本次教學實踐共開展一學期，旨在探索基于增強現實技術的體驗式學習活動是否可以提升學生對科學課程的興趣，以及對科學知識的求知欲和好奇心，并檢驗學習者的學習體驗和學習效果。以下是實驗結果的數據分析。

1.學習效果數據分析

通過分析發現，實驗班學習效果比對照班要好。如表2 所示（見下頁），實驗班和對照班在4 個目標維度上均呈現顯著性差異（p=0.000＜0.05）。科學知識方面，經過一學期的教學，基于增強現實技術的體驗式學習活動能促進學習者對科學知識的了解與掌握，學生對地球的面貌及運動、能量及能量的不同形式、技術及技術對人類社會發展的作用都有了較深入的認識。科學探究方面，實驗班的學生通過體驗科學探究的過程，掌握了科學探究方法，發展了學習能力、探究能力、創新能力等。科學態度方面，實驗班的學生具有了猜想、推理科學現象的意識，樂于參加科學實驗，并具有發表自己觀點、與他人交流討論的意識。科學、技術、社會與環境方面，實驗班的學生對科學技術在日常生活中的運用、對社會發展的作用有了初步了解。與授課教師訪談交流時，教師也認為實驗班的學生在課后練習題的正確率和科學實驗記錄單的完成情況都比對照班好，對科學知識的整體掌握情況更好。

2.學習興趣數據分析

在學習興趣問卷中，實驗班學生在4 個維度上的后測數據均值均高于前測數據，“對科學科目的興趣”維度，教學實驗后，學生對科學科目的興趣明顯提升，非常滿意和比較滿意的人數占比從18.51%上升到77.77%；“學好科學的重要性”維度，變化不是很大，實驗班學生經過一學期的教學實驗后，認為學好科學非常重要，運用科學知識解決問題的人數從18.52%升到33.33%，非常不認同學好科學重要的人數和不認同學好科學重要的人數有所下降；“因為有用而學習科學的動機”維度，認為學習科學對未來非常有用，未來追求科學事業的人數從7.41%升到了25.93%，具有學好科學的一般動機，比較認同學習科學對未來有用的人數從18.52%升到了44.44%；“科學相關活動”維度，非常積極參加各種科學主題活動、科技社團、閱讀科學書籍或節目的人數從3.85%升到了25.93%，比較積極地參加各種科學主題活動的人數從15.38%升到了37.04%。通過課堂觀察，實驗班學生在課堂上的積極性和探索性逐步提高。通過與教師及實驗班的學生訪談也可以發現，學生更喜歡基于增強現實技術的體驗式學習活動，對科學課堂的學習興趣也有所改觀。學生的學習興趣提高，參與科學活動的積極性也會顯著提高，并能在科學實驗中克服困難、主動交流、大膽質疑、追求創新。提高學習興趣是提升創新思維的關鍵一環，基于增強現實技術的體驗式學習活動通過提高學生的學習興趣、學習積極性來提升學生的創新思維。

3.學習好奇心數據分析

本研究主要選取了具有代表性的3 節課堂觀察，分別是地球與宇宙科學領域的“晝夜交替現象”、技術與工程領域的“斜面”和物質科學領域的“神奇的小電動車”，具體觀察情況見如表3 所示（見下頁）。

表3 “學習好奇心”課堂觀察情況

通過數據分析可知，實驗班學生對科學的好奇心更強。在進行了一單元的教學后，實驗班學生嘗試用增強現實工具，并與學習伙伴進行交流。當科學現象和自己預想的不一致時，會表現出驚訝、疑惑，迫切想要去探究更多科學原理。進行2 個單元的學習后，實驗班學生逐漸對科學現象提出合理的猜想，提出想要探究的問題，開始注意并觀察科學知識本身，能對課堂上的知識點進行長時間的專注探究。經過一學期的教學，學生能積極主動提出問題并試圖解決。

（五）研究結論

通過上述分析發現，基于增強現實的體驗式學習活動普遍受到了師生的肯定，這表明基于增強現實技術的體驗式學習活動框架是有效的，能夠支持小學科學課教師開展有效的教學活動設計與實施，提升科學課的教學效果。本研究得到如下結論：

第一，基于增強現實技術的體驗學習活動最適合宇宙科學領域知識的學習，更容易達到教學目標。在學習宇宙科學領域時，學生的積極性、學習興趣最高，探究的欲望最強烈，學習效果也最好。

第二，將增強現實與小學科學教學相結合進行體驗學習活動設計，可以促進小學生在科學及相關領域的能力（如團隊協作能力、表達反思能力）發展，激發小學生的科學探究欲望，豐富他們在多感官上的學習體驗，提升他們的好奇心和學習興趣，進而發展他們的創新思維。

第三，本研究所構建的體驗式學習活動框架以及對評價工具的設計，有助于小學科學教師參照設計基于增強現實技術的小學科學學習活動，進而促進技術支持的小學教學活動的有效開展，增加技術應用教學的案例，發現增強現實等新興技術在小學教育階段應用的新機遇。

五、結語

在“教育數字化轉型”背景下，需要探尋更多技術與教育融合應用的新型教育實踐活動，利用增強現實技術可以互聯海量的多維信息的優勢，開展融合增強現實技術的游戲化學習，吸引學生的注意力，調動學生的學習興趣，增強學生的學習體驗。本研究將“增強現實”這一新興數字技術應用于小學科學學習活動中，挖掘增強現實技術的教育應用“潛力”，充實數字技術應用于教育教學的實例，為小學科學教師開展AR 技術支持的教學活動提供了參考和借鑒。