AR技術在實驗教學中的應用

〔摘 要〕 隨著教育數字化的不斷發展，虛擬增強現實（AR）技術在教育領域的應用更加廣泛。AR技術可以將抽象的科學概念轉化為直觀的視覺體驗，進而提升學生的學習興趣和知識掌握能力，促進學生的學習效果和教學質量的提升。本文探討了AR技術在小學科學實驗教學中應用的必要性、原則及優勢，并提出了目前存在的問題及解決辦法。

〔關鍵詞〕 小學科學；AR虛擬增強現實技術；實驗教學

〔中圖分類號〕 G424 〔文獻標識碼〕 A 〔文章編號〕 1674-6317 （2025） 01 067-069

一、AR技術在小學科學實驗教學中應用的必要性

在教育數字化迅猛發展的今天，作為教育領域的新興技術，AR技術已經顯示出巨大的潛力和應用價值。實驗教學是培養學生科學素養和實踐能力的重要環節，但因實驗資源有限、安全風險大、學生參與度低等問題，使傳統的實驗教學模式存在一定局限性。而利用AR技術能夠直觀、形象地呈現復雜的科學概念，幫助學生更好地理解科學知識。此外，利用AR技術進行虛擬實驗，在保證學生實驗安全、減輕教師備課負擔的同時，也提高了學生的實踐操作能力。因此，在小學科學實驗教學中應用AR技術是十分必要的。

二、AR技術在小學科學實驗教學中應用的原則

（一）教育性與科學性原則

應用AR技術進行教學時，教師選擇的AR教學資源、實驗場景、互動設計等都要以科學原理為基礎，保證學生能從中獲得正確的科學概念和方法。在AR教學內容的選擇上，也要充分考慮學生的年齡特點和認知水平，將科學知識以適合學生理解、接受的方式呈現出來。

（二）實踐性與創新性原則

AR技術的多樣性能給學生提供多元的實踐體驗，教師在課堂上要充分利用AR技術的優勢進行實驗設計，讓學生在實踐中得到鍛煉與提高。教師也應鼓勵學生在虛擬實驗的環境下嘗試創新性的實驗操作，從而培養他們的創新性思維能力。

（三）整合性與互補性原則

AR技術能為小學科學實驗教學的開展提供更為豐富的教學手段與途徑，但這并不意味著要完全摒棄傳統的教學方式與途徑。在課堂上，AR虛擬實驗與傳統教學實驗相互融合、互為補充是十分有必要的。教師在進行復雜科學原理或概念的授課時，可利用AR技術幫助學生形成初步認識，接著再結合傳統實驗操作，使學生的理性認識得到進一步加深與提高，從而在科學素養上得到更大的收獲與提高。

三、AR技術在小學科學實驗教學中的應用方式

（一）創設虛擬教學情境，激發學生學習興趣

小學生好奇心強，對于新鮮事物容易產生興趣，但在教學中僅僅運用傳統的教學手段很難調動學生學習的積極性。AR技術可以提供豐富的資源和場景，可利用AR技術在課堂上創設海底世界、動物世界、宇宙星空等真實存在但難以在課堂上呈現的場景，而教師可以將這些虛擬場景與課堂所要講授的內容相結合。

例如，在一年級《觀察魚》這一課教學中，教師可以利用AR技術為學生創造一個虛擬的水中世界，讓學生身臨其境，與魚兒近距離接觸（圖1）。這種沉浸式的學習體驗能夠極大地吸引學生的注意力，提高他們的學習興趣和參與度。

又如，在一年級《校園里的動物》一課教學中，由于環境、天氣等限制，無法實地觀察校園里的動物，或無法保證可觀察到的動物的多樣性。但利用AR技術可以為學生營造一個真實的校園動物生態系統，學生沉浸式地在虛擬環境中發現、探索，能夠極大激發學生的學習興趣（圖2）。

（二）增強實驗教學效果，培養學生實踐能力

小學科學是一門實驗學科，實驗操作對學生來說尤為重要，不僅可以讓學生學習科學知識，還能夠培養學生的實踐能力。AR技術能夠模擬實驗操作過程，讓學生在虛擬實驗中觀察實驗現象，得出結論，并將所學到的科學原理運用到實際生活中，提高解決實際問題的能力。

例如，在《點亮小燈泡》一課教學中，由于學生未建立“短路”概念，因此在實驗中存在一定的安全隱患，若直接告知學生“短路”的知識，又無法讓學生實現自主探究發現的過程。因此，教師可采用構建“AR虛擬實驗+真實實驗”融合探究模式。學生通過AR虛擬實驗室沉浸式觀察小燈泡的結構，嘗試用更多的連接方式點亮小燈泡，接著通過真實實驗動手驗證，最后得出結論。學生在這一過程中掌握、運用新技術輔助學習，獲得更多的探索空間，更好地掌握了學科知識（圖3）。

又如，在《不簡單的杠桿》一課教學中，教師可以借助虛擬實驗模擬杠桿實驗的操作過程，指導學生先改變支點位置，再通過放置右側小石子調整杠桿使其達到平衡，在實驗操作中進一步理解阻力、阻力臂等科學概念（圖4）。

（三）借助虛擬現實技術，使抽象知識具象化

小學生由于年齡較小，認知能力、思維能力、學習能力等具有一定局限性。小學科學教材中涉及的某些科學知識對于小學生來說過于抽象，如生物與生命、天體與宇宙、技術與工程等領域。但AR技術所具有的直觀性、可視性等特點，能夠將抽象的知識具象化，幫助學生進一步理解科學概念。

例如，在六年級《八顆行星》一課教學中，教材中采用傳統的紙帶建立行星位置模型，但對于學生理解真實宇宙中八顆行星的位置關系還不夠形象。在虛擬實驗中，可以建立出真實的行星位置和大小模型，將抽象的知識具體化。

又如，在教科版四年級《食物在體內的旅行》一課教學中，由于人體消化器官位于身體內部，傳統教學基本采用圖片和視頻的方式進行講授，但這種方式難以讓學生真正理解抽象的科學概念。因此，借助AR虛擬實驗，學生可以親自操作軟件，直觀地感受到人體消化系統是如何系統地相互配合完成消化工作，并且還能對各消化器官進行有針對性的觀察，在不斷深入探究過程中加深對于人體消化器官的理解和認識（圖5）。

（四）創設虛擬實驗室，降低實驗成本與風險

在傳統實驗教學中，一些具有危險性的實驗往往難以開展，而應用AR技術則可以將實驗虛擬化，在保證安全的同時獲得與真實操作的結果相同的實驗效果。若直接讓學生進行實驗，如果操作不規范，容易導致實驗事故發生，如試管炸裂、實驗臺著火等。學生在虛擬環境下模擬實驗操作，不僅消除了真實實驗中的安全隱患，還能減輕教師備課負擔，提升學生實踐操作能力。

例如，三年級科學課中多次需要使用酒精燈這一實驗器材，因此對于實驗操作的講解十分重要，若直接讓學生動手操作則可能產生危險。因此，可以先利用虛擬實驗讓學生掌握正確的實驗操作技能并及時總結經驗，再進行真實的實驗操作。這樣，不僅能提高課堂教學效率，更能避免實驗事故的發生（圖6）。

四、AR技術在小學科學實驗教學中應用存在的問題及解決辦法

（一）技術成本高昂

高質量的AR設備、軟件和教學資源往往價格不菲，并且AR技術發展迅速，新的設備、軟件和教學資源不斷涌現，學校需要不斷更新和升級設備，以使之與時俱進，但這也會增加經濟成本。因此，政府和社會各界應加大對教育科技的投入，同時提供資金支持，幫助學校引入AR技術。此外，教師可以與高校合作參與AR資源研發，不斷提升教育數字化水平。

（二）教師培訓不足

許多教師對AR技術缺乏了解，不知道如何有效地將其融入科學實驗教學。由于教師缺乏必要的培訓與支持，使AR技術在小學科學實驗教學中的應用受到限制。教育部門或學校可以開展AR技術相關培訓，同時鼓勵教師自主學習，將AR技術更好地融入實驗教學。

（三）學生參與度不一

雖然AR技術能夠激發學生的學習興趣，但并非所有學生都能積極參與其中。一些學生可能因為對技術的不熟悉或缺乏興趣而無法充分利用AR資源。教師可以利用AR技術設計有趣的實驗，逐漸增強學生的接受度與培養學生的興趣。

五、總結與展望

AR技術通過構建虛實融合的課堂環境，成功地打破了時空的界限，擺脫了傳統教學的局限，打造了一個安全且富有創新性的教學模式。在這一模式下，學生能夠更加自主地展開學習，有效地促進對他們科學素養的培育，并使其養成更加嚴謹的科學態度。這一技術的運用，不僅增強了學生的學習體驗，也為科學教育的進步開辟了新的道路。未來，AR技術還能與其他教育技術如VR、MR、人工智能等相結合，共同構建一個更加豐富、多元和高效的教育資源系統。在這一過程中，科學教師應秉持開放與包容的態度，勇于探索和實踐新的教學理念與方法，從而不斷提升自身教育教學水平。

參考文獻

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