基于AR技術的小學科學教學資源開發設計研究

摘" 要：增強現實（AR）技術融合了計算機技術、通信技術和識別技術等多種先進技術，是一種新型的多媒體交互手段。將增強現實技術引入小學科學課堂教學是轉變傳統教學方式的一種創新嘗試，能夠有效激發學生的學習興趣，提升他們探究問題的能力。以小學科學課文“各種各樣的蘑菇”為例，探討如何將增強現實（AR）技術融入小學科學課程的教學資源設計，并提出了相應的構思方案和框架。

關鍵詞：小學科學；AR技術；教學資源

文章編號：1671-489X（2025）05-0-04

DOI：10.3969/j.issn.1671-489X.2025.05.

0" 引言

《中國學生發展核心素養》明確了學生在接受教育后應具備的基本素質和能力，以及應成為什么樣的人才。核心素養的提出，不僅是對原有基礎教育的延續，更是對它的改革與創新。它對我國基礎教育課程改革與發展進行了補充與完善，推動了學生素質發展的變革，同時也為當前教育理念、培養目標與教育教學實踐帶來了創新。中小學教育應在原有課程體系的基礎上，協調好學生核心素養的培養與課程結構的關系，將培養學生相關學科能力作為核心課程內容，并實現二者的有機結合。

小學科學是小學教育階段的一門重要基礎學科。根據《義務教育科學課程標準（2022年版）》，科學課程要培養的核心素養，主要是指學生在學習科學課程的過程中，逐步形成的適應個人終身發展和社會發展所需要的正確價值觀、必備品格和關鍵能力，是科學課程育人價值的集中體現，包括科學觀念、科學思維、探究實踐、態度責任等方面。

基于以上觀點，筆者嘗試將增強現實（AR）技術應用于小學科學教學，并以人教版小學科學教材四年級上冊“各種各樣的蘑菇”這一章節為例進行分析，提出了相應的學習資源開發設計方案，供同行參考，希望能為小學科學課堂教學提供有益借鑒。

1" 教學中存在的問題

通過訪談相關教師，筆者發現小學科學課堂教學中存在一些傳統教學模式的弊端。具體表現為：課堂以教師單向灌輸式講授為中心，教學方式較為機械、枯燥，導致學生學習興趣不高，課堂參與積極性較低，學生大多處于被動接受知識的狀態。此外，從教學內容來看，小學科學課堂的實踐環節較少，缺乏深度的科學探究活動。

然而，形式多樣的科學實踐活動不僅能幫助學生深入探究科學奧秘，更好地理解知識點，還能直觀地闡釋科學現象背后的原理。這種教學方式有助于激發學生的學習興趣和求知欲望，從而增強他們的學習動機[1]。

基于對以上存在問題的分析，提出兩個方面的研究內容。

1）改變傳統的教學方式，創新小學科學課堂教學方法。

2）增設小學科學課堂的實踐教學內容，培養學生自主學習和探究問題的能力。

2" 基于AR技術設計教學資源的意義

AR技術具有獨特的特點和顯著優勢。將其與小學科學教學資源相結合，一方面能夠創新小學科學課堂教學方法，借助新媒體技術生動呈現教學內容；另一方面，通過交互式實踐操作，能夠加深學生對知識的理解，提升其探究問題的能力。

以人教版小學科學教材四年級上冊“各種各樣的蘑菇”這一章節為例，該內容屬于科學教材中“植物”單元的重要組成部分。選擇這一章節作為研究對象的重要原因在于：通過對該章節的教學，教師不僅可以培養學生對相關知識點的認知，提升其文化素養，還能鍛煉學生動手操作能力，從而充分體現核心素養中科學思維能力與實踐能力的培養目標。

1）認知能力。即認識蘑菇的類型和結構。蘑菇作為一種生物，對小學生而言在認知上具有一定陌生性。盡管學生在生活中見過一些常見的蘑菇，如香菇、草菇、姬菇、口蘑等，但全世界有數萬種蘑菇，其中許多是學生未曾見過的，借助AR技術讓學生認識更多蘑菇的類型。此外，借助AR技術展示和演示蘑菇的組成與內部構造，讓學生更直觀、深入地了解蘑菇的特征。

2）實踐能力。即培養學生動手操作能力。學生通過課堂中的交互式實踐操作，借助AR技術了解蘑菇生長所需的條件。通過AR技術創設的虛擬實驗情境，學生能夠更直觀地理解植物的生長條件和習性。

3）素質拓展能力。即培養學生探究問題的能力。在借助AR技術和三維圖形展示蘑菇的基礎上，學生能夠將蘑菇與其他植物進行對比和歸類，并學會辨別食用蘑菇與毒蘑菇的方法。

3" 相關概念和理論基礎

3.1" 相關概念

3.1.1" 核心素養

2014年印發的《教育部關于全面深化課程改革落實立德樹人根本任務的意見》提出，“教育部將組織研究提出各學段學生發展核心素養體系，明確學生應具備的適應終身發展和社會發展需要的必備品格和關鍵能力”。

《中國學生發展核心素養》指出，核心素養以培養“全面發展的人”為核心，分為文化基礎、自主發展、社會參與三個方面，綜合表現為人文底蘊、科學精神、學會學習、健康生活、責任擔當、實踐創新六大素養，具體細化為國家認同、理性思維等十八個基本要點。各素養之間相互聯系、互相補充、相互促進，在不同情境中整體發揮作用。

3.1.2" AR技術

AR技術即增強現實技術，是一種通過計算機技術將虛擬影像或圖像信息疊加到真實世界中的技術。它能夠將虛擬物體與真實場景實時融合，并呈現在同一個畫面或空間里，使兩者同時存在，虛實結合，真假難辨。

其最大特點是利用可穿戴設備對現實物體進行標注，并通過復雜的數學和物理算法實現識別與匹配。在此基礎上，計算機生成的虛擬數據可以增強或擴展現實世界的影像，從而為用戶帶來更加豐富的交互體驗。

3.2" 理論基礎

3.2.1" 情境認知理論

情境認知理論認為，實踐并非獨立于學習之外，意義也不與實踐和情境脈絡相分離，而是在實踐和情境脈絡中不斷協商而形成的。從某種意義上說，知識是與環境相互作用而構建的。情境學習不僅僅是將教學置于特定情境中，而是更關注知識是如何在實際活動中發展的。情境認知理論強調，知識與行動是相互交織的——知識具有情境性，并且通過活動不斷發展。參與實踐能夠促進學習和理解[2]。

本學習資源的開發設計方案旨在通過創設學習情境，讓學生參與其中。借助AR技術實現交互，幫助學生加強對知識點的認知，提升對實驗過程的理解和邏輯分析能力，同時鞏固知識并培養知識探究與拓展的能力。

3.2.2" 心流體驗理論

心流概念最初由心理學家CSIKSZENTMIHALYI在20世紀60年代提出。他在觀察藝術家、棋手等群體時發現，一些人在全身心投入工作時，會因過于專注而不知不覺地忘記時間流逝，甚至忽略周圍環境的存在[3]，并且在事情完成后產生一種充滿能量的感受。

本學習資源的開發設計目的之一，是通過創設虛擬空間環境，讓學生沉浸式地投入學習，立體化地感知學習情境，從而提高學習效果。

3.2.3" 建構主義理論

該理論主張，學習是在學生原有知識和經驗的基礎上，通過在特定社會環境中主動對新信息進行加工處理而實現的。學習并非教師將知識簡單地傳遞給學生，而是學生自主建構知識的過程。學生不是被動接受知識，而是主動構建知識的內涵和意義，這種建構是學生自身的行為，無法由他人替代。基于此，筆者在構思教學資源方案時，希望通過AR技術將教學內容整合為一個完整的知識體系，使學生能夠主動獲取知識內容，并構建自己的知識結構，從而達成學習目標。

將AR技術與小學科學教學資源相結合，旨在為學生創造虛實融合的學習情境，使其全身心投入學習，達到深度學習的效果。

4" 教學設計

本研究選取章節為人教版小學科學教材四年級上冊第二單元“各種各樣的蘑菇”。在教學設計方面，主要圍繞教學目標與教學內容展開，具體如下。

4.1" 教學目標

1）知識與技能目標：了解常見蘑菇的構造，掌握辨別食用蘑菇和毒蘑菇的方法。

2）過程與方法目標：對比不同蘑菇的特征，并結合生活經驗，掌握常見蘑菇的相關知識。

3）情感態度與價值觀目標：培養學生善于觀察的品質，提高對比和辨別的能力。

4.2" 教學內容

1）引出教學內容：以學生繪畫為導入，讓學生畫出自己心中的蘑菇，從而引出生活中各種各樣的蘑菇，包括常見的和不常見的蘑菇形狀。

2）具體教學內容：借助多媒體技術，結合圖片展示，介紹常見蘑菇的顏色、構造等特征。通過詳細講解，引導學生探索和學習蘑菇各部分的名稱和功能。

3）鞏固教學內容：通過連線的方式，讓學生將各種蘑菇的外形與名稱進行匹配，以加深他們對課堂教學內容的理解，并借此了解學生的學習效果。

4）知識拓展：結合蘑菇圖片，重點講解如何根據蘑菇的外形區分食用蘑菇和毒蘑菇。

5）課后練習：課后要求學生通過資料查找，了解蘑菇的特點、作用以及當前的蘑菇栽培方法和技術等相關知識。

該設計重難點突出，時間為1個學時。教學內容緊密結合小學生該年齡段的學習心理特點，嚴格依據教學目標和教材要求進行設計。

5" 基于AR技術的教學資源設計方案

5.1" 方案的思路

本研究的設計方案主要基于學生對學習資源的需求和教師對教學資源的需求，同時結合課程教學的培養目標，進行系統分析、研究和設計。該設計方案構思如圖1所示。

5.2" 方案的特點

結合AR技術，該設計方案體現了以下特點：

1）技術性：該方案融入了AR技術，采用EasyAR或Vuforia進行軟件開發，并利用3DMax或C4D等建模軟件創建三維立體模型。模塊之間也具有良好的邏輯性。

2）經濟性：與VR技術相比，AR技術開發的交互功能更易實現，成本更低。通過手機終端掃描圖片或卡片，即可實現模型識別、顯現和相關視頻播放。

3）互動性：該方案的一大特色和亮點是通過AR交互設計，讓學生在情境互動中學習。尤其在小學科學實踐環節，對互動性的要求更高。

4）教育性：該方案用于教學，幫助學生通過直觀的形式更好地理解課本知識，并將AR技術融入教學內容，實現寓教于樂。

5）科學性：在設計和開發過程中，通過前期調查（如訪談法）發現問題，對學生和教師進行需求分析，再實施教學資源的設計與開發，體現了科學性原則。

6）藝術性：根據小學生的思維發展規律和心理特點，界面設計中使用與蘑菇相關的圖形和模型元素。設計時注重內容豐富而不雜糅，形式簡潔而不簡單。

7）實用性：該方案主要面向小學階段學生，用于小學科學課堂教學資源的學習與使用。

5.3" 方案的框架

本研究選取的章節是人教版小學科學教材四年級上冊中的“各種各樣的蘑菇”。設計方案必須圍繞教材中的知識點展開，否則將脫離教材內容。基于此，建議采用3DMax或C4D進行模型創建，也可從專業網站購買現成模型，以節省建模時間成本。功能設計可借助Unity3D軟件和EasyAR插件實現，并圍繞3個方面、5個模塊展開方案構思。具體設計方案框架見圖2至圖5。

其中，模塊2和模塊4可參考模塊3進行設計與開發，此處不再贅述。以下是對該設計方案的3個方面、5個模塊的具體說明。

5.3.1" 認知方面（認一認）

認識各種蘑菇。

模塊1：蘑菇的外形展示。通過掃碼，借助AR技術展示常見和不常見的蘑菇外形，并附以文字說明（如蘑菇的介紹、毒性提示等）。

模塊2：蘑菇的組成結構。通過掃碼，借助AR技術演示蘑菇的組成結構。學生可通過縮放、旋轉等交互操作，全方位、立體式地瀏覽蘑菇結構，了解其組成部分。蘑菇通常由菌蓋、菌褶、菌柄和菌絲組成。

5.3.2" 實驗實踐方面（做一做）

讓學生理解蘑菇生長所需的條件：一定量的水分、適宜的溫度以及有氧的空氣。同時，讓他們了解蘑菇的分類歸屬，并掌握其與毒蘑菇的區別。

模塊3：蘑菇生長的條件。先提供花盆和蘑菇幼苗模型，將蘑菇幼苗栽種在花盆中。學生通過AR技術交互操控，控制水量、調節溫度和增減有機肥料。

通過這三種交互操作，觀察蘑菇的生長情況，通過演示讓學生理解蘑菇生長的條件跟哪些因素有關，而這些條件就是教學的重點內容。

模塊4：蘑菇的類別歸屬。通過AR交互技術，展示蘑菇孢子真菌與毒蘑菇細菌的外形對比。學生觀察并對比兩者特征，拓展對菌類生物的認知，了解蘑菇與毒蘑菇的區別。

5.3.3nbsp; 知識訓練方面（練一練）

關于蘑菇知識的鞏固與加強。

模塊5：蘑菇知識練習。展示蘑菇的各個部分名稱（包括菌蓋、菌柄等），并附上一張常見蘑菇的圖片。學生需要將蘑菇的各個部分與其名稱進行連線。此環節旨在考查學生對蘑菇知識的掌握程度。

6" 結束語

本研究立足于小學階段的課程教學，以小學科學課程中的“各種各樣的蘑菇”為例，結合AR技術，從教學內容的知識認知、知識探究和知識鞏固三個方面提出基于AR技術的小學科學課程教學資源的設計構思與框架，以期為小學科學教學提供參考與借鑒。

當然，除了利用AR技術開發教學資源外，還需要借助PPT演示課件、投影儀、音響等必要的硬件設備來輔助教學。希望本研究能夠為小學科學的教育教學帶來一定的幫助。

7" 參考文獻

[1] 高琪.深度學習視角下基于AR的小學科學學習活動設計與實踐研究[D].西安：陜西師范大學，2019.

[2] 王欠文.中小學課堂情境教學設計研究[D].開封：河南大學，2018.

[3] CSIKSZENTMIHALYI M. Beyond boredom and anxiety[M].San Francisco：Jossey-Bass，2000.

作者簡介：黃偉，副教授；王珂，通信作者，講師。