AR技术支持下的小学科学沉浸式学习

增强现实 （ Augmented Reality，简称AR），即通过计算机图形学和视觉技术，将虚拟的信息应用到真实世界，使真实的环境和虚拟的物体实时地叠加到了同一个空间或画面，AR技术具有沉浸性、交互性、想象性的特点^[1]。教师可借助AR技术弥补小学科学教学短板，将科学世界中那些抽象的概念或者复杂的空间结构形象地展现在眼前，通过形、声、色等多种感官刺激，为以形象思维为主的小学生创设沉浸式的教学环境，提升他们在学习中的专注度、存在感、参与感，更好地培养他们的逻辑思维能力、自主探究能力、洞察能力、实践能力。

一、AR技术与科学教学结合的优势

优化小学科学课堂教学关键是将抽象问题具体化、可视化。AR技术的应用使抽象变具体，使虚拟变真实，让原本只能想象的事物变得可观察、可操作，使之可视化并具有交互性。将AR技术融入科学教学具有如下优势。

（一）使课堂教学更有趣

教师应用AR技术可创设生动直观的情境，让学生有身临其境的感觉，获得最直观的学习体验。借助AR技术创造的直观情境引导学生观察与探索，使课堂教学更生动、有趣，从而激发学生学习的积极性。例如，教师利用AR技术，让学生穿越到侏罗纪时代与恐龙进行“真实”交互，充分满足学生好奇心。

（二）使现象呈现更生动

科学课堂上学生需要经历科学实践的过程，但有些现象或结构在课堂上肉眼无法观察，如地球的结构、火山、地震、细胞等。有些知识比较抽象，如电流等，教师需要通过示意图、模拟实验等帮助学生理解。但通过这些传统方式，学生观察依然不够直观，不好理解或感觉枯燥无味。教师借助AR技术使得抽象枯燥的知识变得栩栩如生，为学生提供了沉浸式自主深入探究的机会。

（三）使学生理解更深刻

在科学课程教学中，教师将AR技术应用于生命科学、地球宇宙、技术工程、物质科学等领域，构建智能型交互课堂系统，为教学带来了生机与跃升，也让学生对相关知识的理解更加深刻。例如，执教太阳系八大行星内容时，教师用AR技术创设令人身临其境一样的宇宙空间，让行星近在眼前。教师创设沉浸式的学习环境，让学生对八大行星的关系及太阳系构成有更深刻的认识。

（四）使科学探究更自由

教师应用AR技术不仅为学生营造了虚拟与真实相融合的学习环境，而且让学生成为这个环境中的主角。例如，学生可以直接操作虚拟的实验器材，这种操作接近真实的实验探究。对于危险性较高的实验，应用AR技术进行操作可以保证学生安全，使学生对科学的探究更深入。AR技术支持下的泛在学习，突破了实验室、教室、操场等使实验场地局限，使学生的体验不受时空限制，任何时候都能体验科学探究。

二、构建基于AR技术的沉浸式学习模式

沉浸式学习可以理解为一种具有一定广度和深度的学习，是一种理解与批判、联系与建构、迁移与应用的学习，是以学生为中心，引导学生围绕具有趣味性、挑战性的问题，自主探究、分组合作，全身心地投入，获得能力提升与发展的学习过程^[2]。以学生为中心，应用AR技术为学生提供沉浸式学习体验，这与探究式学习的要求也是契合的。根据科学探究式学习特点，笔者设计了AR技术支持下的沉浸式教学流程（如图1）。

（一）创设情境，聚焦问题

沉浸式学习应基于真实情境。问题源于生活，才能激发学生学习动机，让学生有学习的欲望。

1.呈现情境（如图2）。借助AR技术将虚拟的对象展现在真实的情境中，让学生沉浸于这个情境中，将学生的学习热情调动到高点。

2.进入情境。学生置身于这样的情境中，自觉地将身心投入本课学习中。

3.聚焦问题。AR技术的应用将生动的形象展现在学生的面前，让学生将思维聚焦于问题中，为接下来的学习奠定基础。

（二）提供资源，酝酿学习

这是进一步激发学生潜意识的学习阶段。学生通过几分钟的自主体验，动手尝试，其探究学习逐步深入，快速沉浸于解决问题的状态。

1.自主体验。体验的目的就是让学生理解原理与现象。AR设备内部资源库就是一个跨学科理念的STEAM（科学、技术、工程、艺术、数学）实验室，包含了科学领域的化学、地理、数学、生物的探索平台。学生在学习新知前，利用AR技术可直接体验类似“浩瀚的宇宙”“太阳的升起”“烧水的过程”这些现象，使经验与真实的原理现象产生矛盾，为探究学习做好准备。

2.猜测假设。此阶段是自主学习阶段，学生利用AR设备开展自主活动，调用AR资源库中3D资源可以进行假设性的学习。例如在学习“认识电路”时，学生可以按自己的想法利用虚拟的电池、电线组建一个电路并尝试点亮小灯泡。

（三）合作探究，展示成果

本阶段是学习科学原理建立认知的核心阶段，包括以下三步。

1.探究合作。学生分组开展合作探究活动。ARSeek智能课堂系统（整合性AR/MR教育平台）已经开发出脱离佩戴式设备，学生利用该设备可以同步在一个画面。仿真虚拟的实验器材与真实的环境或者人进行结合交互，让小组的成员同步在一个画面中，这样有利于提高学生的关注度。

2.分享成果。小组合作完成探究任务后，发布设计稿或者文字方案，一边分享一边操作栩栩如生的作品。学生分享的不仅有文字、图片，而且有三维动画，这有利于作品获得客观评价。

3.修改成果。通过分析作品，各组学生已经进一步将知识与经验进行磨合内化形成新知识体系，再利用仿真式的素材对作品进行修改、创新，进一步加深对科学原理的认识。

（四）实践运用，达成目标

本阶段是沉浸式学习的终点，也是深度学习的起点。小学科学教学的目标是培养学生的兴趣，提升探究能力，促进学生素养的提升。教师可以组织一系列的评价、总结、反思、拓展等活动，让学生将知识进一步内化成自身的经验。

1.评价反思。教师开展多元、多主体的评价，对学生作品成果不能只看结果，还需利用AR技术重现学生制作作品的过程。评价指标应该多元，意见建议结合实际有针对性，从而帮助学生进一步思考在学习过程中产生的问题，提升元认知水平。

2.拓展迁移。反思可促成学生对科学知识进行有效迁移。在问题情境中，学生反复练习，有利于进一步内化知识、拓展知识体系。

三、AR技术支持下的小学科学沉浸式学习实践

教师应用AR技术开展小学科学教学将虚拟对象与真实情境进行叠加融合，使复杂的科学概念可视化、形象化、具体化，不仅丰富了教学资源，而且创新了教学方式，激发学生进行创造性探究学习。以教学“月相变化”为例，教学难点是让学生理解月相变化规律，通过观察日、月、地三者的位置探究月相，再利用AR技术进行全方位、多角度、沉浸式学习，深入理解不同角度看到的月相变化规律，从而建立月相变化的概念。AR技术用于课堂教学大大提高了效率，促进学生主动、深入地学习。

（一）创设情境，聚焦问题

1.呈现情境：教师用谜语引题（月相变化）。

2.进入情境：打开AR资源库，让学生置身宇宙，观察月球与地球及太阳的位置及运动关系。

3.聚焦问题：让学生带着问题观察月球大小、外形、位置等，回答问题“月球与地球有什么关系，它是月相变化的原因吗”。

（二）提供资源，酝酿学习

1.自主体验：学生观察月相变化。他们借助AR技术置身宇宙，观察月球围绕地球运转的情形。

2.猜测假设：学生将AR环境下观DXMrg+ndv50/bNRjZVeahQ==察到的现象画在黑板上，并互相评价自主学习的结果，为接下来小组探究学习做准备。

（三）合作探究，展示成果

1.探究合作。

任务1：探究月相变化的原因。小组展开深度的合作学习，打开AR资源库，找到关于地球和月球及太阳之间的方位、运动轨迹、光线传播等数据资料，探究月相变化的原因。小组成员将探究学习的成果通过AR技术进行立体、形象的展示。

任务2：探究不同名称的月相形成规律。教师引导学生利用AR技术切换观察角度，置身宇宙空间（太空）和地球观察月亮形状变化并进行比较，从而建立关于月相形成规律的深度认知。

2.交流成果：小组利用AR技术展示、分享、讨论“月相变化规律”。

3.修改成果：学生根据分析交流后的结果，再修改作品。

（四）实践运用，达成目标

1.评价反思：根据评价结果，小组成员已经完全明白月相成因，掌握月相变化的规律。

2.提升迁移：学生利用奥利奥饼干，绘制“奥利奥”月相图。

在本课的任务式教学中，教师借助AR技术创设情境，引导学生思考，帮助学生学习新知找到突破点，使原本只能想象的事物变成真实的场景，让学生体验到置身太空的感觉，层层深入探究。

AR教学方兴未艾。不少理论和实践上创新来自AR技术的科学应用，但AR技术有一定开发难度且成本不低，因而还不能普及。AR技术多是一些专业人员开发的与教学融合还不够，若能引导教师针对教学需求进行开发研究，将有更好的适用性。笔者相信未来会有积极的改进与发展。

参考文献

[1] 李轶.增强现实（AR）技术在教育教学中的设计与应用[J].数字教育，2018（5）：28-31.

[2] 罗英.批判性思维与元认知的关系探析[J].教育理论与实践，2019（23）：3-5.

（作者许贤苏系广东省佛山市南海区狮山实验学校校长;李玲芬系广东省佛山市南海区狮山实验学校教研主任）

责任编辑：祝元志