增强现实技术在初中生物学习活动中的设计与应用*

高千茗 庄天宝

（沈阳师范大学 新闻与传播学院，辽宁 沈阳 110034）

一、增强现实技术与心流理论

（一）增强现实技术

增强现实（Augmented Reality，简称AR）是广义上虚拟现实的加强版。AR 通过计算机技术将虚拟的信息叠加到真实世界, 真实的环境和虚拟的物体实时融合到同一个画面中。AR 技术除了具备VR 技术所具备的“3I 特征”，即沉浸性（Immersion）、交互性（Interactivity）和构想性（Imagination）外，还可以增强对真实世界的体验感，而不是取代现实。随着技术手段的进步，AR 的应用领域逐渐扩大。在艺术领域中，2013年蛇年春晚歌曲《风吹麦浪》的舞台效果就运用了AR 技术，构建出树木、蝴蝶、金色的麦浪等自然风光。在情感领域中，日本市一公司利用“AR+GPS”技术，推出“Spot message”软件，当用户置身于充满回忆的景点时，可再现故人的身影。在医疗领域中，微软HoloLen 全息眼镜应用AR 技术，可视化复杂的人体结构，除此之外，AR 技术在整容手术、监测患者生命体征方面都有涉猎。

（二）心流理论

学习者为达成预期的学习目标可以动手操作进行实验，凭借其沉浸式媒体属性能达到高质量的学习效果，获得有价值的反馈后，增加学习者的心流体验，如图1 所示。心流的概念最初由美国心理学家米哈里·齐克森米哈里提出，是指一种忘记自我乃至周遭环境的沉浸状态，而心流体验则是对这种状态直观的心理体会和情绪感受[1]。心流模型中，在低等挑战下，中等技能时会产生“轻松”的心理状态，高等技能时会产生“厌倦”的心理状态；在中等挑战下，低等技能时会产生“担心”的心理状态，高等技能时会产生“掌控”的心理状态；在高等挑战下，低等技能时会产生“焦虑”的心理状态，中等技能时会产生“激发”的心理状态，而高等技能高等挑战时会产生“心流”体验。针对心流模型下的AR 教学而言，在技能体验上，AR 在教学中营造沉浸感，同时AR 功能庞大，使用过程具有挑战性，使用AR 技术能使学习者易于达到“心流”的感受，学生以最直观的方式进行游戏化学习，从而提升初中生的生物学习素养。

图1 Csikszentmihalyi 的心流模型

（三）增强现实应用于教育领域的情况分析

在CNKI 资料库以“增强现实+教育”和“增强现实+教学”为主题词，对近10年相关文献进行检索，剔除无关的关键词并筛选全部文章后，整理得知与文章相关的主题剩余640 篇。其中学术期刊327 篇、学位论文211 篇、国内会议8 篇、国际会议5 篇，近10年发表趋势如图2 所示。

图2 近10年论文发表趋势分析

从表1 中可以看出，2012—2016年AR+教育的引用量较低，持续在相对稳定的阶段。2016年起出现了新的转折点，连续三年引用量飞速上涨，并于2019年达到近10年峰值。至2020年引用量有所下降，2021年又逐步提升。

在教育领域中，AR 技术逐步与学科教学相融合。例如数学领域的概率学习在AR 技术支持下，学生的积极性会显著提升。物理领域的凸透镜成像实验可以培养学生的动手能力、化学领域的危险性实验内容学习、地理领域的等高线或铁路干线等景观能清晰直观地呈现在学生眼前、生物领域中对微观世界的观测能引发学生的无限好奇，开发学生的创造能力并培养学生的发散性思维等[2]。

二、初中生物学习活动中的AR应用案例解析

（一）观测植物的生长情况

植物由于生长缓慢，学生很难持续一段时间观测植物变化。例如实验观察植物的生长变化时，学生只能观测到碎片化的生长过程，记录的时间大多以“天”为单位。AR 技术可以细化植物的生长过程，学生通过技术手段观测各个时间段植物的生长情况。植物的光合作用的教学内容常涉及虚拟的公式（如图3）和无法用肉眼直接观测的物质（CO2 浓度、气体交换过程等）,AR 技术将丰富的虚拟数字信息叠加在真实世界中,让真实物体和虚拟对象深度融合,将抽象的过程可视化,营造沉浸式的学习体验，让学生看到水的光解,ATP 合成、C3 还原过程[3]。其沉浸性让学生能深刻地感知生命的变化过程，AR 技术作为衔接微观世界和宏观世界的桥梁，极大程度上培养了学生的认知能力，构建抽象概念与真实事物的联系。

图3 光合作用图解

（二）辅助学习者认识微观世界

人教版七年级上册生物书第二单元《生物体的结构层次》中，展开学生对微观世界的探索。细胞作为构成生命的基本单位，在生物学习中占有至关重要的地位。现阶段中小学生物实验使用的教学仪器为光学显微镜，但光学显微镜下的生物细胞只能看见形态而无法观测细胞结构[4]，而且操作过程烦琐，会面临实验失败削弱学生的学习动机等问题。AR 技术作为新型的技术手段，可以直观化呈现三维细胞结构，学生通过动手实践达到交互式学习的效果，获得高质量的学习反馈。例如可以清晰地观测植物细胞膜、细胞壁结构，观测植物细胞中叶绿体、线粒体含量等。除观测动植物细胞外，还可以观测细菌、真菌等物质。微观世界中还存在着非细胞结构的物质，例如病毒。由于病毒具有危险性，用实验的方式观测病毒的结构成为中小学实验阶段的难题。这种形式下呈现的病毒样例单一，可视化效果较差。AR技术以三维立体的形式，可以呈现病毒的生命活动的特点和繁殖方式，有助于启蒙学生走进微观世界，培养学生的求知欲。

（三）人体器官结构可视化

在《心脏和血液循环》课程中，传统的二维图片只能简单了解心脏各部位的名称，无法呈现血液流经的部位、工作循环的流程体系。AR 技术立体化呈现心脏模型的同时，还设计了拆分模型的功能，学生从局部区域的拆分入手，按照一定的逻辑体系对心脏的结构和各部分功能进行全面学习。学生可以采用局部放大或缩小的功能对心脏结构进行清晰的观测，也可以多角度旋转观察等。除了观察结构外，还能观察整个血液循环过程。由于人体的血管数量繁杂交错、分布范围广，体循环和肺循环流经的身体器官多，在血液循环过程的学习中，需要识记大量知识点。由于循环过程的抽象性，学生难以深入把握并形成长期记忆。在AR 技术的支持下复杂的教学目标得以实现，使学生的理解能力有了质的飞跃，并能激发学生的学习动机，推进学生深度思考以达到记忆的效果。

三、增强现实技术支持下的初中生物学习活动设计

（一）AR支持下的教学模式设计

总体来看，依据AR 技术在探索微观世界的过程中模拟真实世界与虚拟世界的信息集成、沉浸性的观测事物的发展变化、可视化进行交互学习等一系列过程，设计了教学过程模型应用于本研究的学习活动中，如图4所示。首先对AR 设备的操作过程进行初步的认知与了解，用设备展示实验过程使学生沉浸于AR 技术创设的环境，为学生营造沉浸式的学习体验。在小组协作过程中，学生使用AR 设备模拟实验，达到仿真的、互动的目的，激发学生的探索欲，形成高质量的学习反馈。在设备操作过程中学生可能会产生有关疑惑，通过学习共同体彼此交流，将大问题划分为一系列子问题，有助于实现高质量的教育目标。

图4 AR 支持下的教学模式设计

学习活动设计中，演绎型学习活动设计适用于原理的学习。媒体技术用来提供某一事物的运行、生长、发展的完整过程。生物学科属于理科类，原理的学习过程占据篇幅较大，笔者以人教版七年级生物上册课程《光合作用吸收二氧化碳释放氧气》为案例，设计了如下教学设计。

案例：《光合作用吸收二氧化碳释放氧气》

最初美国心理学家米哈里·齐克森米哈里表明：心流体验发生在目标明确、能够得到及时反馈并且挑战与能力平衡的情况下。本案例利用基于心流理论的AR 技术进行生物教学，整体流程分为创设情境、提出问题、活动设计、分析问题、评价反思五阶段，目的是让学生游戏化学习的同时，运用本研究设计的教学模式进而高效地使用AR 技术掌握新知识。

（二）教学设计前期分析

1.教学内容分析

《光合作用吸收二氧化碳释放氧气》选自人教版七年级上册生物书第五章。光合作用是专属于绿色植物的一项非常重要的生理功能，是整个章节乃至整个初中生物的重点，本节课需要记忆的概念复杂抽象，通过复杂的概念来掌握光合作用的过程是本节课的重点。因此结合AR 技术来直观化光合作用的原料、发生过程、生成物显得尤为重要。

2.学习目标阶段

（1）知识与技能

掌握光合作用的概念；明确光合作用的发生过程、原料、生成物；明确光合作用的实质；了解光合作用在农业生产中的应用。

（2）过程与方法

使用AR 技术手段让学生动手操作进行实验过程的学习，模拟光合作用所需的光线和绿色植物在光下生成的产物的实验过程。

（3）情感态度价值观

培养学生接触新教学技术开阔视野以及合作探究新知识的能力，提升学生热爱生命、热爱自然环境的情感态度。

3.学习者特征分析

皮亚杰的认知发展阶段论指出，初中阶段的学生能够依据逻辑推理、归纳或者演绎的方式来解决问题。

（1）起点分析：初一年级的学生正处于小学至初中的过渡期，生理心理处于飞速发展阶段，教学方式很大程度上影响学生的学习成绩。

（2）认知能力：理解抽象空间的思维较弱。只能进行简单的逻辑推理。当教学模型以三维立体的形式呈现时更便于他们的理解。

（3）学习态度：初中阶段的学生处于青春期，具有冒险和探索精神，对新鲜事物充满好奇，但依赖性较强，教师应培养其独立自主的态度。

4.教学重点和难点

（1）教学重点：光合作用的概念、发生过程、原料、生成物、反应式。

（2）教学难点：运用AR技术学习光合作用实验的过程。

（三）教学工具准备

教师通过客户端平台软件将AR 教学设备安装到一体机上，通过软件+硬件的方式进行使用。教师简单展示AR 软件的使用过程，使学生了解AR 技术的使用方式，并引导学生运用移动设备例如手机、iPad 逐步演示光合作用的过程，使用软件动手操作，为学生创设出沉浸式的心流体验。

（四）学习活动设计

1.创设情境与提出问题

创设情境最直观的目的之一是激发学生的求知欲，通过调动学生内部的学习动机，才能更有效地进行知识的内化与创造。通过播放动画，增添教学内容的趣味性，调动学生的视觉感官，带给学生新鲜感。设置问题可以引发学生的思考，增强课堂的互动性，使整个教学过程更连贯。具体案例设计如表1 所示。

表1 创设情境与提出问题的设计

2.活动设计部分

按照本实验设计的教学模式，研究者将使用AR 的活动设计划分为三部分，即：AR 展示实验过程、独立探索使用AR 和小组协作使用AR。AR 展示所学的实验过程，为学生营造轻心流体验；在独立探索使用AR 的过程中因个人操作能力有限，会产生焦虑、担心的情绪，为应对该情况的出现，采用小组协作使用AR 的形式，在操作难度系数较高的技术的同时降低挑战难度，激发学生的学习动机，达到掌握知识的目的。具体案例如表2 所示。

表2 活动的设计

3.分析问题与评价反思部分

运用AR 进行学习活动之后，进入问题分析与评价反思阶段。学生回答教师在导入阶段设置的问题，记忆有关光合作用的概念与公式，并对学习的内容以及使用AR 过程中存在的问题进行整理与反思。通过反思总结AR 使用的经验以及课堂活动中存在的不足，促进学生使用AR 能力和生物知识学习能力的发展，同时反思可以加深理论与实际相联系的过程，使学习本身更有意义。具体设计如表3 所示。

表3 分析问题与评价反思的设计

（五）学习活动总结

传统的生物学习活动中，教师主要通过图片、视频等教学资源进行课程讲授，但此教学模式多为教师主导，学生自身对课程学习的交互性、体验性较差。因此AR 技术在培养中学生的实践能力时显得尤为重要。随着新技术的发展，AR 技术走进课堂应用于教育教学。使用AR 设备进行学习的活动中，学生分析问题、解决问题的能力有所提高，AR 技术创设的沉浸感，创设真实的教学情境能促进学生达到高阶的心流体验，激发学生的学习动机，促进知识的迁移与内化。但部分学生存在动手能力弱的情况，使用AR 设备时学习效率低。应考虑AR 设备使用的细节问题，引导学生采用正确的方式使用设备会减少眩晕感；教师需要做好教学设计，避免过多依赖AR 的媒体属性进行教学，应把握好教学进程，讲授知识的同时注重学生的反馈。

四、初中生物学习应用增强现实技术的优势

（一）营造沉浸式学习体验

学生学习细菌、病毒等内容时，单纯的PPT 教学难以引发学生的学习投入，学生内部的学习动机不足，在教学中常处于被动地位[5]。AR 技术具有沉浸性，学生立体感知教学内容的同时进行情景和知识的创设，实现现实课堂与虚拟场景的叠加融合，使枯燥的学习过程生动形象。同时也避免由于真实场景引发的危险性问题。由于AR 技术具有沉浸感强的特点，教师应把握学生的使用时间，缓解学生的视觉疲劳，也不能忽视成瘾性问题，避免学生沉溺于其中无法自拔。

（二）形成高质量学习反馈

北师大蔡苏团队开发出AR 技术应用于生物教育的软件，经实验得出在两组被试者无明显差异的情况下，使用AR 技术进行学习的班级成绩明显优于未使用的一组[6]。AR 技术具有交互性的特点，学生通过动手操作能积极地建构外在知识，而不是被动地接收知识，能引发学生的深入思考，对学习的细胞结构、光合作用等过程进行深度理解，进而获得高质量的学习反馈。但是不排除存在学生因对新技术的陌生感，引发操作不熟练和浪费学习时间降低学习效率的问题。

（三）达成高水平教学目标

布鲁姆的教育目标分类法分为知识、领会、运用、分析、综合、评价，其中“评价”是最高级的结果。传统生物教学目标多追求概念、原理识记，对于学生进行生物实验的操作性和实践性要求较低，忽视学生的动手能力和创造能力。AR 技术作为一种教学媒体，通过创设仿真实验场景进而解决教学环境受限的问题，使学生达到“评价”实验现象的目的。在光合作用教学中模拟卫生香复燃实验，可以将复杂的实验过程简单化，有效减少教学活动的危险性。但是，技术虽然会创造一种叠加于真实情境中的环境, 实践起来对学校的经费需求较高，容易出现受现实条件的制约而无法实施的情况[7]。

五、结束语

现阶段兴起的众多人工智能技术中，AR 技术处于发展的前沿。AR 技术伴随着用户体验感的提升，已传播到更多的领域。在生物教学领域中，掌握学科知识不仅需要教师的讲解和演示，也需要在师生的相互依赖下分工协作并充分沟通。对于教师而言，使用AR 技术能使教学活动更生动、富有创造力，并实现高水平的教学目标。对于学生而言，AR 技术能直观地展示生物体的功能结构等相关内容，创设沉浸式学习体验，激发学生学习动机，且有助于知识的内化与创造性的发展，达到掌握知识与技术的心流体验。在师生的互动中，教师让学生进行实践活动，能有效地促进学生的探索精神、批判性思维、问题解决能力的发展。现阶段生物课堂教学仍以讲授法为主，随着科技的进步，AR 技术应用于初中生物课堂会随技术的优化加速其与课堂融合的进程。