AR技術(shù)支持下的小學(xué)科學(xué)深度學(xué)習(xí)模式探究*
——以《太陽系》為例

許賢蘇，李玲芬

（廣東省佛山市南海區(qū)獅山實驗學(xué)校，廣東佛山 528225）

一、問題的提出

科學(xué)教育特別重視科學(xué)思維和方法，雖然已經(jīng)形成了比較系統(tǒng)的課程，但培養(yǎng)科學(xué)實證意識、提高學(xué)生的邏輯思維能力還需要進(jìn)一步的提升，科學(xué)教育要求學(xué)生要理解科學(xué)研究的基本過程和方法，并能在各種的探究活動中舉一反三，但是傳統(tǒng)課堂在解釋科學(xué)的原理及現(xiàn)象時較為抽象，學(xué)生理解困難。

總書記習(xí)近平在向2018年世界VR產(chǎn)業(yè)大會致賀信中指出：“當(dāng)前，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革正在蓬勃發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術(shù)逐步走向成熟，拓展了人類感知能力。”AR技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了科學(xué)傳統(tǒng)教育的短板，為學(xué)生提供動態(tài)的圖文、視頻等。對于需要表達(dá)一些抽象的概念或者復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)提供了虛擬現(xiàn)實的直觀感受，多媒介的融合，使知識可視化、具體化、形象化，豐富了學(xué)習(xí)內(nèi)容，激發(fā)學(xué)生內(nèi)在學(xué)習(xí)動機(jī)，通過AR技術(shù)讓學(xué)生獲得在形狀、聲音、顏色等多種感覺器官的刺激，有效提升了還在形象思維階段的小學(xué)生的注意力、參與度。

二、相關(guān)概念

（一）增強(qiáng)現(xiàn)實（AR）

增強(qiáng)現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱AR），也稱為混合現(xiàn)實，它是通過計算機(jī)圖形學(xué)和視覺技術(shù)，將虛擬的信息應(yīng)用到真實世界，使得真實的環(huán)境和虛擬的物體實時地疊加到了同一個空間或者畫面，具有沉浸性、交互性、想象性的特點[1]。

（二）科學(xué)教育

科學(xué)教育是STEM教育中最為核心的部分，綜合應(yīng)用科學(xué)、技術(shù)、工程與數(shù)學(xué)等學(xué)科的特點，承載著跨學(xué)科融合的特點[2]。是在復(fù)雜的學(xué)習(xí)情境中，通過設(shè)計合理的活動從而培養(yǎng)學(xué)生在真實的情境中理解原理現(xiàn)象、解決問題的能力，不斷引導(dǎo)學(xué)生深層次的學(xué)習(xí)。

（三）深度學(xué)習(xí)

深度學(xué)習(xí)是基于理解的一種具有一定廣度和深度的學(xué)習(xí)，是一種理解與批判、聯(lián)系與建構(gòu)、遷移與應(yīng)用的學(xué)習(xí)，指向科學(xué)的深度學(xué)習(xí)指的是以學(xué)生為中心，引導(dǎo)學(xué)生圍繞著具有挑戰(zhàn)性的問題，自主探究、小組合作，全身心地投入，獲得能力提升與發(fā)展的學(xué)習(xí)過程[3]。

三、AR與小學(xué)科學(xué)課堂融合的優(yōu)勢

小學(xué)科學(xué)課堂通過利用增強(qiáng)現(xiàn)實的技術(shù)，可以直觀地突破重難點，促進(jìn)學(xué)生深度學(xué)習(xí)，其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（一）AR創(chuàng)設(shè)真實情境激發(fā)深度抽象思維

科學(xué)教育中的深度學(xué)習(xí)就是讓學(xué)生領(lǐng)悟?qū)W科學(xué)的本質(zhì)，學(xué)生的前概念是影響問題解決的關(guān)鍵，借助真實的外部問題情境更容易激發(fā)學(xué)生興趣，AR通過體驗式、沉浸式的學(xué)習(xí)方式，使學(xué)生更容易關(guān)注到背景信息和材料之間的內(nèi)在關(guān)系，能透過現(xiàn)象看本質(zhì)，為深度學(xué)習(xí)指明方向。

（二）AR內(nèi)置實驗室提供深度跨學(xué)科學(xué)習(xí)

AR包括科學(xué)領(lǐng)域的生物、地理、化學(xué)、3D搭建、數(shù)學(xué)、人文藝術(shù)等，比如探索種子傳播的自然常識，同時可以借助于力學(xué)實驗室里的資源研究風(fēng)力傳播時力的大??；學(xué)生觀察胎生動物和卵生動物的區(qū)別，研究動物牙齒與飲食的關(guān)系這些科學(xué)知識，通過一些小項目就把科學(xué)、數(shù)學(xué)、藝術(shù)融合在了一起。

（三）AR開放式操作促進(jìn)深度合作學(xué)習(xí)

科學(xué)教育注重項目式學(xué)習(xí)的構(gòu)建，在實施過程中注重小組合作與交流探究，而AR應(yīng)用教學(xué)給學(xué)生提供一個合作的情境，學(xué)生能在短時間內(nèi)完成復(fù)雜的實驗操作，把更多的關(guān)注點放在觀察實驗現(xiàn)象上，使自由合作的學(xué)習(xí)氛圍更濃厚，使學(xué)生的思維不斷擦出有深度的火花，從而進(jìn)一步培養(yǎng)學(xué)生團(tuán)隊精神。

（四）AR的直觀性促成深度評價

學(xué)生主動性、積極性及創(chuàng)造性才是真正衡量教學(xué)效果的關(guān)鍵。偉大的教育家夸美紐斯說，應(yīng)該盡可能地把事物本身或代替它的圖像放在面前，讓學(xué)生去看看、摸摸、聽聽、聞聞[4]。AR提供更加立體的評價，調(diào)整評價的視角，讓評價過程可視化，評價結(jié)果公平可操作，比如科學(xué)課上的一些實驗操作的細(xì)節(jié)往往會決定實驗的現(xiàn)象，而在AR的使用下，能讓學(xué)生更好的展示實驗的過程，使每個學(xué)生都能給不同的小組客觀公平的評價。

四、AR技術(shù)支持下的小學(xué)科學(xué)深度學(xué)習(xí)模式建構(gòu)

科學(xué)教育領(lǐng)域中深度學(xué)習(xí)的目標(biāo)是引導(dǎo)學(xué)生主動打開思維的大門，深入地進(jìn)行探究學(xué)習(xí)，讓學(xué)生成為知識的主動構(gòu)建者。在這個過程中激活聚焦和實施設(shè)計是關(guān)鍵部分，教師將從這兩部分引導(dǎo)學(xué)生充分地創(chuàng)設(shè)情境展開社會互動，構(gòu)建的主要步驟有：激活聚焦、醞釀探究、實施設(shè)計、目標(biāo)成果（如圖1）。

圖1 AR構(gòu)建小學(xué)科學(xué)深度學(xué)習(xí)的路線圖

（一）激活聚焦階段

構(gòu)建真實的問題情境是沉浸式學(xué)習(xí)的第一階段，情境要與生活息息相關(guān)，讓學(xué)生全身心地投入到學(xué)習(xí)活動中，激發(fā)學(xué)生內(nèi)在學(xué)習(xí)動機(jī)，具體的步驟如下：

1.呈現(xiàn)情境。研究的問題不能假想，應(yīng)來源于生活中真實的情境，同時直觀性、形象性的問題讓學(xué)生更有親切感和真實感。

2.引出主題。借助AR將虛擬對象展示在面前，教師引導(dǎo)學(xué)生將大問題拆分成小問題，再把小問題轉(zhuǎn)化成學(xué)生可以理解、可操作的學(xué)習(xí)活動，讓學(xué)習(xí)者指向呈現(xiàn)在學(xué)習(xí)活動中的科學(xué)概念。

3.進(jìn)入情境。把生動形象的教學(xué)內(nèi)容展現(xiàn)在學(xué)習(xí)者面前，讓學(xué)生進(jìn)入一定的情境中，才能在有意義的活動中展開深度學(xué)習(xí)，比如在不同星球上擲物體、撬開地球、觀察地球的圈層結(jié)構(gòu)等。

（二）醞釀探究階段

1.激發(fā)學(xué)生前概念。這也是開展深度學(xué)習(xí)首要任務(wù)，AR平臺本身就是一個跨學(xué)科理念的STEAM實驗室，包含了科學(xué)領(lǐng)域的化學(xué)、地理、數(shù)學(xué)、生物的探索平臺，在學(xué)習(xí)這些知識前，利用AR可直接體驗類似“月亮的形狀是怎么樣的”“太陽從哪里升起”“為什么燒水水會變熱”這些現(xiàn)象形成的過程，讓學(xué)生快速激活已有的知識經(jīng)驗。

2.提供設(shè)備，探究學(xué)習(xí)。AR資源庫里的3D形象性超高的資源，學(xué)生自主地結(jié)合AR設(shè)備開展自主探究活動，再加上教師的輔導(dǎo)，將抽象復(fù)雜的問題拆分成目標(biāo)單一的探究任務(wù)，通過對每個探究任務(wù)的理論學(xué)習(xí)后，為下步的“如何做”打下基礎(chǔ)。

（三）實施設(shè)計階段

本階段也是深度學(xué)習(xí)形成的核心階段。這個階段包括：

1.小組合作。小組成員根據(jù)自己的興趣特長，負(fù)責(zé)不同的項目任務(wù)，例如ARSEEK教學(xué)資源庫，就已經(jīng)脫離佩戴設(shè)備的方式，仿真虛擬的實驗器材結(jié)合真實的環(huán)境或者人，使小組成員同步在一個畫面中，大家可以在這個環(huán)境中分工合作地開展研究任務(wù)，進(jìn)一步提升學(xué)生的參與度、專注度。

2.分享作品。這一階段要求小組成員合作共同完成作品，以設(shè)計圖或者文字方案報告的形式在小組間進(jìn)行分享，表述問題解決策略和作品制作的過程，而AR的應(yīng)用為作品呈現(xiàn)更立體，學(xué)生的分享不僅是文字、圖片，更是栩栩如生的三維動畫，使分享更吸引人，使得學(xué)生互評更直觀具體。

3.完善作品。學(xué)生經(jīng)歷對作品的深度加工、修改，可以提升學(xué)生對知識的深度理解，并內(nèi)化成自己的知識體系，利用仿真的素材進(jìn)行學(xué)習(xí)、探索與創(chuàng)新，還能對仿真的器材進(jìn)行反復(fù)操作修改，不但培養(yǎng)學(xué)生的動手實踐能力還能在一定程度上減少材料的耗損。

（四）目標(biāo)成果階段

目標(biāo)階段既是深度學(xué)習(xí)的終點也是下一階段深度學(xué)習(xí)的起點，在小學(xué)科學(xué)課中強(qiáng)調(diào)，該階段的重點并非進(jìn)行知識的教學(xué)與總結(jié)，而是關(guān)注學(xué)生素養(yǎng)的提升，其主要任務(wù)是評價、反思、遷移，進(jìn)一步深化習(xí)得的知識，具體包括：

1.多元評價。指多樣化和多主體的評價，如過程性評價、自我評價、組內(nèi)/組間互評、師生互評等，信息化平臺可以把學(xué)生在AR的操作過程屏幕拍攝共享，讓各小組互相學(xué)習(xí)，然后小組觀看討論后，再提出各種意見，使得評價不僅僅只是限于看到的成品。

2.自我反思。結(jié)合多元化的評價結(jié)果，讓學(xué)生進(jìn)一步思考在學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的問題，提升元認(rèn)知水平。

3.拓展遷移。通過反思促成科學(xué)知識有效遷移，碰到相關(guān)問題情境，學(xué)生經(jīng)過反復(fù)練習(xí)，進(jìn)一步內(nèi)化知識、拓展知識體系。

五、AR技術(shù)支持下的小學(xué)科學(xué)深度學(xué)習(xí)模式的應(yīng)用

（一）教材內(nèi)容分析

六年級下冊第三單元“宇宙”第5課《太陽系》是屬于空間與宇宙科學(xué)概念，是通過一系列的探究活動，來研究太陽系的構(gòu)成和特性，強(qiáng)調(diào)培養(yǎng)學(xué)生的探究能力和跨學(xué)科分析能力，引導(dǎo)學(xué)生在探究的過程中尋找答案，使學(xué)生獲得知識，使學(xué)生掌握習(xí)得知識的方法。

（二）學(xué)習(xí)者特征

六年級的學(xué)生一方面已經(jīng)形成一定抽象邏輯思維，但還需要具體的形象思維做支撐；另一方面對問題有強(qiáng)烈的探究欲望，注意力易集中，但情緒不穩(wěn)定，分析問題的能力還在發(fā)展中，遇到困難和挫折容易灰心。因此，在課堂中引導(dǎo)學(xué)生解決關(guān)鍵性問題尤為重要。

（三）教學(xué)目標(biāo)

1.知道太陽系是由圍繞它的行星、矮行星和小天體組成的。

2.收集和整理資料，并進(jìn)行交流，并學(xué)習(xí)科學(xué)學(xué)習(xí)的方式。

3.意識到太陽系中天體的運(yùn)動是有規(guī)律的，并可以逐漸被人們認(rèn)識。

（四）體驗太陽系建模的過程（如表1）

表1 《太陽系》教學(xué)過程

六、效果分析

為了全面分析AR支持下的學(xué)習(xí)效果，在六年級6個班，選取了3個班應(yīng)用AR教學(xué)和另三個班只進(jìn)行傳統(tǒng)教學(xué)，開展學(xué)生作品制作過程錯誤率（如圖2）、學(xué)習(xí)滿意度（如表2）和學(xué)生知識掌握程度（如表3）等方面的調(diào)查。

圖2 制作八大行星模型圖錯誤率分析

AR資源庫內(nèi)容豐富，探究性的教育理念極強(qiáng)，將一些枯燥的知識變成一個個生動的形象，吸引學(xué)生主動地建構(gòu)、積極地探究學(xué)習(xí)新識。從圖2的數(shù)據(jù)可知，應(yīng)用AR技術(shù)課堂與傳統(tǒng)課堂相比，AR技術(shù)應(yīng)用下的知識更直觀易理解，100%的學(xué)生完成作品，而作品完成優(yōu)秀率也比傳統(tǒng)課堂多一半以上，錯誤率也遠(yuǎn)遠(yuǎn)比傳統(tǒng)課堂的少，說明在AR應(yīng)用的課堂，學(xué)生注意力更集中，學(xué)生的觀察已經(jīng)不僅僅是停留在物質(zhì)的表象，而是透過表象深入理解事物的本質(zhì)，這樣深入探究學(xué)習(xí)才會減少錯誤。

未來的教育應(yīng)該是“身心一體，知行合一”。[5]從表2的數(shù)據(jù)中可知，78.21%的學(xué)生認(rèn)為提高了自己的學(xué)習(xí)興趣，非常滿意這樣的學(xué)習(xí)環(huán)境。有興趣才能推動學(xué)習(xí)，有學(xué)習(xí)的心才能向深入的方向發(fā)展。結(jié)合AR互動性的特點，學(xué)生可以用眼看、耳聽、手做、腦想等，從情境、經(jīng)過、結(jié)論全方位的參與到知識點中，讓知識變得真實、生動、形象，使得學(xué)生在這樣沉浸式的學(xué)習(xí)中，不斷地思考，不斷地激發(fā)學(xué)生深層次的學(xué)習(xí)。

表2 AR技術(shù)支持下的小學(xué)科學(xué)深度學(xué)習(xí)模式滿意度調(diào)查表

表3的數(shù)據(jù)是根據(jù)學(xué)生的探究作品及日?？疾檎{(diào)查得出，通過AR這樣的學(xué)習(xí)環(huán)境，98.8%的學(xué)生都能掌握最基礎(chǔ)的知識點，說明這對于突破重難點方面是非常有效的；近60%的學(xué)生能進(jìn)一步進(jìn)行創(chuàng)造性學(xué)習(xí)，說明AR技術(shù)在一定程度上挖掘了學(xué)生的創(chuàng)造性思維，能夠潛移默化引導(dǎo)學(xué)生深入展開創(chuàng)新探究學(xué)習(xí)。

表3 AR技術(shù)支持下的學(xué)生知識掌握程度調(diào)查表

七、結(jié)語

實踐證明，只有能有效提高課堂效率的教學(xué)工具才能在課堂中廣泛地使用。AR技術(shù)應(yīng)用于科學(xué)課堂，將抽象、難懂的知識以形象、直觀、交互式的方式呈現(xiàn)在學(xué)生的面前，創(chuàng)設(shè)與知識互動的情境，提高學(xué)生對知識的理解，潛移默化地培養(yǎng)學(xué)生觀察、發(fā)現(xiàn)、研究和解決問題的能力，為逐步形成科學(xué)的探究與創(chuàng)新氛圍提供了必要的條件[6]。今后將重點研究AR應(yīng)用進(jìn)一步優(yōu)化科學(xué)課堂的效果，嘗試?yán)肁R技術(shù)優(yōu)化在線課堂和在線學(xué)習(xí)，進(jìn)一步提升課堂質(zhì)量。