周善偉

【摘 要】研究基于落實(shí)數(shù)學(xué)核心素養(yǎng)、促進(jìn)教師教學(xué)方式智能化的需求，以南京市某區(qū)為例，從教師的視角分析、研究空間觀念的培養(yǎng)在小學(xué)數(shù)學(xué)課堂落地的現(xiàn)狀和問(wèn)題，在具身認(rèn)知理論引領(lǐng)下，以案例形式探討如何運(yùn)用AR技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)具身認(rèn)知課堂，從而構(gòu)建促進(jìn)小學(xué)生空間觀念發(fā)展的教學(xué)實(shí)踐路徑。

【關(guān)鍵詞】空間觀念 具身認(rèn)知理論 AR技術(shù)

一、現(xiàn)實(shí)窘境：空間觀念教學(xué)的時(shí)代遭遇

為了解教師在空間觀念教學(xué)中存在的問(wèn)題和需求，筆者選取了江蘇省南京市某區(qū)960名小學(xué)數(shù)學(xué)教師進(jìn)行了問(wèn)卷調(diào)查和訪談，針對(duì)教師對(duì)“圖形與幾何”教學(xué)內(nèi)涵和意義的認(rèn)識(shí)、教學(xué)內(nèi)容、學(xué)習(xí)方式、作業(yè)設(shè)計(jì)、評(píng)價(jià)方式等五個(gè)方面進(jìn)行了教學(xué)現(xiàn)狀的調(diào)查。綜合分析問(wèn)卷數(shù)據(jù)，筆者發(fā)現(xiàn)以下三方面的問(wèn)題。

（一）教學(xué)中沒(méi)有凸顯空間想象

根據(jù)問(wèn)卷數(shù)據(jù)，筆者發(fā)現(xiàn)在課堂教學(xué)方面，更多教師需要?jiǎng)?chuàng)設(shè)方便學(xué)生體驗(yàn)的情境以增加空間觀念的遷移性、利用操作簡(jiǎn)單的學(xué)具來(lái)增加空間觀念的直觀性以及設(shè)計(jì)讓學(xué)生感興趣的課堂教學(xué)內(nèi)容（表1）。

（二）空間觀念的教學(xué)缺乏相應(yīng)的技術(shù)支持

調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，問(wèn)及“您認(rèn)為在小學(xué)階段注重空間觀念的培養(yǎng)有必要嗎”，73.23%的教師覺(jué)得非常有必要，約有20%的教師覺(jué)得有必要，這說(shuō)明教師重視對(duì)學(xué)生空間觀念的培養(yǎng)。受訪教師認(rèn)為影響學(xué)生空間觀念發(fā)展的因素更多的是學(xué)生年齡、知識(shí)的難易程度、學(xué)生空間觀念的強(qiáng)弱、課堂教學(xué)、多媒體教具的使用等，而解決這些需要依賴課堂教學(xué)的直觀性，需要教師使用一些技術(shù)和教具增加空間觀念的直觀性，向?qū)W生有效地傳遞空間觀念。

從教師訪談可知，教師的需求也集中在：給教師既有的教學(xué)方式提供便利，比如多媒體輔助教學(xué)的方式需要平臺(tái)支持和技術(shù)支持、云資源等，但是部分教師不會(huì)使用新興的技術(shù)，并在不同教齡上呈現(xiàn)顯著差異，3年以下的新教師36%不知道在什么環(huán)節(jié)加入技術(shù)，他們更需要具體的課堂案例進(jìn)行針對(duì)性輔導(dǎo)；超過(guò)一半的教師希望學(xué)校提供相對(duì)應(yīng)的平臺(tái)支持或技術(shù)支持，特別是工作10年以上的教師。

（三）教師不知什么時(shí)候用新技術(shù)輔助教學(xué)

在教學(xué)手段方面，教師最常用的是動(dòng)手操作，其次是多媒體輔助，最后是直觀想象，但是直觀想象是培養(yǎng)學(xué)生空間觀念的重要途徑，我們通過(guò)深入訪談得知教師不愿意在教學(xué)中使用直觀想象的原因：一是不知道在課堂教學(xué)的什么環(huán)節(jié)讓學(xué)生進(jìn)行想象；二是沒(méi)有掌握直觀想象的方法，教師無(wú)法及時(shí)、有效地評(píng)價(jià)學(xué)生學(xué)習(xí)程度。

綜合調(diào)查數(shù)據(jù)和訪談數(shù)據(jù)分析可知，教師重視學(xué)生空間觀念的培養(yǎng)，只是囿于各種現(xiàn)實(shí)原因?qū)е陆虒W(xué)中種種困境，希望能有更好的平臺(tái)或技術(shù)支持、更加便捷的學(xué)具、更加貼近學(xué)生生活或易于學(xué)生體驗(yàn)的情境、具體教會(huì)教師在課堂什么環(huán)節(jié)加入技術(shù)和想象的案例等。

二、嘗試突圍：空間觀念教學(xué)的理論奠基和技術(shù)賦能

針對(duì)調(diào)查反映出來(lái)的教學(xué)問(wèn)題和教師需求，本研究結(jié)合適用的認(rèn)知理論和技術(shù)進(jìn)行了以下兩方面的嘗試：

（1）利用具身認(rèn)知理論提供的課堂教學(xué)模式，解決教師在課堂具體什么環(huán)節(jié)加入技術(shù)和空間想象的問(wèn)題。

（2）利用AR技術(shù)給教師和學(xué)生提供更加便捷的教具和學(xué)具來(lái)增加圖形與幾何內(nèi)容教學(xué)的直觀性和有趣性，創(chuàng)設(shè)更加貼近學(xué)生生活且易于學(xué)生體驗(yàn)的情境來(lái)增加空間觀念的可遷移性，用AR技術(shù)來(lái)促進(jìn)學(xué)生空間觀念的發(fā)展，解決困擾教師良久的教學(xué)煩惱。

（一）具身認(rèn)知理論：讓空間觀念模式化發(fā)展

傳統(tǒng)認(rèn)知心理學(xué)探討的更多是認(rèn)知的內(nèi)部機(jī)制，強(qiáng)調(diào)人的頭腦中已有的知識(shí)和知識(shí)結(jié)構(gòu)對(duì)人的行為、當(dāng)前的認(rèn)識(shí)活動(dòng)起決定作用。而具身認(rèn)知理論更加強(qiáng)調(diào)認(rèn)知的外部因素，“主張心智的成長(zhǎng)根植于身體，身體的感知根植于環(huán)境， 認(rèn)知是通過(guò)身體的體驗(yàn)及其行為活動(dòng)方式而形成的”，分為實(shí)境具身、實(shí)感具身、離線具身。實(shí)境具身強(qiáng)調(diào)人的身體在真實(shí)的情境中進(jìn)行互動(dòng)產(chǎn)生的感受；實(shí)感具身強(qiáng)調(diào)身體真實(shí)地與外在環(huán)境或物品交互從而產(chǎn)生感受；離線具身強(qiáng)調(diào)人脫離情境和交互，通過(guò)聯(lián)想和想象在腦海中產(chǎn)生感受。 因此，具身認(rèn)知課堂可劃分為三個(gè)環(huán)節(jié)：

（1）情境引入環(huán)節(jié)：依據(jù)實(shí)境認(rèn)知理論，課堂教學(xué)要重視情境的創(chuàng)設(shè)，學(xué)習(xí)者要融入情境中去體驗(yàn)、去經(jīng)歷、去和情境充分互動(dòng)才能進(jìn)行有效學(xué)習(xí)。

（2）操作探索環(huán)節(jié)：實(shí)感具身理論關(guān)注虛擬學(xué)材對(duì)實(shí)物學(xué)材的替代和超越，重視身體的經(jīng)驗(yàn)，注重讓學(xué)生自己去體驗(yàn)、感悟、思考、建構(gòu)知識(shí)，豐富學(xué)生的認(rèn)知體驗(yàn)。

（3）思考想象環(huán)節(jié)：離線具身理論引導(dǎo)學(xué)生發(fā)揮想象力，開(kāi)展無(wú)實(shí)物想象，讓學(xué)生脫離實(shí)物進(jìn)行想象和思考。

具身教學(xué)設(shè)計(jì)，旨在減輕學(xué)生對(duì)空間立體想象的負(fù)擔(dān)，增強(qiáng)其對(duì)幾何直觀的認(rèn)識(shí)，鍛煉學(xué)生的思維能力，提高教學(xué)效果。

具身認(rèn)知理論下的教學(xué)三環(huán)節(jié)鼓勵(lì)學(xué)生先動(dòng)手再想象，使用虛擬學(xué)材讓空間觀念直觀化、可視化、遷移化。在學(xué)習(xí)的初始階段，教師借助動(dòng)手操作幫助學(xué)生積累空間想象的經(jīng)驗(yàn)，在頭腦中形成對(duì)圖形的直觀印象；后續(xù)活動(dòng)，教師通過(guò)操作驗(yàn)證學(xué)生對(duì)圖形的空間想象，將操作和想象相結(jié)合。

（二）AR技術(shù)：讓空間觀念動(dòng)態(tài)可視化

AR（Augmented Reality）技術(shù)，即增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，指通過(guò)計(jì)算機(jī)圖形學(xué)和視覺(jué)技術(shù)，將虛擬的信息應(yīng)用到真實(shí)世界，使得真實(shí)的環(huán)境和虛擬的物體疊加到同一個(gè)畫(huà)面或空間。AR技術(shù)可以用來(lái)模擬操作對(duì)象，讓學(xué)習(xí)者在現(xiàn)實(shí)環(huán)境中看到操作生成的虛擬模型和場(chǎng)景，以最貼近自然的交互形式提供了一個(gè)自主探索的空間。AR技術(shù)在教學(xué)中的優(yōu)勢(shì)如下：

（1）AR技術(shù)能拓展學(xué)習(xí)空間，給學(xué)生提供沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，深度激發(fā)學(xué)生的好奇心，利用認(rèn)知交互技術(shù)，讓學(xué)生更好地參與情景互動(dòng)，體驗(yàn)以往難以體驗(yàn)的各種情境，易于快速高效掌握知識(shí)點(diǎn)，符合情境具身理論，適用于具身認(rèn)知課堂的情境引入環(huán)節(jié)。

（2）AR技術(shù)提供的虛擬教具和學(xué)具能提高教學(xué)的操作性和安全性，讓探究活動(dòng)更加低耗高效，學(xué)生可以在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行重復(fù)多次的實(shí)驗(yàn)探究。同時(shí)，AR技術(shù)提供的虛擬教具和學(xué)具豐富了學(xué)生的操作體驗(yàn)，特別是一些極限操作如化曲為直、極限分割、面動(dòng)成體等，符合具身認(rèn)知理論，適用于具身認(rèn)知課堂的操作探索環(huán)節(jié)。