基于AR的中職STEM教學模式設計

周如玉 常承陽

摘要：時代的不斷發展對教育提出了更高的要求。為深化職業教育改革，培養創新復合型人才，必須在中職學校開展STEM教育。該文探討了AR與STEM課程的融合，設計出中職STEM課程教學模式，并闡述了基于AR的中職STEM課程教學實施過程。希望為我國職業STEM教育的發展提供參考。

關鍵詞：AR;中職;STEM;教學模式

中圖分類號：G642? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? 文章編號：1009-3044（2019）01-0178-02

1 前言

2016年國家教育部發布《教育信息化“十三五”規劃》，提出學校要探索STEM教育、創客教育。但是，我國STEM教育的開展主要集中在中小學基礎教育階段，在職業教育中的研究比較匱乏，而職業教育作為中國教育發展的重要組成部分，為培養創新型人才，填補職業技術人才缺口，就必須深化改革，同時也需要開展STEM教育。

2 研究現狀

STEM是一種以項目學習、問題解決為導向的課程組織方式，將科學（Science），技術（Technology），工程（Engineer）和數學（Mathematics）有機地融為一體，進行跨學科教育。[1]國外對STEM教育的研究比較系統，主要包括STEM理論框架、發展現狀及問題、STEM教育策略、教育評價體系和教學效果等方面的研究。[2]國內對STEM教育研究相對滯后，沒有適合國情的頂層設計，研究主要集中在現狀分析、對國外文件的解讀、STEM課程資源的開發和教學策略的實踐探索等。[3]目前，3D打印、編程、機器人等技術已經被廣泛運用到STEM教育中，AR和VR則被運用到技能培訓中。

增強現實（AR）技術在教育中的巨大潛能被不斷挖掘，許多研究者將AR技術整合到教育教學中。如Shelton和Hedley用AR進行九大行星的教學實驗;Augmented Chemistry利用AR打造一套化學分子式輔助教學系統;新西蘭坎特伯雷大學研究人員創造了一個可以將建筑設計草圖轉化為3D對象，來探索不同對象物理性質和相互作用的AR工具。[4]結果表明，AR能有效地營造一個跟隨技術發展的教學環境，具有調動學生積極性，突破教學重難點，優化教學過程，提高教學質量和效率的作用。

STEM與AR具有情境性、趣味性、探究性等特征相融點。綜上所述，AR技術可以激發學生對真實世界的發現和探究，現實與虛擬的交互能使學生更容易發現問題，分析問題。AR技術可以使知識多元多樣地可視化，這使學生進行跨學科學習更方便。所以，如何將AR與STEM教育融合能更好地培養學生核心素養是需要思考探索的問題。

3 AR與STEM課程的融合

3.1 情境的融合

情境認知理論認為學習的實質是個體參與實踐并與他人、環境等相互作用的過程，是個體形成實踐活動的能力、提高社會水平的過程，具有情境性、真實性、實踐性、探究性、主動性等特征。[5]STEM教育以真實情景中的問題為導向進行跨學科學習，AR能在現實場景的基礎上添加虛擬的效果，加強學習者與他人、環境的交互，使學生沉浸。因此，AR與STEM課程的融合是情境的融合。

3.2 媒介的融合

跨學科探究先要了解不同學科的相關知識，則需要利用不同的媒介進行知識的學習和積累。麥克盧漢的媒介理論提出“媒介即訊息”，“媒介是人體的延伸”即媒介是人體感官能力的延伸和擴展。AR技術通過虛實結合對人的視覺和聽覺進行延伸，將不同種類的媒介進行融合，使信息從二維平面到三維立體地轉變擴大了信息的呈現面，提高信息的傳送效率，為學生跨學科學習提供了條件。

3.3 交互的融合

在STEM運用理性方法驗證解決效果這一過程中，會面臨一些實驗對學生的身心或者環境造成損害的，或者學校沒有條件創建真實實驗環境或者資源浪費等問題。而AR技術允許學習者利用自然的方式交互虛擬的學習對象，交互效果和對真實學習對象進行交互的效果相差無幾。因此，在條件限制的情況下，AR和STEM課程交互的融合能使學生獲得直接經驗，有利于問題的解決和情境認知的遷移。

4 中職STEM課程教學模式的設計

莫比烏斯環，由德國數學家莫比烏斯和約翰·李斯丁發現。傳送帶的設計;藝術中荷蘭著名版畫家埃舍爾的藝術作品《畫手》，一些科幻小說和電影都是以它為依據進行創作的，這體現了它的跨學科性。STEM教學通常分為四個環節：發現問題;設計解決方法;利用科學、技術、工程和數學等知識解決問題;運用理性方法驗證解決效果。[6]結合兩者的相通性質，設計出中職STEM教學模式，如圖1所示。

5 基于AR的中職STEM課程教學實施過程

1）提出問題或項目

中職STEM教育從開始就要緊密聯系實際生活中的問題，從真實情境出發，培養學生發現問題，提出問題和詮釋問題的能力，而AR技術對真實問題情境的增強可以提高學生的沉浸感和積極性。以中職機械專業的STEM課程《汽車為什么能跑》設計為例，核心問題是汽車為什么能跑？最終目標是能做出一輛遙控電動汽車模型。利用AR學習平臺對汽車進行圖像識別展現出不同時代的汽車模型，動畫演示汽車的發展歷史，給學生以不同時代的帶入感，在了解歷史的同時不斷去思考項目的核心問題。

2）猜想假設

引導學生分析問題，并進行猜想和假設。對例子《汽車為什么能跑》進行聯想和假設，比如：汽車克服了摩擦力和空氣阻力;發動機為汽車提供了動力等。每個學生配備一臺AR手機，學生可以自由的實事求是地表達自己的猜想，并將自己的猜想基于位置共享匿名發布到AR平臺上。這一環節有助于培養學生獨自思考的能力。

3）組建學習共同體

組建學習共同體簡單說就是組建項目團隊。根據猜想假設環節中的學生的猜想，在限制團隊人數的基礎上，學生在規定時間內基于位置共享去尋找與自己猜想一致的人建立學習共同體，這個需要活動空間充足。最后老師根據學生的差異性在尊重學生的意愿下進行適當調整。這樣有利于老師了解不同團隊的初始能力并進行分層分組指導，學生自主選擇的隊友在合作上也會展現自己活躍的一面，積極投入到協作學習中，同時培養他們做選擇，溝通交流，團隊協作的能力。

4）跨學科探究

在老師和專業人員的指導下，利用有關科學、技術、工程和數學的相關知識去解決問題，強調“做中學”，并要科學地探究，依據理論和數據得出結論。中職STEM教育需把工程和技術作為側重點，提高學生動手做的能力。利用AR學習平臺展現出汽車各個部分的結構模型，引導學生進行探究學習。比如學生可以利用AR觀看汽車在不同狀態（靜止和勻速、加速和減速）下的受力情況及發動機各個部件工作情況。AR在跨學科探究階段的優勢表現在節約教學時間和資源，知識可視化和形象化，便于學生進行探究。

5）實施并驗證

明白汽車驅動的原理之后，設計問題解決方案。學生可以在AR學習平臺上進行方案的預實驗，像玩樂高一樣進行汽車模型的組裝。之后，實施項目的終極目標——遙控電動汽車模型的建造。此環節需要整合前階段學習的理論知識和數據去指導實踐，融入自己的思考設計方案并實施方案做出產品，最后驗證產品是否成功來反思方案的有效性。如果出現問題，則要探究問題出現的原因并解決，如此循環直至驗證成功。

6）精致產品，小組匯報

聽取老師和專家的建議優化產品，培養“工匠精神”。比如汽車外形的設計要符合工程學原理且富有創意。成果匯報即將最終產品向老師和其他小組成員進行展示和解說，小組匯報可以培養學生反思、表達和寫的能力，加速知識內化，加深知識遷移應用。

7）滲透職業規劃

中職的教育最重要的是幫助學生明確自己未來的職業選擇與職業價值，在項目小組的角色分工可以更好地讓他們明白自己的優勢和劣勢并在不斷地嘗試中取長補短。這一環節最好是學校能組織學生實地考察與問題或項目相關的產業，與在職人員面對面地交流，身臨其境會讓學生對自己以后的職業方向更清晰。

8）評價

評價貫徹整個教學過程，評價方式多元化，綜合運用形成性評價和總結性評價，評價過程和指標要公開公正公平。評價的第一項就是每一個學習共同體的團結協作效用，即項目小組成長值的量化評價;第二項是形成性評價，即觀察學生在什么情境下學到了，在什么情境下沒有學到，觀察的是情境，而不是學生學到的知識;最后一項是總結性評價，以產品為依據，評價產品的使用價值，其中最重要的是對“創新”評價標準的量化。

6 總結

未來，一定是“跨界整合能力”效用遠大于“單項突出”。因為，高精尖的工作機器人能代替，而人的能力必須體現在整合和創造上，人的探究態度必須體現在科學嚴謹上。職業教育作為技術型人才孵化器，完善職業教育中的STEM課程研究，優化中國職業教育技術產業，打造適時人才培養模式勢在必行。

參考文獻：

[1] 趙慧臣，陸曉婷.開展STEM教育，提高學生創新_訪美國STEM教育知名學者格雷特·亞克門教授[J].開放教育研究，2016，22（5）：4-10.

[2] 李揚.STEM教育視野下的科學課程構建[D].浙江：浙江師范大學，2014.

[3] 楊亞平.整合性STEM教育理念下工程類高職數學教學模式的建構[D].上海：華東師范大學，2016.

[4] Billinghurst M， Dunser A.Augmented Reality in the Classroom [J].IEEE computer，2012，45（7）：56-63.

[5] 劉義，高芳.情境認知學習理論與情境認知教學模式簡析[J].教育探索，2010（06）：88-89.

[6] 鐘啟泉，編譯.現代教學論發展[M].北京：教育科學出版社，1998：363.