AR在小學科學實驗教學中的應用

宋燕 曹蕾

【摘 要】增強現實（Augmented Reality，AR）技術實現了物理世界和虛擬世界的無縫融合，將抽象的內容可視化、形象化。AR技術極強的交互性，給課堂提供了一種新的教學方式，學習者能夠在虛實融合的教學情境中，以最貼近自然的方式進行自主探索。文章以小學科學課程“我們來養蠶”作為個案研究，嘗試將增強現實技術引入科學教學，通過AR技術在小學科學教育領域的探索應用和分析討論，旨在提高課堂效率的同時提升學生在課堂教學中的學習效果，形成教育新常態的價值訴求。

【關鍵詞】AR學習環境;小學科學;課堂教學

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】B

【論文編號】1671-7384（2021）01-070-03

科學課是一門綜合的課程，科學問題包羅萬象，涵蓋多個學科的內容。科學學科（物理、化學、生物、地理中天文部分）具備抽象化、微觀化、模型化、空間認知以及彰顯實驗能力的學科特征[1]。增強現實以一種可見的方式將學生必須學習的知識引入現實環境中[2]。在教育領域，通過AR技術的應用，不僅將書本上一些原本抽象平面的文字知識形象生動地展示出來，其真實環境和虛擬物體在同一個畫面或空間的實時疊加和互動，更是極大地增加了課堂教學的互動性，可以有效激發學生的學習興趣，充分調動學生的積極主動性，進而提高課堂教學效果和效率[3]。

以蘇教版科學教材中四年級下冊的“我們來養蠶”為例，基于AR技術的小學科學課堂，在課程上通過AR技術探索觀察蠶的一生生長變化的歷程，利用實時的三維模型互動展示各階段的身體特征，將AR技術融入小學科學課堂，將蠶的一生各階段的身體特征真實自然地呈現在學習者的面前，相較于傳統的視頻或者是圖片文字類的信息展示，使用AR技術的實時3D模型展示這種形式，學習者在課堂上的表現更加積極主動，專注度也有更高的提升，學習者在這樣一種沉浸感和互動性很強的學習環境中對蠶的一生變化過程有了一個更加清晰、系統的認識。具體教學教程設計如圖1所示。

確定目標，組建小組

在課程開始前，教師應做好教學目標的梳理：（1）認識蠶的身體。（2）了解蠶的生活和成長的必要條件。（3）學會科學飼養蠶寶寶。（4）了解絲綢文化的意義，關心當地的文化發展。通過問卷調查和觀察法對學習班級進行了解，以“組間同質，組內異質”，人數控制在3-5人的原則組建學習小組。

情境創設，構建經驗

桑蠶起源于中國，早在四、五千年前，我們祖先就栽桑養蠶，絲綢在我國的文化發展中起著非常重要的作用，有著千年綢都美譽的南充市和桑蠶文化有密切的關系，教師通過播放南充市絲綢文化介紹片，將科學知識與日常生活場景結合起來。通過對絲綢文化的深入了解，學習者在其中找到文化根源和文化認同感，更有利于培養和發展學生的文化自信。觀看完視頻之后，引出制作絲綢必不可少的原料——蠶絲，再引導學生說出蠶絲是蠶結繭后形成的蠶繭加工制作而成的。那蠶是怎么從一顆小小的蠶卵長大的呢？蠶的一生中會發生哪些變化呢？

通過AR技術引入蠶的一生的變化教學內容的環節，如圖2所示，學習者觀察蠶的AR教育模型。AR技術模擬的蠶的身體在移動終端手機或者平板的支持下，可以實現全方位的一個展示，學習者可以通過觸碰屏幕進行放大和縮小的操作，學習者也可以從不同角度觀察，這種多角度的觀察可以讓學習者對觀察對象有一個更加深入的了解。小組成員再通過屏幕進行互動的時候，主動探索新事物的欲望表現得更加強烈了。通過點擊終端設備上的交互按鈕，分別觀察蠶卵、幼蠶、蠶蛹、蠶蛾的身體結構特征：（1）蠶卵是圓形的。蠶卵中間有點凹下去。蠶卵的顏色是黑灰色的。（2）幼蠶形態是圓筒形的，共有1體節，8對足，身體分為頭、胸、腹三部分，青白色。（3）蠶蛹的體形很像一個紡錘，分頭、胸、腹三個體段。頭部很小，長有復眼和觸角;胸部長有胸足和翅;鼓鼓的腹部長有9個體節。蠶蛾的形狀像蝴蝶，全身披著白色鱗毛，但由于兩對翅較小，已失去飛翔能力。蠶蛾的頭部呈小球狀，長有鼓起的復眼和觸角;胸部長有三對胸足及兩對翅;腹部已無腹足，末端體節演化為外生殖器。

學習者進行組內討論交流，提出自己的疑問，如為什么蠶在不同時期是不一樣的呢？蠶寶寶在蠶卵里會不會餓死？蠶卵需要什么條件才能進行孵化？蠶需要吃什么才能吐絲？

多向交互，探究創新

學習者在AR環境中多角度認識蠶的四個發育階段之后，對蠶的結構概念已經有清晰的認識，在對基礎概念有一個知識框架之后，教師引導學生進入高階思維的學習：蠶的生活和成長的必要條件。學習者學習概念知識后，借助AR交互實驗，通過調節溫度、濕度、空氣流通程度的交互按鈕，控制適合蠶卵孵化的條件。小組成員通過AR交互實驗，在游戲化的界面操作中進行關于蠶的生活和成長的必要條件的學習，包括養蠶需要的食物和居住條件等注意事項。例如，蠶卵孵化成幼蟲的溫度條件是要保持溫度在24～25℃這個區間，這是孵化蠶卵的最佳溫度條件，還要注意空氣流通和保持適宜的濕度;蟻蠶是黑色的，像小螞蟻似的。蟻蠶一出殼就要吃，因此要趕快用毛筆或羽毛輕輕地把它刷到桑葉上。

學習者經過在AR學習環境中提前感受蠶一生神奇的變化過程，對養蠶需要的食物和居住條件等注意事項有了深刻和清晰的認知，課后通過小組協商和討論，共同完成“蠶寶寶喂養手冊”的制作，作為小組的學習成果，為后續在現實生活中養蠶提供理論和實踐的指導。

總結評價，深化提升

案例借助“AR小學科學”創建增強現實學習環境，通過創設學習情境，引導學生主動探究思考問題，在增強現實學習環境中探索學習相關知識，解決學習者的困惑，通過小組協作學習，在增強現實學習環境中的交互實驗里進行動手實踐，以游戲化的學習方式“做中學”，進而掌握蠶生長的必要條件。

評價由形成性評價和總結性評價按照一定的權重比例構成。形成性評價包括課內小組評價以及個人評價，小組評價以組間互評確定。個人評價由小組成員互評和自評組成。總結性評價利用“NB小學科學”教學平臺中的動手實驗模塊中與蠶有關的實驗以檢驗所學知識，如圖3所示。同時，讓學生以“蠶寶寶喂養手冊”的制作來向老師反饋學習效果，以達到學習評價的目的。

在AR小學科學實驗教學過程中，通過設計優質高效的課程活動為AR學習環境下的小學科學實驗教學提供策略指導，有助于創建符合小學生認知發展的學習環境，促進學生將小學科學實驗課堂所學習的知識轉移到現實世界環境中。但目前基于AR的學習環境建設費用相對較高、受到學校人力資源和物力資源的限制，不能做到給每一位學生分發實驗設備。同時網絡、設備等因素造成了AR畫面顯示過程中出現的卡頓現象，影響學習者的學習體驗。

基金項目：2020年度南充市社科規劃項目“虛擬現實學習環境中兒童消防安全教育探索”研究成果（項目編號：NC2020C167）

2020年西華師范大學大學生創新創業計劃訓練項目“混合現實技術在小學安全教育中的應用研究”研究成果（項目編號：cxcy2020008）

作者單位：西華師范大學教育學院

參考文獻

林曉凡，朱倩儀，吳倩意，申偉鵬，王佳慧. 增強現實體驗式教學資源的科學教育應用：策略與案例[J]. 中國電化教育，2019（9）： 60-67.

Wojciechowski， R.; Cellary， W. Evaluation of learnersattitude toward learning in ARIES augmented reality environments. Comput. Educ. 2013， 68， 570-585. [CrossRef]

劉秀娟，梁立鋒，米小建. AR技術在地理教學中的應用初探——以“地球的運動”為例[J]. 教育教學論壇，2020（13）： 250-251.