深度學習視角下融合AR的科學探究式教學活動設計
——以小學“科學”課程為例

王麗榮，魏丹丹

（江西科技師范大學 教育學院，江西 南昌）

一 引言

自21世紀“科學素養”提出以來就一直受到研究學者們的關注，《全民科學素質行動規劃綱要（2021-2035）》指出要引導教育教學方式的改革，倡導啟發式、探究式和開放式教學，完善科學課程及科學教育質量評價體系[1]，從中不難看出科學課程對于科學素養培養的重要性。而小學科學又是一門基礎性的課程，對一個人早期科學素養的形成更是具有基礎性的作用。然而在具體的教學實踐中，小學科學教學往往存在探究實踐活動環節薄弱、教學資源單一、學生學習興趣缺乏，知識之間聯系不密切等問題，學生學習仍然停留在簡單的概念記憶，對于知識的掌握、與他人的有效溝通、科學探究能力的培養、情感體驗和學習動機的產生等深度學習并未發生。目前這一教學現狀與新課標要求之間還存在較大的距離。

增強現實技術（Augmented Reality,AR）的發展為解決科學課程中存在的問題提供了新途徑，利用AR技術設計開發多樣性的教學資源，呈現逼真的模型，使學生更加直觀了解抽象概念，以及利用AR技術展開探索實踐，以此來增強學生學習動機，提升其情感體驗及科學探究能力，促進科學課程學生深度學習的發生。

此外，在小學科學教學領域，通過中國知網（CNKI）檢索“深度學習”和“小學科學”可以發現，總計研究文獻僅有71篇，其中大多數作者為中小學教師，且在對文獻進行分析后發現，研究主要集中在深度學習的概念、特征以及意義等理論層面，關于具體的實踐研究較少；以“深度學習”“小學科學”和“增強現實技術（AR）”來進行檢索，研究文獻僅有37篇，可見深度學習以及AR相結合在小學科學中的研究尚處于起步階段，下面將在深度學習的視角下，融合AR技術，探討深度學習與AR相結合的教學過程，以具體課程展開教學活動設計，期待將理念、技術以及課程的有效整合，實現有深度的教學。

二 深度學習與增強現實技術AR

（一） 深度學習

深度學習最初是計算機領域的一個重要研究內容，與人工智能、大數據的研究密切相關，后隨學習科學的不斷發展，深度學習的概念逐漸被引入到教育教學領域。1976年，瑞典心理學家費倫茨·馬頓（Ference Marton）和羅杰·賽爾喬（Roger Saijo）率先提出了深度學習的概念[2]，這也標志著深度學習被正式引入到教育領域，隨后兩人在《學習的本質區別：結果和過程》中[3]，根據學習者對于信息獲取加工方式的不同，提出了深層學習和淺層學習的概念，認為采用深層學習進行學習的學生往往更注重內在的興趣，理解、意義的構建以及更注重于學習內部之間的關系，而淺層次學習則與之相反。此后隨著學者們研究的深入，深度學習的概念得到不斷發展和豐富，目前已經有四種具代表性的概念假設，分別是深度學習的方式學說、深度學習的過程學說、深度學習的目標學說和深度學習的結果學說[4]。

國內對于深度學習的研究起步相對較晚，最早于2005年由黎加厚[5]教授在《促進學生深度學習》一文中指出，其認為深度學習是在理解的基礎上，學習者能夠批判地學習新思想和新知識，并與原有的認知結構相結合，建立知識的遷移與聯系，在具體情境中有效解決問題，該定義在國內學者的研究中得到普遍認可。在2016年以后國內關于深度學習的研究熱度大幅度上升，涌現出何玲、康淑敏、郭華、卜彩麗等一批優秀的研究學者，不斷豐富和充實了深度學習的內涵。

在上述深度學習研究的基礎上，結合本研究的研究內容和特點，將深度學習界定為學習的能力目標學說，即培養學生的科學探究能力、自主學習能力、合作學習能力、溝通表達能力和學習毅力，通過教學設計使學生高度參與學習過程，從而達到深度學習的能力目標。

（二） 增強現實技術（AR）

增強現實技術（Augmented Reality，簡稱AR）并不是一個新的概念，其本質上從屬于虛擬現實技術領域，是實現人機界面交互技術的重要發展方向。增強現實技術具有三大特點，分別是“虛實結合”、“實時交互”與“虛擬物體是真實物體的3D再現”，近些年來無論是設備性能還是人機交互性能都有了大幅度的提升，為使用者提供更加貼近自然的交互方式，而且這種類型的物體模型可以快速生成，并實現操縱和旋轉，目前其在文化領域、軍事領域以及教育領域中都具有廣泛的應用。在教育領域中的應用包含有學科教育、職業培訓、醫學與工程教育以及非正式學習領域[6]，其中在自然學科中的占比最多，主要是因為“AR能夠將平常狀態下不可見的內容可視化，并且能夠提供實時的交互，使得情景化教學更加簡單[7]，將虛擬的學習內容與現實的環境發生了有意義的關聯[8]”。AR與教育融合已經成為不容忽視的一股強勁力量，但是其實現的教育質量究竟如何，還值得更多學者的深入探討。

（三） 深度學習與AR探究式教學活動融合的理論基礎

AR探究式教學活動設計關注課堂教學中各要素的相互關系，為學生營造開放式的學習情境，強調以學生為主體，通過自覺探索，掌握認識和解決問題的能力。將深度學習的四種主要認知理論[9]將AR探究式教學設計相融合，為教學設計的開展提供理論基礎。理論與設計相融合的方式如圖所示：

圖1 深度學習與AR探究式教學設計融合的理論基礎

①深度學習的情境認知為應用AR解決教學問題提供依據。情境認知理論中的基于情境的行動、合法的參與以及共同體的構建與支持為AR解決教學問題提供依據[9]。AR能夠通過其虛擬現實的特點創設真實的、有意義的學習情境，并通過學生的持續參與使之從學習的“邊緣參與者”轉變為“核心參與者”，并在解決問題的過程中構建學習共同體，在問題的驅動下促進學生將知識和情境深度結合，最終達到深度學習的目標。

②深度學習的分布式認知理論為AR探究式教學活動的進行提供路線指導。

赫欽斯等人在傳統認知理論的基礎上提出了“分布式認知”，認為認知活動不僅是個體頭腦中所發生的活動，還涉及到人和人之間以及人和技術之間實現某一活動的過程[10]，分布式認知提供了更多的認知工具來分散學生的認知負荷。AR探究式教學活動設計提供了傳統環境和增強現實兩種學習環境、通過問題探究，構建師生合作、生生合作以及生機合作等多種交互模式，有效地減輕個體學習過程中的認知負荷。因此分布式認知理論能夠為教學活動設計提供指導，通過增加多種認知工具促進新舊知識之間的聯結，進而使學生認知向更高水平發展。

③深度學習的建構主義理論豐富了AR探究式教學活動的內涵。建構主義認為學習是通過創設適宜的條件，學習者主動進行雙向建構最終形成復雜認知結構的過程，是一種高水平的學習[11]。其強調的環境創設、雙向意義構建以及活動的積極性在AR探究式教學活動實際中都能夠得到體現，通過有效的AR教學活動設計，保證課堂教學有深度地展開。

④深度學習的元認知理論為AR教學活動的評價考核提供反饋。元認知實質上是對“認知”進行的“再認知”，是個體對自身認知活動的自我察覺、自我監控以及自我調節，是一種自我意識的高度發展。在AR探究式教學活動設計中，一方面利用師生的相互關系對學習過程進行監控，及時發現并修正問題；另一方面在解決問題的過程中提高自己的元認知能力，更注重接受問題之后的反思，從而能夠做出對整個教學活動的反饋。

三 深度學習視角下融合AR的探究式教學活動過程

對深度學習過程的研究，有助于教學及學習活動的開展，提高過程性教學活動的質量。1978年澳大利亞學者Biggs曾提出了深度學習的“預測—過程—結果”模式（The-Presage-Process-Product Model,簡稱為3P模式）[12]，該模式通過各要素之間既獨立建構，又相互作用相互影響的方式，進而影響最終的學習結果。此后，隨著對深度學習研究的深入，美國研究學者Eric Jensen和LeAnn Nickelsen在其編著的《深度學習的7種有力策略》中提出了一種目前公認的深度學習路線（Deep Learning Cycle，簡稱DELC）路線[13]，該路線的運行流程如圖2所示。該模式從教師的角度出發，以推動學習者實現深度學習為目的，在引導學生發現問題、分析問題和解決問題的過程中，采用自主、合作探究的學習方式，加深學生的主動性、理解性及批判性學習，從而最終實現深度學習的目標。

圖2 DELC深度學習路徑

本研究在考慮到小學科學階段以及AR的特點的情況下，在美國學者DELC深度學習路徑以及國內其他學者的研究的基礎上，對教學活動的過程進行建構，將深度學習的發生過程概括為以下四個關鍵階段，如圖3所示。四個關鍵階段分別是①課程導入階段：本階段教師要完成整個教學內容的規劃，引導學生制訂學習計劃，完成自主回顧，提高學生的學習毅力；②激活新知階段，主要是創設學習內容情境，確定探究性問題，激發學生的學習動機，學生利用AR增強現實環境，在回顧的同時收獲新內容，增強學生的科學探究能力；③獲取新知階段，主要是在教師的引導下，學生通過教師提出的問題，進行探究性學習，利用傳統和增強現實兩種環境，獲取新知，在此過程中提高學生的自主學習、合作學習和溝通表達能力；④學習評價階段，教師引導完成學生的自評和互評，同時完成對學生的點評，使學生能夠在自評和互評的過程中提高溝通表達能力。這一過程也是探究式教學的重要體現，學生能夠通過閱讀、問題引導、思考、討論以及聽講等途徑去主動探究，掌握認識和解決問題的方法和能力，使學生的主體和主動能力都得到加強。

圖3 深度學習路徑關鍵四步驟

四 深度學習視角下融合AR的探究式教學活動內容設計

通過對教學過程的建構以及教學活動構成要素的確定，深度學習視角下融合AR的探究式教學活動框架基本完成，下面以科學課程“蠶的一生”章節為主要內容，融合增強現實AR技術，設計符合深度學習發生路徑的各階段教學活動案例。

（一） 課前規劃

課前規劃主要是為了實現教師對整個教學過程的統籌安排，保證課堂教學的有序進行，學生在此階段也要明確知道課程進行的計劃及目標設定。因此對“蠶的一生”章節做如下的整體安排，如表1所示。以具體的教學階段為依據，從教師及學生角度分別出發，明確各自規劃及行動內容，依據具體內容選擇合適的應用環境。

表1 “蠶的一生”章節活動設計計劃安排

（二） 課堂導入階段

課程導入階段是在傳統課堂中進行，此階段要明確教學內容和學習目標，并進行規劃，引導學生養成制定目標并堅持完成目標的好習慣，提高其學習毅力。

①教師引導。教師向學生展示本節課的學習目標，例如“知道蠶生長發育適宜的溫度濕度等環境”“理解蠶與一般動物一樣都要經歷漫長的生命周期”“知道蠶生長變化的四階段及每個階段的特征”等目標，通過制訂目標，使學生明確學習內容。

②學生參與。因本節課是學生章節學習內容的總結課，學生對其中的一些問題有自己的認識，針對尚未學習的內容，學生通過小組溝通合作的方式完成自己本節課學習目標的制訂，明確學習的內容。

③預期目標。本部分課程學習內容在傳統的教學環境下展開，教師引導學生完成計劃的制訂，進行經驗預熱，學生通過制定目標來明確學習的任務，在引導完成各自目標的過程中提高學習毅力，久而久之則能夠在一定程度上提高深度學習能力。

（三） 激活新知階段

激活新知階段的目的是提高學習興趣，激發學生的學習動機。主要為教師引導，學生參與、預期目標三大部分內容，在此部分，學生通過對已有知識的批判理解，建立新的認知，同時在活動設計中加強學生間的合作和交流。本階段可在AR增強現實環境中進行，為學生提供了蠶生長各個階段的仿真模型，知識點介紹及視頻演示，學習者可以對其進行放大、縮小以及旋轉等操作，來具體觀察每一個細節，在與之交互的過程中進行知識建構，其中的部分場景如圖4所示。

圖4 激活新知部分的AR場景

①教師引導。教師在此階段拋出交流問題，例如“在前面觀察蠶的這一周期內，大家通過什么形式觀察的，有哪些記錄資料？”“關于蠶大家有什么自己的想法？”等一系列問題，可由教師先分享自己的學習心得及觀點，為學生做好表率。同時在學生進行討論時，教師要適當參與其中，對學生的交流發言做好補充。最后引導學生通過增強現實環境，對“蠶各階段的生長”知識點做回顧，利用“虛擬仿真3D模型”“實時多模態交互”等從中發現新的知識，對學生原有知識體系進行補充。

②學生參與。學生在此學習部分要發揮主體作用，小組成員之間要互相討論，交流心得，例如對“分享自己養蠶的照片”“介紹自己的養蠶經歷”“在養蠶過程中出現過什么問題”“養蠶用到了哪些工具”等內容的交流，在此過程中既可以回顧蠶的生長階段，又可以提高自己的溝通表達能力，最后可選取小組代表人進行發言。之后通過應用AR軟件，在增強現實環境中回顧和發現新的知識，完善個人認知。

③預期目標。通過以上兩部分的內容，期望獲得以下預期目標：“完成對于蠶生長周期知識的回顧”“學生在交流過程中提高小組合作及溝通表達能力”“在增強現實環境中提高自主學習能力”“完成原有知識基礎上新知識的激活”以及“提高學生的學習動機”。學生在此階段完成學習目標，同時通過高度的課堂參與提高彼此之間的溝通合作能力，使學習過程不斷深入，從而加強了知識的理解，促進深度學習的發生。

（四） 獲取新知階段

獲取新知階段設計的目的是學生能夠掌握新知識，并對新知識實現遷移運用。教學活動的展開同樣以教師引導、學生參與和預期目標三部分內容，學生通過新階段的學習，計算蠶的壽命，畫出蠶的一生循環圖，以及蠶的生存條件，了解變態發育和不完全變態發育的區別。AR增強現實環境為學生提供了養蠶的真實情景，通過完成情境操作和出現的探究問題，獲取新知，同時環境中為學生設置了相應的激勵機制，為學生完成操作提供動力。其中涉及到的部分場景如圖5所示。

圖5 獲取新知部分AR養蠶場景

①教師引導。獲取新知階段是教學過程中最重要的階段，在本章節中教師提出“蠶的一生壽命周期是多久？”“蠶的一生經歷了哪幾個階段”“蠶的生存條件是怎樣的”“蠶在初期和最后有什么變化”等問題，在傳統探究式教學環境中呈現多種教學媒介，在問題的指引下，引導學生完成新一階段知識點的探索，同時在增強現實環境中，指引學生在貼近實際的情境中對“蠶的一生”進行了解，體驗將蠶“虛擬養成”的過程，通過將蠶前期及后期的對比，引導學生對于“完全變態發育”和“不完全變態發育”概念的區分。

②學生參與。學生根據教師提出的問題，通過圖片視頻等掌握基礎知識，在課本的輔助下完成部分總結。同時在增強現實環境中，通過虛擬養蠶，提高自己的動手探究能力，體驗學習的樂趣，同時在養蠶的過程中，完成教師提出的問題，獲取新知。

③預期目標。在本階段通過教師指引和學生參與完成“掌握蠶的生長周期”“蠶生長的經歷階段”“蠶的生長條件”“完全變態和不完全變態的概念區分”等目標。虛擬養蠶為學生提供了更多動手實踐的機會，通過養蠶周期的記錄及蠶的生命周期的前后變化可以很好的回答教師的問題，同時提高科學探究能力。

（五） 學習評價階段

學習評價階段的目的是對學生的學習成果進行評價，對教學過程有一定的反思，同時總結經驗，對教學設計進行修改。學習評價包括有過程性評價和結果性評價兩種，涉及內容分別有教師評價，學生互評和自我反思等方式。本部分在增強現實環境中為學生提供了游戲性答題檢測模塊，學生對涉及蠶的以上章節知識點進行答題測驗，同時在傳統環境中教師可以組織學生繪制蠶的生長周期圖、撰寫有關蠶生長周期的小短文或者進行學習感受的演講，給學生更多表現的機會。其中AR為學生提供的部分答題場景如圖6所示。

圖6 學習評價階段的AR場景

①教師引導。學習評價是教學設計中的最后一個環節，教師引導完成教學評價，于教師而言，可以完善自己的教學設計，反思發現自己教學中的不足，于學生而言，可以鞏固自己的學習成果，從不同角度完成對自身情況的反饋。教師引導學生對本節課的學習做出歸納，首先通過提問的方式檢測課程導入環節目標的達成程度，其次引導學生“畫出蠶的生長周期流程圖”“完成一幅蠶的手抄報”“形成一篇簡單的學習感悟”“進行一次關于蠶的小演講”等活動，來對學生的學習成果進行多元評價。

②學生參與。對學生的評價方式不局限于考試成績，因此學生在本環節要完成自己的學習作品，同時參與到其他同學的作品制作當中，并能夠相互指出其中的優缺點，取長補短進而完善自己關于蠶的作品。

③預期目標。在本階段通過教師引導和學生參與預計完成整節課程的學習，學生能夠形成自己的蠶的作品，并通過對他人作品的評價相互學習，完成自己作品的更新，整個過程均應教師引導，學生參與，進而提高學生的合作學習能力。

總的來說，本節課程“蠶的一生”的教學設計以提高學生的深度學習能力為目標，分別針對科學探究能力、自主學習能力、合作學習能力、溝通表達能力和學習毅力等方面設計了教學活動，同時AR增強現實技術的應用更是為提高深度學習能力提供了助力。

五 總結展望

深度學習是學習科學理論的新概念，可以為實施有效的教學設計提供新的科學依據，同時符合教育改革的要求。增強現實AR技術是目前虛擬現實發展的重要方向，對于補充教學設計，豐富教學設計的過程，擴展教學設計環境提供了新的方式方法。在本研究中將兩者進行結合，針對小學科學課程展開了具體的教學設計，實現了理論、技術和課程的整合，為教學活動設計提供了新的設計思路。在今后的教學活動設計中，不僅要注重理論、技術和課程實際的有效結合，更應該注重這三者之間的學習生態平衡，使教學過程中的物質能量實現持續有效的輸出。