具身認知課堂：技術賦能下空間觀念教學的實踐探索

周善偉

【摘 要】研究基于落實數學核心素養、促進教師教學方式智能化的需求，以南京市某區為例，從教師的視角分析、研究空間觀念的培養在小學數學課堂落地的現狀和問題，在具身認知理論引領下，以案例形式探討如何運用AR技術來實現具身認知課堂，從而構建促進小學生空間觀念發展的教學實踐路徑。

【關鍵詞】空間觀念 具身認知理論 AR技術

一、現實窘境：空間觀念教學的時代遭遇

為了解教師在空間觀念教學中存在的問題和需求，筆者選取了江蘇省南京市某區960名小學數學教師進行了問卷調查和訪談，針對教師對“圖形與幾何”教學內涵和意義的認識、教學內容、學習方式、作業設計、評價方式等五個方面進行了教學現狀的調查。綜合分析問卷數據，筆者發現以下三方面的問題。

（一）教學中沒有凸顯空間想象

根據問卷數據，筆者發現在課堂教學方面，更多教師需要創設方便學生體驗的情境以增加空間觀念的遷移性、利用操作簡單的學具來增加空間觀念的直觀性以及設計讓學生感興趣的課堂教學內容（表1）。

（二）空間觀念的教學缺乏相應的技術支持

調查中發現，問及“您認為在小學階段注重空間觀念的培養有必要嗎”，73.23%的教師覺得非常有必要，約有20%的教師覺得有必要，這說明教師重視對學生空間觀念的培養。受訪教師認為影響學生空間觀念發展的因素更多的是學生年齡、知識的難易程度、學生空間觀念的強弱、課堂教學、多媒體教具的使用等，而解決這些需要依賴課堂教學的直觀性，需要教師使用一些技術和教具增加空間觀念的直觀性，向學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：給教師既有的教學方式提供便利，比如多媒體輔助教學的方式需要平臺支持和技術支持、云資源等，但是部分教師不會使用新興的技術，并在不同教齡上呈現顯著差異，3年以下的新教師36%不知道在什么環節加入技術，他們更需要具體的課堂案例進行針對性輔導；超過一半的教師希望學校提供相對應的平臺支持或技術支持，特別是工作10年以上的教師。

（三）教師不知什么時候用新技術輔助教學

在教學手段方面，教師最常用的是動手操作，其次是多媒體輔助，最后是直觀想象，但是直觀想象是培養學生空間觀念的重要途徑，我們通過深入訪談得知教師不愿意在教學中使用直觀想象的原因：一是不知道在課堂教學的什么環節讓學生進行想象；二是沒有掌握直觀想象的方法，教師無法及時、有效地評價學生學習程度。

綜合調查數據和訪談數據分析可知，教師重視學生空間觀念的培養，只是囿于各種現實原因導致教學中種種困境，希望能有更好的平臺或技術支持、更加便捷的學具、更加貼近學生生活或易于學生體驗的情境、具體教會教師在課堂什么環節加入技術和想象的案例等。

二、嘗試突圍：空間觀念教學的理論奠基和技術賦能

針對調查反映出來的教學問題和教師需求，本研究結合適用的認知理論和技術進行了以下兩方面的嘗試：

（1）利用具身認知理論提供的課堂教學模式，解決教師在課堂具體什么環節加入技術和空間想象的問題。

（2）利用AR技術給教師和學生提供更加便捷的教具和學具來增加圖形與幾何內容教學的直觀性和有趣性，創設更加貼近學生生活且易于學生體驗的情境來增加空間觀念的可遷移性，用AR技術來促進學生空間觀念的發展，解決困擾教師良久的教學煩惱。

（一）具身認知理論：讓空間觀念模式化發展

傳統認知心理學探討的更多是認知的內部機制，強調人的頭腦中已有的知識和知識結構對人的行為、當前的認識活動起決定作用。而具身認知理論更加強調認知的外部因素，“主張心智的成長根植于身體，身體的感知根植于環境， 認知是通過身體的體驗及其行為活動方式而形成的”，分為實境具身、實感具身、離線具身。實境具身強調人的身體在真實的情境中進行互動產生的感受；實感具身強調身體真實地與外在環境或物品交互從而產生感受；離線具身強調人脫離情境和交互，通過聯想和想象在腦海中產生感受。 因此，具身認知課堂可劃分為三個環節：

（1）情境引入環節：依據實境認知理論，課堂教學要重視情境的創設，學習者要融入情境中去體驗、去經歷、去和情境充分互動才能進行有效學習。

（2）操作探索環節：實感具身理論關注虛擬學材對實物學材的替代和超越，重視身體的經驗，注重讓學生自己去體驗、感悟、思考、建構知識，豐富學生的認知體驗。

（3）思考想象環節：離線具身理論引導學生發揮想象力，開展無實物想象，讓學生脫離實物進行想象和思考。

具身教學設計，旨在減輕學生對空間立體想象的負擔，增強其對幾何直觀的認識，鍛煉學生的思維能力，提高教學效果。

具身認知理論下的教學三環節鼓勵學生先動手再想象，使用虛擬學材讓空間觀念直觀化、可視化、遷移化。在學習的初始階段，教師借助動手操作幫助學生積累空間想象的經驗，在頭腦中形成對圖形的直觀印象；后續活動，教師通過操作驗證學生對圖形的空間想象，將操作和想象相結合。

（二）AR技術：讓空間觀念動態可視化

AR（Augmented Reality）技術，即增強現實技術，指通過計算機圖形學和視覺技術，將虛擬的信息應用到真實世界，使得真實的環境和虛擬的物體疊加到同一個畫面或空間。AR技術可以用來模擬操作對象，讓學習者在現實環境中看到操作生成的虛擬模型和場景，以最貼近自然的交互形式提供了一個自主探索的空間。AR技術在教學中的優勢如下：

（1）AR技術能拓展學習空間，給學生提供沉浸式的學習體驗，深度激發學生的好奇心，利用認知交互技術，讓學生更好地參與情景互動，體驗以往難以體驗的各種情境，易于快速高效掌握知識點，符合情境具身理論，適用于具身認知課堂的情境引入環節。

（2）AR技術提供的虛擬教具和學具能提高教學的操作性和安全性，讓探究活動更加低耗高效，學生可以在短時間內進行重復多次的實驗探究。同時，AR技術提供的虛擬教具和學具豐富了學生的操作體驗，特別是一些極限操作如化曲為直、極限分割、面動成體等，符合具身認知理論，適用于具身認知課堂的操作探索環節。