增強現實技術在科學教學中的應用與反思

《義務教育科學課程標準（2022年版）》（以下簡稱“課標”）強調，探究實踐是學生科學素養的重要組成部分，要求學生在了解和探索自然、獲得科學知識、解決科學問題的過程中，形成科學探究能力、技術與過程實踐能力和自主學習能力。為落實課標要求，筆者以“玉米人工授粉”為例，探討增強現實技術（AR）在促進學生探究實踐能力發展中的應用，旨在提供有效的教學策略，以提升學生的科學素養。

一、增強現實技術是提升學生科學素養的利器

教師培養學生的科學素養，就要引導學生將科學知識應用于解決真實問題，并延伸至科學觀念、思維與態度的形成[1]。探索一條探究實踐能力的培養途徑，以促進學生科學素養的培養顯得尤為重要。課標強調，探究實踐是學生在了解和探索自然、獲得科學知識、解決科學問題，以及技術與工程實踐過程中形成科學探究能力、技術與過程實踐能力和自主學習能力?？茖W探究能力具體體現在學生能夠提出科學問題，制訂科學計劃并搜集證據，對結果進行解釋與評估，準確表達觀點，反思探究過程與結果。這就要求教師在開展科學教學時，應以真實問題為情境，組織有實際問題、有探究深度、有實際生產生活意義的“科學探究活動”，助力學生體會科學探究活動、理解科學概念，促進學生探究實踐能力的培養。

然而，在傳統的科學課堂教學中，學生大都以記憶為主，缺乏真實問題情境和科學探究實踐環境，難以有效促進學生探究實踐能力的培養。為破解這一難題，AR逐漸被引入科學課堂。筆者嘗試在培養學生探究實踐能力的教學過程中運用AR，將真實環境與虛擬環境相結合，既幫助學生掌握抽象的科學概念，又讓學生有真實可觸摸的探究實踐環境，引導學生去發現問題，設計探究實驗并解決問題，以此提升其科學素養。

二、融入增強現實技術的科學教學要領

（一）明確增強現實教學思路與策略

AR指利用計算機生成的虛擬物體或數據與現實空間實現融合而形成的三維環境，它具有虛實結合、無縫交互、浸潤學習等特征，能夠讓用戶進入仿真的虛擬環境中進行體驗，支持用戶與數字內容的實時交互以拓展用戶對真實世界的認知[2]。筆者將AR用于科學概念理解和探究實踐環境的創建過程：一是為幫助學生更好地理解科學中抽象的生物學概念，如授粉的過程，借助AR為學生展示生物模型，幫助學生理解、掌握授粉過程與關鍵知識；二是利用AR創建科學實驗環境，如探究玉米發育所需營養成分。此外，在實踐中發現，學生若完全依賴AR而缺少外部的引導與支持，只能理解抽象的科學概念，如玉米授粉過程，而難以應用知識去解決真實問題。學生參與反思活動能夠較好地體驗AR，對概念進行理解與轉化應用，解決遇到的問題[3]。

（二）為教學創造環境

筆者選用“生動科學AR”軟件創設虛擬的自主學習環境。該平臺操作簡易、適合教師為學生做一些教學演示，如種子內部的微觀視圖、種子發育的科學實驗。學生使用平板電腦掃描即可看見科學概念模型，點擊模型上的觸發器，便可對科學模型進行交互與認知學習，以此促進對復雜科學概念的理解。同時，在AR資源中嵌入習題、問題支架，教師可用其進一步引導學生掌握科學概念并轉化用于解決問題。

（三）設計好教學流程

筆者根據課標和“玉米人工授粉”這一節課的教學目標，設計項目式探究學習活動開展教學，并利用AR體驗式資源及相關學習資源，助力學生的體驗式和反思性學習，更好地理解復雜、抽象的科學概念。教學流程如下：（1）教師讓學生觀察玉米并提出問題，引發認知沖突；（2）應用AR體驗式資源幫助學生理解受精概念，探究玉米“缺?！痹?；（3）基于AR虛擬實驗環境開展探究活動，知曉玉米生長條件；（4）組織實驗探究活動，讓學生分析數據，驗證科學假設，總結形成探究實踐成果；（5）利用提問的方式幫助學生對實驗結果進行分析與反思，在實驗探究過程中提出新問題，形成探究實踐方案并進行科學論證（如圖1）。

三、基于增強現實教學策略的項目實踐案例

（一）項目情景

深圳實驗光明學校在“智慧農業勞動教育基地”開展了糧食、蔬菜、花卉、中草藥等多種類與多片區的種植，為科學教育提供實踐條件。筆者嘗試引導學生對真實問題進行探究，采用等組對照的實驗方法，深入理解玉米的授粉過程，自主探究“人工授粉與玉米自然授粉在改善玉米缺粒問題的效果”，以此提高學生的探究與實踐能力。

（二）項目規劃

1.項目進度安排

針對探究人工輔助授粉與玉米自然授粉方法在改善玉米“缺?！眴栴}的效果這一主題，筆者對教學活動做了如下安排。本次探究實踐活動，教師主要扮演組織者、引導者的角色，學生則是整個活動的主體，同伴之間協作完成探究任務。筆者隨機選取一個學習小組，以其為例介紹項目活動過程。具體的項目任務安排如下（見表1）。

2.工具與物資

準備如下工具與物資：農具、直尺、繩、平板電腦、電子秤，以及生物科學AR、紙袋、玉米種子和記錄表。

（三）項目實施

1.在觀察中引發認知沖突

學生在種植基地觀察到玉米出現“禿頭”和“缺粒”現象，這與他們日常所見的玉米差異顯著，引發了他們的疑問：是否所有玉米都如此？如何改善？學生查閱資料后，認識到改良授粉過程，尤其是人工授粉，可能是提高玉米結實率的關鍵。盡管如此，他們對于授粉的具體生物學機制仍感到困惑。

2. AR輔助科學概念學習

筆者利用AR，構建了一個結合虛擬與現實的學習環境（如圖2）。首先，學生利用AR觀看了植物受精過程的交互視頻，深化了對這一復雜過程的理解。然后，他們完成了AR資源中的習題，鞏固了知識。最后，筆者引導學生從受精的角度探討玉米“缺?！钡目赡茉?，幫助他們運用知識解決實際問題。

3. 在參與虛擬實驗中提升探究實踐能力

為促進學生在新知識框架下自主反思和探究問題，筆者提出了一系列思考題，引導學生構建科學對照實驗方案。學生對比不同授粉方式下的“缺?！鼻闆r，分析并總結了可能的原因。AR虛擬實驗幫助學生發現玉米生長所需的無機鹽等營養物質（如圖3），為他們設計實驗方案和后續種植提供了重要信息。

4.培養實驗探究與資料采集能力

在AR虛擬實驗的基礎上，學生總結了改善“缺?！眴栴}的措施。筆者指導他們進行了玉米人工輔助授粉與自然授粉的對比實驗。學生學會了收集花粉，并完成了人工授粉。每隔一周，他們觀察并記錄人工授粉玉米的生長情況，包括花絲的生長停止和變色，以及玉米棒的周長和長度變化情況（見表2）。

5.提升結果分析與反思能力

筆者引導學生對比分析人工授粉（實驗組）和自然授粉（對照組）玉米的“缺?！睜顩r。結果顯示，盡管實驗組仍有“缺?！爆F象，但相較于自然授粉的玉米，情況有所改善（如圖4）。實驗組玉米棒的平均質量比對照組增加了8.61%，表明人工授粉在一定程度上提高了結實率。筆者進一步提問，引導學生深入思考實驗組玉米為何仍有“缺粒”現象，促進了學生的反思和知識拓展。學生分組討論，分析了實驗結果不理想的可能原因，包括授粉時間的選擇、授粉技術的規范性和病蟲害的防治及授粉后水肥管理等因素。

學生經歷這一系列的項目活動，不僅加深了對科學概念的理解，而且在實踐中培養了探究和反思的能力，為未來的科學學習和研究打下了堅實基礎。

四、教學反思與建議

（一）重視培養學生發現與解決問題的能力

本案例中，學生在生活中發現玉米“缺?！爆F象，在教師引導下參與探究實踐活動，改變以往課堂單一的講授方式，運用科學知識發現、解決生活中的真問題，真正提高了探究實踐能力，發展了科學素養。

（二）關注增強現實等體驗式資源的應用

AR資源具有虛實結合、無縫交互、支持學生浸潤學習的特征，其應用對于學生感知與理解復雜、抽象的科學概念，以及培養學生發現與解決問題的能力具有重要作用。筆者利用AR體驗式資源，讓學生在體驗、感知中了解植物的受精過程。如此，學生對玉米的受精與發育過程有深入的理解，在AR環境與勞動環境的支持下，對玉米“缺粒”原因有自己初步的思考，懷疑是授粉不充分或受精不完全所致。

（三）關注學生實踐與反思的結合

單一的技術應用往往只能解決教育教學中某一類問題，難以全面達成教學目標。只有匹配相適應的學習支架或引導，才能促進學生的深度學習，實現教學目標。因此，筆者在AR資源中嵌入習題，幫助學生及時鞏固知識，并通過提問，如人工授粉后為何仍會出現“缺?！爆F象，引導學生在體驗與感知的同時，實現對所學知識進行反思、拓展和遷移，進一步思考玉米“缺粒”的原因。

注：本文系深圳市教育科學“十四五”規劃2021年度成果培育類課題“基于真實情境的初中生物單元教學設計的實踐研究”（課題編號：cgpy21010）的成果。

參考文獻

[1] 陳明選，陳金艷.基于互聯網思維的小學科學探究活動設計[J].中國電化教育，2020（10）：97-105.

[2] 魏雪峰，高媛，黃榮懷.中國高等教育技術未來五年的發展分析：《2017新媒體聯盟中國高等教育技術展望：地平線項目區域報告》解讀[J].現代教育技術，2017（5）：53-59.

[3]林曉凡，朱倩儀，吳倩意，等.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.

（作者彭林華系廣東省廣州市黃埔區怡園小學教師；孫蕾系廣東省深圳實驗光明學校教師）

責任編輯：祝元志