基于AR的中职STEM教学模式设计

周如玉 常承阳

摘要：时代的不断发展对教育提出了更高的要求。为深化职业教育改革，培养创新复合型人才，必须在中职学校开展STEM教育。该文探讨了AR与STEM课程的融合，设计出中职STEM课程教学模式，并阐述了基于AR的中职STEM课程教学实施过程。希望为我国职业STEM教育的发展提供参考。

关键词：AR;中职;STEM;教学模式

中图分类号：G642        文献标识码：A        文章编号：1009-3044（2019）01-0178-02

1 前言

2016年国家教育部发布《教育信息化“十三五”规划》，提出学校要探索STEM教育、创客教育。但是，我国STEM教育的开展主要集中在中小学基础教育阶段，在职业教育中的研究比较匮乏，而职业教育作为中国教育发展的重要组成部分，为培养创新型人才，填补职业技术人才缺口，就必须深化改革，同时也需要开展STEM教育。

2 研究现状

STEM是一种以项目学习、问题解决为导向的课程组织方式，将科学（Science），技术（Technology），工程（Engineer）和数学（Mathematics）有机地融为一体，进行跨学科教育。[1]国外对STEM教育的研究比较系统，主要包括STEM理论框架、发展现状及问题、STEM教育策略、教育评价体系和教学效果等方面的研究。[2]国内对STEM教育研究相对滞后，没有适合国情的顶层设计，研究主要集中在现状分析、对国外文件的解读、STEM课程资源的开发和教学策略的实践探索等。[3]目前，3D打印、编程、机器人等技术已经被广泛运用到STEM教育中，AR和VR则被运用到技能培训中。

增强现实（AR）技术在教育中的巨大潜能被不断挖掘，许多研究者将AR技术整合到教育教学中。如Shelton和Hedley用AR进行九大行星的教学实验;Augmented Chemistry利用AR打造一套化学分子式辅助教学系统;新西兰坎特伯雷大学研究人员创造了一个可以将建筑设计草图转化为3D对象，来探索不同对象物理性质和相互作用的AR工具。[4]结果表明，AR能有效地营造一个跟随技术发展的教学环境，具有调动学生积极性，突破教学重难点，优化教学过程，提高教学质量和效率的作用。

STEM与AR具有情境性、趣味性、探究性等特征相融点。综上所述，AR技术可以激发学生对真实世界的发现和探究，现实与虚拟的交互能使学生更容易发现问题，分析问题。AR技术可以使知识多元多样地可视化，这使学生进行跨学科学习更方便。所以，如何将AR与STEM教育融合能更好地培养学生核心素养是需要思考探索的问题。

3 AR与STEM课程的融合

3.1 情境的融合

情境认知理论认为学习的实质是个体参与实践并与他人、环境等相互作用的过程，是个体形成实践活动的能力、提高社会水平的过程，具有情境性、真实性、实践性、探究性、主动性等特征。[5]STEM教育以真实情景中的问题为导向进行跨学科学习，AR能在现实场景的基础上添加虚拟的效果，加强学习者与他人、环境的交互，使学生沉浸。因此，AR与STEM课程的融合是情境的融合。

3.2 媒介的融合

跨学科探究先要了解不同学科的相关知识，则需要利用不同的媒介进行知识的学习和积累。麦克卢汉的媒介理论提出“媒介即讯息”，“媒介是人体的延伸”即媒介是人体感官能力的延伸和扩展。AR技术通过虚实结合对人的视觉和听觉进行延伸，将不同种类的媒介进行融合，使信息从二维平面到三维立体地转变扩大了信息的呈现面，提高信息的传送效率，为学生跨学科学习提供了条件。

3.3 交互的融合

在STEM运用理性方法验证解决效果这一过程中，会面临一些实验对学生的身心或者环境造成损害的，或者学校没有条件创建真实实验环境或者资源浪费等问题。而AR技术允许学习者利用自然的方式交互虚拟的学习对象，交互效果和对真实学习对象进行交互的效果相差无几。因此，在条件限制的情况下，AR和STEM课程交互的融合能使学生获得直接经验，有利于问题的解决和情境认知的迁移。

4 中職STEM课程教学模式的设计

莫比乌斯环，由德国数学家莫比乌斯和约翰·李斯丁发现。传送带的设计;艺术中荷兰著名版画家埃舍尔的艺术作品《画手》，一些科幻小说和电影都是以它为依据进行创作的，这体现了它的跨学科性。STEM教学通常分为四个环节：发现问题;设计解决方法;利用科学、技术、工程和数学等知识解决问题;运用理性方法验证解决效果。[6]结合两者的相通性质，设计出中职STEM教学模式，如图1所示。

5 基于AR的中职STEM课程教学实施过程

1）提出问题或项目

中职STEM教育从开始就要紧密联系实际生活中的问题，从真实情境出发，培养学生发现问题，提出问题和诠释问题的能力，而AR技术对真实问题情境的增强可以提高学生的沉浸感和积极性。以中职机械专业的STEM课程《汽车为什么能跑》设计为例，核心问题是汽车为什么能跑？最终目标是能做出一辆遥控电动汽车模型。利用AR学习平台对汽车进行图像识别展现出不同时代的汽车模型，动画演示汽车的发展历史，给学生以不同时代的带入感，在了解历史的同时不断去思考项目的核心问题。

2）猜想假设

引导学生分析问题，并进行猜想和假设。对例子《汽车为什么能跑》进行联想和假设，比如：汽车克服了摩擦力和空气阻力;发动机为汽车提供了动力等。每个学生配备一台AR手机，学生可以自由的实事求是地表达自己的猜想，并将自己的猜想基于位置共享匿名发布到AR平台上。这一环节有助于培养学生独自思考的能力。

3）组建学习共同体

组建学习共同体简单说就是组建项目团队。根据猜想假设环节中的学生的猜想，在限制团队人数的基础上，学生在规定时间内基于位置共享去寻找与自己猜想一致的人建立学习共同体，这个需要活动空间充足。最后老师根据学生的差异性在尊重学生的意愿下进行适当调整。这样有利于老师了解不同团队的初始能力并进行分层分组指导，學生自主选择的队友在合作上也会展现自己活跃的一面，积极投入到协作学习中，同时培养他们做选择，沟通交流，团队协作的能力。

4）跨学科探究

在老师和专业人员的指导下，利用有关科学、技术、工程和数学的相关知识去解决问题，强调“做中学”，并要科学地探究，依据理论和数据得出结论。中职STEM教育需把工程和技术作为侧重点，提高学生动手做的能力。利用AR学习平台展现出汽车各个部分的结构模型，引导学生进行探究学习。比如学生可以利用AR观看汽车在不同状态（静止和匀速、加速和减速）下的受力情况及发动机各个部件工作情况。AR在跨学科探究阶段的优势表现在节约教学时间和资源，知识可视化和形象化，便于学生进行探究。

5）实施并验证

明白汽车驱动的原理之后，设计问题解决方案。学生可以在AR学习平台上进行方案的预实验，像玩乐高一样进行汽车模型的组装。之后，实施项目的终极目标——遥控电动汽车模型的建造。此环节需要整合前阶段学习的理论知识和数据去指导实践，融入自己的思考设计方案并实施方案做出产品，最后验证产品是否成功来反思方案的有效性。如果出现问题，则要探究问题出现的原因并解决，如此循环直至验证成功。

6）精致产品，小组汇报

听取老师和专家的建议优化产品，培养“工匠精神”。比如汽车外形的设计要符合工程学原理且富有创意。成果汇报即将最终产品向老师和其他小组成员进行展示和解说，小组汇报可以培养学生反思、表达和写的能力，加速知识内化，加深知识迁移应用。

7）渗透职业规划

中职的教育最重要的是帮助学生明确自己未来的职业选择与职业价值，在项目小组的角色分工可以更好地让他们明白自己的优势和劣势并在不断地尝试中取长补短。这一环节最好是学校能组织学生实地考察与问题或项目相关的产业，与在职人员面对面地交流，身临其境会让学生对自己以后的职业方向更清晰。

8）评价

评价贯彻整个教学过程，评价方式多元化，综合运用形成性评价和总结性评价，评价过程和指标要公开公正公平。评价的第一项就是每一个学习共同体的团结协作效用，即项目小组成长值的量化评价;第二项是形成性评价，即观察学生在什么情境下学到了，在什么情境下没有学到，观察的是情境，而不是学生学到的知识;最后一项是总结性评价，以产品为依据，评价产品的使用价值，其中最重要的是对“创新”评价标准的量化。

6 总结

未来，一定是“跨界整合能力”效用远大于“单项突出”。因为，高精尖的工作机器人能代替，而人的能力必须体现在整合和创造上，人的探究态度必须体现在科学严谨上。职业教育作为技术型人才孵化器，完善职业教育中的STEM课程研究，优化中国职业教育技术产业，打造适时人才培养模式势在必行。

参考文献：

[1] 赵慧臣，陆晓婷.开展STEM教育，提高学生创新_访美国STEM教育知名学者格雷特·亚克门教授[J].开放教育研究，2016，22（5）：4-10.

[2] 李扬.STEM教育视野下的科学课程构建[D].浙江：浙江师范大学，2014.

[3] 杨亚平.整合性STEM教育理念下工程类高职数学教学模式的建构[D].上海：华东师范大学，2016.

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

[5] 刘义，高芳.情境认知学习理论与情境认知教学模式简析[J].教育探索，2010（06）：88-89.

[6] 钟启泉，编译.现代教学论发展[M].北京：教育科学出版社，1998：363.