AR在小学科学实验教学中的应用

宋燕 曹蕾

【摘 要】增强现实（Augmented Reality，AR）技术实现了物理世界和虚拟世界的无缝融合，将抽象的内容可视化、形象化。AR技术极强的交互性，给课堂提供了一种新的教学方式，学习者能够在虚实融合的教学情境中，以最贴近自然的方式进行自主探索。文章以小学科学课程“我们来养蚕”作为个案研究，尝试将增强现实技术引入科学教学，通过AR技术在小学科学教育领域的探索应用和分析讨论，旨在提高课堂效率的同时提升学生在课堂教学中的学习效果，形成教育新常态的价值诉求。

【关键词】AR学习环境;小学科学;课堂教学

【中图分类号】G434 【文献标识码】B

【论文编号】1671-7384（2021）01-070-03

科学课是一门综合的课程，科学问题包罗万象，涵盖多个学科的内容。科学学科（物理、化学、生物、地理中天文部分）具备抽象化、微观化、模型化、空间认知以及彰显实验能力的学科特征[1]。增强现实以一种可见的方式将学生必须学习的知识引入现实环境中[2]。在教育领域，通过AR技术的应用，不仅将书本上一些原本抽象平面的文字知识形象生动地展示出来，其真实环境和虚拟物体在同一个画面或空间的实时叠加和互动，更是极大地增加了课堂教学的互动性，可以有效激发学生的学习兴趣，充分调动学生的积极主动性，进而提高课堂教学效果和效率[3]。

以苏教版科学教材中四年级下册的“我们来养蚕”为例，基于AR技术的小学科学课堂，在课程上通过AR技术探索观察蚕的一生生长变化的历程，利用实时的三维模型互动展示各阶段的身体特征，将AR技术融入小学科学课堂，将蚕的一生各阶段的身体特征真实自然地呈现在学习者的面前，相较于传统的视频或者是图片文字类的信息展示，使用AR技术的实时3D模型展示这种形式，学习者在课堂上的表现更加积极主动，专注度也有更高的提升，学习者在这样一种沉浸感和互动性很强的学习环境中对蚕的一生变化过程有了一个更加清晰、系统的认识。具体教学教程设计如图1所示。

确定目标，组建小组

在课程开始前，教师应做好教学目标的梳理：（1）认识蚕的身体。（2）了解蚕的生活和成长的必要条件。（3）学会科学饲养蚕宝宝。（4）了解丝绸文化的意义，关心当地的文化发展。通过问卷调查和观察法对学习班级进行了解，以“组间同质，组内异质”，人数控制在3-5人的原则组建学习小组。

情境创设，构建经验

桑蚕起源于中国，早在四、五千年前，我们祖先就栽桑养蚕，丝绸在我国的文化发展中起着非常重要的作用，有着千年绸都美誉的南充市和桑蚕文化有密切的关系，教师通过播放南充市丝绸文化介绍片，将科学知识与日常生活场景结合起来。通过对丝绸文化的深入了解，学习者在其中找到文化根源和文化认同感，更有利于培养和发展学生的文化自信。观看完视频之后，引出制作丝绸必不可少的原料——蚕丝，再引导学生说出蚕丝是蚕结茧后形成的蚕茧加工制作而成的。那蚕是怎么从一颗小小的蚕卵长大的呢？蚕的一生中会发生哪些变化呢？

通過AR技术引入蚕的一生的变化教学内容的环节，如图2所示，学习者观察蚕的AR教育模型。AR技术模拟的蚕的身体在移动终端手机或者平板的支持下，可以实现全方位的一个展示，学习者可以通过触碰屏幕进行放大和缩小的操作，学习者也可以从不同角度观察，这种多角度的观察可以让学习者对观察对象有一个更加深入的了解。小组成员再通过屏幕进行互动的时候，主动探索新事物的欲望表现得更加强烈了。通过点击终端设备上的交互按钮，分别观察蚕卵、幼蚕、蚕蛹、蚕蛾的身体结构特征：（1）蚕卵是圆形的。蚕卵中间有点凹下去。蚕卵的颜色是黑灰色的。（2）幼蚕形态是圆筒形的，共有1体节，8对足，身体分为头、胸、腹三部分，青白色。（3）蚕蛹的体形很像一个纺锤，分头、胸、腹三个体段。头部很小，长有复眼和触角;胸部长有胸足和翅;鼓鼓的腹部长有9个体节。蚕蛾的形状像蝴蝶，全身披着白色鳞毛，但由于两对翅较小，已失去飞翔能力。蚕蛾的头部呈小球状，长有鼓起的复眼和触角;胸部长有三对胸足及两对翅;腹部已无腹足，末端体节演化为外生殖器。

学习者进行组内讨论交流，提出自己的疑问，如为什么蚕在不同时期是不一样的呢？蚕宝宝在蚕卵里会不会饿死？蚕卵需要什么条件才能进行孵化？蚕需要吃什么才能吐丝？

多向交互，探究创新

学习者在AR环境中多角度认识蚕的四个发育阶段之后，对蚕的结构概念已经有清晰的认识，在对基础概念有一个知识框架之后，教师引导学生进入高阶思维的学习：蚕的生活和成长的必要条件。学习者学习概念知识后，借助AR交互实验，通过调节温度、湿度、空气流通程度的交互按钮，控制适合蚕卵孵化的条件。小组成员通过AR交互实验，在游戏化的界面操作中进行关于蚕的生活和成长的必要条件的学习，包括养蚕需要的食物和居住条件等注意事项。例如，蚕卵孵化成幼虫的温度条件是要保持温度在24～25℃这个区间，这是孵化蚕卵的最佳温度条件，还要注意空气流通和保持适宜的湿度;蚁蚕是黑色的，像小蚂蚁似的。蚁蚕一出壳就要吃，因此要赶快用毛笔或羽毛轻轻地把它刷到桑叶上。

学习者经过在AR学习环境中提前感受蚕一生神奇的变化过程，对养蚕需要的食物和居住条件等注意事项有了深刻和清晰的认知，课后通过小组协商和讨论，共同完成“蚕宝宝喂养手册”的制作，作为小组的学习成果，为后续在现实生活中养蚕提供理论和实践的指导。

总结评价，深化提升

案例借助“AR小学科学”创建增强现实学习环境，通过创设学习情境，引导学生主动探究思考问题，在增强现实学习环境中探索学习相关知识，解决学习者的困惑，通过小组协作学习，在增强现实学习环境中的交互实验里进行动手实践，以游戏化的学习方式“做中学”，进而掌握蚕生长的必要条件。

评价由形成性评价和总结性评价按照一定的权重比例构成。形成性评价包括课内小组评价以及个人评价，小组评价以组间互评确定。个人评价由小组成员互评和自评组成。总结性评价利用“NB小学科学”教学平台中的动手实验模块中与蚕有关的实验以检验所学知识，如图3所示。同时，让学生以“蚕宝宝喂养手册”的制作来向老师反馈学习效果，以达到学习评价的目的。

在AR小学科学实验教学过程中，通过设计优质高效的课程活动为AR学习环境下的小学科学实验教学提供策略指导，有助于创建符合小学生认知发展的学习环境，促进学生将小学科学实验课堂所学习的知识转移到现实世界环境中。但目前基于AR的学习环境建设费用相对较高、受到学校人力资源和物力资源的限制，不能做到给每一位学生分发实验设备。同时网络、设备等因素造成了AR画面显示过程中出现的卡顿现象，影响学习者的学习体验。

基金项目：2020年度南充市社科规划项目“虚拟现实学习环境中儿童消防安全教育探索”研究成果（项目编号：NC2020C167）

2020年西华师范大学大学生创新创业计划训练项目“混合现实技术在小学安全教育中的应用研究”研究成果（项目编号：cxcy2020008）

作者单位：西华师范大学教育学院

参考文献

林晓凡，朱倩仪，吴倩意，申伟鹏，王佳慧. 增强现实体验式教学资源的科学教育应用：策略与案例[J]. 中国电化教育，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]

刘秀娟，梁立锋，米小建. AR技术在地理教学中的应用初探——以“地球的运动”为例[J]. 教育教学论坛，2020（13）： 250-251.