人工智能与学科教学有机融合的挑战——以物理学增强现实App教学应用为例

汪 琼 刘晋阳

当下，各级各类学校在人工智能智慧示范校建设中普遍反映，最难的问题是如何将人工智能技术与学科教学有机融合。学科教学中人工智能技术常以App形式出现，教师在将这些App应用到教学中时主要有三个困难：一是没时间去发现教学中可利用的App；二是没有信心学会使用并在教学中有效驾驭App；三是认为学校缺乏足够数量的设备，不具备开展相关教学的条件。要解决这三个问题，就需要更多的校内外智力资源的合作，这包括筛选推荐教学中可用的智能App资源、开展学习App及应用App等方面的教师培训、共同开发使用人工智能开展学科教学的教案、提供学生可操作的活动指南、分享教学经验等。此外，信息技术与学科教学融合的教学改革，因为技术更新发展迅速，尤其需要建立实践共同体。

为了更准确地了解一线教师对智能App的态度和教学应用中存在的挑战，我们调研了中小学自然科学学科中基于移动设备端的增强现实教学应用（英文简称ARAPP）市场，发现物理学科教学ARAPP最多，基本可以满足教学需求。在调研的基础上，选取了五种物理学ARAPP进行了线上教师培训，根据参训者的反馈以及提交的基于ARAPP开展教学的教案设计稿，总结出中小学教师使用ARAPP面临的挑战和教学顾虑。本文介绍了项目的研究发现，希望这些发现可以帮助广大一线教师反思智能互联技术进入学校面临的挑战，深刻理解智能技术教学应用所带来的观念冲击。

之所以选择ARAPP是因为实验教学是中小学自然科学类课程的重要组成部分，在培养学生观察能力、动手实践能力、创造性思维能力和团队合作能力等方面都发挥着重要作用，但当下许多中小学实验教学的开展状况却与新课标要求严重脱节。以化学学科为例，华东地区绝大多数中小学学生实验开设数量未能达到新课标的要求，仅有11%的学校拥有正规的、每学期更新的实验室，超过20%的学校没有配备专门的实验员，许多实验由于缺少仪器设备而无法开展。此外，自然科学教学中对实验内容的潜在需求远远大于课程标准所提供的教学实验内容，传统实验设计往往受制于以下几个方面而无法在课堂教学活动中广泛开展：高危或极端环境、不可及或不可逆操作、受时间地点人力财力等的制约。例如普通高中物理电学部分有关高压电网的相关内容就涉及高危环境，几乎不可能带领学生进行现场学习；电场与磁场中的电场线、磁感线都是不可见的，动物、人体的解剖是不可逆的；化学中的核磁共振仪器昂贵，常规中小学几乎不可能配备此类设备，也不可能使用离子加速器观察带电微粒的运动。目前中小学的自然科学教学中，上述内容几乎无法进行课堂展示。增强现实（Augmented Reality，简称AR）技术能够使得学习者在现实环境中看到虚拟对象并与之进行交互，相较于VR教学，具有不眩晕、视力损伤小、成本较低、不需要建设专门的实验室等优点。目前，因为不再需要如Billinghurst的头戴式设备以及AR工作台、AR眼镜等独立设备，仅使用移动设备即可在教学过程中使用AR技术，ARAPP在中小学自然科学教育场景中表现出良好的应用前景。

一、如何发现可用的ARAPP

本研究的第一步聚焦于调研教学中可用的增强现实应用，了解现有AR APP的学科覆盖面和质量，估算实施教学的成本。通过体会一线教师寻找可用APP的工作量，也可以初步推测ARAPP应用离中国的教室还有多远。了解和发现教学可用的ARAPP的方法与查找文献资料类似，比如，我们以“AR/reality/virtual”等技术关键词、“科学/science”“物理/Physics”“化学/chemistry”等学科关键词以及学科内各主题关键词（如“分子/molecule”“力学/mechanics”“生态学/ecology”等）在应用市场、搜索引擎以及其他网站进行检索，就可以发现许多中小学教学可用的ARAPP。

综合比较发现，物理学科的ARAPP所涵盖的主题更为广泛，能够覆盖IB物理课程（IB课程即国际文凭组织IBO为全球学生开设的从幼儿园到大学预科的课程）体系中89%的学时，包括经典力学、天体力学、电磁学、微观粒子等多个主题，只有少数内容如能量传递、相对论、热学与光学等内容尚无成熟可用的App上线（详见下页表1）。

相对来说，苹果IOS系统平板电脑上可以用于教学的ARAPP要比安卓系统多一些，英文版的可以用于教学的ARAPP也多于中文版。此外，不少ARAPP对IOS有高版本要求，需要更新设备。因此，语言要求和装备升级可能是教师在开始准备使用智能教学App应用时就面临的两大挑战。下页表1中罗列的是目前我们挑选出来的免费的或低价的但是质量还不错的物理学科App。相对来说，收费的App界面更加美观，功能也会更多，但是这也意味着学校需要有更多的有关师生软件使用方面的资金投入。

表1 基于IOS系统的高中物理各教学主题ARAPP统计表

对于ARAPP的教学质量，可以通过其简介和用户亲身使用体验等方面做出判断。从参与项目的四十多名教师的反馈中可看出，他们基本都能够自行安装App并进行初步的功能探索，但是深度挖掘App功能就比较吃力。如果能够有专业人士深度探索后撰写攻略，就能够有效推动教学应用。比如，在我们通过线上培训和学员手册详细地介绍了某个App的功能后，学员提交的教学案例设计就会更加多样化。

综上所述，市场上现有App种类的限制、运行平台和语言的约束、教学经费以及教师摸索时间的制约等都可能影响教师在学科教学中使用ARAPP的积极性和效率。

二、如何深度了解App功能以便在教学中充分应用

目前智能App不只是出现在教师的教学展示环节，在实验环节的应用也越来越多。以物理学为例，从目前调研的App来看，可以将AR教学应用按功能归为三类：测量工具类、模型演示类和实验操作类。

测量工具类应用通过AR技术来测量和呈现真实物理环境中的长度、磁感应强度等物理量，如Shape 3D、Physics Toolbox Sensor Suite等。此类应用能够帮助师生更方便地测量在真实物理环境下难以通过常规手段测定与表示的物理量，例如一座楼的尺寸、通电导线周围的磁场分布状况等。

模型演示类应用使用AR技术在真实空间中呈现精细的立体模型或动画演示，如ARious中展示的物理学经典实验所用的设备、AR小学科学中呈现的登月动画等。AR能够呈现常规条件下由于时间、空间、财力、安全等因素而难以展示的物理模型，同时依托于真实的物理情境，使学习者学习过程中以熟悉的物理环境、身体的感官与运动为基础，能够更好地强化其认知。

实验操作类应用则是在模型演示类应用的基础上，增加了实验设计与操作等人机交互功能，使得师生能够通过放置模型、调整参数等方式进行拥有一定自由度的科学实验。除具备模型演示类应用的优势外，AR模拟实验还能够支持在教室中开展涉及高危或极端环境、不可及或不可逆操作以及受时间地点人力财力制约的自然科学实验（如“观察”三维空间中的磁场、高压电网的演示与实验、动物解剖、涉及微观粒子的各类实验等）。

不同类型的ARAPP可以应用于教学的不同阶段。本研究的第二步是希望了解一线教师对于这些ARAPP教学应用的兴趣、学习速度和由此激发的教学创作情况。为此，我们准备了详细的工作坊学员手册，包括经过挑选的五种ARAPP的功能介绍和使用说明以及国内外使用这五种App开展教学的教案样例。在线上工作坊实时教学环节，还会演示每个App的操作流程，点评国外教学案例的设计思路。在学习使用ARAPP的过程中，教师表示他们遇到的挑战是：即使有详细的培训资料和解说，在进行观测和探索之前，还需要花费许多精力先学会在移动设备中操作这一AR应用，特别是一些参数设定与手势操作较为复杂的应用。例如在“物理实验室AR”一课中进行天体力学实验，需要设置天体的质量、半径、初速度的大小和方向等多种变量，还需要通过不同的视角和手势放置天体，这需要教师做好花时间学习使用移动设备的思想准备。

我们希望从教师们提交的教案设计稿中看出教师们对于工作坊推荐的ARAPP在教学中可以用在哪些内容教学中的思考，以及学生在学习中可能存在问题的预设。但是从教师提供的教案来看，大多数教案设计只是对现有教学活动做了工具替换，很少有创新的活动设计，这可能是因为参与项目的教师没有足够时间深入摸索这几个ARAPP的功能所致。这也从另一方面说明教师在规划ARAPP教学应用时所需要的支持，即需要配套的理论模型解释和详细的实验步骤设计，以增进和加快其对ARAPP的深度了解，在此基础上才有可能设计出充分利用App的教学活动。

目前的AR教学应用大多只能允许学习者在设定好的范围内活动，或者通过设定好的方式进行互动，难以发挥师生教学过程中的创造力。部分教师希望在教学过程中针对教学内容做出一些改动、增减一些内容或是添加一些简单的功能，但囿于应用本身的自由度以及技术手段的限制而难以实现。这也要求教师在采用现有App教学时要具备因地制宜的教学创新能力。

三、如何看待AR技术的局限与价值

问卷调查结果显示，项目参与教师对于在教学中采用ARAPP存在顾虑。比如，引入ARAPP可能会为课堂管理带来新的挑战。一方面，师生需要时间学会操作App，这可能会占据更多本就十分紧张的课堂时间，对按时完成教学任务造成干扰；另一方面，AR技术具备较强的新奇性，在吸引学生兴趣的同时也可能分散学生的注意力，学生使用AR设备参与教学活动时可能会偏离教师的建议，甚至可能在教师讲课时被设备吸引，如何管理学生并恰当地使用设备是许多教师担心的问题。

针对这些问题，有教师建议，将此类活动移至线下，作为学生的探索活动，或是通过加入技术助教、采取适当的团队合作机制等方式来应对上述挑战。其实，这个问题本质是智能互联技术进入学科教学后，可能会带来学科教学内容及教学组织结构的变化，表现在要打破空间、时间限制，将“不可见”变为“可见”，让知识的习得从教师的讲授转变为学生的动手发现。这对许多教师来说是一个挑战。

打破空间限制主要体现为两个方面：一方面是打破教室空间的限制，借助AR技术，师生就可以在讲台上考察一片区域的生态系统、在桌面上观察月球车登月、在教室里看到整个太阳系；另一方面是打破人类观察尺度的限制，利用AR技术，师生可以将观察范围扩大到微观、宏观等各个尺度，学生可以测量一栋楼的尺寸，可以站在太阳系之外观察行星的运动规律，也可以进入原子内部探索微观粒子的结构。

打破时间制约是未来各级各类学校采用智能技术教学大有可为的创新点，这里的时间限制体现为多个方面。一是历史回溯，即通过AR再现物理学家们的经典实验，其中许多实验设备已经很难用今天常见的装置还原；二是实现时间可控，许多物理现象发生在瞬间（如自由落体）或是经历漫长的时间（如行星运动），借助虚拟实验则能够观察系统的瞬态或是加快时间的流动；三是呈现“可逆过程”，如随着解剖的进行，样本逐渐被分解而无法还原，这是“不可逆”的过程，虚拟实验则能够实现“可逆”的解剖，帮助师生反复观察与探索。

AR技术还可以将“不可见”变为“可见”，将不可见的磁场、电场、电流、运动轨迹与微观粒子等转化为现实空间中可见的形态，为不可见与难以观察的现象提供理想的呈现方式，以促进学生对抽象概念的理解。有别于传统使用挂图、计算机软件、教学模型等间接的呈现方式，AR能够借助物理传感器与空间定位技术，帮助学习者直观地看到真实空间中原本看不到或是难以观察到的物理量，这是目前使用其他技术难以做到的，这也将是自然科学学科教学过程中ARAPP的主要结合点。

此外，在教学中结合AR实验也能够帮助学生通过探索来拓展认知边界。例如，当天体的质量很大、很小、速度很快的时候会如何？帮助学生探索与发现新的科学问题。与其他类型的虚拟实验相比，AR与操作性任务结合也有助于提升学习者的操作体验。这种拓展性学习探索，会增进学生对学科基础原理和研究方法的认识。

经过两期线上工作坊实施前后的调研和交流，我们对人工智能技术进入学科教学的现状和师生面临的挑战有了更直接的体会和认识。总体来说，虽然各级教育部门和学校都在推动人工智能技术的教育应用，但是目前可用的人工智能学科教学产品十分有限，特别是中文版或国产化的智能教学应用。一些条件较好的学校已经有教师在教学中使用智能App，但多是浅尝辄止，并没有变成系统化、规范化的教学行为。而要建立真正的人工智能教育示范校，除了装备软硬件教学资源外，更重要的是帮助教师进行观念、理念、方法和技术等多方面的准备。有效应用进入学校的智能技术，需要打破现有的教学组织过程和教学管理思路，需要创新教学观念和对学科知识本质规律的深刻理解。

具体到AR技术的教学应用，如果只是教师在课堂上的讲解演示，紧迫性并不强，但是如果要利用这个技术增进学生对实验科学的认识，就非常有必要。2019年11月教育部发布了《关于加强和改进中小学实验教学的意见》，其中特别指出要“促进传统实验教学与现代新兴科技有机融合，切实增强实验教学的趣味性和吸引力，提高实验教学质量和效果。对于因受时空限制而在现实世界中无法观察和控制的事物和现象、变化太快或太慢的过程以及有危险性、破坏性和对环境有危害的实验，可用增强现实、虚拟现实等技术手段呈现。”目前国内中小学阶段具备AR教学实践条件的学校多集中于配备移动设备的民办学校、国际学校以及部分条件较好的公立学校，AR教学应用尚处于起步阶段。