AR技术应用于课堂的尝试

李敬 陈静 柳姿怡

新兴技术的融入，为教育带来了更多的新型教学模式，增强虚拟现实（AR）技术的兴起或将为教育信息化掀开新的篇章。当下，已有将AR技术应用于科学课堂的众多尝试。应用AR技术可以将难以理解的知识更加生动地呈现在学生眼前，实现更直接的更新颖的互动活动，有助于学生更好地获得学习体验、更好地激发学习兴趣，实现更深层次的学习。

一、AR与VR

VR （Virtual Reality）即虚拟现实技术，主要通过使用模拟、电子信息、计算机、传感器等技术手段，创造一个与真实世界完全隔离的虚拟世界。AR（Augmented Reality）即增强现实技术，是在VR基础上发展而来的一种新型技术，将虚拟信息叠加在现实世界上，其主要利用计算机等科学技术模拟、仿真虚拟信息，并将其应用到我们的现实世界中。虚拟信息和真实信息相互补充，进而实现对现实世界的“增强”。

AR和VR都是基于虚拟现实的模拟技术，两者都是当今科技发展的重心，未来将会在各个领域进一步普及推广。虽然两种技术都使用计算机、传感等技术手段，但AR和VR在技术实现与应用中还是有所区别的。

（一）AR技术强调真实世界和虚拟场景的互动

VR是一种完全虚拟现实的技术，多是仿真技术、多媒体技术和网络技术等多种技术的结合，只是虚构出一个数字世界，或是虚拟现实中的一切场景，旨在构建一个新的虚拟世界，让人有一种身临其境的感觉。

而AR是基于现实的一种增强技术，运用三维建模、多传感器融合等多种新型技术，实现现实和虚拟的结合，将真实世界和虚拟场景两者结合起来，增强了与虚拟世界的互动，使人在真实世界中就能感受虚拟信息，或与虚拟场景互动。从这个角度来看，AR是在VR技术基础上发展而来的，AR技术包含VR。

（二）AR技术更注重实用性

VR技术主要通过虚拟场景，为使用者提供沉浸式的体验，更注重趣味性，目前多用于电子游戏、娱乐等商业领域。其典型产品就是各类VR眼镜，使用者通过佩戴VR设备，可以像在现实世界中一样在虚拟世界中遨游。但是，作为增强虚拟现实的AR技术更注重虚拟与现实间的联结，如北斗AR地球仪、AR书籍等典型的AR教育产品，在早期的VR眼镜基础上设置了更多的互动功能，实现虚拟与现实的结合，凸显了AR技术的教育实用性，为学习者提供了丰富的个性化的学习体验。所以，虚实结合的AR技术广泛应用于建筑、医疗和娱乐领域，在教育领域尤其是在科学教学领域也发挥着越来越重要的作用。

二、AR技术在小学科学课堂的应用

5G时代的到来，将会给AR技术在教育领域的推广和普及带来更大的机遇。例如，通过AR技术制作的三维地图，让学生与虚拟现实进行互动;AR书籍的使用，让学生在阅读的同时获得个性化的阅读体验，尽情遨游在知识的海洋里;在AR课堂上，利用AR技术制作出具体模型可辅助语文教學;等等。AR技术的应用，改变了传统的学习方式，以生动的场景激发学生学习的兴趣，使学生获得更好的学习体验。

（一）AR课件的开发与应用

当下，实现AR技术的开发工具有Unity3D、Vuforia、OpenCV、AR Core等。其工作原理是对接收到的信息进行追踪分析，通过交互式命令生成虚拟信息，将3D模型、音视频等信息叠加在真实环境中，产生虚实结合的感觉。纪录片《你好，未来人类》英国篇中的一堂小学健康课上就展示了典型的AR课件：一位手持PAD的学生给另一位贴有定位标记T恤的学生拍照，投影上就根据被拍者身体比例呈现出人体结构图。教师以此作为课件进行讲解，投影中虚拟出的图像会随着被拍照学生的动作发生变化，并呈现出吞咽、心跳等虚拟效果。

由此可见，AR课件较之传统课件需要更多的技术和更复杂的制作过程。一般来说，至少需要三类技术：三维技术，目的是将虚拟信息叠加于真实情境上;虚实融合的显示技术，目的是渲染虚拟信息使虚实结合效果更加真实;人机交互技术，目的是实现更自然的交互。

制作过程则主要分为虚拟环境架构和交互设计两部分。首先，虚拟素材准备阶段：将课程教学内容所需素材——音频、视频、图片、3D模型、背景音乐等放置于配置好的AR开发环境中，然后，在相关软件如Unity中进行一系列后续操作完成课程配套的AR程序。这类程序支持在屏幕上显示特定3D模型，并能通过设置交互点呈现知识点的文字或视频介绍。由此，实现三维实时交互过程，让虚拟物体融入真实环境，虚拟信息与真实环境相互叠加直接呈现在学生眼前，实现了教学内容的可视化。

（二）AR技术给小学科学教学带来的变化

科学教育是以培养学生科学素养为宗旨、倡导探究发现的教学科目，科学课程具有事实概念和验证性实验两个主要特征，强调科学知识与生活实践的紧密结合。但受传统科学教育模式和传统教学课件水平限制，学生除了阅读教科书和观看影音材料之外，缺乏对科学现象和科学规律的切实体验。AR技术的出现可以有效解决这一现状。Cheng等认为在科学教育中，AR技术的参与使学习者在理解学习知识和提升学习者的空间技能和操作技能方面有了很大进步，AR技术更有利于培养学习者探索解决问题的能力。张四方提出科学教育领域的AR教育主要基于AR技术的可视化、体验性和移动性。基于可视化可以增强抽象概念理解和空间观念认知;基于体验性置于学习情境可以促进科学研究;基于移动性则在于其开放、灵活的表现形式。在科学教育视域下AR教学应用分为应用、认知、技术三个层次。

1.应用：将微观的、不可见的世界可视化

传统的科学教育课堂一般通过讲解书本知识、查阅文献和实验探索的方式开展，对于日常生活中可见的现象，如“认识根、茎、叶”比较容易开展，但是对于一些微观世界（如认识细胞）和宇宙地球领域的知识则只能通过图片视频学习，学生很难有切实体验感。AR技术的出现弥补了这一方面的缺失，增强了学习体验。

2.认知：将复杂抽象的知识可视化

科学教育中常常有许多复杂抽象的知识难以理解（如昼夜交替产生的原因），对小学生空间理解能力要求较高，而传统科学教育只能以二维平面的图片和视频讲解，不符合学习者三维学习的思维习惯。AR技术提供的3D模型更具真实性和立体感，通过立体图形的扩大、缩小、旋转等操作，学习者能更直观地理解知识。

3.技术：支持情境下的学习

随着AR技术的发展，在小学科学教育课堂中更方便开展科学知识的探索，同时将书本上的知识引入现实中。虚拟情境与真实情境互相叠加，增加了小学科学课堂的互动性，使学习者置身于学习情境中，增强了学习兴趣，进而提高了学习效率。

总体来说，应用于教育中的AR产品具有将知识可视化的特点。利用AR技术做出的教学型软件能够创造出直观可视的真实情境，在充分调动学生兴趣的前提下，使之主动探究完成对知识的吸收。虚拟环境中的实时交互功能，配合理论知识的讲解，不仅能够让学生完成对知识的架构，而且这个过程不会产生对学习的滞涩感、厌恶感，反而能够实现动手动脑相结合，有利于进行思维培养。

三、基于AR技术的小学科学教学实践

诸多学者都对AR技术在小学科学教育领域的应用进行了尝试设计、教育资源开发，并测试了其教育的有效性。AR技术在科学课堂上不仅提供了丰富的教学资源，激发了学生学习探究的积极性，还因创新了教学形式而提高了教学效率。

（一）运用AR技术实现虚拟情境，增强展示效果

为了更好地完成小学科学探究教学，小学科学教师应对探究内容进行详细分析，并对学生的心理特征加以了解，通过运用AR技术进行情境的创设，从而吸引学生进入问题情境。这样，能够更好地吸引学生的注意力，更好地完成小学科学探究实验的目标。例如宋燕学者以“我们来养蚕”为例，利用AR技术探索观察蚕宝宝的一生生长变化（如图1）。

（二）运用AR技术实现可视化，突破教学重难点

如《四季是怎样形成的》一课的教学，重难点是认识地球围绕太阳公转引起地球四季的形成（如图2）。因为地球、太阳比较宏观、抽象，学生难以理解，可借助AR技术三维再现地球公转。学生討论后教师再引导学生分析，地球是自西向东运动的，由近日端—远日端—近日端—远日端转动变化;进一步探究“为什么同样是远日端，夏季和冬季温度不同”，并运用AR技术演示地轴倾斜，观察地球上同一位置温度是否会有不同的变化。学生自主讨论探究最终得出结论：四季的形成与地球公转和地轴的倾斜有关。

（三）运用AR技术实现体验式学习，促进学生知识建构

教师将AR技术应用于科学课堂，将虚拟对象与真实情境相结合，可以使复杂的、抽象的科学知识更加具体化、可视化。许贤苏学者以“月相变化”为例，利用AR技术使学习者身临其境（如图3），在体验的基础上通过AR课件在互动中感受月相变化过程，更好地培养学习者的逻辑思维能力、自主探索能力和实践能力。

综上，在科学课堂中应用AR技术制作的课件，基于3D和虚拟现实技术，不仅呈现了抽象科学知识方面的直观性，还通过教师与AR课件的互动、学生与AR课件的互动，实现了前所未有的互动体验，极大地提高了科学课堂教学效果，有利于促进学生主动、深入地学习。

四、AR技术在小学科学课堂的应用展望

目前，AR课件应用于小学科学课堂尚处于尝试阶段，未来，即使AR技术成熟和技术门槛降低，也需要小学科学课程的教学模式与架构做出相应变革才能实现。

（一）AR课件教学需要小班额授课

将AR技术融入课堂的教学课例中，国外学校的小班教学更有利于大多数学生得到体验，更好地完成对知识的吸收。希望未来我国也能普及小班教学，以充分发挥AR产品的作用。

（二）AR科学课件不够系统化，交互功能设计仍需优化

目前，AR技术在科学教学中的运用基本上都是基于个别案例，没有配套的、完整的教育资源，如果未来能开发出系统化的课程资源，则更利于推广普及。另外，AR技术的教学交互功能仍需紧密结合科学课程进行设计，以期能更好地应用于教学实践。

未来科学教育的信息化，必然是AR技术发展和科学教育模式变革“双向奔赴”的结果。

【本文系 2021年国家级大学生创新创业训练计划项目“科学触手可及——AR技术与自然科学”研究成果，项目编号202110798015，指导教师：程超 朱玉莲 焦伟婷 李建英】