具身认知课堂：技术赋能下空间观念教学的实践探索

周善伟

【摘 要】研究基于落实数学核心素养、促进教师教学方式智能化的需求，以南京市某区为例，从教师的视角分析、研究空间观念的培养在小学数学课堂落地的现状和问题，在具身认知理论引领下，以案例形式探讨如何运用AR技术来实现具身认知课堂，从而构建促进小学生空间观念发展的教学实践路径。

【关键词】空间观念 具身认知理论 AR技术

一、现实窘境：空间观念教学的时代遭遇

为了解教师在空间观念教学中存在的问题和需求，笔者选取了江苏省南京市某区960名小学数学教师进行了问卷调查和访谈，针对教师对“图形与几何”教学内涵和意义的认识、教学内容、学习方式、作业设计、评价方式等五个方面进行了教学现状的调查。综合分析问卷数据，笔者发现以下三方面的问题。

（一）教学中没有凸显空间想象

根据问卷数据，笔者发现在课堂教学方面，更多教师需要创设方便学生体验的情境以增加空间观念的迁移性、利用操作简单的学具来增加空间观念的直观性以及设计让学生感兴趣的课堂教学内容（表1）。

（二）空间观念的教学缺乏相应的技术支持

调查中发现，问及“您认为在小学阶段注重空间观念的培养有必要吗”，73.23%的教师觉得非常有必要，约有20%的教师觉得有必要，这说明教师重视对学生空间观念的培养。受访教师认为影响学生空间观念发展的因素更多的是学生年龄、知识的难易程度、学生空间观念的强弱、课堂教学、多媒体教具的使用等，而解决这些需要依赖课堂教学的直观性，需要教师使用一些技术和教具增加空间观念的直观性，向学生有效地传递空间观念。

从教师访谈可知，教师的需求也集中在：给教师既有的教学方式提供便利，比如多媒体辅助教学的方式需要平台支持和技术支持、云资源等，但是部分教师不会使用新兴的技术，并在不同教龄上呈现显著差异，3年以下的新教师36%不知道在什么环节加入技术，他们更需要具体的课堂案例进行针对性辅导；超过一半的教师希望学校提供相对应的平台支持或技术支持，特别是工作10年以上的教师。

（三）教师不知什么时候用新技术辅助教学

在教学手段方面，教师最常用的是动手操作，其次是多媒体辅助，最后是直观想象，但是直观想象是培养学生空间观念的重要途径，我们通过深入访谈得知教师不愿意在教学中使用直观想象的原因：一是不知道在课堂教学的什么环节让学生进行想象；二是没有掌握直观想象的方法，教师无法及时、有效地评价学生学习程度。

综合调查数据和访谈数据分析可知，教师重视学生空间观念的培养，只是囿于各种现实原因导致教学中种种困境，希望能有更好的平台或技术支持、更加便捷的学具、更加贴近学生生活或易于学生体验的情境、具体教会教师在课堂什么环节加入技术和想象的案例等。

二、尝试突围：空间观念教学的理论奠基和技术赋能

针对调查反映出来的教学问题和教师需求，本研究结合适用的认知理论和技术进行了以下两方面的尝试：

（1）利用具身认知理论提供的课堂教学模式，解决教师在课堂具体什么环节加入技术和空间想象的问题。

（2）利用AR技术給教师和学生提供更加便捷的教具和学具来增加图形与几何内容教学的直观性和有趣性，创设更加贴近学生生活且易于学生体验的情境来增加空间观念的可迁移性，用AR技术来促进学生空间观念的发展，解决困扰教师良久的教学烦恼。

（一）具身认知理论：让空间观念模式化发展

传统认知心理学探讨的更多是认知的内部机制，强调人的头脑中已有的知识和知识结构对人的行为、当前的认识活动起决定作用。而具身认知理论更加强调认知的外部因素，“主张心智的成长根植于身体，身体的感知根植于环境， 认知是通过身体的体验及其行为活动方式而形成的”，分为实境具身、实感具身、离线具身。实境具身强调人的身体在真实的情境中进行互动产生的感受；实感具身强调身体真实地与外在环境或物品交互从而产生感受；离线具身强调人脱离情境和交互，通过联想和想象在脑海中产生感受。 因此，具身认知课堂可划分为三个环节：

（1）情境引入环节：依据实境认知理论，课堂教学要重视情境的创设，学习者要融入情境中去体验、去经历、去和情境充分互动才能进行有效学习。

（2）操作探索环节：实感具身理论关注虚拟学材对实物学材的替代和超越，重视身体的经验，注重让学生自己去体验、感悟、思考、建构知识，丰富学生的认知体验。

（3）思考想象环节：离线具身理论引导学生发挥想象力，开展无实物想象，让学生脱离实物进行想象和思考。

具身教学设计，旨在减轻学生对空间立体想象的负担，增强其对几何直观的认识，锻炼学生的思维能力，提高教学效果。

具身认知理论下的教学三环节鼓励学生先动手再想象，使用虚拟学材让空间观念直观化、可视化、迁移化。在学习的初始阶段，教师借助动手操作帮助学生积累空间想象的经验，在头脑中形成对图形的直观印象；后续活动，教师通过操作验证学生对图形的空间想象，将操作和想象相结合。

（二）AR技术：让空间观念动态可视化

AR（Augmented Reality）技术，即增强现实技术，指通过计算机图形学和视觉技术，将虚拟的信息应用到真实世界，使得真实的环境和虚拟的物体叠加到同一个画面或空间。AR技术可以用来模拟操作对象，让学习者在现实环境中看到操作生成的虚拟模型和场景，以最贴近自然的交互形式提供了一个自主探索的空间。AR技术在教学中的优势如下：

（1）AR技术能拓展学习空间，给学生提供沉浸式的学习体验，深度激发学生的好奇心，利用认知交互技术，让学生更好地参与情景互动，体验以往难以体验的各种情境，易于快速高效掌握知识点，符合情境具身理论，适用于具身认知课堂的情境引入环节。

（2）AR技术提供的虚拟教具和学具能提高教学的操作性和安全性，让探究活动更加低耗高效，学生可以在短时间内进行重复多次的实验探究。同时，AR技术提供的虚拟教具和学具丰富了学生的操作体验，特别是一些极限操作如化曲为直、极限分割、面动成体等，符合具身认知理论，适用于具身认知课堂的操作探索环节。