基于增强现实技术的体验式学习活动设计与实践研究——以小学科学课程为例

严冉 原芳 李华

（西北师范大学 教育技术学院，甘肃 兰州 730070）

一、问题的提出

2018 年，教育部颁布《教育信息化 2.0 行动计划》，明确提出把增强现实技术应用到教育中，促进教育与技术的深度融合，推进教育信息化发展[1]。AR 技术应用价值巨大[2]。相关研究表明，AR 技术具备虚实融合、三维立体沉浸、交互性、直观、生动等特征，能有效支撑学习情境的创设，丰富课堂资源，拓展学习活动形式，增强学生的学习兴趣与学习动机，提升学生的学习体验感。所以，本研究将增强现实技术融入小学科学体验式学习活动中，通过增强现实技术带来的丰富的学习情境资源、有趣的互动体验，激发学生的好奇心与学习兴趣，提升学生的学习动机，培养学生的科学素养和技术素养，从而提升学生的创新思维与创造力。

二、基于 AR 的体验式学习活动

（一）AR 参与学习活动

国内外许多研究者发现，将增强现实技术应用在教学中，对促进师生的教与学具有巨大的潜力[3-4]。相比传统的课堂教学，增强现实技术支持的教学在教学内容、教学情境、教学资源、教学方法等方面具有独特的优势。增强现实技术参与课堂主要是通过“移动设备+APP”的形式，具有操作简单、导航精准、移动便捷、交互性强的特征。相比传统的学习方式，它能带给学习者更好的学习体验，而且操作简单灵活，在使用过程中不会给师生增加过多的负担和技术的压力。增强现实技术可以灵活地展现学生在日常生活中难以直接观察到的事物；可以为教学提供逼真的学习情境[5]；可以在自然互动中增加体验感，锻炼学习者的动手操作能力，提升学生的空间思维、认知动作、高阶思维能力等[6]。

（二）体验式学习活动的特点

体验式学习活动是在情境中体验，在过程中反思和交互，同时结果也具有实用性。体验式学习一般强调从实践中获得直接经验，即亲身经历现实活动而获得感性知识。同时，学习者在体验的过程中，需要不断观察反思，最后做到迁移运用。体验式学习活动是一种在情境中建构知识，通过交互达到对知识的理解的过程。体验式学习的知识内容也不是简单的概念性内容，而是具有一定难度等级、可以学用结合的知识内容。

（三）小学科学学习活动特征

小学科学的学习以探究为主，在课堂中，学生通过各种实验收集数据，然后分析数据，最终得出科学结论[7]。作为教师，首先，要重视探究问题的设计，需设计符合学生探究能力的真实问题；其次，充分考虑探究活动中的每一个环节；再次，在教学中以学生为主体，教师负责指导、启发。需要注意的是，探究式学习不是唯一的学习方式，教学游戏、现场考察、教学模型制作等都可以提升学生的学习效果。同时，小学科学课程强调培养学生的观察能力，通过观察自然环境、科学现象、物质变化等，可以帮助学生养成善于观察的学习习惯，促进学生对科学知识的理解与掌握。小学科学课程的开展需要丰富的资源和工具支撑，比如，要使学生养成观察的学习习惯，教师就需要提供给学生观察实验所需的材料和工具。除此之外，根据具体教学活动内容的不同，教师要提供相应的辅助教学资源和工具来为学生创设学习情境，以此促进学生对知识内容的深度探究。除了教室和实验室，博物馆、田野、校园、公园、科技馆等都可以成为学生学习的场所。

三、基于 AR 的体验式学习活动设计

本研究借鉴大卫·库伯（David Kolb）的“体验学习圈”理论体系，作为活动框架建构的依据。该体验式学习循环圈包含：（1）具体体验，即完全投入的“实际体验”，获得感受；（2）反思观察，即体验活动中的“观察反思”，在进一步体验的过程中感受、探索、观察、思考；（3）抽象概念，即经过观察反思形成抽象概念，整理回顾，概括总结；（4）实践应用，即新概念的实践与应用，通过具体实践或应用修正知识理论或概念体系[8]。

通过分析增强现实技术参与学习活动的优势，可以看出增强现实技术在创设学习情境、拓展学习资源、丰富学习工具等诸多方面具有辅助作用。有研究团队提出的第三代活动理论指出，完整的活动系统包括主体、客体和共同体3 个核心元素，以及中介工具、规则和分工3 个次要元素[9]。应用于本研究中，学习者、学习目标与学习内容将成为第一层设计要素，学习资源和工具、学习规则、学习小组、活动任务将成为对学习者、学习目标与学习内容分析后的第二层设计要素，也即进入活动设计的部分，其设计包括：确定学习资源、准备学习工具、制定学习规则、成立学习小组、设计学习任务。活动实施部分，首先，进行情境的创设，依据“体验学习圈模型”，融入体验式学习理念，借助AR 技术创设情境，增强体验；其次，提供AR 支持的学习资源、AR 支持的互动场景和AR 支持的协助练习活动。

依据增强现实技术参与学习活动的优势、体验式学习理论的指导，研究体验式学习活动设计包括前期设计、活动设计、活动实施3 个阶段，以下将对3 个阶段进行详细介绍。

（一）前期设计

1.学习者特征分析

学习者特征分析旨在了解学习者的学习准备情况和学习风格，为学习活动设计阶段的制定教学策略、选择学习资源和工具、设计学习任务和子活动等环节提供依据[10]。学习准备情况包括了解学习者的个体认知水平，分析学习者目前的知识结构，考察他们对于技术的接受度，以及在工具使用方面的态度和能力，针对学习者对于技术和工具的接受度和使用能力，合理使用增强现实辅助学习活动的开展。学习风格是后期建立学习共同体、选择资源类型、确定教学方法、选择教学工具以及确定活动形式的重要依据。除此以外，还要分析学习者的生理、心理和行为特征。

六年级的学生处于从童年期向青春期过渡的重要阶段，经过小学前段时间的积累，具有一定的知识储备与经验，通过教师的引导，可以将课堂上的知识内容与已学内容和生活经验结合起来进行思考。同时，这个阶段的儿童的有意注意逐渐发展，注意时间和同一时间内注意的事物数量有所增加，随着主体经验的增加，慢慢开始理解记忆，开始向抽象思维逻辑发展，适合引导与培养高阶思维能力。

2.学习目标

学习目标是在一系列的学习活动后，学习者在知识内容、动作技能、行为表现、态度或心理等方面产生的变化。活动理论认为一切学习活动的实施皆是由学习目标驱动的，基于此，在设计学习活动时，一切活动要素的设计与实施都要以学习目标为中心展开。

本研究中，学习目标的确定主要依据《义务教育科学课程标准（2022 年版）》中提出的科学知识目标、科学探究目标、科学态度目标及科学、技术、社会与环境目标4 个方面确定。

3.学习内容

学习内容的选择很大程度上决定了学习活动设计是否合理以及整个教学过程发展的方向，不同的学习内容适用不同的学习活动。只有用合适的形式将适当的学习内容传授给学习者，才能收获好的教学效果。在学习内容选择与分析的过程中，教师需要对学习内容的深度、广度及各内容之间的联系进行深入理解。

本研究案例所选教学内容为小学六年级上册科学课。科学课作为一门以探究性为主的课程，需要丰富的资源和工具支撑，以创设呈现真实场景，帮助学生学习。六年级科学上册的内容并不是所有的都适合开展基于增强现实的体验式学习活动，所以本研究选取了部分内容开展活动，如“我们的地球模型”“不简单的杠杆”“电和磁”等。

（二）活动设计

1.学习资源

学习资源用以支撑学习活动的开展，增强现实参与学习活动的优势之一是通过 3D 数字资源、多重信息混合、真实与虚拟结合3 个角度丰富了学习资源，充实了课堂上的信息化资源。在此基础上，针对具体的学习内容确定学习资源。如在设计“我们的地球模型”这门课程的学习资源时，考虑到学习者对地球的已有认知需要更加形象化和具体化，教师准备了地球结构的相关3D 影像或图片作为演示的材料，以增强现实教学工具作为资源呈现的辅助工具，为学生展示三维动态的地球结构，动态展示地球的内部构造及形态，促进学生对地球结构的深层认识。

2.学习工具

学习工具和学习资源一样，支撑学习活动的开展。学习工具的选择，依据学习活动和学习任务的要求。基于 AR 的科学学习活动中，用到的学习工具有AR 设备和平板电脑及具体学习内容所需的其他工具。如在“我们的地球模型”中用到的AR 设备是“智能地球仪”。该地球仪在普通地球仪的基础上，增加了AI 智能语音和AR 功能，呈现虚拟场景的同时，还可以进行互动。除此之外，用到的工具还有彩色橡皮泥、美工刀、直尺等，用来帮助学生制作地球内部结构模型。

3.学习规则

在基于AR 的学习活动中，制定规则时要考虑AR设备在学习群体中的分配使用及学习者对其使用的合理性与有序性，保障小组活动中每位成员都能有机会使用AR 设备和其他技术设备进行学习活动，通过制定相关的规则来避免AR 技术的参与造成课堂活动秩序混乱问题，实现技术很好地辅助教学的效果。比如，学生回答问题时声音洪亮，勇敢表达自己的见解；小组学习时，积极参与讨论，每一位成员都要发表自己的见解；实验过程中，严格按照实验步骤操作，注意安全；实验结束后，保持桌面清洁。

4.学习小组

形成学习共同体时，应考虑学习者对技术或设备的使用能力，确保每个小组都有技术接受水平较高的学生，以促进小组内活动任务的顺利实施。在课堂中，学习者与学习伙伴及教师共同构成的学习群体可称为学习共同体，他们协作完成学习活动任务，实现共同的学习目标，最终使学习共同体中的每一位成员都得到成长。开展本研究的实验校共有15 台平板电脑可供使用，实验班有40 名同学，其中男生19 名、女生21 名，分组要保证每组至少1 名男生和1 名女生，又不出现落单，所以将学生分成了13 个小组，其中，有1 个小组4 名同学，其他小组都是3 名同学。

5.活动任务

活动任务的设计要针对不同学习活动的内容和目标，教师要有针对性地设计学习任务，并组织形成不同的学习共同体。在基于AR 的学习活动中，增强现实技术可以通过丰富的学习资源和学习情境，给予学习者对知识内容更加直观具体的感受与体验，而且通过AR 技术加强了不同知识之间的联系，辅助意义建构型学习任务设计。另外，AR 技术可以为学生创设知识应用的仿真环境，使学习者沉浸在活动任务体验中，辅助能力生成型活动任务的设计。例如，在“我们的地球模型”教学中，针对了解地球内部结构，我们设计了3 个活动：真实场景再现，类比观察；小组探究，总结归纳；动手操作，制作地球内部结构模型。

（三）活动实施

1.情境创设

AR 技术创建的虚实融合的学习情境，是服务教学内容而创建的，在设计时要以学习需求为导向，与教学内容呈现强相关性。因此，AR 技术创设学习情境的方法与仿真度非常重要，而增强现实技术能较好地满足该需求[11]。增强现实技术为小学科学学习者营造的虚实融合的体验学习环境，突破了场地限制，有效弥补了传统课堂中缺乏真实学习场景的不足，有利于小学生在多维学习空间中认识问题和探索任务。在“我们的地球模型”教学中，教师通过“智能地球仪”这一增强现实设备为学习者创设三维动态的地球结构学习情境，动态展示地球的内部构造及形态，展示地震、火山爆发、板块漂移等三维动态场景，拓展学习者的知识面，加深学生对地球结构的理解。通过这种与教学主题相关的环境和学习者可以体验感受的情境，使学习者沉浸到课堂中，激发他们的学习兴趣和好奇心。

2.实践应用

首先，根据分好的学习小组，每个小组一台平板电脑扫描AR 地球仪，依据教师指导和平板电脑上的文字提示，缩放、翻转地球模型，观察地球内部的详细结构，学习地球内部结构的形态及具体结构特征，熟悉各个部分的功能及组成成分。其次，教师组织学生以小组为单位捏造地球内部结构模型，加深理解。再次，小组之间互相展示本小组制作的地球结构模型，并分享制作过程中的奇闻趣事。

3.互动内化

学习者通过分析问题、归纳反思的环节，对知识进行抽象概括。抽象概括的过程是学习者知识建构并内化的过程，教师需要在此阶段对学生进行引导，或建立学习小组协助反思，通过师生或生生合作，帮助学习者总结领悟、体验内化。学习地球的结构模型时，教师先让小组完成地球内部结构模型的制作，然后小组之间互动讨论，分享模型数据，以及模型制作过程中遇到的各种问题和解决办法，在互动中实现知识的内化。学习者也可通过完成测试题、作品、实验报告对知识进行应用，并与其他学习者分享，巩固内化知识。在此阶段，增强现实技术可以促进小组成员之间互动学习，成为小组合作完成任务的工具。

4.反思观察

反思是学习过程中的一个重要环节，可以帮助学生查漏补缺，更好地掌握学习方法和经验。体验学习完成后，开展学习评价，通过一系列的测试题、问答、撰写实验报告等环节来检验学习者对所学知识内容的掌握和理解情况，教师根据测试情况及时给予学生反馈。增强现实软件会提供相应的配套练习题帮助学习者检验学习情况，学生还可以借助平板电脑在相应的APP 中绘制地球的内部结构平面图。

四、基于增强现实的体验式学习活动实施与效果分析

（一）实验对象

为检验增强现实支持的小学科学体验式学习活动的学习效果，笔者以某学校六年级2 个班的学生为研究对象开展准实验研究：（1）班作为实验班进行基于增强现实技术的体验式学习活动；（2）班作为对照班开展基于多媒体的学习活动。2 个班均有40 人，实验班和对照班的学习活动对比如表1 所示。

表1 实验班和对照班学习情况对比

（二）实验工具

本研究采用问卷调查、课堂观察、访谈等3 种方式收集学生数据。调查问卷包括“学习效果”和“学习兴趣”2 个层面。学习效果问卷的题目设置参考了小学课程标准中提出的4 个目标。学习兴趣问卷采用了PISA 科学测试（2006）中关于“学生是否对科学感兴趣”部分的题目，并结合研究内容进行了调整。课堂观察量表主要是对学生的科学好奇心进行观察，将好奇心分为探究倾向、新颖偏好、操控倾向以及专注程度4个维度。采取5 级评分制，即分为优秀、良好、中等、尚可、差5 个等级，分别记作5、4、3、2、1 分。

（三）问卷信效度分析

两类问卷各发放40 份，收回有效问卷各40 份，问卷有效率100%。为了确保问卷的可靠性，采用α可靠性系数对问卷的信度进行分析，分别测得α系数为0.842和0.819，均处于 0.80 以上，说明问卷的信度良好。

采用KMO值检验问卷的信度，分别测得KMO值为0.815 和0.891，均大于0.7，说明可以进行探索性因子分析。通过Bartletts 球形检验可发现，p=0.000＜0.001，进一步说明适合做因子分析。

可见，问卷的内在信度和效度都是理想的，可以用于研究测量分析。

（四）实验结果分析

本次教学实践共开展一学期，旨在探索基于增强现实技术的体验式学习活动是否可以提升学生对科学课程的兴趣，以及对科学知识的求知欲和好奇心，并检验学习者的学习体验和学习效果。以下是实验结果的数据分析。

1.学习效果数据分析

通过分析发现，实验班学习效果比对照班要好。如表2 所示（见下页），实验班和对照班在4 个目标维度上均呈现显著性差异（p=0.000＜0.05）。科学知识方面，经过一学期的教学，基于增强现实技术的体验式学习活动能促进学习者对科学知识的了解与掌握，学生对地球的面貌及运动、能量及能量的不同形式、技术及技术对人类社会发展的作用都有了较深入的认识。科学探究方面，实验班的学生通过体验科学探究的过程，掌握了科学探究方法，发展了学习能力、探究能力、创新能力等。科学态度方面，实验班的学生具有了猜想、推理科学现象的意识，乐于参加科学实验，并具有发表自己观点、与他人交流讨论的意识。科学、技术、社会与环境方面，实验班的学生对科学技术在日常生活中的运用、对社会发展的作用有了初步了解。与授课教师访谈交流时，教师也认为实验班的学生在课后练习题的正确率和科学实验记录单的完成情况都比对照班好，对科学知识的整体掌握情况更好。

2.学习兴趣数据分析

在学习兴趣问卷中，实验班学生在4 个维度上的后测数据均值均高于前测数据，“对科学科目的兴趣”维度，教学实验后，学生对科学科目的兴趣明显提升，非常满意和比较满意的人数占比从18.51%上升到77.77%；“学好科学的重要性”维度，变化不是很大，实验班学生经过一学期的教学实验后，认为学好科学非常重要，运用科学知识解决问题的人数从18.52%升到33.33%，非常不认同学好科学重要的人数和不认同学好科学重要的人数有所下降；“因为有用而学习科学的动机”维度，认为学习科学对未来非常有用，未来追求科学事业的人数从7.41%升到了25.93%，具有学好科学的一般动机，比较认同学习科学对未来有用的人数从18.52%升到了44.44%；“科学相关活动”维度，非常积极参加各种科学主题活动、科技社团、阅读科学书籍或节目的人数从3.85%升到了25.93%，比较积极地参加各种科学主题活动的人数从15.38%升到了37.04%。通过课堂观察，实验班学生在课堂上的积极性和探索性逐步提高。通过与教师及实验班的学生访谈也可以发现，学生更喜欢基于增强现实技术的体验式学习活动，对科学课堂的学习兴趣也有所改观。学生的学习兴趣提高，参与科学活动的积极性也会显著提高，并能在科学实验中克服困难、主动交流、大胆质疑、追求创新。提高学习兴趣是提升创新思维的关键一环，基于增强现实技术的体验式学习活动通过提高学生的学习兴趣、学习积极性来提升学生的创新思维。

3.学习好奇心数据分析

本研究主要选取了具有代表性的3 节课堂观察，分别是地球与宇宙科学领域的“昼夜交替现象”、技术与工程领域的“斜面”和物质科学领域的“神奇的小电动车”，具体观察情况见如表3 所示（见下页）。

表3 “学习好奇心”课堂观察情况

通过数据分析可知，实验班学生对科学的好奇心更强。在进行了一单元的教学后，实验班学生尝试用增强现实工具，并与学习伙伴进行交流。当科学现象和自己预想的不一致时，会表现出惊讶、疑惑，迫切想要去探究更多科学原理。进行2 个单元的学习后，实验班学生逐渐对科学现象提出合理的猜想，提出想要探究的问题，开始注意并观察科学知识本身，能对课堂上的知识点进行长时间的专注探究。经过一学期的教学，学生能积极主动提出问题并试图解决。

（五）研究结论

通过上述分析发现，基于增强现实的体验式学习活动普遍受到了师生的肯定，这表明基于增强现实技术的体验式学习活动框架是有效的，能够支持小学科学课教师开展有效的教学活动设计与实施，提升科学课的教学效果。本研究得到如下结论：

第一，基于增强现实技术的体验学习活动最适合宇宙科学领域知识的学习，更容易达到教学目标。在学习宇宙科学领域时，学生的积极性、学习兴趣最高，探究的欲望最强烈，学习效果也最好。

第二，将增强现实与小学科学教学相结合进行体验学习活动设计，可以促进小学生在科学及相关领域的能力（如团队协作能力、表达反思能力）发展，激发小学生的科学探究欲望，丰富他们在多感官上的学习体验，提升他们的好奇心和学习兴趣，进而发展他们的创新思维。

第三，本研究所构建的体验式学习活动框架以及对评价工具的设计，有助于小学科学教师参照设计基于增强现实技术的小学科学学习活动，进而促进技术支持的小学教学活动的有效开展，增加技术应用教学的案例，发现增强现实等新兴技术在小学教育阶段应用的新机遇。

五、结语

在“教育数字化转型”背景下，需要探寻更多技术与教育融合应用的新型教育实践活动，利用增强现实技术可以互联海量的多维信息的优势，开展融合增强现实技术的游戏化学习，吸引学生的注意力，调动学生的学习兴趣，增强学生的学习体验。本研究将“增强现实”这一新兴数字技术应用于小学科学学习活动中，挖掘增强现实技术的教育应用“潜力”，充实数字技术应用于教育教学的实例，为小学科学教师开展AR 技术支持的教学活动提供了参考和借鉴。