增强现实技术在科学教学中的应用与反思

《义务教育科学课程标准（2022年版）》（以下简称“课标”）强调，探究实践是学生科学素养的重要组成部分，要求学生在了解和探索自然、获得科学知识、解决科学问题的过程中，形成科学探究能力、技术与过程实践能力和自主学习能力。为落实课标要求，笔者以“玉米人工授粉”为例，探讨增强现实技术（AR）在促进学生探究实践能力发展中的应用，旨在提供有效的教学策略，以提升学生的科学素养。

一、增强现实技术是提升学生科学素养的利器

教师培养学生的科学素养，就要引导学生将科学知识应用于解决真实问题，并延伸至科学观念、思维与态度的形成[1]。探索一条探究实践能力的培养途径，以促进学生科学素养的培养显得尤为重要。课标强调，探究实践是学生在了解和探索自然、获得科学知识、解决科学问题，以及技术与工程实践过程中形成科学探究能力、技术与过程实践能力和自主学习能力。科学探究能力具体体现在学生能够提出科学问题，制订科学计划并搜集证据，对结果进行解释与评估，准确表达观点，反思探究过程与结果。这就要求教师在开展科学教学时，应以真实问题为情境，组织有实际问题、有探究深度、有实际生产生活意义的“科学探究活动”，助力学生体会科学探究活动、理解科学概念，促进学生探究实践能力的培养。

然而，在传统的科学课堂教学中，学生大都以记忆为主，缺乏真实问题情境和科学探究实践环境，难以有效促进学生探究实践能力的培养。为破解这一难题，AR逐渐被引入科学课堂。笔者尝试在培养学生探究实践能力的教学过程中运用AR，将真实环境与虚拟环境相结合，既帮助学生掌握抽象的科学概念，又让学生有真实可触摸的探究实践环境，引导学生去发现问题，设计探究实验并解决问题，以此提升其科学素养。

二、融入增强现实技术的科学教学要领

（一）明确增强现实教学思路与策略

AR指利用计算机生成的虚拟物体或数据与现实空间实现融合而形成的三维环境，它具有虚实结合、无缝交互、浸润学习等特征，能够让用户进入仿真的虚拟环境中进行体验，支持用户与数字内容的实时交互以拓展用户对真实世界的认知[2]。笔者将AR用于科学概念理解和探究实践环境的创建过程：一是为帮助学生更好地理解科学中抽象的生物学概念，如授粉的过程，借助AR为学生展示生物模型，帮助学生理解、掌握授粉过程与关键知识；二是利用AR创建科学实验环境，如探究玉米发育所需营养成分。此外，在实践中发现，学生若完全依赖AR而缺少外部的引导与支持，只能理解抽象的科学概念，如玉米授粉过程，而难以应用知识去解决真实问题。学生参与反思活动能够较好地体验AR，对概念进行理解与转化应用，解决遇到的问题[3]。

（二）为教学创造环境

笔者选用“生动科学AR”软件创设虚拟的自主学习环境。该平台操作简易、适合教师为学生做一些教学演示，如种子内部的微观视图、种子发育的科学实验。学生使用平板电脑扫描即可看见科学概念模型，点击模型上的触发器，便可对科学模型进行交互与认知学习，以此促进对复杂科学概念的理解。同时，在AR资源中嵌入习题、问题支架，教师可用其进一步引导学生掌握科学概念并转化用于解决问题。

（三）设计好教学流程

笔者根据课标和“玉米人工授粉”这一节课的教学目标，设计项目式探究学习活动开展教学，并利用AR体验式资源及相关学习资源，助力学生的体验式和反思性学习，更好地理解复杂、抽象的科学概念。教学流程如下：（1）教师让学生观察玉米并提出问题，引发认知冲突；（2）应用AR体验式资源帮助学生理解受精概念，探究玉米“缺粒”原因；（3）基于AR虚拟实验环境开展探究活动，知晓玉米生长条件；（4）组织实验探究活动，让学生分析数据，验证科学假设，总结形成探究实践成果；（5）利用提问的方式帮助学生对实验结果进行分析与反思，在实验探究过程中提出新问题，形成探究实践方案并进行科学论证（如图1）。

三、基于增强现实教学策略的项目实践案例

（一）项目情景

深圳实验光明学校在“智慧农业劳动教育基地”开展了粮食、蔬菜、花卉、中草药等多种类与多片区的种植，为科学教育提供实践条件。笔者尝试引导学生对真实问题进行探究，采用等组对照的实验方法，深入理解玉米的授粉过程，自主探究“人工授粉与玉米自然授粉在改善玉米缺粒问题的效果”，以此提高学生的探究与实践能力。

（二）项目规划

1.项目进度安排

针对探究人工辅助授粉与玉米自然授粉方法在改善玉米“缺粒”问题的效果这一主题，笔者对教学活动做了如下安排。本次探究实践活动，教师主要扮演组织者、引导者的角色，学生则是整个活动的主体，同伴之间协作完成探究任务。笔者随机选取一个学习小组，以其为例介绍项目活动过程。具体的项目任务安排如下（见表1）。

2.工具与物资

准备如下工具与物资：农具、直尺、绳、平板电脑、电子秤，以及生物科学AR、纸袋、玉米种子和记录表。

（三）项目实施

1.在观察中引发认知冲突

学生在种植基地观察到玉米出现“秃头”和“缺粒”现象，这与他们日常所见的玉米差异显著，引发了他们的疑问：是否所有玉米都如此？如何改善？学生查阅资料后，认识到改良授粉过程，尤其是人工授粉，可能是提高玉米结实率的关键。尽管如此，他们对于授粉的具体生物学机制仍感到困惑。

2. AR辅助科学概念学习

笔者利用AR，构建了一个结合虚拟与现实的学习环境（如图2）。首先，学生利用AR观看了植物受精过程的交互视频，深化了对这一复杂过程的理解。然后，他们完成了AR资源中的习题，巩固了知识。最后，笔者引导学生从受精的角度探讨玉米“缺粒”的可能原因，帮助他们运用知识解决实际问题。

3. 在参与虚拟实验中提升探究实践能力

为促进学生在新知识框架下自主反思和探究问题，笔者提出了一系列思考题，引导学生构建科学对照实验方案。学生对比不同授粉方式下的“缺粒”情况，分析并总结了可能的原因。AR虚拟实验帮助学生发现玉米生长所需的无机盐等营养物质（如图3），为他们设计实验方案和后续种植提供了重要信息。

4.培养实验探究与资料采集能力

在AR虚拟实验的基础上，学生总结了改善“缺粒”问题的措施。笔者指导他们进行了玉米人工辅助授粉与自然授粉的对比实验。学生学会了收集花粉，并完成了人工授粉。每隔一周，他们观察并记录人工授粉玉米的生长情况，包括花丝的生长停止和变色，以及玉米棒的周长和长度变化情况（见表2）。

5.提升结果分析与反思能力

笔者引导学生对比分析人工授粉（实验组）和自然授粉（对照组）玉米的“缺粒”状况。结果显示，尽管实验组仍有“缺粒”现象，但相较于自然授粉的玉米，情况有所改善（如图4）。实验组玉米棒的平均质量比对照组增加了8.61%，表明人工授粉在一定程度上提高了结实率。笔者进一步提问，引导学生深入思考实验组玉米为何仍有“缺粒”现象，促进了学生的反思和知识拓展。学生分组讨论，分析了实验结果不理想的可能原因，包括授粉时间的选择、授粉技术的规范性和病虫害的防治及授粉后水肥管理等因素。

学生经历这一系列的项目活动，不仅加深了对科学概念的理解，而且在实践中培养了探究和反思的能力，为未来的科学学习和研究打下了坚实基础。

四、教学反思与建议

（一）重视培养学生发现与解决问题的能力

本案例中，学生在生活中发现玉米“缺粒”现象，在教师引导下参与探究实践活动，改变以往课堂单一的讲授方式，运用科学知识发现、解决生活中的真问题，真正提高了探究实践能力，发展了科学素养。

（二）关注增强现实等体验式资源的应用

AR资源具有虚实结合、无缝交互、支持学生浸润学习的特征，其应用对于学生感知与理解复杂、抽象的科学概念，以及培养学生发现与解决问题的能力具有重要作用。笔者利用AR体验式资源，让学生在体验、感知中了解植物的受精过程。如此，学生对玉米的受精与发育过程有深入的理解，在AR环境与劳动环境的支持下，对玉米“缺粒”原因有自己初步的思考，怀疑是授粉不充分或受精不完全所致。

（三）关注学生实践与反思的结合

单一的技术应用往往只能解决教育教学中某一类问题，难以全面达成教学目标。只有匹配相适应的学习支架或引导，才能促进学生的深度学习，实现教学目标。因此，笔者在AR资源中嵌入习题，帮助学生及时巩固知识，并通过提问，如人工授粉后为何仍会出现“缺粒”现象，引导学生在体验与感知的同时，实现对所学知识进行反思、拓展和迁移，进一步思考玉米“缺粒”的原因。

注：本文系深圳市教育科学“十四五”规划2021年度成果培育类课题“基于真实情境的初中生物单元教学设计的实践研究”（课题编号：cgpy21010）的成果。

参考文献

[1] 陈明选，陈金艳.基于互联网思维的小学科学探究活动设计[J].中国电化教育，2020（10）：97-105.

[2] 魏雪峰，高媛，黄荣怀.中国高等教育技术未来五年的发展分析：《2017新媒体联盟中国高等教育技术展望：地平线项目区域报告》解读[J].现代教育技术，2017（5）：53-59.

[3]林晓凡，朱倩仪，吴倩意，等.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.

（作者彭林华系广东省广州市黄埔区怡园小学教师；孙蕾系广东省深圳实验光明学校教师）

责任编辑：祝元志