许贤苏，李玲芬

（广东省佛山市南海区狮山实验学校，广东佛山 528225）

一、问题的提出

科学教育特别重视科学思维和方法，虽然已经形成了比较系统的课程，但培养科学实证意识、提高学生的逻辑思维能力还需要进一步的提升，科学教育要求学生要理解科学研究的基本过程和方法，并能在各种的探究活动中举一反三，但是传统课堂在解释科学的原理及现象时较为抽象，学生理解困难。

总书记习近平在向2018年世界VR产业大会致贺信中指出：“当前，新一轮科技革命和产业变革正在蓬勃发展，虚拟现实技术逐步走向成熟，拓展了人类感知能力。”AR技术的出现弥补了科学传统教育的短板，为学生提供动态的图文、视频等。对于需要表达一些抽象的概念或者复杂的空间结构提供了虚拟现实的直观感受，多媒介的融合，使知识可视化、具体化、形象化，丰富了学习内容，激发学生内在学习动机，通过AR技术让学生获得在形状、声音、颜色等多种感觉器官的刺激，有效提升了还在形象思维阶段的小学生的注意力、参与度。

二、相关概念

（一）增强现实（AR）

增强现实（Augmented Reality，简称AR），也称为混合现实，它是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实时地叠加到了同一个空间或者画面，具有沉浸性、交互性、想象性的特点[1]。

（二）科学教育

科学教育是STEM教育中最为核心的部分，综合应用科学、技术、工程与数学等学科的特点，承载着跨学科融合的特点[2]。是在复杂的学习情境中，通过设计合理的活动从而培养学生在真实的情境中理解原理现象、解决问题的能力，不断引导学生深层次的学习。

（三）深度学习

深度学习是基于理解的一种具有一定广度和深度的学习，是一种理解与批判、联系与建构、迁移与应用的学习，指向科学的深度学习指的是以学生为中心，引导学生围绕着具有挑战性的问题，自主探究、小组合作，全身心地投入，获得能力提升与发展的学习过程[3]。

三、AR与小学科学课堂融合的优势

小学科学课堂通过利用增强现实的技术，可以直观地突破重难点，促进学生深度学习，其优势主要表现在以下几个方面：

（一）AR创设真实情境激发深度抽象思维

科学教育中的深度学习就是让学生领悟学科学的本质，学生的前概念是影响问题解决的关键，借助真实的外部问题情境更容易激发学生兴趣，AR通过体验式、沉浸式的学习方式，使学生更容易关注到背景信息和材料之间的内在关系，能透过现象看本质，为深度学习指明方向。

（二）AR内置实验室提供深度跨学科学习

AR包括科学领域的生物、地理、化学、3D搭建、数学、人文艺术等，比如探索种子传播的自然常识，同时可以借助于力学实验室里的资源研究风力传播时力的大小；学生观察胎生动物和卵生动物的区别，研究动物牙齿与饮食的关系这些科学知识，通过一些小项目就把科学、数学、艺术融合在了一起。

（三）AR开放式操作促进深度合作学习

科学教育注重项目式学习的构建，在实施过程中注重小组合作与交流探究，而AR应用教学给学生提供一个合作的情境，学生能在短时间内完成复杂的实验操作，把更多的关注点放在观察实验现象上，使自由合作的学习氛围更浓厚，使学生的思维不断擦出有深度的火花，从而进一步培养学生团队精神。

（四）AR的直观性促成深度评价

学生主动性、积极性及创造性才是真正衡量教学效果的关键。伟大的教育家夸美纽斯说，应该尽可能地把事物本身或代替它的图像放在面前，让学生去看看、摸摸、听听、闻闻[4]。AR提供更加立体的评价，调整评价的视角，让评价过程可视化，评价结果公平可操作，比如科学课上的一些实验操作的细节往往会决定实验的现象，而在AR的使用下，能让学生更好的展示实验的过程，使每个学生都能给不同的小组客观公平的评价。

四、AR技术支持下的小学科学深度学习模式建构

科学教育领域中深度学习的目标是引导学生主动打开思维的大门，深入地进行探究学习，让学生成为知识的主动构建者。在这个过程中激活聚焦和实施设计是关键部分，教师将从这两部分引导学生充分地创设情境展开社会互动，构建的主要步骤有：激活聚焦、酝酿探究、实施设计、目标成果（如图1）。

图1 AR构建小学科学深度学习的路线图

（一）激活聚焦阶段

构建真实的问题情境是沉浸式学习的第一阶段，情境要与生活息息相关，让学生全身心地投入到学习活动中，激发学生内在学习动机，具体的步骤如下：

1.呈现情境。研究的问题不能假想，应来源于生活中真实的情境，同时直观性、形象性的问题让学生更有亲切感和真实感。

2.引出主题。借助AR将虚拟对象展示在面前，教师引导学生将大问题拆分成小问题，再把小问题转化成学生可以理解、可操作的学习活动，让学习者指向呈现在学习活动中的科学概念。

3.进入情境。把生动形象的教学内容展现在学习者面前，让学生进入一定的情境中，才能在有意义的活动中展开深度学习，比如在不同星球上掷物体、撬开地球、观察地球的圈层结构等。

（二）酝酿探究阶段

1.激发学生前概念。这也是开展深度学习首要任务，AR平台本身就是一个跨学科理念的STEAM实验室，包含了科学领域的化学、地理、数学、生物的探索平台，在学习这些知识前，利用AR可直接体验类似“月亮的形状是怎么样的”“太阳从哪里升起”“为什么烧水水会变热”这些现象形成的过程，让学生快速激活已有的知识经验。

2.提供设备，探究学习。AR资源库里的3D形象性超高的资源，学生自主地结合AR设备开展自主探究活动，再加上教师的辅导，将抽象复杂的问题拆分成目标单一的探究任务，通过对每个探究任务的理论学习后，为下步的“如何做”打下基础。

（三）实施设计阶段

本阶段也是深度学习形成的核心阶段。这个阶段包括：

1.小组合作。小组成员根据自己的兴趣特长，负责不同的项目任务，例如ARSEEK教学资源库，就已经脱离佩戴设备的方式，仿真虚拟的实验器材结合真实的环境或者人，使小组成员同步在一个画面中，大家可以在这个环境中分工合作地开展研究任务，进一步提升学生的参与度、专注度。

2.分享作品。这一阶段要求小组成员合作共同完成作品，以设计图或者文字方案报告的形式在小组间进行分享，表述问题解决策略和作品制作的过程，而AR的应用为作品呈现更立体，学生的分享不仅是文字、图片，更是栩栩如生的三维动画，使分享更吸引人，使得学生互评更直观具体。

3.完善作品。学生经历对作品的深度加工、修改，可以提升学生对知识的深度理解，并内化成自己的知识体系，利用仿真的素材进行学习、探索与创新，还能对仿真的器材进行反复操作修改，不但培养学生的动手实践能力还能在一定程度上减少材料的耗损。

（四）目标成果阶段

目标阶段既是深度学习的终点也是下一阶段深度学习的起点，在小学科学课中强调，该阶段的重点并非进行知识的教学与总结，而是关注学生素养的提升，其主要任务是评价、反思、迁移，进一步深化习得的知识，具体包括：

1.多元评价。指多样化和多主体的评价，如过程性评价、自我评价、组内/组间互评、师生互评等，信息化平台可以把学生在AR的操作过程屏幕拍摄共享，让各小组互相学习，然后小组观看讨论后，再提出各种意见，使得评价不仅仅只是限于看到的成品。

2.自我反思。结合多元化的评价结果，让学生进一步思考在学习过程中产生的问题，提升元认知水平。

3.拓展迁移。通过反思促成科学知识有效迁移，碰到相关问题情境，学生经过反复练习，进一步内化知识、拓展知识体系。

五、AR技术支持下的小学科学深度学习模式的应用

（一）教材内容分析

六年级下册第三单元“宇宙”第5课《太阳系》是属于空间与宇宙科学概念，是通过一系列的探究活动，来研究太阳系的构成和特性，强调培养学生的探究能力和跨学科分析能力，引导学生在探究的过程中寻找答案，使学生获得知识，使学生掌握习得知识的方法。

（二）学习者特征

六年级的学生一方面已经形成一定抽象逻辑思维，但还需要具体的形象思维做支撑；另一方面对问题有强烈的探究欲望，注意力易集中，但情绪不稳定，分析问题的能力还在发展中，遇到困难和挫折容易灰心。因此，在课堂中引导学生解决关键性问题尤为重要。

（三）教学目标

1.知道太阳系是由围绕它的行星、矮行星和小天体组成的。

2.收集和整理资料，并进行交流，并学习科学学习的方式。

3.意识到太阳系中天体的运动是有规律的，并可以逐渐被人们认识。

（四）体验太阳系建模的过程（如表1）

表1 《太阳系》教学过程

六、效果分析

为了全面分析AR支持下的学习效果，在六年级6个班，选取了3个班应用AR教学和另三个班只进行传统教学，开展学生作品制作过程错误率（如图2）、学习满意度（如表2）和学生知识掌握程度（如表3）等方面的调查。

图2 制作八大行星模型图错误率分析

AR资源库内容丰富，探究性的教育理念极强，将一些枯燥的知识变成一个个生动的形象，吸引学生主动地建构、积极地探究学习新识。从图2的数据可知，应用AR技术课堂与传统课堂相比，AR技术应用下的知识更直观易理解，100%的学生完成作品，而作品完成优秀率也比传统课堂多一半以上，错误率也远远比传统课堂的少，说明在AR应用的课堂，学生注意力更集中，学生的观察已经不仅仅是停留在物质的表象，而是透过表象深入理解事物的本质，这样深入探究学习才会减少错误。

未来的教育应该是“身心一体，知行合一”。[5]从表2的数据中可知，78.21%的学生认为提高了自己的学习兴趣，非常满意这样的学习环境。有兴趣才能推动学习，有学习的心才能向深入的方向发展。结合AR互动性的特点，学生可以用眼看、耳听、手做、脑想等，从情境、经过、结论全方位的参与到知识点中，让知识变得真实、生动、形象，使得学生在这样沉浸式的学习中，不断地思考，不断地激发学生深层次的学习。

表2 AR技术支持下的小学科学深度学习模式满意度调查表

表3的数据是根据学生的探究作品及日常考查调查得出，通过AR这样的学习环境，98.8%的学生都能掌握最基础的知识点，说明这对于突破重难点方面是非常有效的；近60%的学生能进一步进行创造性学习，说明AR技术在一定程度上挖掘了学生的创造性思维，能够潜移默化引导学生深入展开创新探究学习。

表3 AR技术支持下的学生知识掌握程度调查表

七、结语

实践证明，只有能有效提高课堂效率的教学工具才能在课堂中广泛地使用。AR技术应用于科学课堂，将抽象、难懂的知识以形象、直观、交互式的方式呈现在学生的面前，创设与知识互动的情境，提高学生对知识的理解，潜移默化地培养学生观察、发现、研究和解决问题的能力，为逐步形成科学的探究与创新氛围提供了必要的条件[6]。今后将重点研究AR应用进一步优化科学课堂的效果，尝试利用AR技术优化在线课堂和在线学习，进一步提升课堂质量。