王丽荣，魏丹丹

（江西科技师范大学 教育学院，江西 南昌）

一 引言

自21世纪“科学素养”提出以来就一直受到研究学者们的关注，《全民科学素质行动规划纲要（2021-2035）》指出要引导教育教学方式的改革，倡导启发式、探究式和开放式教学，完善科学课程及科学教育质量评价体系[1]，从中不难看出科学课程对于科学素养培养的重要性。而小学科学又是一门基础性的课程，对一个人早期科学素养的形成更是具有基础性的作用。然而在具体的教学实践中，小学科学教学往往存在探究实践活动环节薄弱、教学资源单一、学生学习兴趣缺乏，知识之间联系不密切等问题，学生学习仍然停留在简单的概念记忆，对于知识的掌握、与他人的有效沟通、科学探究能力的培养、情感体验和学习动机的产生等深度学习并未发生。目前这一教学现状与新课标要求之间还存在较大的距离。

增强现实技术（Augmented Reality,AR）的发展为解决科学课程中存在的问题提供了新途径，利用AR技术设计开发多样性的教学资源，呈现逼真的模型，使学生更加直观了解抽象概念，以及利用AR技术展开探索实践，以此来增强学生学习动机，提升其情感体验及科学探究能力，促进科学课程学生深度学习的发生。

此外，在小学科学教学领域，通过中国知网（CNKI）检索“深度学习”和“小学科学”可以发现，总计研究文献仅有71篇，其中大多数作者为中小学教师，且在对文献进行分析后发现，研究主要集中在深度学习的概念、特征以及意义等理论层面，关于具体的实践研究较少；以“深度学习”“小学科学”和“增强现实技术（AR）”来进行检索，研究文献仅有37篇，可见深度学习以及AR相结合在小学科学中的研究尚处于起步阶段，下面将在深度学习的视角下，融合AR技术，探讨深度学习与AR相结合的教学过程，以具体课程展开教学活动设计，期待将理念、技术以及课程的有效整合，实现有深度的教学。

二 深度学习与增强现实技术AR

（一） 深度学习

深度学习最初是计算机领域的一个重要研究内容，与人工智能、大数据的研究密切相关，后随学习科学的不断发展，深度学习的概念逐渐被引入到教育教学领域。1976年，瑞典心理学家费伦茨·马顿（Ference Marton）和罗杰·赛尔乔（Roger Saijo）率先提出了深度学习的概念[2]，这也标志着深度学习被正式引入到教育领域，随后两人在《学习的本质区别：结果和过程》中[3]，根据学习者对于信息获取加工方式的不同，提出了深层学习和浅层学习的概念，认为采用深层学习进行学习的学生往往更注重内在的兴趣，理解、意义的构建以及更注重于学习内部之间的关系，而浅层次学习则与之相反。此后随着学者们研究的深入，深度学习的概念得到不断发展和丰富，目前已经有四种具代表性的概念假设，分别是深度学习的方式学说、深度学习的过程学说、深度学习的目标学说和深度学习的结果学说[4]。

国内对于深度学习的研究起步相对较晚，最早于2005年由黎加厚[5]教授在《促进学生深度学习》一文中指出，其认为深度学习是在理解的基础上，学习者能够批判地学习新思想和新知识，并与原有的认知结构相结合，建立知识的迁移与联系，在具体情境中有效解决问题，该定义在国内学者的研究中得到普遍认可。在2016年以后国内关于深度学习的研究热度大幅度上升，涌现出何玲、康淑敏、郭华、卜彩丽等一批优秀的研究学者，不断丰富和充实了深度学习的内涵。

在上述深度学习研究的基础上，结合本研究的研究内容和特点，将深度学习界定为学习的能力目标学说，即培养学生的科学探究能力、自主学习能力、合作学习能力、沟通表达能力和学习毅力，通过教学设计使学生高度参与学习过程，从而达到深度学习的能力目标。

（二） 增强现实技术（AR）

增强现实技术（Augmented Reality，简称AR）并不是一个新的概念，其本质上从属于虚拟现实技术领域，是实现人机界面交互技术的重要发展方向。增强现实技术具有三大特点，分别是“虚实结合”、“实时交互”与“虚拟物体是真实物体的3D再现”，近些年来无论是设备性能还是人机交互性能都有了大幅度的提升，为使用者提供更加贴近自然的交互方式，而且这种类型的物体模型可以快速生成，并实现操纵和旋转，目前其在文化领域、军事领域以及教育领域中都具有广泛的应用。在教育领域中的应用包含有学科教育、职业培训、医学与工程教育以及非正式学习领域[6]，其中在自然学科中的占比最多，主要是因为“AR能够将平常状态下不可见的内容可视化，并且能够提供实时的交互，使得情景化教学更加简单[7]，将虚拟的学习内容与现实的环境发生了有意义的关联[8]”。AR与教育融合已经成为不容忽视的一股强劲力量，但是其实现的教育质量究竟如何，还值得更多学者的深入探讨。

（三） 深度学习与AR探究式教学活动融合的理论基础

AR探究式教学活动设计关注课堂教学中各要素的相互关系，为学生营造开放式的学习情境，强调以学生为主体，通过自觉探索，掌握认识和解决问题的能力。将深度学习的四种主要认知理论[9]将AR探究式教学设计相融合，为教学设计的开展提供理论基础。理论与设计相融合的方式如图所示：

图1 深度学习与AR探究式教学设计融合的理论基础

①深度学习的情境认知为应用AR解决教学问题提供依据。情境认知理论中的基于情境的行动、合法的参与以及共同体的构建与支持为AR解决教学问题提供依据[9]。AR能够通过其虚拟现实的特点创设真实的、有意义的学习情境，并通过学生的持续参与使之从学习的“边缘参与者”转变为“核心参与者”，并在解决问题的过程中构建学习共同体，在问题的驱动下促进学生将知识和情境深度结合，最终达到深度学习的目标。

②深度学习的分布式认知理论为AR探究式教学活动的进行提供路线指导。

赫钦斯等人在传统认知理论的基础上提出了“分布式认知”，认为认知活动不仅是个体头脑中所发生的活动，还涉及到人和人之间以及人和技术之间实现某一活动的过程[10]，分布式认知提供了更多的认知工具来分散学生的认知负荷。AR探究式教学活动设计提供了传统环境和增强现实两种学习环境、通过问题探究，构建师生合作、生生合作以及生机合作等多种交互模式，有效地减轻个体学习过程中的认知负荷。因此分布式认知理论能够为教学活动设计提供指导，通过增加多种认知工具促进新旧知识之间的联结，进而使学生认知向更高水平发展。

③深度学习的建构主义理论丰富了AR探究式教学活动的内涵。建构主义认为学习是通过创设适宜的条件，学习者主动进行双向建构最终形成复杂认知结构的过程，是一种高水平的学习[11]。其强调的环境创设、双向意义构建以及活动的积极性在AR探究式教学活动实际中都能够得到体现，通过有效的AR教学活动设计，保证课堂教学有深度地展开。

④深度学习的元认知理论为AR教学活动的评价考核提供反馈。元认知实质上是对“认知”进行的“再认知”，是个体对自身认知活动的自我察觉、自我监控以及自我调节，是一种自我意识的高度发展。在AR探究式教学活动设计中，一方面利用师生的相互关系对学习过程进行监控，及时发现并修正问题；另一方面在解决问题的过程中提高自己的元认知能力，更注重接受问题之后的反思，从而能够做出对整个教学活动的反馈。

三 深度学习视角下融合AR的探究式教学活动过程

对深度学习过程的研究，有助于教学及学习活动的开展，提高过程性教学活动的质量。1978年澳大利亚学者Biggs曾提出了深度学习的“预测—过程—结果”模式（The-Presage-Process-Product Model,简称为3P模式）[12]，该模式通过各要素之间既独立建构，又相互作用相互影响的方式，进而影响最终的学习结果。此后，随着对深度学习研究的深入，美国研究学者Eric Jensen和LeAnn Nickelsen在其编著的《深度学习的7种有力策略》中提出了一种目前公认的深度学习路线（Deep Learning Cycle，简称DELC）路线[13]，该路线的运行流程如图2所示。该模式从教师的角度出发，以推动学习者实现深度学习为目的，在引导学生发现问题、分析问题和解决问题的过程中，采用自主、合作探究的学习方式，加深学生的主动性、理解性及批判性学习，从而最终实现深度学习的目标。

图2 DELC深度学习路径

本研究在考虑到小学科学阶段以及AR的特点的情况下，在美国学者DELC深度学习路径以及国内其他学者的研究的基础上，对教学活动的过程进行建构，将深度学习的发生过程概括为以下四个关键阶段，如图3所示。四个关键阶段分别是①课程导入阶段：本阶段教师要完成整个教学内容的规划，引导学生制订学习计划，完成自主回顾，提高学生的学习毅力；②激活新知阶段，主要是创设学习内容情境，确定探究性问题，激发学生的学习动机，学生利用AR增强现实环境，在回顾的同时收获新内容，增强学生的科学探究能力；③获取新知阶段，主要是在教师的引导下，学生通过教师提出的问题，进行探究性学习，利用传统和增强现实两种环境，获取新知，在此过程中提高学生的自主学习、合作学习和沟通表达能力；④学习评价阶段，教师引导完成学生的自评和互评，同时完成对学生的点评，使学生能够在自评和互评的过程中提高沟通表达能力。这一过程也是探究式教学的重要体现，学生能够通过阅读、问题引导、思考、讨论以及听讲等途径去主动探究，掌握认识和解决问题的方法和能力，使学生的主体和主动能力都得到加强。

图3 深度学习路径关键四步骤

四 深度学习视角下融合AR的探究式教学活动内容设计

通过对教学过程的建构以及教学活动构成要素的确定，深度学习视角下融合AR的探究式教学活动框架基本完成，下面以科学课程“蚕的一生”章节为主要内容，融合增强现实AR技术，设计符合深度学习发生路径的各阶段教学活动案例。

（一） 课前规划

课前规划主要是为了实现教师对整个教学过程的统筹安排，保证课堂教学的有序进行，学生在此阶段也要明确知道课程进行的计划及目标设定。因此对“蚕的一生”章节做如下的整体安排，如表1所示。以具体的教学阶段为依据，从教师及学生角度分别出发，明确各自规划及行动内容，依据具体内容选择合适的应用环境。

表1 “蚕的一生”章节活动设计计划安排

（二） 课堂导入阶段

课程导入阶段是在传统课堂中进行，此阶段要明确教学内容和学习目标，并进行规划，引导学生养成制定目标并坚持完成目标的好习惯，提高其学习毅力。

①教师引导。教师向学生展示本节课的学习目标，例如“知道蚕生长发育适宜的温度湿度等环境”“理解蚕与一般动物一样都要经历漫长的生命周期”“知道蚕生长变化的四阶段及每个阶段的特征”等目标，通过制订目标，使学生明确学习内容。

②学生参与。因本节课是学生章节学习内容的总结课，学生对其中的一些问题有自己的认识，针对尚未学习的内容，学生通过小组沟通合作的方式完成自己本节课学习目标的制订，明确学习的内容。

③预期目标。本部分课程学习内容在传统的教学环境下展开，教师引导学生完成计划的制订，进行经验预热，学生通过制定目标来明确学习的任务，在引导完成各自目标的过程中提高学习毅力，久而久之则能够在一定程度上提高深度学习能力。

（三） 激活新知阶段

激活新知阶段的目的是提高学习兴趣，激发学生的学习动机。主要为教师引导，学生参与、预期目标三大部分内容，在此部分，学生通过对已有知识的批判理解，建立新的认知，同时在活动设计中加强学生间的合作和交流。本阶段可在AR增强现实环境中进行，为学生提供了蚕生长各个阶段的仿真模型，知识点介绍及视频演示，学习者可以对其进行放大、缩小以及旋转等操作，来具体观察每一个细节，在与之交互的过程中进行知识建构，其中的部分场景如图4所示。

图4 激活新知部分的AR场景

①教师引导。教师在此阶段抛出交流问题，例如“在前面观察蚕的这一周期内，大家通过什么形式观察的，有哪些记录资料？”“关于蚕大家有什么自己的想法？”等一系列问题，可由教师先分享自己的学习心得及观点，为学生做好表率。同时在学生进行讨论时，教师要适当参与其中，对学生的交流发言做好补充。最后引导学生通过增强现实环境，对“蚕各阶段的生长”知识点做回顾，利用“虚拟仿真3D模型”“实时多模态交互”等从中发现新的知识，对学生原有知识体系进行补充。

②学生参与。学生在此学习部分要发挥主体作用，小组成员之间要互相讨论，交流心得，例如对“分享自己养蚕的照片”“介绍自己的养蚕经历”“在养蚕过程中出现过什么问题”“养蚕用到了哪些工具”等内容的交流，在此过程中既可以回顾蚕的生长阶段，又可以提高自己的沟通表达能力，最后可选取小组代表人进行发言。之后通过应用AR软件，在增强现实环境中回顾和发现新的知识，完善个人认知。

③预期目标。通过以上两部分的内容，期望获得以下预期目标：“完成对于蚕生长周期知识的回顾”“学生在交流过程中提高小组合作及沟通表达能力”“在增强现实环境中提高自主学习能力”“完成原有知识基础上新知识的激活”以及“提高学生的学习动机”。学生在此阶段完成学习目标，同时通过高度的课堂参与提高彼此之间的沟通合作能力，使学习过程不断深入，从而加强了知识的理解，促进深度学习的发生。

（四） 获取新知阶段

获取新知阶段设计的目的是学生能够掌握新知识，并对新知识实现迁移运用。教学活动的展开同样以教师引导、学生参与和预期目标三部分内容，学生通过新阶段的学习，计算蚕的寿命，画出蚕的一生循环图，以及蚕的生存条件，了解变态发育和不完全变态发育的区别。AR增强现实环境为学生提供了养蚕的真实情景，通过完成情境操作和出现的探究问题，获取新知，同时环境中为学生设置了相应的激励机制，为学生完成操作提供动力。其中涉及到的部分场景如图5所示。

图5 获取新知部分AR养蚕场景

①教师引导。获取新知阶段是教学过程中最重要的阶段，在本章节中教师提出“蚕的一生寿命周期是多久？”“蚕的一生经历了哪几个阶段”“蚕的生存条件是怎样的”“蚕在初期和最后有什么变化”等问题，在传统探究式教学环境中呈现多种教学媒介，在问题的指引下，引导学生完成新一阶段知识点的探索，同时在增强现实环境中，指引学生在贴近实际的情境中对“蚕的一生”进行了解，体验将蚕“虚拟养成”的过程，通过将蚕前期及后期的对比，引导学生对于“完全变态发育”和“不完全变态发育”概念的区分。

②学生参与。学生根据教师提出的问题，通过图片视频等掌握基础知识，在课本的辅助下完成部分总结。同时在增强现实环境中，通过虚拟养蚕，提高自己的动手探究能力，体验学习的乐趣，同时在养蚕的过程中，完成教师提出的问题，获取新知。

③预期目标。在本阶段通过教师指引和学生参与完成“掌握蚕的生长周期”“蚕生长的经历阶段”“蚕的生长条件”“完全变态和不完全变态的概念区分”等目标。虚拟养蚕为学生提供了更多动手实践的机会，通过养蚕周期的记录及蚕的生命周期的前后变化可以很好的回答教师的问题，同时提高科学探究能力。

（五） 学习评价阶段

学习评价阶段的目的是对学生的学习成果进行评价，对教学过程有一定的反思，同时总结经验，对教学设计进行修改。学习评价包括有过程性评价和结果性评价两种，涉及内容分别有教师评价，学生互评和自我反思等方式。本部分在增强现实环境中为学生提供了游戏性答题检测模块，学生对涉及蚕的以上章节知识点进行答题测验，同时在传统环境中教师可以组织学生绘制蚕的生长周期图、撰写有关蚕生长周期的小短文或者进行学习感受的演讲，给学生更多表现的机会。其中AR为学生提供的部分答题场景如图6所示。

图6 学习评价阶段的AR场景

①教师引导。学习评价是教学设计中的最后一个环节，教师引导完成教学评价，于教师而言，可以完善自己的教学设计，反思发现自己教学中的不足，于学生而言，可以巩固自己的学习成果，从不同角度完成对自身情况的反馈。教师引导学生对本节课的学习做出归纳，首先通过提问的方式检测课程导入环节目标的达成程度，其次引导学生“画出蚕的生长周期流程图”“完成一幅蚕的手抄报”“形成一篇简单的学习感悟”“进行一次关于蚕的小演讲”等活动，来对学生的学习成果进行多元评价。

②学生参与。对学生的评价方式不局限于考试成绩，因此学生在本环节要完成自己的学习作品，同时参与到其他同学的作品制作当中，并能够相互指出其中的优缺点，取长补短进而完善自己关于蚕的作品。

③预期目标。在本阶段通过教师引导和学生参与预计完成整节课程的学习，学生能够形成自己的蚕的作品，并通过对他人作品的评价相互学习，完成自己作品的更新，整个过程均应教师引导，学生参与，进而提高学生的合作学习能力。

总的来说，本节课程“蚕的一生”的教学设计以提高学生的深度学习能力为目标，分别针对科学探究能力、自主学习能力、合作学习能力、沟通表达能力和学习毅力等方面设计了教学活动，同时AR增强现实技术的应用更是为提高深度学习能力提供了助力。

五 总结展望

深度学习是学习科学理论的新概念，可以为实施有效的教学设计提供新的科学依据，同时符合教育改革的要求。增强现实AR技术是目前虚拟现实发展的重要方向，对于补充教学设计，丰富教学设计的过程，扩展教学设计环境提供了新的方式方法。在本研究中将两者进行结合，针对小学科学课程展开了具体的教学设计，实现了理论、技术和课程的整合，为教学活动设计提供了新的设计思路。在今后的教学活动设计中，不仅要注重理论、技术和课程实际的有效结合，更应该注重这三者之间的学习生态平衡，使教学过程中的物质能量实现持续有效的输出。