林曉凡 朱倩儀 吳倩意 申偉鵬 王佳慧

摘要：AR教學(xué)資源既能創(chuàng)設(shè)逼真情境促進(jìn)學(xué)生沉浸式學(xué)習(xí)，又能夠支持學(xué)生自主學(xué)習(xí)能力和概念認(rèn)知的轉(zhuǎn)變，在教育教學(xué)中掀起了新的熱潮。該文在針對當(dāng)前AR與科學(xué)教育深度融合的現(xiàn)狀和問題，基于體驗式學(xué)習(xí)理論建構(gòu)了AR支持下的體驗式資源在科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用策略：AR真境“現(xiàn)”實情一經(jīng)驗對比“顯”迷思-AR概念“糾”錯誤一反思探索“提”新知-AR器材“建”方案一互評互改“善”設(shè)計-AR實驗“解”科學(xué)一活學(xué)巧用“升”新境，同時結(jié)合科學(xué)教育應(yīng)用案例深入分析，以期為提高AR科學(xué)教育教學(xué)實踐提供參考。

關(guān)鍵詞：增強現(xiàn)實;體驗式教學(xué);資源;科學(xué)教育

中圖分類號：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

一、引言

近年來，增強現(xiàn)實技術(shù)以其獨有的技術(shù)優(yōu)勢，為解決科學(xué)教育的學(xué)科困境帶來新的愿景。增強現(xiàn)實（Augmented Reality，以下簡稱AR）是連接用戶和三維環(huán)境間的模擬技術(shù)，能夠?qū)?shù)字內(nèi)容無縫連接到虛擬世界，其具有的虛實結(jié)合、無縫交互、浸潤學(xué)習(xí)等特點[1]能夠讓用戶進(jìn)入仿真的虛擬環(huán)境中進(jìn)行體驗。AR體驗式教學(xué)資源建立在杜威提出“做中學(xué)”理論和庫伯的體驗學(xué)習(xí)圈理論的基礎(chǔ)上，能夠在學(xué)習(xí)中突顯學(xué)生的主體地位，創(chuàng)設(shè)逼真的情境，促進(jìn)學(xué)生沉浸式學(xué)習(xí)。其不僅有助于增加學(xué)習(xí)者的課堂參與感，激發(fā)學(xué)習(xí)動機，也有利于幫助直接具體經(jīng)驗向抽象概念轉(zhuǎn)化[2]。在科學(xué)教育中，體驗式學(xué)習(xí)理論與AR教學(xué)資源相結(jié)合，給教育者提供了新的學(xué)科知識學(xué)習(xí)方式，也為學(xué)習(xí)者搭建了一個自主探索空間，以達(dá)到教學(xué)目標(biāo)。本研究探索AR技術(shù)和課堂內(nèi)容的虛實深度融合，以體驗式學(xué)習(xí)理論為指導(dǎo)將二者進(jìn)行連通建立相輔相成的關(guān)系，搭建AR支持下的體驗式資源在科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用策略，實現(xiàn)以下目的：

（1）創(chuàng)建AR支持下的體驗式教學(xué)環(huán)境，促進(jìn)學(xué)習(xí)者“做中學(xué)”和沉浸式學(xué)習(xí);

（2）應(yīng)用AR支持下的體驗式的教學(xué)資源，提出能夠解決科學(xué)教育學(xué)科困境的創(chuàng)新教學(xué)策略。

二、研究評述

（一）科學(xué)教育中AR體驗式教學(xué)資源的應(yīng)用研究

科學(xué)學(xué)科（物理、化學(xué)、生物、地理中天文部分）具備抽象化、微觀化、模型化、空間認(rèn)知以及彰顯實驗?zāi)芰Φ膶W(xué)科特征。這些特征決定了教師如何借助AR技術(shù)為學(xué)生展示微觀的科學(xué)環(huán)境和科學(xué)虛擬模型。AR教學(xué)體驗注重感官沉浸、挑戰(zhàn)沉浸和想象力沉浸[3]。在此基礎(chǔ)上創(chuàng)設(shè)現(xiàn)實難以接觸的AR教學(xué)環(huán)境，教學(xué)過程中提供適當(dāng)?shù)奶魬?zhàn)、沉浸的虛擬世界和及時的反饋，可以增加學(xué)生在課堂體驗中的代人感，實現(xiàn)AR體驗式教學(xué)資源在科學(xué)課堂上的綜合應(yīng)用。在科學(xué)課堂上，AR教學(xué)資源可分為基于標(biāo)記的AR資源和基于位置的AR資源兩類。

基于標(biāo)記的AR多用于在課堂上將抽象概念轉(zhuǎn)化為真實形象的元素，可加強學(xué)生的概念學(xué)習(xí)和空間認(rèn)知。首先，在支持學(xué)生空間認(rèn)知方面，AR資源和虛擬的電子課本相配合，借助于3D模型和動畫來形象化解釋書中的關(guān)鍵知識點。在立體化科學(xué)課程中，AR虛擬模型備的虛擬性和便利性相比實體模型具更有助于學(xué)生透過二維深入認(rèn)知科學(xué)事物的空間本質(zhì)。其次，在支持學(xué)生情境認(rèn)知互動方面，結(jié)合AR技術(shù)將課程內(nèi)容通過將抽象概念轉(zhuǎn)化為真實可見元素的教學(xué)方法，有助于有效降低學(xué)生的認(rèn)知負(fù)荷水平。例如，Behmke等學(xué)者（2018）開發(fā)的AR分子應(yīng)用程序，學(xué)生只需將移動設(shè)備指向適當(dāng)?shù)?-D繪圖觸發(fā)器便可對化學(xué)材料的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行互動與認(rèn)知[4]。

基于位置的AR為學(xué)生提供體驗式的學(xué)習(xí)環(huán)境，以沉浸式的學(xué)習(xí)體驗讓學(xué)生突破科學(xué)實驗的時效性和危險性，參與科學(xué)變化的全過程。段延等學(xué)者（2018）創(chuàng)建了一個互動式的AR物理實驗自主環(huán)境，學(xué)生利用智能手機或平板電腦掃描實驗各儀器元件，匹配即可進(jìn)入增強現(xiàn)實學(xué)習(xí)環(huán)境[5]。Liou等（2016）借助MoonFinder軟件讓學(xué)生用身體尋找月亮，當(dāng)虛擬月亮和位置信息覆蓋在真實場景上時獲得天文知識[6]。這種方式可達(dá)到形象、生動、高效的實驗教學(xué)目的，有助于創(chuàng)建以學(xué)生為中心的學(xué)習(xí)體驗，促進(jìn)課堂和現(xiàn)實世界環(huán)境之間學(xué)生學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)移。

在配合有增強現(xiàn)實的教學(xué)過程中，教師根據(jù)不同的教學(xué)內(nèi)容和學(xué)習(xí)領(lǐng)域選擇不同的教學(xué)方式和不同的AR教學(xué)資源，能夠更充分發(fā)揮AR教學(xué)資源的作用，使AR教學(xué)資源能夠融合科學(xué)教育課堂的特征，提升教學(xué)效果。除了在教學(xué)媒體上的補充功能，大量研究揭示了在科學(xué)教育中使用AR資源的潛在優(yōu)勢，如提高學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度、提升學(xué)生的自主學(xué)習(xí)能力[7]和合作學(xué)習(xí)能力[8]。

（二）當(dāng)前研究存在局限及擬解決辦法

我們進(jìn)一步對比了信息化講授式課堂與普遍的AR體驗式教學(xué)在教學(xué)資源、教學(xué)策略、教學(xué)過程、師生關(guān)系、教學(xué)特點等方面的差異（如右側(cè)表所示）。在比較中發(fā)現(xiàn)，相比于信息化講授式教學(xué)，AR體驗式教學(xué)更加注重學(xué)生在加深知識理解的同時能夠認(rèn)識到科學(xué)事物的本質(zhì)。AR體驗式教學(xué)資源在科學(xué)課堂上的出現(xiàn)，學(xué)生不再只是單純觀看老師進(jìn)行課堂演示操作，而是更多地參與到整個教學(xué)過程中來，自己動手檢測所學(xué)知識，化被動為主動。但是在以往的研究中發(fā)現(xiàn)普遍的AR體驗式教學(xué)尚未能突破講授式教學(xué)中教師主導(dǎo)課堂的局限，AR教學(xué)資源只用于簡單的知識呈現(xiàn)，而未能進(jìn)一步突破空間束縛，為學(xué)生創(chuàng)建更加主動探索思考的科學(xué)學(xué)習(xí)環(huán)境。

分析上表和研究，我們發(fā)現(xiàn)現(xiàn)有的研究仍存在以下兩點不足：

1.國內(nèi)AR資源在科學(xué)教育中的應(yīng)用案例中較少形成科學(xué)教學(xué)全過程的閉環(huán)設(shè)計

在國內(nèi)關(guān)于AR資源在科學(xué)教育應(yīng)用的研究中，學(xué)者們已經(jīng)對于AR體驗式教學(xué)資源逐漸形成了趨于一致的認(rèn)知，其中包括實質(zhì)和特征，開發(fā)設(shè)計以及教育的應(yīng)用意義等，但在將應(yīng)用方式由理論上升到實踐層次的過程中，尚存在一定的局限，研究較少在科學(xué)教育閉環(huán)學(xué)習(xí)過程中細(xì)化AR體驗式教學(xué)資源映射到教學(xué)的全過程。例如，已有研究提到基于軟件形式的移動增強型學(xué)習(xí)資源符合情景性的泛在學(xué)習(xí)資源要求，但是停留在對軟件或AR電子書在教育中“點”層面[9]，沒有能由“點”到“線”，進(jìn)一步深入到自主學(xué)習(xí)、情境增強、師生互動和探究學(xué)習(xí)具體教學(xué)設(shè)計過程，達(dá)到真實教學(xué)情境中如何使用AR學(xué)習(xí)資源來實現(xiàn)閉環(huán)的全過程教學(xué)。也有研究者發(fā)現(xiàn)AR模型應(yīng)用到物理學(xué)實驗中能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果，但是在實踐過程中卻忽略了課前學(xué)生熟悉和掌握學(xué)習(xí)工具的環(huán)節(jié)，導(dǎo)致最終教學(xué)評價結(jié)果受學(xué)生對設(shè)備和環(huán)境不熟悉的影響[10]。由此可見，若想將AR教學(xué)資源的潛力充分發(fā)揮出來，不能僅是簡單地將AR技術(shù)和傳統(tǒng)信息化教學(xué)資源作替換，而是要將二者有機結(jié)合，清晰分析AR體驗式教學(xué)資源在教學(xué)的全過程中分別充當(dāng)著什么角色，明確在教學(xué)的哪些具體環(huán)節(jié)使用何種類型的AR資源，如何結(jié)合課堂實景進(jìn)行教學(xué)設(shè)計效果更佳，從教學(xué)細(xì)節(jié)處體現(xiàn)AR技術(shù)的重要優(yōu)勢。

2.國內(nèi)外研究中缺乏對AR教學(xué)資源應(yīng)用實踐的策略示范

當(dāng)前AR體驗式教學(xué)資源的科學(xué)教育中的應(yīng)用五花八門，但是應(yīng)用效果卻良莠不齊。Ibanez等人（2018）設(shè)計了一個AR模擬系統(tǒng)AR-SaBEr，在實驗過程中給實驗組學(xué)生提供個性化的額外輔導(dǎo)，幫助學(xué)習(xí)者關(guān)注他們沒有掌握的主題，最終實驗結(jié)果證明實驗組的學(xué)習(xí)者比控制組的學(xué)習(xí)成績更好[11]。而Behmke等學(xué)者在進(jìn)行3D立體化學(xué)實驗時，只讓實驗組和對照組的學(xué)生使用不同的應(yīng)用程程序，并沒有進(jìn)行額外的學(xué)習(xí)輔導(dǎo)，實驗結(jié)果表現(xiàn)為使用增強現(xiàn)實模型的學(xué)生與不使用模型的學(xué)生一樣[12]。由此可見，同在教學(xué)中使用AR資源，不同的學(xué)習(xí)資源設(shè)計，運用不同的教學(xué)策略，均可導(dǎo)致不同的學(xué)習(xí)效果。我們發(fā)現(xiàn)，已有研究中研究者普遍了解AR技術(shù)的使用方法及使用意義，但多未能將AR技術(shù)和科學(xué)教育進(jìn)行教學(xué)設(shè)計層面的理論整合，形成以AR技術(shù)中心，通過體驗式教學(xué)資源實現(xiàn)學(xué)生能力多維提高的貫穿教學(xué)全過程的科學(xué)課堂設(shè)計指導(dǎo)。

為解決上述研究局限，我們分析前人成功的AR教學(xué)實踐，研究其中的教學(xué)模式和AR資源的應(yīng)用方式，結(jié)合科學(xué)學(xué)科本質(zhì)及科學(xué)教育對學(xué)生科學(xué)探索技能以及科學(xué)思維能力的要求，提出以下創(chuàng)新的AR教學(xué)策略。策略注重將AR資源貫穿教學(xué)全過程.構(gòu)建系統(tǒng)的教學(xué)設(shè)計方案，為教學(xué)活動設(shè)計提供新思路，最終總結(jié)出一套基于標(biāo)記的AR教學(xué)環(huán)境的活動設(shè)計框架，用以驗證教學(xué)策略的有效性。

三、基于AR體驗式教學(xué)資源的創(chuàng)新應(yīng)用策略

通過國內(nèi)外AR教學(xué)資源的應(yīng)用方式研究的梳理發(fā)現(xiàn)，要實現(xiàn)科學(xué)教育視域下AR的教學(xué)應(yīng)用價值，必須建構(gòu)AR教學(xué)整合的方法論模型。AR技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)需從教師和學(xué)生兩者的視角出發(fā)，考慮AR資源的可用性以及體驗式課堂的實踐性，同時從教、學(xué)和教學(xué)內(nèi)容（教師、學(xué)生和科學(xué)知識）三個層面出發(fā)，明確彼此之間的交互關(guān)系（如圖1所示）。在教師、學(xué)生與教學(xué)資源和內(nèi)容的交互關(guān)系中，AR資源作為交互的中介，具備呈現(xiàn)科學(xué)本質(zhì)的能力和反饋學(xué)生學(xué)習(xí)效果的能力。學(xué)生通過操作AR交互資源加強彼此之間的協(xié)作學(xué)習(xí)，并且在教學(xué)資源上進(jìn)行學(xué)習(xí)效果反饋。教師通過AR教學(xué)資源接收學(xué)生的反饋，協(xié)助學(xué)生進(jìn)行課程反思總結(jié)，并完善教學(xué)設(shè)計。各科學(xué)學(xué)科為學(xué)生提供探索學(xué)習(xí)的空間，在師生的交互關(guān)系中，教師在教學(xué)過程中充當(dāng)指導(dǎo)者與輔助者的角色，主要任務(wù)是為學(xué)生提供指導(dǎo)信息，引導(dǎo)學(xué)生沉浸在教學(xué)過程中。學(xué)生則化被動為主動，參與教師設(shè)計的AR教學(xué)活動，從中尋求解決學(xué)習(xí)過程中產(chǎn)生的問題幫助，最終獲得科學(xué)知識。

以這一交互關(guān)系為AR資源與教學(xué)的整合思想，我們從學(xué)生在學(xué)習(xí)指定科學(xué)學(xué)科的學(xué)習(xí)環(huán)節(jié)人手，分析學(xué)習(xí)過程與教學(xué)評價這五能存在的互動環(huán)節(jié)，以及教學(xué)設(shè)計中需要考慮的教學(xué)任務(wù)及對象、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)策略等基本要素。例如，學(xué)生在吸收生物學(xué)科新知識時，易受日常生活經(jīng)驗影響，產(chǎn)生對生物學(xué)科某知識點的認(rèn)知誤區(qū)。比如在沒有經(jīng)過科學(xué)實驗觀察和驗證的前提下，部分學(xué)生會認(rèn)為種子的萌發(fā)需要陽光。學(xué)生會存在該認(rèn)知誤區(qū)的一個主要原因是在課堂教學(xué)過程中他們?nèi)狈εc科學(xué)現(xiàn)象的直接觀察接觸，其所得到的認(rèn)知全部來源于教師的描述附加生活經(jīng)驗而產(chǎn)生的抽象想象。為解決這一問題，我們結(jié)合AR再現(xiàn)科學(xué)變化即時性的特點，認(rèn)為教師可以在講授新知識點之前，通過AR概念模型創(chuàng)設(shè)一個學(xué)習(xí)情境真實展現(xiàn)生物現(xiàn)象，學(xué)生通過觀察AR模型所展現(xiàn)出來的科學(xué)現(xiàn)象，發(fā)現(xiàn)自身生活經(jīng)驗與AR提供的信息存在差異，從而提出疑惑。此時教師引導(dǎo)學(xué)生從問題出發(fā)，接觸新知識，在獲得知識的過程中逐步糾正錯誤認(rèn)知，建立新認(rèn)知。為此，我們把教學(xué)策略的第一環(huán)節(jié)總結(jié)為“AR真境‘現(xiàn)實情——經(jīng)驗對比‘顯迷思”這兩個步驟。以此為方向進(jìn)行研究分析，我們最終總結(jié)出了科學(xué)教育中AR支持下的體驗式教學(xué)策略：AR真境“現(xiàn)”實情;經(jīng)驗對比“顯”迷思;AR概念“糾”錯誤;反思探索“提”新知;AR器材“建”方案;互評互改“善”設(shè)計;AR實驗“解”科學(xué);活學(xué)巧用“升”新境。教學(xué)過程分八步走，總結(jié)為“現(xiàn)、顯、糾、提、建、善、解、升”，以連續(xù)循環(huán)的學(xué)習(xí)模式促使學(xué)生學(xué)習(xí)效果螺旋式上升，如下頁圖2所示。

AR資源在輔助學(xué)生進(jìn)行科學(xué)學(xué)習(xí)的過程中，抓住科學(xué)學(xué)科“概念抽象”，學(xué)生容易存在“空間認(rèn)知障礙”的學(xué)科特點，為學(xué)生提供一個具象的、能夠?qū)崟r動手操作的沉浸式體驗學(xué)習(xí)環(huán)境，實現(xiàn)“做中學(xué)”、“玩中學(xué)”，逐步從概念理解（CU）、實踐工作（PW）、高階認(rèn)知技能（HCS）、科學(xué)交流（SC）和生活應(yīng)用（EA）五個方面提升學(xué)生科學(xué)學(xué)習(xí)的自我效能感。教學(xué)策略圖如圖2所示，學(xué)生“對比新舊知識”到“交流科學(xué)想法”的過程是學(xué)生認(rèn)識科學(xué)本質(zhì)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)驗迷思的階段，此過程鼓勵學(xué)生使用AR資源教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行互動，完成概念學(xué)習(xí)過程;“交流科學(xué)想法”到“創(chuàng)設(shè)實驗方案”的過程是學(xué)生糾正迷思錯誤，理解新概念的階段，此過程教師積極參與學(xué)生的新舊識轉(zhuǎn)化過程，通過練習(xí)鞏固新認(rèn)知;“創(chuàng)設(shè)實驗方案”到“實施科學(xué)實驗”的過程是學(xué)生構(gòu)建完整的知識體系，運用科學(xué)交流對新知獲得更高階認(rèn)知的階段，該過程注重學(xué)生對所學(xué)知識的補充和完善;“實施科學(xué)實驗”到“活用科學(xué)知識”的過程是學(xué)生動手操作實踐，檢驗知識框架穩(wěn)固程度的階段，該過程要求學(xué)生能夠靈活使用所學(xué)知識解答科學(xué)學(xué)習(xí)過程中遇到的問題，學(xué)會舉一反三。知識學(xué)習(xí)的最終目的是學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識在生活中應(yīng)用，因此本策略要求學(xué)生最后能夠在AR環(huán)境學(xué)習(xí)后，可以進(jìn)行知識遷移，運用所學(xué)巧妙地解決在日常生活中遇到的難題。

（1） AR真境“現(xiàn)”實情——經(jīng)驗對比“顯”迷思：利用AR技術(shù)呈現(xiàn)相關(guān)科學(xué)概念中所需的3D模型或者3D視頻，展示的是學(xué)生認(rèn)識過程中的形象與抽象、實際與理論、感性與理性以及舊識與新知關(guān)系和矛盾的場景，在體驗中與學(xué)生經(jīng)驗進(jìn)行有意義的聯(lián)通，完成課堂學(xué)習(xí)的課前導(dǎo)人任務(wù)。以上一步的真實情境體驗作為導(dǎo)引，學(xué)生將從創(chuàng)設(shè)的情境中獲得的認(rèn)知與經(jīng)驗進(jìn)行對比，通過設(shè)計問題引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)情境中與已有知識的矛盾，提出迷思問題。

（2） AR概念“糾”錯誤——反思探索“提”新知：教師利用AR富媒體資源提供學(xué)生探索學(xué)習(xí)的腳手架，為學(xué)生呈現(xiàn)現(xiàn)實觀察中肉眼難以直接觀察到的科學(xué)模型。學(xué)習(xí)者在AR資源的支持下反復(fù)觀察科學(xué)空間模型，尋找問題的來源、本質(zhì)，糾正原有的錯誤概念，學(xué)習(xí)新概念。

前面各環(huán)節(jié)利用AR資源實現(xiàn)事實——數(shù)據(jù)——信息的呈現(xiàn)，在本環(huán)節(jié)中，教師通過設(shè)計促進(jìn)學(xué)生反思建構(gòu)與新知的問題，幫助學(xué)生在對比反思舊概念與新認(rèn)識的過程中，提出新的正確的科學(xué)概念。

（3） AR器材“建”方案——互評互改“善”設(shè)計：教師以最近發(fā)展區(qū)理論為指導(dǎo)進(jìn)行更高階的教學(xué)時，向他們提供相關(guān)的AR模型和視頻的虛擬實驗資源。學(xué)生以學(xué)習(xí)小組形式，借助AR學(xué)習(xí)資源，以解決某一科學(xué)問題為導(dǎo)向的參與式活動展開互動交流，運用所學(xué)新概念及知識，對實驗進(jìn)行假設(shè)和猜想，設(shè)計出解決該問題的實驗方案，通過持續(xù)交流與主動思考完善方案設(shè)計。

在學(xué)習(xí)小組的氛圍中，學(xué)生在思考解決方法準(zhǔn)確性的過程中，與同伴進(jìn)行合作交流，在實踐試誤中，交換彼此看法，結(jié)合教師設(shè)計的引導(dǎo)思考問題，逐步構(gòu)建出基于新概念的知識模型，充分理解新概念。

（4） AR實驗“解”科學(xué)——活學(xué)巧用“升”新境：學(xué)知識到用知識的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)學(xué)生思維或知識的創(chuàng)新。教師根據(jù)學(xué)習(xí)內(nèi)容、學(xué)生學(xué)習(xí)情況發(fā)布任務(wù)，讓學(xué)習(xí)者在AR支持的虛擬實驗環(huán)境中完成學(xué)習(xí)任務(wù)。在這個過程中，鼓勵其運用所學(xué)的知識、領(lǐng)悟的方法進(jìn)行創(chuàng)新科學(xué)實驗。學(xué)生需要圍繞假設(shè)猜想完成驗證實驗，經(jīng)過實踐以及實驗數(shù)據(jù)反饋，不斷更新與完善所建設(shè)的知識網(wǎng)絡(luò)，并最終解決科學(xué)難題，

教師幫助學(xué)生反思AR支持下的學(xué)習(xí)過程是否達(dá)到學(xué)習(xí)目標(biāo)，在反思過程中學(xué)生進(jìn)一步消化所學(xué)習(xí)的內(nèi)容。隨后教師通過相關(guān)話題引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)與現(xiàn)實生活聯(lián)系起來，啟發(fā)學(xué)生調(diào)動所學(xué)解決生活難題，真正完成知識內(nèi)化。

四、AR支持下的體驗式教學(xué)應(yīng)用案例

立足于解決以上教學(xué)局限，基于提出的教學(xué)策略，以小學(xué)科學(xué)生物模塊為案例實踐內(nèi)容展開應(yīng)用案例分析。

（一）科學(xué)教育中AR支持下體驗式教學(xué)活動設(shè)計框架

在八步策略的實踐應(yīng)用中，我們需要注意：教學(xué)活動的設(shè)計要以學(xué)生為中心，避免為了使用資源而設(shè)計的教學(xué)活動;從基于游戲的學(xué)習(xí)、基于空間的學(xué)習(xí)和基于問題的學(xué)習(xí)這三個角度出發(fā)進(jìn)行活動設(shè)計[13]，實現(xiàn)和促進(jìn)沉浸式學(xué)習(xí);以移動學(xué)習(xí)資源為主，借鑒游戲化學(xué)習(xí)的理念，引導(dǎo)學(xué)生探索學(xué)科知識。以八步教學(xué)策略為指導(dǎo)的AR支持下體驗式教學(xué)資源應(yīng)用設(shè)計框架如圖3所示。

在體驗式學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)生是學(xué)習(xí)活動的主要執(zhí)行者，在滿足自己學(xué)習(xí)需求的同時還需要完成教師發(fā)布的學(xué)習(xí)任務(wù)。學(xué)生的活動以“體驗”和“操作”為主，在設(shè)計時，注重讓學(xué)生在與AR虛擬物體交互中感知科學(xué)信息，使學(xué)生產(chǎn)生身臨其境的心理體驗?；顒有问匠苏n堂問答式，還能夠以競賽、娛樂游戲的形式出現(xiàn)，因此需要涵蓋個人形式參與的活動以及小組形式參與的活動，在活動過程中要及時給予學(xué)生獎勵和懲罰，提高學(xué)生的課堂參與度和活動積極性?；顒右匀蝿?wù)式展開，學(xué)生需要解決大任務(wù)中存在的問題，檢驗獲得的知識，在鞏固概念的基礎(chǔ)上進(jìn)行形成新概念，然后通過AR仿真實驗環(huán)境檢驗新概念，進(jìn)而實現(xiàn)知識的自我構(gòu)建和內(nèi)化。教師的角色則轉(zhuǎn)變?yōu)榻M織者、幫助者或者指導(dǎo)者等，其不是活動的主角，不作為參與者直接參與到活動中。教師在整個教學(xué)過程中起的作用基本一致，主要表現(xiàn)為協(xié)助學(xué)習(xí)者進(jìn)行體驗活動、適時引導(dǎo)學(xué)習(xí)者思考與交流、幫助學(xué)習(xí)者進(jìn)行反思與總結(jié)。

（二）科學(xué)教育中AR支持下體驗式教學(xué)流程

依據(jù)科學(xué)教育中AR支持下體驗式教學(xué)活動設(shè)計框架對小學(xué)科學(xué)中種子萌發(fā)及光合作用知識點進(jìn)行教學(xué)設(shè)計，將學(xué)習(xí)過程智慧生成與活動設(shè)計框架相呼應(yīng)的“現(xiàn)、顯、糾、提、建、善、解、升”八個階段，并作為教學(xué)活動設(shè)計流程，對八個階段進(jìn)行核心、次要要素設(shè)計。

1.明確“種子萌發(fā)的必要條件及光合作用的過程”的目標(biāo)，制作相應(yīng)的AR資源

在種子萌發(fā)及光合作用的科學(xué)課堂中，學(xué)習(xí)者受自身生活經(jīng)驗的誤導(dǎo)，常存在種子發(fā)芽過程需要光的迷思概念，基于該問題解決的分目標(biāo)分別是種子發(fā)芽過程、種子發(fā)芽必要條件、光合作用過程、影響光合作用的因素，最后回歸到種子發(fā)芽是否進(jìn)行光合作用的問題上，重構(gòu)學(xué)習(xí)者內(nèi)化的知識體系。

本案例制作AR電子書作為相應(yīng)的AR資源。電子書主要分為“基于圖案標(biāo)記的AR互動模型”、“基于二維碼標(biāo)記的移動閱讀信息”以及“基于教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)活動”三個基本模塊，如圖4所示。

“基于圖案標(biāo)記的AR互動模型”通過向同學(xué)展示“種子的萌發(fā)過程”和“植物細(xì)胞和葉綠體”等現(xiàn)實生活中難以觀察的生物學(xué)現(xiàn)象或科學(xué)實驗過程，幫助學(xué)生理解光合作用的科學(xué)本質(zhì)。當(dāng)學(xué)生用移動設(shè)備掃描電子書上的AR標(biāo)記，通過放大縮小或者旋轉(zhuǎn)觀察AR細(xì)胞模型或植物模型，同時要求學(xué)生要認(rèn)真聽AR視頻中的知識點并進(jìn)行筆記記錄。

“基于二維碼標(biāo)記的移動閱讀信息”充分考量學(xué)習(xí)對象的年齡，將大量拓展閱讀資料，如文本信息“葉綠體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能”、視頻信息“光合作用的過程”等以二維碼的形式嵌于電子書中，避免了課本上出現(xiàn)大量文字，造成學(xué)生閱讀疲勞，同時使學(xué)生可在自主學(xué)習(xí)的過程中能夠獲得豐富的多媒體信息，提高學(xué)習(xí)興趣。

“基于教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)活動”以教學(xué)內(nèi)容為思路，以AR教學(xué)策略為參考，分別設(shè)計有“生活與發(fā)現(xiàn)” “觀察與思考”“思考知真理”“實踐驗真知”“拓展與閱讀”這五個板塊，一步步引導(dǎo)學(xué)生從生活中“種子萌發(fā)是否需要光”的現(xiàn)象中創(chuàng)設(shè)學(xué)習(xí)情境，發(fā)現(xiàn)迷思問題，進(jìn)而學(xué)習(xí)相關(guān)知識解釋情境，解決迷思，最后通過動手實踐，協(xié)作設(shè)計與“光合作用的條件”有關(guān)的實驗以檢驗所學(xué)知識。在學(xué)習(xí)過程中，這些學(xué)習(xí)活動會讓學(xué)生以“繪畫”“書寫”或者完成相應(yīng)的習(xí)題來向老師反饋學(xué)習(xí)效果，達(dá)到評價目的。

2.“現(xiàn)顯糾提”——情境創(chuàng)設(shè)，構(gòu)建經(jīng)驗

在學(xué)習(xí)光合作用前，教師在“生活與發(fā)現(xiàn)”模塊中為學(xué)生構(gòu)造一個學(xué)習(xí)情境，引導(dǎo)學(xué)生思考問題——“種子萌發(fā)的過程需要陽光嗎？”從中檢測學(xué)生是否對生物科學(xué)存在迷思概念——“種子萌發(fā)需要光”。老師用AR視頻再現(xiàn)種子萌發(fā)過程，學(xué)生經(jīng)過“觀察和思考”，發(fā)現(xiàn)自己的認(rèn)知存在科學(xué)性錯誤，為了糾正這種錯誤認(rèn)知，提出探究問題——“為什么光不參與種子萌發(fā)的過程？”在此情況下，老師引導(dǎo)學(xué)生從光在植物生命中的意義出發(fā)，通過探究植物的光合作用來檢驗和證實“種子的萌發(fā)過程不需要光”，推翻舊識。

學(xué)生在提出新的認(rèn)知概念過程中，通過“思考知真理”模塊的學(xué)習(xí)，借助l植物細(xì)胞的AR模型，掌握光合作用的場所——葉綠體的結(jié)構(gòu)和作用，在AR環(huán)境中觀察光合作用的過程，學(xué)習(xí)到“植物進(jìn)行光合作用所需的葉綠素是在植物感光后才能形成”，最終總結(jié)出“種子萌發(fā)前沒有葉綠素，無法進(jìn)行光合作用”，從而構(gòu)建新認(rèn)知。

3.“建善解升”——多向交互，探究創(chuàng)新

教學(xué)進(jìn)行到第四步時，學(xué)生已經(jīng)建成一個基本的新知框架，為了幫助學(xué)生不斷完善和檢驗新概念，老師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入更高階的知識學(xué)習(xí)——“光合作用所需要的條件有什么？”因此從構(gòu)建階段來到提升階段。老師借助AR支持下的富媒體化體驗式學(xué)習(xí)資源中進(jìn)行蠟燭燃燒和老鼠與植物在同一封閉環(huán)境的實驗操作，通過真實的體驗，引導(dǎo)學(xué)習(xí)者構(gòu)建光合作用所學(xué)條件的學(xué)習(xí)經(jīng)驗，以此來進(jìn)入進(jìn)一步的反思觀察——“為什么沒有植物或有植物但沒有光照的情況下小老鼠會死，燃燒的蠟燭會熄滅？從光照進(jìn)入黑暗的時刻，在整棵植物、單個葉片細(xì)胞、單個葉綠體中光反應(yīng)和暗反應(yīng)各會發(fā)生什么變化？”

學(xué)生在進(jìn)行深入探究學(xué)習(xí)之前，組建學(xué)習(xí)小組，在學(xué)習(xí)的過程中與小組成員完成“討論”“分析”“協(xié)作探究”等學(xué)習(xí)任務(wù)，在合作交流中完成對整個“光合作用”的知識框架的構(gòu)建，要求學(xué)生能夠清楚光合作用的場所、具體過程以及所需條件，同時學(xué)會舉一反三，利用所學(xué)的知識，進(jìn)行創(chuàng)新科學(xué)實驗設(shè)計——“利用AR學(xué)習(xí)資源設(shè)計實驗探究不同因素對光合作用強度產(chǎn)生的影響”。

為了達(dá)到實驗設(shè)計的目的，本案例設(shè)計“實踐驗真知”模塊，先由老師為學(xué)生提供實驗參考案例——“光照強度對光合作用強度的影響”，指導(dǎo)學(xué)生如何尋找實驗對象，以及如何對實驗結(jié)果進(jìn)行假設(shè)和猜想，并引導(dǎo)學(xué)生使用AR資源調(diào)節(jié)光照強度，觀察資源中植物凈光合作用量的變化來得到不同光照強度對光合作用的影響，進(jìn)而驗證假設(shè)，得出結(jié)論。

學(xué)生在進(jìn)行實驗的過程中，由操作AR環(huán)境下的實驗?zāi)Ｐ偷玫秸鎸嵉臄?shù)據(jù)，在分析數(shù)據(jù)的過程中不斷完善和鞏固“光合作用”這個知識點的知識框架。在這個學(xué)習(xí)過程中，學(xué)生通過課堂回答問題，參與課堂討論，完成學(xué)習(xí)活動任務(wù)，上交學(xué)習(xí)實驗成果等方式向老師進(jìn)行學(xué)習(xí)效果反饋，老師在這個過程中對學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行評價，要求學(xué)生最終不僅能夠理解“種子萌發(fā)不需要光”，而且能夠清晰地闡述“為什么光不參與種子萌發(fā)的過程”，確保學(xué)生完成了知識建構(gòu)到知識深化地過程，并且引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識進(jìn)一步提升到一個新的情境中及逆行反思與學(xué)習(xí)。

（三）科學(xué)教育中AR支持下體驗式教學(xué)效果

本研究就13個年齡在10-13歲的小學(xué)生進(jìn)行了共八周的應(yīng)用實踐。研究觀察與訪談發(fā)現(xiàn)，AR支持下的體驗式教學(xué)相比于傳統(tǒng)教學(xué)過程，師生之間除了完成傳統(tǒng)課堂環(huán)境中學(xué)習(xí)、討論和交流，更突出表現(xiàn)的是學(xué)生之間的協(xié)作互動表現(xiàn)?；贏R體驗式教學(xué)資源的科學(xué)教學(xué)中，學(xué)生共同協(xié)作完成課內(nèi)科學(xué)探究和課外科學(xué)自主學(xué)習(xí)的頻率和參與深度有明顯提升。同時，相比傳統(tǒng)課堂，學(xué)生在AR體驗式課堂中突破時空界限進(jìn)行虛擬探究，實時進(jìn)行實驗驗證所設(shè)計實驗方案，參與課堂的興趣提高，這是培養(yǎng)學(xué)生在科學(xué)學(xué)習(xí)與科學(xué)知識建構(gòu)的重要環(huán)節(jié)。在AR體驗式資源的科學(xué)教學(xué)課堂中，教師充分發(fā)揮組織者、引導(dǎo)者、輔助者和監(jiān)督者四個角色的作用，使學(xué)生在AR環(huán)境和現(xiàn)實環(huán)境中的自主學(xué)習(xí)、協(xié)作探究等得到較好的融合。經(jīng)過分組協(xié)作學(xué)習(xí)，學(xué)生逐漸形成小組科學(xué)協(xié)作意識以及集體榮譽感，后面4周的實踐中學(xué)生更加愿意為完成學(xué)習(xí)任務(wù)而與同伴分享自己思考的結(jié)果。與此同時，其中有五位學(xué)生在AR資源的輔助下發(fā)現(xiàn)問題的能力增強，借助AR體驗式資源，能夠發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)課堂上由于觀察局限導(dǎo)致無法注意到微觀事物，更加主動向老師提出困惑，并希望通過向老師表達(dá)自身的看法和老師進(jìn)行討論。

五、結(jié)語

本研究從科學(xué)教育的應(yīng)用視角出發(fā)為如何開發(fā)AR支持的體驗式教學(xué)資源、如何設(shè)計優(yōu)質(zhì)高效的課程活動提供策略指導(dǎo)。AR體驗式教學(xué)資源通過富媒體與增強現(xiàn)實的結(jié)合突破傳統(tǒng)科學(xué)教材的學(xué)習(xí)局限性，通過有效的教學(xué)策略指導(dǎo)下的教師引導(dǎo)和有利于學(xué)生的體驗式教學(xué)環(huán)境，有助于提升學(xué)生學(xué)習(xí)的科學(xué)學(xué)習(xí)水平和科學(xué)素養(yǎng)。未來研究還需擴大研究的樣本和應(yīng)用學(xué)科，以進(jìn)一步驗證AR體驗式科學(xué)教學(xué)策略的有效性與可適用范圍。

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