李敬 陳靜 柳姿怡

新興技術(shù)的融入，為教育帶來了更多的新型教學(xué)模式，增強虛擬現(xiàn)實（AR）技術(shù)的興起或?qū)榻逃畔⒒崎_新的篇章。當(dāng)下，已有將AR技術(shù)應(yīng)用于科學(xué)課堂的眾多嘗試。應(yīng)用AR技術(shù)可以將難以理解的知識更加生動地呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，實現(xiàn)更直接的更新穎的互動活動，有助于學(xué)生更好地獲得學(xué)習(xí)體驗、更好地激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，實現(xiàn)更深層次的學(xué)習(xí)。

一、AR與VR

VR （Virtual Reality）即虛擬現(xiàn)實技術(shù)，主要通過使用模擬、電子信息、計算機、傳感器等技術(shù)手段，創(chuàng)造一個與真實世界完全隔離的虛擬世界。AR（Augmented Reality）即增強現(xiàn)實技術(shù)，是在VR基礎(chǔ)上發(fā)展而來的一種新型技術(shù)，將虛擬信息疊加在現(xiàn)實世界上，其主要利用計算機等科學(xué)技術(shù)模擬、仿真虛擬信息，并將其應(yīng)用到我們的現(xiàn)實世界中。虛擬信息和真實信息相互補充，進而實現(xiàn)對現(xiàn)實世界的“增強”。

AR和VR都是基于虛擬現(xiàn)實的模擬技術(shù)，兩者都是當(dāng)今科技發(fā)展的重心，未來將會在各個領(lǐng)域進一步普及推廣。雖然兩種技術(shù)都使用計算機、傳感等技術(shù)手段，但AR和VR在技術(shù)實現(xiàn)與應(yīng)用中還是有所區(qū)別的。

（一）AR技術(shù)強調(diào)真實世界和虛擬場景的互動

VR是一種完全虛擬現(xiàn)實的技術(shù)，多是仿真技術(shù)、多媒體技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)技術(shù)等多種技術(shù)的結(jié)合，只是虛構(gòu)出一個數(shù)字世界，或是虛擬現(xiàn)實中的一切場景，旨在構(gòu)建一個新的虛擬世界，讓人有一種身臨其境的感覺。

而AR是基于現(xiàn)實的一種增強技術(shù)，運用三維建模、多傳感器融合等多種新型技術(shù)，實現(xiàn)現(xiàn)實和虛擬的結(jié)合，將真實世界和虛擬場景兩者結(jié)合起來，增強了與虛擬世界的互動，使人在真實世界中就能感受虛擬信息，或與虛擬場景互動。從這個角度來看，AR是在VR技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的，AR技術(shù)包含VR。

（二）AR技術(shù)更注重實用性

VR技術(shù)主要通過虛擬場景，為使用者提供沉浸式的體驗，更注重趣味性，目前多用于電子游戲、娛樂等商業(yè)領(lǐng)域。其典型產(chǎn)品就是各類VR眼鏡，使用者通過佩戴VR設(shè)備，可以像在現(xiàn)實世界中一樣在虛擬世界中遨游。但是，作為增強虛擬現(xiàn)實的AR技術(shù)更注重虛擬與現(xiàn)實間的聯(lián)結(jié)，如北斗AR地球儀、AR書籍等典型的AR教育產(chǎn)品，在早期的VR眼鏡基礎(chǔ)上設(shè)置了更多的互動功能，實現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實的結(jié)合，凸顯了AR技術(shù)的教育實用性，為學(xué)習(xí)者提供了豐富的個性化的學(xué)習(xí)體驗。所以，虛實結(jié)合的AR技術(shù)廣泛應(yīng)用于建筑、醫(yī)療和娛樂領(lǐng)域，在教育領(lǐng)域尤其是在科學(xué)教學(xué)領(lǐng)域也發(fā)揮著越來越重要的作用。

二、AR技術(shù)在小學(xué)科學(xué)課堂的應(yīng)用

5G時代的到來，將會給AR技術(shù)在教育領(lǐng)域的推廣和普及帶來更大的機遇。例如，通過AR技術(shù)制作的三維地圖，讓學(xué)生與虛擬現(xiàn)實進行互動;AR書籍的使用，讓學(xué)生在閱讀的同時獲得個性化的閱讀體驗，盡情遨游在知識的海洋里;在AR課堂上，利用AR技術(shù)制作出具體模型可輔助語文教學(xué);等等。AR技術(shù)的應(yīng)用，改變了傳統(tǒng)的學(xué)習(xí)方式，以生動的場景激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)的興趣，使學(xué)生獲得更好的學(xué)習(xí)體驗。

（一）AR課件的開發(fā)與應(yīng)用

當(dāng)下，實現(xiàn)AR技術(shù)的開發(fā)工具有Unity3D、Vuforia、OpenCV、AR Core等。其工作原理是對接收到的信息進行追蹤分析，通過交互式命令生成虛擬信息，將3D模型、音視頻等信息疊加在真實環(huán)境中，產(chǎn)生虛實結(jié)合的感覺。紀(jì)錄片《你好，未來人類》英國篇中的一堂小學(xué)健康課上就展示了典型的AR課件：一位手持PAD的學(xué)生給另一位貼有定位標(biāo)記T恤的學(xué)生拍照，投影上就根據(jù)被拍者身體比例呈現(xiàn)出人體結(jié)構(gòu)圖。教師以此作為課件進行講解，投影中虛擬出的圖像會隨著被拍照學(xué)生的動作發(fā)生變化，并呈現(xiàn)出吞咽、心跳等虛擬效果。

由此可見，AR課件較之傳統(tǒng)課件需要更多的技術(shù)和更復(fù)雜的制作過程。一般來說，至少需要三類技術(shù)：三維技術(shù)，目的是將虛擬信息疊加于真實情境上;虛實融合的顯示技術(shù)，目的是渲染虛擬信息使虛實結(jié)合效果更加真實;人機交互技術(shù)，目的是實現(xiàn)更自然的交互。

制作過程則主要分為虛擬環(huán)境架構(gòu)和交互設(shè)計兩部分。首先，虛擬素材準(zhǔn)備階段：將課程教學(xué)內(nèi)容所需素材——音頻、視頻、圖片、3D模型、背景音樂等放置于配置好的AR開發(fā)環(huán)境中，然后，在相關(guān)軟件如Unity中進行一系列后續(xù)操作完成課程配套的AR程序。這類程序支持在屏幕上顯示特定3D模型，并能通過設(shè)置交互點呈現(xiàn)知識點的文字或視頻介紹。由此，實現(xiàn)三維實時交互過程，讓虛擬物體融入真實環(huán)境，虛擬信息與真實環(huán)境相互疊加直接呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，實現(xiàn)了教學(xué)內(nèi)容的可視化。

（二）AR技術(shù)給小學(xué)科學(xué)教學(xué)帶來的變化

科學(xué)教育是以培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)為宗旨、倡導(dǎo)探究發(fā)現(xiàn)的教學(xué)科目，科學(xué)課程具有事實概念和驗證性實驗兩個主要特征，強調(diào)科學(xué)知識與生活實踐的緊密結(jié)合。但受傳統(tǒng)科學(xué)教育模式和傳統(tǒng)教學(xué)課件水平限制，學(xué)生除了閱讀教科書和觀看影音材料之外，缺乏對科學(xué)現(xiàn)象和科學(xué)規(guī)律的切實體驗。AR技術(shù)的出現(xiàn)可以有效解決這一現(xiàn)狀。Cheng等認(rèn)為在科學(xué)教育中，AR技術(shù)的參與使學(xué)習(xí)者在理解學(xué)習(xí)知識和提升學(xué)習(xí)者的空間技能和操作技能方面有了很大進步，AR技術(shù)更有利于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者探索解決問題的能力。張四方提出科學(xué)教育領(lǐng)域的AR教育主要基于AR技術(shù)的可視化、體驗性和移動性?；诳梢暬梢栽鰪姵橄蟾拍罾斫夂涂臻g觀念認(rèn)知;基于體驗性置于學(xué)習(xí)情境可以促進科學(xué)研究;基于移動性則在于其開放、靈活的表現(xiàn)形式。在科學(xué)教育視域下AR教學(xué)應(yīng)用分為應(yīng)用、認(rèn)知、技術(shù)三個層次。

1.應(yīng)用：將微觀的、不可見的世界可視化

傳統(tǒng)的科學(xué)教育課堂一般通過講解書本知識、查閱文獻和實驗探索的方式開展，對于日常生活中可見的現(xiàn)象，如“認(rèn)識根、莖、葉”比較容易開展，但是對于一些微觀世界（如認(rèn)識細(xì)胞）和宇宙地球領(lǐng)域的知識則只能通過圖片視頻學(xué)習(xí)，學(xué)生很難有切實體驗感。AR技術(shù)的出現(xiàn)彌補了這一方面的缺失，增強了學(xué)習(xí)體驗。

2.認(rèn)知：將復(fù)雜抽象的知識可視化

科學(xué)教育中常常有許多復(fù)雜抽象的知識難以理解（如晝夜交替產(chǎn)生的原因），對小學(xué)生空間理解能力要求較高，而傳統(tǒng)科學(xué)教育只能以二維平面的圖片和視頻講解，不符合學(xué)習(xí)者三維學(xué)習(xí)的思維習(xí)慣。AR技術(shù)提供的3D模型更具真實性和立體感，通過立體圖形的擴大、縮小、旋轉(zhuǎn)等操作，學(xué)習(xí)者能更直觀地理解知識。

3.技術(shù)：支持情境下的學(xué)習(xí)

隨著AR技術(shù)的發(fā)展，在小學(xué)科學(xué)教育課堂中更方便開展科學(xué)知識的探索，同時將書本上的知識引入現(xiàn)實中。虛擬情境與真實情境互相疊加，增加了小學(xué)科學(xué)課堂的互動性，使學(xué)習(xí)者置身于學(xué)習(xí)情境中，增強了學(xué)習(xí)興趣，進而提高了學(xué)習(xí)效率。

總體來說，應(yīng)用于教育中的AR產(chǎn)品具有將知識可視化的特點。利用AR技術(shù)做出的教學(xué)型軟件能夠創(chuàng)造出直觀可視的真實情境，在充分調(diào)動學(xué)生興趣的前提下，使之主動探究完成對知識的吸收。虛擬環(huán)境中的實時交互功能，配合理論知識的講解，不僅能夠讓學(xué)生完成對知識的架構(gòu)，而且這個過程不會產(chǎn)生對學(xué)習(xí)的滯澀感、厭惡感，反而能夠?qū)崿F(xiàn)動手動腦相結(jié)合，有利于進行思維培養(yǎng)。

三、基于AR技術(shù)的小學(xué)科學(xué)教學(xué)實踐

諸多學(xué)者都對AR技術(shù)在小學(xué)科學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用進行了嘗試設(shè)計、教育資源開發(fā)，并測試了其教育的有效性。AR技術(shù)在科學(xué)課堂上不僅提供了豐富的教學(xué)資源，激發(fā)了學(xué)生學(xué)習(xí)探究的積極性，還因創(chuàng)新了教學(xué)形式而提高了教學(xué)效率。

（一）運用AR技術(shù)實現(xiàn)虛擬情境，增強展示效果

為了更好地完成小學(xué)科學(xué)探究教學(xué)，小學(xué)科學(xué)教師應(yīng)對探究內(nèi)容進行詳細(xì)分析，并對學(xué)生的心理特征加以了解，通過運用AR技術(shù)進行情境的創(chuàng)設(shè)，從而吸引學(xué)生進入問題情境。這樣，能夠更好地吸引學(xué)生的注意力，更好地完成小學(xué)科學(xué)探究實驗的目標(biāo)。例如宋燕學(xué)者以“我們來養(yǎng)蠶”為例，利用AR技術(shù)探索觀察蠶寶寶的一生生長變化（如圖1）。

（二）運用AR技術(shù)實現(xiàn)可視化，突破教學(xué)重難點

如《四季是怎樣形成的》一課的教學(xué)，重難點是認(rèn)識地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)引起地球四季的形成（如圖2）。因為地球、太陽比較宏觀、抽象，學(xué)生難以理解，可借助AR技術(shù)三維再現(xiàn)地球公轉(zhuǎn)。學(xué)生討論后教師再引導(dǎo)學(xué)生分析，地球是自西向東運動的，由近日端—遠(yuǎn)日端—近日端—遠(yuǎn)日端轉(zhuǎn)動變化;進一步探究“為什么同樣是遠(yuǎn)日端，夏季和冬季溫度不同”，并運用AR技術(shù)演示地軸傾斜，觀察地球上同一位置溫度是否會有不同的變化。學(xué)生自主討論探究最終得出結(jié)論：四季的形成與地球公轉(zhuǎn)和地軸的傾斜有關(guān)。

（三）運用AR技術(shù)實現(xiàn)體驗式學(xué)習(xí)，促進學(xué)生知識建構(gòu)

教師將AR技術(shù)應(yīng)用于科學(xué)課堂，將虛擬對象與真實情境相結(jié)合，可以使復(fù)雜的、抽象的科學(xué)知識更加具體化、可視化。許賢蘇學(xué)者以“月相變化”為例，利用AR技術(shù)使學(xué)習(xí)者身臨其境（如圖3），在體驗的基礎(chǔ)上通過AR課件在互動中感受月相變化過程，更好地培養(yǎng)學(xué)習(xí)者的邏輯思維能力、自主探索能力和實踐能力。

綜上，在科學(xué)課堂中應(yīng)用AR技術(shù)制作的課件，基于3D和虛擬現(xiàn)實技術(shù)，不僅呈現(xiàn)了抽象科學(xué)知識方面的直觀性，還通過教師與AR課件的互動、學(xué)生與AR課件的互動，實現(xiàn)了前所未有的互動體驗，極大地提高了科學(xué)課堂教學(xué)效果，有利于促進學(xué)生主動、深入地學(xué)習(xí)。

四、AR技術(shù)在小學(xué)科學(xué)課堂的應(yīng)用展望

目前，AR課件應(yīng)用于小學(xué)科學(xué)課堂尚處于嘗試階段，未來，即使AR技術(shù)成熟和技術(shù)門檻降低，也需要小學(xué)科學(xué)課程的教學(xué)模式與架構(gòu)做出相應(yīng)變革才能實現(xiàn)。

（一）AR課件教學(xué)需要小班額授課

將AR技術(shù)融入課堂的教學(xué)課例中，國外學(xué)校的小班教學(xué)更有利于大多數(shù)學(xué)生得到體驗，更好地完成對知識的吸收。希望未來我國也能普及小班教學(xué)，以充分發(fā)揮AR產(chǎn)品的作用。

（二）AR科學(xué)課件不夠系統(tǒng)化，交互功能設(shè)計仍需優(yōu)化

目前，AR技術(shù)在科學(xué)教學(xué)中的運用基本上都是基于個別案例，沒有配套的、完整的教育資源，如果未來能開發(fā)出系統(tǒng)化的課程資源，則更利于推廣普及。另外，AR技術(shù)的教學(xué)交互功能仍需緊密結(jié)合科學(xué)課程進行設(shè)計，以期能更好地應(yīng)用于教學(xué)實踐。

未來科學(xué)教育的信息化，必然是AR技術(shù)發(fā)展和科學(xué)教育模式變革“雙向奔赴”的結(jié)果。

【本文系 2021年國家級大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃項目“科學(xué)觸手可及——AR技術(shù)與自然科學(xué)”研究成果，項目編號202110798015，指導(dǎo)教師：程超 朱玉蓮 焦偉婷 李建英】