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(duì)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(yàn)式學(xué)習(xí)理論建構(gòu)了AR支持下的體驗(yàn)式資源在科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用策略：AR真境“現(xiàn)”實(shí)情一經(jīng)驗(yàn)對(duì)比“顯”迷思-AR概念“糾”錯(cuò)誤一反思探索“提”新知-AR器材“建”方案一互評(píng)互改“善”設(shè)計(jì)-AR實(shí)驗(yàn)“解”科學(xué)一活學(xué)巧用“升”新境，同時(shí)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(shí)踐提供參考。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí);體驗(yàn)式教學(xué);資源;科學(xué)教育

中圖分類號(hào)：G434 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

一、引言

近年來，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)以其獨(dú)有的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，為解決科學(xué)教育的學(xué)科困境帶來新的愿景。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，以下簡(jiǎn)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(shí)結(jié)合、無縫交互、浸潤學(xué)習(xí)等特點(diǎn)[1]能夠讓用戶進(jìn)入仿真的虛擬環(huán)境中進(jìn)行體驗(yàn)。AR體驗(yàn)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(yàn)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(dòng)機(jī)，也有利于幫助直接具體經(jīng)驗(yàn)向抽象概念轉(zhuǎn)化[2]。在科學(xué)教育中，體驗(yàn)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(shí)學(xué)習(xí)方式，也為學(xué)習(xí)者搭建了一個(gè)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(shí)深度融合，以體驗(yàn)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(yàn)式資源在科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用策略，實(shí)現(xiàn)以下目的：

（1）創(chuàng)建AR支持下的體驗(yàn)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(yàn)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(píng)述

（一）科學(xué)教育中AR體驗(yàn)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(shí)驗(yàn)?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(yàn)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(shí)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(shí)的反饋，可以增加學(xué)生在課堂體驗(yàn)中的代人感，實(shí)現(xiàn)AR體驗(yàn)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(shí)形象的元素，可加強(qiáng)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(dòng)畫來形象化解釋書中的關(guān)鍵知識(shí)點(diǎn)。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(shí)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(dòng)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(shí)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(dòng)設(shè)備指向適當(dāng)?shù)?-D繪圖觸發(fā)器便可對(duì)化學(xué)材料的三維結(jié)構(gòu)進(jìn)行互動(dòng)與認(rèn)知[4]。

基于位置的AR為學(xué)生提供體驗(yàn)式的學(xué)習(xí)環(huán)境，以沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)讓學(xué)生突破科學(xué)實(shí)驗(yàn)的時(shí)效性和危險(xiǎn)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(gè)互動(dòng)式的AR物理實(shí)驗(yàn)自主環(huán)境，學(xué)生利用智能手機(jī)或平板電腦掃描實(shí)驗(yàn)各儀器元件，匹配即可進(jìn)入增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(shí)場(chǎng)景上時(shí)獲得天文知識(shí)[6]。這種方式可達(dá)到形象、生動(dòng)、高效的實(shí)驗(yàn)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(yàn)，促進(jìn)課堂和現(xiàn)實(shí)世界環(huán)境之間學(xué)生學(xué)習(xí)的轉(zhuǎn)移。

在配合有增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(bǔ)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(shì)，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(duì)比了信息化講授式課堂與普遍的AR體驗(yàn)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(diǎn)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(yàn)式教學(xué)更加注重學(xué)生在加深知識(shí)理解的同時(shí)能夠認(rèn)識(shí)到科學(xué)事物的本質(zhì)。AR體驗(yàn)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(gè)教學(xué)過程中來，自己動(dòng)手檢測(cè)所學(xué)知識(shí)，化被動(dòng)為主動(dòng)。但是在以往的研究中發(fā)現(xiàn)普遍的AR體驗(yàn)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(jiǎn)單的知識(shí)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(dòng)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(diǎn)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(jì)

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(duì)于AR體驗(yàn)式教學(xué)資源逐漸形成了趨于一致的認(rèn)知，其中包括實(shí)質(zhì)和特征，開發(fā)設(shè)計(jì)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(shí)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(yàn)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(dòng)增強(qiáng)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(duì)軟件或AR電子書在教育中“點(diǎn)”層面[9]，沒有能由“點(diǎn)”到“線”，進(jìn)一步深入到自主學(xué)習(xí)、情境增強(qiáng)、師生互動(dòng)和探究學(xué)習(xí)具體教學(xué)設(shè)計(jì)過程，達(dá)到真實(shí)教學(xué)情境中如何使用AR學(xué)習(xí)資源來實(shí)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(shí)驗(yàn)中能夠提高學(xué)生學(xué)習(xí)效果，但是在實(shí)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(píng)價(jià)結(jié)果受學(xué)生對(duì)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(jiǎn)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(jī)結(jié)合，清晰分析AR體驗(yàn)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(shí)景進(jìn)行教學(xué)設(shè)計(jì)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(shì)。

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

當(dāng)前AR體驗(yàn)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(jì)了一個(gè)AR模擬系統(tǒng)AR-SaBEr，在實(shí)驗(yàn)過程中給實(shí)驗(yàn)組學(xué)生提供個(gè)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(shí)驗(yàn)結(jié)果證明實(shí)驗(yàn)組的學(xué)習(xí)者比控制組的學(xué)習(xí)成績(jī)更好[11]。而Behmke等學(xué)者在進(jìn)行3D立體化學(xué)實(shí)驗(yàn)時(shí)，只讓實(shí)驗(yàn)組和對(duì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表現(xiàn)為使用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(jì)，運(yùn)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(jì)層面的理論整合，形成以AR技術(shù)中心，通過體驗(yàn)式教學(xué)資源實(shí)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(jì)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(shí)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(duì)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(jì)方案，為教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)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(dòng)設(shè)計(jì)框架，用以驗(yàn)證教學(xué)策略的有效性。

三、基于AR體驗(yàn)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(shí)現(xiàn)科學(xué)教育視域下AR的教學(xué)應(yīng)用價(jià)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(yàn)式課堂的實(shí)踐性，同時(shí)從教、學(xué)和教學(xué)內(nèi)容（教師、學(xué)生和科學(xué)知識(shí)）三個(gè)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(qiáng)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(jì)。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(dòng)為主動(dòng)，參與教師設(shè)計(jì)的AR教學(xué)活動(dòng)，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(shí)。

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(píng)價(jià)這五能存在的互動(dòng)環(huán)節(jié)，以及教學(xué)設(shè)計(jì)中需要考慮的教學(xué)任務(wù)及對(duì)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(shí)時(shí)，易受日常生活經(jīng)驗(yàn)影響，產(chǎn)生對(duì)生物學(xué)科某知識(shí)點(diǎn)的認(rèn)知誤區(qū)。比如在沒有經(jīng)過科學(xué)實(shí)驗(yàn)觀察和驗(yàn)證的前提下，部分學(xué)生會(huì)認(rèn)為種子的萌發(fā)需要陽光。學(xué)生會(huì)存在該認(rèn)知誤區(qū)的一個(gè)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(yàn)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(shí)性的特點(diǎn)，認(rèn)為教師可以在講授新知識(shí)點(diǎn)之前，通過AR概念模型創(chuàng)設(shè)一個(gè)學(xué)習(xí)情境真實(shí)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(yàn)與AR提供的信息存在差異，從而提出疑惑。此時(shí)教師引導(dǎo)學(xué)生從問題出發(fā)，接觸新知識(shí)，在獲得知識(shí)的過程中逐步糾正錯(cuò)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(shí)情——經(jīng)驗(yàn)對(duì)比‘顯迷思”這兩個(gè)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(yàn)式教學(xué)策略：AR真境“現(xiàn)”實(shí)情;經(jīng)驗(yàn)對(duì)比“顯”迷思;AR概念“糾”錯(cuò)誤;反思探索“提”新知;AR器材“建”方案;互評(píng)互改“善”設(shè)計(jì);AR實(shí)驗(yàn)“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(diǎn)，為學(xué)生提供一個(gè)具象的、能夠?qū)崟r(shí)動(dòng)手操作的沉浸式體驗(yàn)學(xué)習(xí)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)“做中學(xué)”、“玩中學(xué)”，逐步從概念理解（CU）、實(shí)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(gè)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(duì)比新舊知識(shí)”到“交流科學(xué)想法”的過程是學(xué)生認(rèn)識(shí)科學(xué)本質(zhì)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)驗(yàn)迷思的階段，此過程鼓勵(lì)學(xué)生使用AR資源教學(xué)內(nèi)容進(jìn)行互動(dòng)，完成概念學(xué)習(xí)過程;“交流科學(xué)想法”到“創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)方案”的過程是學(xué)生糾正迷思錯(cuò)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(shí)轉(zhuǎn)化過程，通過練習(xí)鞏固新認(rèn)知;“創(chuàng)設(shè)實(shí)驗(yàn)方案”到“實(shí)施科學(xué)實(shí)驗(yàn)”的過程是學(xué)生構(gòu)建完整的知識(shí)體系，運(yùn)用科學(xué)交流對(duì)新知獲得更高階認(rèn)知的階段，該過程注重學(xué)生對(duì)所學(xué)知識(shí)的補(bǔ)充和完善;“實(shí)施科學(xué)實(shí)驗(yàn)”到“活用科學(xué)知識(shí)”的過程是學(xué)生動(dòng)手操作實(shí)踐，檢驗(yàn)知識(shí)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(shí)解答科學(xué)學(xué)習(xí)過程中遇到的問題，學(xué)會(huì)舉一反三。知識(shí)學(xué)習(xí)的最終目的是學(xué)生能夠?qū)⑺鶎W(xué)知識(shí)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(shí)遷移，運(yùn)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(shí)情——經(jīng)驗(yàn)對(duì)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(shí)過程中的形象與抽象、實(shí)際與理論、感性與理性以及舊識(shí)與新知關(guān)系和矛盾的場(chǎng)景，在體驗(yàn)中與學(xué)生經(jīng)驗(yàn)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(shí)情境體驗(yàn)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(yàn)進(jìn)行對(duì)比，通過設(shè)計(jì)問題引導(dǎo)學(xué)生發(fā)現(xiàn)情境中與已有知識(shí)的矛盾，提出迷思問題。

（2） AR概念“糾”錯(cuò)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(shí)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(cuò)誤概念，學(xué)習(xí)新概念。

前面各環(huán)節(jié)利用AR資源實(shí)現(xiàn)事實(shí)——數(shù)據(jù)——信息的呈現(xiàn)，在本環(huán)節(jié)中，教師通過設(shè)計(jì)促進(jìn)學(xué)生反思建構(gòu)與新知的問題，幫助學(xué)生在對(duì)比反思舊概念與新認(rèn)識(shí)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(píng)互改“善”設(shè)計(jì)：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(shí)，向他們提供相關(guān)的AR模型和視頻的虛擬實(shí)驗(yàn)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(dòng)展開互動(dòng)交流，運(yùn)用所學(xué)新概念及知識(shí)，對(duì)實(shí)驗(yàn)進(jìn)行假設(shè)和猜想，設(shè)計(jì)出解決該問題的實(shí)驗(yàn)方案，通過持續(xù)交流與主動(dòng)思考完善方案設(shè)計(jì)。

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(shí)踐試誤中，交換彼此看法，結(jié)合教師設(shè)計(jì)的引導(dǎo)思考問題，逐步構(gòu)建出基于新概念的知識(shí)模型，充分理解新概念。

（4） AR實(shí)驗(yàn)“解”科學(xué)——活學(xué)巧用“升”新境：學(xué)知識(shí)到用知識(shí)的轉(zhuǎn)變，促進(jìn)學(xué)生思維或知識(shí)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(shí)驗(yàn)環(huán)境中完成學(xué)習(xí)任務(wù)。在這個(gè)過程中，鼓勵(lì)其運(yùn)用所學(xué)的知識(shí)、領(lǐng)悟的方法進(jìn)行創(chuàng)新科學(xué)實(shí)驗(yàn)。學(xué)生需要圍繞假設(shè)猜想完成驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，經(jīng)過實(shí)踐以及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)反饋，不斷更新與完善所建設(shè)的知識(shí)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(shí)生活聯(lián)系起來，啟發(fā)學(xué)生調(diào)動(dòng)所學(xué)解決生活難題，真正完成知識(shí)內(nèi)化。

四、AR支持下的體驗(yàn)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(shí)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(yàn)式教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)框架

在八步策略的實(shí)踐應(yīng)用中，我們需要注意：教學(xué)活動(dòng)的設(shè)計(jì)要以學(xué)生為中心，避免為了使用資源而設(shè)計(jì)的教學(xué)活動(dòng);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(gè)角度出發(fā)進(jìn)行活動(dòng)設(shè)計(jì)[13]，實(shí)現(xiàn)和促進(jìn)沉浸式學(xué)習(xí);以移動(dòng)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(shí)。以八步教學(xué)策略為指導(dǎo)的AR支持下體驗(yàn)式教學(xué)資源應(yīng)用設(shè)計(jì)框架如圖3所示。

在體驗(yàn)式學(xué)習(xí)環(huán)境中，學(xué)生是學(xué)習(xí)活動(dòng)的主要執(zhí)行者，在滿足自己學(xué)習(xí)需求的同時(shí)還需要完成教師發(fā)布的學(xué)習(xí)任務(wù)。學(xué)生的活動(dòng)以“體驗(yàn)”和“操作”為主，在設(shè)計(jì)時(shí)，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(yàn)。活動(dòng)形式除了課堂問答式，還能夠以競(jìng)賽、娛樂游戲的形式出現(xiàn)，因此需要涵蓋個(gè)人形式參與的活動(dòng)以及小組形式參與的活動(dòng)，在活動(dòng)過程中要及時(shí)給予學(xué)生獎(jiǎng)勵(lì)和懲罰，提高學(xué)生的課堂參與度和活動(dòng)積極性。活動(dòng)以任務(wù)式展開，學(xué)生需要解決大任務(wù)中存在的問題，檢驗(yàn)獲得的知識(shí)，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(shí)驗(yàn)環(huán)境檢驗(yàn)新概念，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)知識(shí)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(dòng)的主角，不作為參與者直接參與到活動(dòng)中。教師在整個(gè)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(yàn)活動(dòng)、適時(shí)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(yàn)式教學(xué)流程

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

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(yàn)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(shí)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(dòng)模型”、“基于二維碼標(biāo)記的移動(dòng)閱讀信息”以及“基于教學(xué)內(nèi)容的學(xué)習(xí)活動(dòng)”三個(gè)基本模塊，如圖4所示。

“基于圖案標(biāo)記的AR互動(dòng)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(shí)生活中難以觀察的生物學(xué)現(xiàn)象或科學(xué)實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(shí)要求學(xué)生要認(rèn)真聽AR視頻中的知識(shí)點(diǎn)并進(jìn)行筆記記錄。

“基于二維碼標(biāo)記的移動(dòng)閱讀信息”充分考量學(xué)習(xí)對(duì)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(shí)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(dòng)”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(jì)有“生活與發(fā)現(xiàn)” “觀察與思考”“思考知真理”“實(shí)踐驗(yàn)真知”“拓展與閱讀”這五個(gè)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(shí)解釋情境，解決迷思，最后通過動(dòng)手實(shí)踐，協(xié)作設(shè)計(jì)與“光合作用的條件”有關(guān)的實(shí)驗(yàn)以檢驗(yàn)所學(xué)知識(shí)。在學(xué)習(xí)過程中，這些學(xué)習(xí)活動(dòng)會(huì)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(píng)價(jià)目的。

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

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(gè)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(cè)學(xué)生是否對(duì)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(cuò)誤，為了糾正這種錯(cuò)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(yàn)和證實(shí)“種子的萌發(fā)過程不需要光”，推翻舊識(shí)。

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(chǎng)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(shí)，學(xué)生已經(jīng)建成一個(gè)基本的新知框架，為了幫助學(xué)生不斷完善和檢驗(yàn)新概念，老師引導(dǎo)學(xué)生進(jìn)入更高階的知識(shí)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(yàn)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(shí)驗(yàn)操作，通過真實(shí)的體驗(yàn)，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(yàn)，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(huì)死，燃燒的蠟燭會(huì)熄滅？從光照進(jìn)入黑暗的時(shí)刻，在整棵植物、單個(gè)葉片細(xì)胞、單個(gè)葉綠體中光反應(yīng)和暗反應(yīng)各會(huì)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(duì)整個(gè)“光合作用”的知識(shí)框架的構(gòu)建，要求學(xué)生能夠清楚光合作用的場(chǎng)所、具體過程以及所需條件，同時(shí)學(xué)會(huì)舉一反三，利用所學(xué)的知識(shí)，進(jìn)行創(chuàng)新科學(xué)實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)——“利用AR學(xué)習(xí)資源設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)探究不同因素對(duì)光合作用強(qiáng)度產(chǎn)生的影響”。

為了達(dá)到實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)的目的，本案例設(shè)計(jì)“實(shí)踐驗(yàn)真知”模塊，先由老師為學(xué)生提供實(shí)驗(yàn)參考案例——“光照強(qiáng)度對(duì)光合作用強(qiáng)度的影響”，指導(dǎo)學(xué)生如何尋找實(shí)驗(yàn)對(duì)象，以及如何對(duì)實(shí)驗(yàn)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(qiáng)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(qiáng)度對(duì)光合作用的影響，進(jìn)而驗(yàn)證假設(shè)，得出結(jié)論。

學(xué)生在進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的過程中，由操作AR環(huán)境下的實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ偷玫秸鎸?shí)的數(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(gè)知識(shí)點(diǎn)的知識(shí)框架。在這個(gè)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(dòng)任務(wù)，上交學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)成果等方式向老師進(jìn)行學(xué)習(xí)效果反饋，老師在這個(gè)過程中對(duì)學(xué)生的學(xué)習(xí)進(jìn)行評(píng)價(jià)，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(shí)建構(gòu)到知識(shí)深化地過程，并且引導(dǎo)學(xué)生將所學(xué)知識(shí)進(jìn)一步提升到一個(gè)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(yàn)式教學(xué)效果

本研究就13個(gè)年齡在10-13歲的小學(xué)生進(jìn)行了共八周的應(yīng)用實(shí)踐。研究觀察與訪談發(fā)現(xiàn)，AR支持下的體驗(yàn)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(dòng)表現(xiàn)。基于AR體驗(yàn)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(shí)，相比傳統(tǒng)課堂，學(xué)生在AR體驗(yàn)式課堂中突破時(shí)空界限進(jìn)行虛擬探究，實(shí)時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證所設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)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(shí)建構(gòu)的重要環(huán)節(jié)。在AR體驗(yàn)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(gè)角色的作用，使學(xué)生在AR環(huán)境和現(xiàn)實(shí)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(shí)以及集體榮譽(yù)感，后面4周的實(shí)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(shí)，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(qiáng)，借助AR體驗(yàn)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(dòng)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(yàn)式教學(xué)資源、如何設(shè)計(jì)優(yōu)質(zhì)高效的課程活動(dòng)提供策略指導(dǎo)。AR體驗(yàn)式教學(xué)資源通過富媒體與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)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(yàn)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(kuò)大研究的樣本和應(yīng)用學(xué)科，以進(jìn)一步驗(yàn)證AR體驗(yàn)式科學(xué)教學(xué)策略的有效性與可適用范圍。

參考文獻(xiàn)：

[1]高嬡，黃榮懷《2017新媒體聯(lián)盟中國高等教育技術(shù)展望：地平線項(xiàng)目區(qū)域報(bào)告》解讀與啟示[J].電化教育研究，2017，（4）：15-22.

[2]鐘正，陳衛(wèi)東.基于VR技術(shù)的體驗(yàn)式學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)策略與案例實(shí)現(xiàn)[J].中國電化教育，2018.（2）：51-58.

[3]李小平，趙豐年等.VR/AR教學(xué)體驗(yàn)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究[J].中國電化教育，2018.（3）：10-18.

[4][12] Behmke D，Kerven D.Lutz R.et al.Augmented Reality Chemistry：Transforming 2-D Molecular Representations into Interactive 3-DStructures[A].Millsaps.Lisa K.Proceedings of the InterdisciplinarySTEM Teaching and Learning Conference[C].Ceorgia：GeorgiaSouthern University，2018.2（1）：5-11.

[5]段延，倪晨等.虛實(shí)融合的物理實(shí)驗(yàn)自主學(xué)習(xí)環(huán)境設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].中國教育信息化，2018，（3）：37-41.

[6] Liou H-H，Yang S J H，Chen S Y，et al.The Influences of the 2D Image-Based Augmented Reality and Virtual Reality on Student Leaming[J].Educational Technology&Society，2017，20（3）：1 10-121.

[7] Paule R M，V AGarcfa，J Ram6n P6rez-Pdrez，et al.Music learningin preschool with mobile devices[J].Behaviour&lnformationTechnology.2017，36（1）：95-III.

[8] Miranda B E.Osiris V V O.Cruz Sanchez Vianey Cuadalupe，etal.Studv on Mohile Augmented Reality Adoption for Mayo LanguageLearning[E B/OL].http：//dx.doi.org/1O. 1155/201 6/106958 1.2016-08-28.

[9]林曉凡，張敏等.從應(yīng)用、融合到創(chuàng)新：AR數(shù)字出版的階段分析與發(fā)展策略[J].科技與出版，2018.（10）：147-152.

[10] Cai S，Chiang F K，Sun Y.et al.Applications of augmented reality-based natural interactive learning in magnetic field instruction[J].Interactive Learning Environments.201 6，25（6）： 778-791.

[11] Ihanez M B.Angela D S.Villaran D，et al.Support for AugmentedReality Simulation Systems：The Effects of Scaffolding on LearningOutcomes and Behavior Patterns[J].IEEE Transactions on LearningTechnologies，2016，9（1）：46-56.

[13]林曉凡，胡欽太等.基于SPOC的創(chuàng)新能力培養(yǎng)模式研究[J]電化教育研究，2015，36（10）：46-51.