李敬 陳靜 柳姿怡

新興技術(shù)的融入，為教育帶來(lái)了更多的新型教學(xué)模式，增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)的興起或?qū)榻逃畔⒒崎_(kāi)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(shí)更加生動(dòng)地呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，實(shí)現(xiàn)更直接的更新穎的互動(dòng)活動(dòng)，有助于學(xué)生更好地獲得學(xué)習(xí)體驗(yàn)、更好地激發(fā)學(xué)習(xí)興趣，實(shí)現(xiàn)更深層次的學(xué)習(xí)。

一、AR與VR

VR （Virtual Reality）即虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，主要通過(guò)使用模擬、電子信息、計(jì)算機(jī)、傳感器等技術(shù)手段，創(chuàng)造一個(gè)與真實(shí)世界完全隔離的虛擬世界。AR（Augmented Reality）即增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，是在VR基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的一種新型技術(shù)，將虛擬信息疊加在現(xiàn)實(shí)世界上，其主要利用計(jì)算機(jī)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(shí)世界中。虛擬信息和真實(shí)信息相互補(bǔ)充，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)實(shí)世界的“增強(qiáng)”。

AR和VR都是基于虛擬現(xiàn)實(shí)的模擬技術(shù)，兩者都是當(dāng)今科技發(fā)展的重心，未來(lái)將會(huì)在各個(gè)領(lǐng)域進(jìn)一步普及推廣。雖然兩種技術(shù)都使用計(jì)算機(jī)、傳感等技術(shù)手段，但AR和VR在技術(shù)實(shí)現(xiàn)與應(yīng)用中還是有所區(qū)別的。

（一）AR技術(shù)強(qiáng)調(diào)真實(shí)世界和虛擬場(chǎng)景的互動(dòng)

VR是一種完全虛擬現(xiàn)實(shí)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(gè)數(shù)字世界，或是虛擬現(xiàn)實(shí)中的一切場(chǎng)景，旨在構(gòu)建一個(gè)新的虛擬世界，讓人有一種身臨其境的感覺(jué)。

而AR是基于現(xiàn)實(shí)的一種增強(qiáng)技術(shù)，運(yùn)用三維建模、多傳感器融合等多種新型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)和虛擬的結(jié)合，將真實(shí)世界和虛擬場(chǎng)景兩者結(jié)合起來(lái)，增強(qiáng)了與虛擬世界的互動(dòng)，使人在真實(shí)世界中就能感受虛擬信息，或與虛擬場(chǎng)景互動(dòng)。從這個(gè)角度來(lái)看，AR是在VR技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，AR技術(shù)包含VR。

（二）AR技術(shù)更注重實(shí)用性

VR技術(shù)主要通過(guò)虛擬場(chǎng)景，為使用者提供沉浸式的體驗(yàn)，更注重趣味性，目前多用于電子游戲、娛樂(lè)等商業(yè)領(lǐng)域。其典型產(chǎn)品就是各類(lèi)VR眼鏡，使用者通過(guò)佩戴VR設(shè)備，可以像在現(xiàn)實(shí)世界中一樣在虛擬世界中遨游。但是，作為增強(qiáng)虛擬現(xiàn)實(shí)的AR技術(shù)更注重虛擬與現(xiàn)實(shí)間的聯(lián)結(jié)，如北斗AR地球儀、AR書(shū)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(dòng)功能，實(shí)現(xiàn)虛擬與現(xiàn)實(shí)的結(jié)合，凸顯了AR技術(shù)的教育實(shí)用性，為學(xué)習(xí)者提供了豐富的個(gè)性化的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。所以，虛實(shí)結(jié)合的AR技術(shù)廣泛應(yīng)用于建筑、醫(yī)療和娛樂(lè)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(lái)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(shí)代的到來(lái)，將會(huì)給AR技術(shù)在教育領(lǐng)域的推廣和普及帶來(lái)更大的機(jī)遇。例如，通過(guò)AR技術(shù)制作的三維地圖，讓學(xué)生與虛擬現(xiàn)實(shí)進(jìn)行互動(dòng);AR書(shū)籍的使用，讓學(xué)生在閱讀的同時(shí)獲得個(gè)性化的閱讀體驗(yàn)，盡情遨游在知識(shí)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(yǔ)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(dòng)的場(chǎng)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(yàn)。

（一）AR課件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用

當(dāng)下，實(shí)現(xiàn)AR技術(shù)的開(kāi)發(fā)工具有Unity3D、Vuforia、OpenCV、AR Core等。其工作原理是對(duì)接收到的信息進(jìn)行追蹤分析，通過(guò)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(shí)環(huán)境中，產(chǎn)生虛實(shí)結(jié)合的感覺(jué)。紀(jì)錄片《你好，未來(lái)人類(lèi)》英國(guó)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(jìn)行講解，投影中虛擬出的圖像會(huì)隨著被拍照學(xué)生的動(dòng)作發(fā)生變化，并呈現(xiàn)出吞咽、心跳等虛擬效果。

由此可見(jiàn)，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(guò)程。一般來(lái)說(shuō)，至少需要三類(lèi)技術(shù)：三維技術(shù)，目的是將虛擬信息疊加于真實(shí)情境上;虛實(shí)融合的顯示技術(shù)，目的是渲染虛擬信息使虛實(shí)結(jié)合效果更加真實(shí);人機(jī)交互技術(shù)，目的是實(shí)現(xiàn)更自然的交互。

制作過(guò)程則主要分為虛擬環(huán)境架構(gòu)和交互設(shè)計(jì)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(lè)等放置于配置好的AR開(kāi)發(fā)環(huán)境中，然后，在相關(guān)軟件如Unity中進(jìn)行一系列后續(xù)操作完成課程配套的AR程序。這類(lèi)程序支持在屏幕上顯示特定3D模型，并能通過(guò)設(shè)置交互點(diǎn)呈現(xiàn)知識(shí)點(diǎn)的文字或視頻介紹。由此，實(shí)現(xiàn)三維實(shí)時(shí)交互過(guò)程，讓虛擬物體融入真實(shí)環(huán)境，虛擬信息與真實(shí)環(huán)境相互疊加直接呈現(xiàn)在學(xué)生眼前，實(shí)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(lái)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(shí)概念和驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)兩個(gè)主要特征，強(qiáng)調(diào)科學(xué)知識(shí)與生活實(shí)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(shū)和觀看影音材料之外，缺乏對(duì)科學(xué)現(xiàn)象和科學(xué)規(guī)律的切實(shí)體驗(yàn)。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(shí)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(jìn)步，AR技術(shù)更有利于培養(yǎng)學(xué)習(xí)者探索解決問(wèn)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(yàn)性和移動(dòng)性。基于可視化可以增強(qiáng)抽象概念理解和空間觀念認(rèn)知;基于體驗(yàn)性置于學(xué)習(xí)情境可以促進(jìn)科學(xué)研究;基于移動(dòng)性則在于其開(kāi)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(gè)層次。

1.應(yīng)用：將微觀的、不可見(jiàn)的世界可視化

傳統(tǒng)的科學(xué)教育課堂一般通過(guò)講解書(shū)本知識(shí)、查閱文獻(xiàn)和實(shí)驗(yàn)探索的方式開(kāi)展，對(duì)于日常生活中可見(jiàn)的現(xiàn)象，如“認(rèn)識(shí)根、莖、葉”比較容易開(kāi)展，但是對(duì)于一些微觀世界（如認(rèn)識(shí)細(xì)胞）和宇宙地球領(lǐng)域的知識(shí)則只能通過(guò)圖片視頻學(xué)習(xí)，學(xué)生很難有切實(shí)體驗(yàn)感。AR技術(shù)的出現(xiàn)彌補(bǔ)了這一方面的缺失，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

2.認(rèn)知：將復(fù)雜抽象的知識(shí)可視化

科學(xué)教育中常常有許多復(fù)雜抽象的知識(shí)難以理解（如晝夜交替產(chǎn)生的原因），對(duì)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(shí)性和立體感，通過(guò)立體圖形的擴(kuò)大、縮小、旋轉(zhuǎn)等操作，學(xué)習(xí)者能更直觀地理解知識(shí)。

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(kāi)展科學(xué)知識(shí)的探索，同時(shí)將書(shū)本上的知識(shí)引入現(xiàn)實(shí)中。虛擬情境與真實(shí)情境互相疊加，增加了小學(xué)科學(xué)課堂的互動(dòng)性，使學(xué)習(xí)者置身于學(xué)習(xí)情境中，增強(qiáng)了學(xué)習(xí)興趣，進(jìn)而提高了學(xué)習(xí)效率。

總體來(lái)說(shuō)，應(yīng)用于教育中的AR產(chǎn)品具有將知識(shí)可視化的特點(diǎn)。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(shí)情境，在充分調(diào)動(dòng)學(xué)生興趣的前提下，使之主動(dòng)探究完成對(duì)知識(shí)的吸收。虛擬環(huán)境中的實(shí)時(shí)交互功能，配合理論知識(shí)的講解，不僅能夠讓學(xué)生完成對(duì)知識(shí)的架構(gòu)，而且這個(gè)過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生對(duì)學(xué)習(xí)的滯澀感、厭惡感，反而能夠?qū)崿F(xiàn)動(dòng)手動(dòng)腦相結(jié)合，有利于進(jìn)行思維培養(yǎng)。

三、基于AR技術(shù)的小學(xué)科學(xué)教學(xué)實(shí)踐

諸多學(xué)者都對(duì)AR技術(shù)在小學(xué)科學(xué)教育領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了嘗試設(shè)計(jì)、教育資源開(kāi)發(fā)，并測(cè)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(yùn)用AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)虛擬情境，增強(qiáng)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(duì)探究?jī)?nèi)容進(jìn)行詳細(xì)分析，并對(duì)學(xué)生的心理特征加以了解，通過(guò)運(yùn)用AR技術(shù)進(jìn)行情境的創(chuàng)設(shè)，從而吸引學(xué)生進(jìn)入問(wèn)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(shí)驗(yàn)的目標(biāo)。例如宋燕學(xué)者以“我們來(lái)養(yǎng)蠶”為例，利用AR技術(shù)探索觀察蠶寶寶的一生生長(zhǎng)變化（如圖1）。

（二）運(yùn)用AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)可視化，突破教學(xué)重難點(diǎn)

如《四季是怎樣形成的》一課的教學(xué)，重難點(diǎn)是認(rèn)識(shí)地球圍繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)引起地球四季的形成（如圖2）。因?yàn)榈厍?、太?yáng)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(yùn)動(dòng)的，由近日端—遠(yuǎn)日端—近日端—遠(yuǎn)日端轉(zhuǎn)動(dòng)變化;進(jìn)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(yùn)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(huì)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(yùn)用AR技術(shù)實(shí)現(xiàn)體驗(yàn)式學(xué)習(xí)，促進(jìn)學(xué)生知識(shí)建構(gòu)

教師將AR技術(shù)應(yīng)用于科學(xué)課堂，將虛擬對(duì)象與真實(shí)情境相結(jié)合，可以使復(fù)雜的、抽象的科學(xué)知識(shí)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(yàn)的基礎(chǔ)上通過(guò)AR課件在互動(dòng)中感受月相變化過(guò)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(shí)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(shí)技術(shù)，不僅呈現(xiàn)了抽象科學(xué)知識(shí)方面的直觀性，還通過(guò)教師與AR課件的互動(dòng)、學(xué)生與AR課件的互動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了前所未有的互動(dòng)體驗(yàn)，極大地提高了科學(xué)課堂教學(xué)效果，有利于促進(jìn)學(xué)生主動(dòng)、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(lái)，即使AR技術(shù)成熟和技術(shù)門(mén)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(shí)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(guó)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(yàn)，更好地完成對(duì)知識(shí)的吸收。希望未來(lái)我國(guó)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(jì)仍需優(yōu)化

目前，AR技術(shù)在科學(xué)教學(xué)中的運(yùn)用基本上都是基于個(gè)別案例，沒(méi)有配套的、完整的教育資源，如果未來(lái)能開(kāi)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(jìn)行設(shè)計(jì)，以期能更好地應(yīng)用于教學(xué)實(shí)踐。

未來(lái)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(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目“科學(xué)觸手可及——AR技術(shù)與自然科學(xué)”研究成果，項(xiàng)目編號(hào)202110798015，指導(dǎo)教師：程超 朱玉蓮 焦偉婷 李建英】