增强现实技术叩响科学模型教学之门

　　祁联斌

　　（厦门市滨北小学 福建省厦门市 361000）

　　摘要：AR 技术应用于模型教学，具有增强现实交互性、增加模型观察维度、实现模型可编辑等优势，有效突破传统课堂的瓶颈，是数智赋能科学教学的有效途径。

　　关键词：增强现实（AR）；小学科学；模型教学

　　一、引言

　　增强现实(Augmented Reality，以下简称 “AR”)，又被称为扩增现实。AR 技术在纸媒体领域开始崭露头角，AR 图书将3D 渲染模型叠加到使用AR 技术的书籍上，这与传统纸质书相比，AR 图书提高了读者的学习意愿、兴趣与热情，增加了素材支持。受AR 图书的启发，若将AR技术应用于科学课堂的模型教学，势必也能有异曲同工之妙。接下来笔者结合目前小学科学模型教学中AR 的应用揭开AR 教学的面纱。

　　二、模型教学中的常见问题

　　（一）模型缺少沉浸感

　　教师在课堂中出示模型的主要目的是为了让学生通过观察所建构的模型从而达到认知事物的目的。但是在教学中会发现，传统的模型教学往往缺少沉浸感。这里的沉浸感是一种“令人感兴趣并参与其中”的感觉。在传统的模型教学中，师生间主要采用视觉观察和触摸感知来完成模型体验，一些学生的注意力只集中在模型本身，未能将模型与所要认知的事物进行联系，认知的流动呈现出单向的低效的状态。久而久之，学生就会产生倦怠感，参与度降低。在新兴的线上教学中，远程模型演示由于缺乏触摸感知的体验，更加削弱了学生的沉浸感。

　　（二）模型缺乏层次和维度

　　科学教师经常会碰到以下问题：有的课堂演示所需器材或原料不易获取只能寻求相近的替代模型，学生只能从外部观察模型的形态特征，对于内部构造的观察和研究往往受限于观察角度，或是替代模型缺乏内部层次结构而无法观察。有的实验需要长期的观察，在讲解时模型难以实现全过程的实验展示，就需要制作一组能体现周期变化的模型，对于科学教师来说是较大的挑战。替代模型结构简单，与真实模拟对象相差较远，导致观察精度低，失真度高。受限于模型的大小，不易旋转移动观察导致观察层次少，维度单一。

　　（三）模型缺失生成性

　　一般情况下，教师在模型演示时，是按照预设的情境及步骤进行，无法根据实际课堂中学生的反应做出调整和修改，因此容易出现演示的内容与学生的学情不匹配甚至脱节的情况。这种模型演示的手段其实在一定程度上限制了教师课堂的生成，按部就班机械化的模式让课堂失去了灵性[5]。除此以外，模型演示时，信息传递范围是有限，讲台前教师演示操作，座位靠后的学生的信息获取量比前排学生少，而作为知识点的铺垫和前领，模型演示往往是比较短暂的，教师说学生听，教师操作学生观察，教师与学生在这一环节缺少对话，学生彼此间在这一环节缺失协作，学生的生成少了，达不到演示的最佳效果，自然就难以挖掘深度思维。

　　三、AR在模型教学中的优势

　　（一）增强现实交互性

　　利用AR 技术构建的模型，与学生所处的空间形成交互，通过点击模型，可以改变模型的状态，使其更接近真实的物体，AR 的强交互属性以及生动直观的特点，让学生犹如身临其境般，增强了课堂的沉浸感。另一方面，大部分学生对于一些知识的前概念是模糊的，不准确的，与课本平面图片和实物教具模型相比，在课前使用AR 技术将这些3D 形象作为课前导入，更有助于学生调动多种感官对模型进行观察，从而有了深度学习的可能。

　　苏教版《科学》一年级（下册）《形形色色的动物》这一节课里，传统的导入一般使用视频、图片等素材来激发一年级学生对本节课的学习兴趣，而借助AR，把素材库里动物的3D 形象带进课堂，逼真的动物模型在学生间活动，模型与学生的交互性显著提升。有的AR 软件还支持在3D 形象旁边显示出动物的平均身高、体重等信息的功能。除此以外可以借助AR 素材制作软件，将课堂所需要的素材形象导入，以满足课堂生成的需求。

　　（二）增加模型观察维度

　　在小学科学教学中，有一部分知识为暗箱问题。如人体系统的生理学知识、植物器官的内部构造、宇宙中天体的内部结构等。我们肯定真实情境和直接经验在学生认知过程中发挥的重要作用，鼓励学生通过亲手实验来获得经验，但对于小学阶段的一些暗箱问题基于学生的认知很难通过亲手实验来达成。有了AR 的介入，学生可以用平板作为显示设备，让学生可以从不同的角度去观察三维立体对象，不但能对观察对象进行放大缩小，还可以进行自由旋转的操作。

　　在苏教版教材中《人的呼吸》、《食物的旅行》、《声音的传播》等课程中，学生可以在平板APP 里选择呼吸系统、消化系统或者耳朵这一器官单独进行观察，与传统教学中使用人体模型相比，AR 能将器官层层剥离，从而可以详细研究某些特定的器官，让学生对其观察得更为全面和细致。另一方面，有了AR 的支持，一些课程中所需的实物模型就不需要了，教师就不需要使用笨重的人体模型，在课上利用AR 模型能更直观更生动地展示生物结构，同时可以大大减少生物标本的采购成本。

　　（三）实现模型可编辑

　　教师使用一款名为JigSpace 的APP 可以根据不同学生的学情调整模型的学习难度，有助于低段学生，或是生活经验不足、学习能力、抽象能力、理解能力不足的学生通过更加易懂的方式学习知识。教师通过导入素材库3D 建模，自定义虚拟实验步骤，编辑说明或操作讲解，实现零基础零成本制作AR 模型。生成的AR 模型具备实物模型难以实现的可编辑性和可修改性，它会根据教师编辑的步骤进行分离或组合、旋转或缩放。除此以外，还可以开启团队协作编辑，通过不同班级不同学生的学情反馈，及时捕捉学生的课堂生成，达成了个性化定制的效果。

　　参考文献：

　　[1]蒋中望. 增强现实教育游戏的开发[D]. 上海: 华东师范大学,2012: 2-6.

　　[2] 汪存友. 增强现实教育应用产品研究概述[J]. 现代教育技术,2016(5): 95-101.

　　[3]裴毓华. 运用模型方法解决小学科学教学问题[J]. 新课程研究,2015(2): 70-71.

　　[4]刘莹. 浅析新媒体技术在课堂教学当中的应用——以平板电脑的使用为例[J]. 科教文汇, 2014(8):34-37.

　　[5] 陈向东, 张茜. 基于增强现实的教学演示[J]. 教学实践与研究,2012(9): 102-105.