增強現(xiàn)實體驗式教學資源的科學教育應用：策略與案例

林曉凡 朱倩儀 吳倩意 申偉鵬 王佳慧

摘要：AR教學資源既能創(chuàng)設逼真情境促進學生沉浸式學習，又能夠支持學生自主學習能力和概念認知的轉(zhuǎn)變，在教育教學中掀起了新的熱潮。該文在針對當前AR與科學教育深度融合的現(xiàn)狀和問題，基于體驗式學習理論建構(gòu)了AR支持下的體驗式資源在科學教學中的應用策略：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”設計-AR實驗“解”科學一活學巧用“升”新境，同時結(jié)合科學教育應用案例深入分析，以期為提高AR科學教育教學實踐提供參考。

關(guān)鍵詞：增強現(xiàn)實;體驗式教學;資源;科學教育

中圖分類號：G434 文獻標識碼：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，為解決科學教育的學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、浸潤學習等特點[1]能夠讓用戶進入仿真的虛擬環(huán)境中進行體驗。AR體驗式教學資源建立在杜威提出“做中學”理論和庫伯的體驗學習圈理論的基礎上，能夠在學習中突顯學生的主體地位，創(chuàng)設逼真的情境，促進學生沉浸式學習。其不僅有助于增加學習者的課堂參與感，激發(fā)學習動機，也有利于幫助直接具體經(jīng)驗向抽象概念轉(zhuǎn)化[2]。在科學教育中，體驗式學習理論與AR教學資源相結(jié)合，給教育者提供了新的學科知識學習方式，也為學習者搭建了一個自主探索空間，以達到教學目標。本研究探索AR技術(shù)和課堂內(nèi)容的虛實深度融合，以體驗式學習理論為指導將二者進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教學中的應用策略，實現(xiàn)以下目的：

（1）創(chuàng)建AR支持下的體驗式教學環(huán)境，促進學習者“做中學”和沉浸式學習;

（2）應用AR支持下的體驗式的教學資源，提出能夠解決科學教育學科困境的創(chuàng)新教學策略。

二、研究評述

（一）科學教育中AR體驗式教學資源的應用研究

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

基于標記的AR多用于在課堂上將抽象概念轉(zhuǎn)化為真實形象的元素，可加強學生的概念學習和空間認知。首先，在支持學生空間認知方面，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生透過二維深入認知科學事物的空間本質(zhì)。其次，在支持學生情境認知互動方面，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方法，有助于有效降低學生的認知負荷水平。例如，Behmke等學者（2018）開發(fā)的AR分子應用程序，學生只需將移動設備指向適當?shù)?-D繪圖觸發(fā)器便可對化學材料的三維結(jié)構(gòu)進行互動與認知[4]。

基于位置的AR為學生提供體驗式的學習環(huán)境，以沉浸式的學習體驗讓學生突破科學實驗的時效性和危險性，參與科學變化的全過程。段延等學者（2018）創(chuàng)建了一個互動式的AR物理實驗自主環(huán)境，學生利用智能手機或平板電腦掃描實驗各儀器元件，匹配即可進入增強現(xiàn)實學習環(huán)境[5]。Liou等（2016）借助MoonFinder軟件讓學生用身體尋找月亮，當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]。這種方式可達到形象、生動、高效的實驗教學目的，有助于創(chuàng)建以學生為中心的學習體驗，促進課堂和現(xiàn)實世界環(huán)境之間學生學習的轉(zhuǎn)移。

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

（二）當前研究存在局限及擬解決辦法

我們進一步對比了信息化講授式課堂與普遍的AR體驗式教學在教學資源、教學策略、教學過程、師生關(guān)系、教學特點等方面的差異（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，AR體驗式教學更加注重學生在加深知識理解的同時能夠認識到科學事物的本質(zhì)。AR體驗式教學資源在科學課堂上的出現(xiàn)，學生不再只是單純觀看老師進行課堂演示操作，而是更多地參與到整個教學過程中來，自己動手檢測所學知識，化被動為主動。但是在以往的研究中發(fā)現(xiàn)普遍的AR體驗式教學尚未能突破講授式教學中教師主導課堂的局限，AR教學資源只用于簡單的知識呈現(xiàn)，而未能進一步突破空間束縛，為學生創(chuàng)建更加主動探索思考的科學學習環(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資源在科學教育中的應用案例中較少形成科學教學全過程的閉環(huán)設計

在國內(nèi)關(guān)于AR資源在科學教育應用的研究中，學者們已經(jīng)對于AR體驗式教學資源逐漸形成了趨于一致的認知，其中包括實質(zhì)和特征，開發(fā)設計以及教育的應用意義等，但在將應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，研究較少在科學教育閉環(huán)學習過程中細化AR體驗式教學資源映射到教學的全過程。例如，已有研究提到基于軟件形式的移動增強型學習資源符合情景性的泛在學習資源要求，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”，進一步深入到自主學習、情境增強、師生互動和探究學習具體教學設計過程，達到真實教學情境中如何使用AR學習資源來實現(xiàn)閉環(huán)的全過程教學。也有研究者發(fā)現(xiàn)AR模型應用到物理學實驗中能夠提高學生學習效果，但是在實踐過程中卻忽略了課前學生熟悉和掌握學習工具的環(huán)節(jié)，導致最終教學評價結(jié)果受學生對設備和環(huán)境不熟悉的影響[10]。由此可見，若想將AR教學資源的潛力充分發(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體驗式教學資源在教學的全過程中分別充當著什么角色，明確在教學的哪些具體環(huán)節(jié)使用何種類型的AR資源，如何結(jié)合課堂實景進行教學設計效果更佳，從教學細節(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教學資源應用實踐的策略示范

當前AR體驗式教學資源的科學教育中的應用五花八門，但是應用效果卻良莠不齊。Ibanez等人（2018）設計了一個AR模擬系統(tǒng)AR-SaBEr，在實驗過程中給實驗組學生提供個性化的額外輔導，幫助學習者關(guān)注他們沒有掌握的主題，最終實驗結(jié)果證明實驗組的學習者比控制組的學習成績更好[11]。而Behmke等學者在進行3D立體化學實驗時，只讓實驗組和對照組的學生使用不同的應用程程序，并沒有進行額外的學習輔導，實驗結(jié)果表現(xiàn)為使用增強現(xiàn)實模型的學生與不使用模型的學生一樣[12]。由此可見，同在教學中使用AR資源，不同的學習資源設計，運用不同的教學策略，均可導致不同的學習效果。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)和科學教育進行教學設計層面的理論整合，形成以AR技術(shù)中心，通過體驗式教學資源實現(xiàn)學生能力多維提高的貫穿教學全過程的科學課堂設計指導。

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

三、基于AR體驗式教學資源的創(chuàng)新應用策略

通過國內(nèi)外AR教學資源的應用方式研究的梳理發(fā)現(xiàn)，要實現(xiàn)科學教育視域下AR的教學應用價值，必須建構(gòu)AR教學整合的方法論模型。AR技術(shù)應用于教學需從教師和學生兩者的視角出發(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、學和教學內(nèi)容（教師、學生和科學知識）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、學生與教學資源和內(nèi)容的交互關(guān)系中，AR資源作為交互的中介，具備呈現(xiàn)科學本質(zhì)的能力和反饋學生學習效果的能力。學生通過操作AR交互資源加強彼此之間的協(xié)作學習，并且在教學資源上進行學習效果反饋。教師通過AR教學資源接收學生的反饋，協(xié)助學生進行課程反思總結(jié)，并完善教學設計。各科學學科為學生提供探索學習的空間，在師生的交互關(guān)系中，教師在教學過程中充當指導者與輔助者的角色，主要任務是為學生提供指導信息，引導學生沉浸在教學過程中。學生則化被動為主動，參與教師設計的AR教學活動，從中尋求解決學習過程中產(chǎn)生的問題幫助，最終獲得科學知識。

以這一交互關(guān)系為AR資源與教學的整合思想，我們從學生在學習指定科學學科的學習環(huán)節(jié)人手，分析學習過程與教學評價這五能存在的互動環(huán)節(jié)，以及教學設計中需要考慮的教學任務及對象、教學目標、教學策略等基本要素。例如，學生在吸收生物學科新知識時，易受日常生活經(jīng)驗影響，產(chǎn)生對生物學科某知識點的認知誤區(qū)。比如在沒有經(jīng)過科學實驗觀察和驗證的前提下，部分學生會認為種子的萌發(fā)需要陽光。學生會存在該認知誤區(qū)的一個主要原因是在課堂教學過程中他們?nèi)狈εc科學現(xiàn)象的直接觀察接觸，其所得到的認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)科學變化即時性的特點，認為教師可以在講授新知識點之前，通過AR概念模型創(chuàng)設一個學習情境真實展現(xiàn)生物現(xiàn)象，學生通過觀察AR模型所展現(xiàn)出來的科學現(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。此時教師引導學生從問題出發(fā)，接觸新知識，在獲得知識的過程中逐步糾正錯誤認知，建立新認知。為此，我們把教學策略的第一環(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。以此為方向進行研究分析，我們最終總結(jié)出了科學教育中AR支持下的體驗式教學策略：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”設計;AR實驗“解”科學;活學巧用“升”新境。教學過程分八步走，總結(jié)為“現(xiàn)、顯、糾、提、建、善、解、升”，以連續(xù)循環(huán)的學習模式促使學生學習效果螺旋式上升，如下頁圖2所示。

AR資源在輔助學生進行科學學習的過程中，抓住科學學科“概念抽象”，學生容易存在“空間認知障礙”的學科特點，為學生提供一個具象的、能夠?qū)崟r動手操作的沉浸式體驗學習環(huán)境，實現(xiàn)“做中學”、“玩中學”，逐步從概念理解（CU）、實踐工作（PW）、高階認知技能（HCS）、科學交流（SC）和生活應用（EA）五個方面提升學生科學學習的自我效能感。教學策略圖如圖2所示，學生“對比新舊知識”到“交流科學想法”的過程是學生認識科學本質(zhì)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)驗迷思的階段，此過程鼓勵學生使用AR資源教學內(nèi)容進行互動，完成概念學習過程;“交流科學想法”到“創(chuàng)設實驗方案”的過程是學生糾正迷思錯誤，理解新概念的階段，此過程教師積極參與學生的新舊識轉(zhuǎn)化過程，通過練習鞏固新認知;“創(chuàng)設實驗方案”到“實施科學實驗”的過程是學生構(gòu)建完整的知識體系，運用科學交流對新知獲得更高階認知的階段，該過程注重學生對所學知識的補充和完善;“實施科學實驗”到“活用科學知識”的過程是學生動手操作實踐，檢驗知識框架穩(wěn)固程度的階段，該過程要求學生能夠靈活使用所學知識解答科學學習過程中遇到的問題，學會舉一反三。知識學習的最終目的是學生能夠?qū)⑺鶎W知識在生活中應用，因此本策略要求學生最后能夠在AR環(huán)境學習后，可以進行知識遷移，運用所學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)科學概念中所需的3D模型或者3D視頻，展示的是學生認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，在體驗中與學生經(jīng)驗進行有意義的聯(lián)通，完成課堂學習的課前導人任務。以上一步的真實情境體驗作為導引，學生將從創(chuàng)設的情境中獲得的認知與經(jīng)驗進行對比，通過設計問題引導學生發(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富媒體資源提供學生探索學習的腳手架，為學生呈現(xiàn)現(xiàn)實觀察中肉眼難以直接觀察到的科學模型。學習者在AR資源的支持下反復觀察科學空間模型，尋找問題的來源、本質(zhì)，糾正原有的錯誤概念，學習新概念。

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，教師通過設計促進學生反思建構(gòu)與新知的問題，幫助學生在對比反思舊概念與新認識的過程中，提出新的正確的科學概念。

（3） AR器材“建”方案——互評互改“善”設計：教師以最近發(fā)展區(qū)理論為指導進行更高階的教學時，向他們提供相關(guān)的AR模型和視頻的虛擬實驗資源。學生以學習小組形式，借助AR學習資源，以解決某一科學問題為導向的參與式活動展開互動交流，運用所學新概念及知識，對實驗進行假設和猜想，設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計。

在學習小組的氛圍中，學生在思考解決方法準確性的過程中，與同伴進行合作交流，在實踐試誤中，交換彼此看法，結(jié)合教師設計的引導思考問題，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——活學巧用“升”新境：學知識到用知識的轉(zhuǎn)變，促進學生思維或知識的創(chuàng)新。教師根據(jù)學習內(nèi)容、學生學習情況發(fā)布任務，讓學習者在AR支持的虛擬實驗環(huán)境中完成學習任務。在這個過程中，鼓勵其運用所學的知識、領(lǐng)悟的方法進行創(chuàng)新科學實驗。學生需要圍繞假設猜想完成驗證實驗，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的知識網(wǎng)絡，并最終解決科學難題，

教師幫助學生反思AR支持下的學習過程是否達到學習目標，在反思過程中學生進一步消化所學習的內(nèi)容。隨后教師通過相關(guān)話題引導學生將所學與現(xiàn)實生活聯(lián)系起來，啟發(fā)學生調(diào)動所學解決生活難題，真正完成知識內(nèi)化。

四、AR支持下的體驗式教學應用案例

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

（一）科學教育中AR支持下體驗式教學活動設計框架

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

在體驗式學習環(huán)境中，學生是學習活動的主要執(zhí)行者，在滿足自己學習需求的同時還需要完成教師發(fā)布的學習任務。學生的活動以“體驗”和“操作”為主，在設計時，注重讓學生在與AR虛擬物體交互中感知科學信息，使學生產(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生獎勵和懲罰，提高學生的課堂參與度和活動積極性。活動以任務式展開，學生需要解決大任務中存在的問題，檢驗獲得的知識，在鞏固概念的基礎上進行形成新概念，然后通過AR仿真實驗環(huán)境檢驗新概念，進而實現(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。教師在整個教學過程中起的作用基本一致，主要表現(xiàn)為協(xié)助學習者進行體驗活動、適時引導學習者思考與交流、幫助學習者進行反思與總結(jié)。

（二）科學教育中AR支持下體驗式教學流程

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

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

在種子萌發(fā)及光合作用的科學課堂中，學習者受自身生活經(jīng)驗的誤導，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)芽是否進行光合作用的問題上，重構(gòu)學習者內(nèi)化的知識體系。

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

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

“基于二維碼標記的移動閱讀信息”充分考量學習對象的年齡，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，造成學生閱讀疲勞，同時使學生可在自主學習的過程中能夠獲得豐富的多媒體信息，提高學習興趣。

“基于教學內(nèi)容的學習活動”以教學內(nèi)容為思路，以AR教學策略為參考，分別設計有“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，一步步引導學生從生活中“種子萌發(fā)是否需要光”的現(xiàn)象中創(chuàng)設學習情境，發(fā)現(xiàn)迷思問題，進而學習相關(guān)知識解釋情境，解決迷思，最后通過動手實踐，協(xié)作設計與“光合作用的條件”有關(guān)的實驗以檢驗所學知識。在學習過程中，這些學習活動會讓學生以“繪畫”“書寫”或者完成相應的習題來向老師反饋學習效果，達到評價目的。

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

在學習光合作用前，教師在“生活與發(fā)現(xiàn)”模塊中為學生構(gòu)造一個學習情境，引導學生思考問題——“種子萌發(fā)的過程需要陽光嗎？”從中檢測學生是否對生物科學存在迷思概念——“種子萌發(fā)需要光”。老師用AR視頻再現(xiàn)種子萌發(fā)過程，學生經(jīng)過“觀察和思考”，發(fā)現(xiàn)自己的認知存在科學性錯誤，為了糾正這種錯誤認知，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，老師引導學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。

學生在提出新的認知概念過程中，通過“思考知真理”模塊的學習，借助l植物細胞的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，學習到“植物進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，無法進行光合作用”，從而構(gòu)建新認知。

3.“建善解升”——多向交互，探究創(chuàng)新

教學進行到第四步時，學生已經(jīng)建成一個基本的新知框架，為了幫助學生不斷完善和檢驗新概念，老師引導學生進入更高階的知識學習——“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習資源中進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，引導學習者構(gòu)建光合作用所學條件的學習經(jīng)驗，以此來進入進一步的反思觀察——“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？從光照進入黑暗的時刻，在整棵植物、單個葉片細胞、單個葉綠體中光反應和暗反應各會發(fā)生什么變化？”

學生在進行深入探究學習之前，組建學習小組，在學習的過程中與小組成員完成“討論”“分析”“協(xié)作探究”等學習任務，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，同時學會舉一反三，利用所學的知識，進行創(chuàng)新科學實驗設計——“利用AR學習資源設計實驗探究不同因素對光合作用強度產(chǎn)生的影響”。

為了達到實驗設計的目的，本案例設計“實踐驗真知”模塊，先由老師為學生提供實驗參考案例——“光照強度對光合作用強度的影響”，指導學生如何尋找實驗對象，以及如何對實驗結(jié)果進行假設和猜想，并引導學生使用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，進而驗證假設，得出結(jié)論。

學生在進行實驗的過程中，由操作AR環(huán)境下的實驗模型得到真實的數(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”這個知識點的知識框架。在這個學習過程中，學生通過課堂回答問題，參與課堂討論，完成學習活動任務，上交學習實驗成果等方式向老師進行學習效果反饋，老師在這個過程中對學生的學習進行評價，要求學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”，確保學生完成了知識建構(gòu)到知識深化地過程，并且引導學生將所學知識進一步提升到一個新的情境中及逆行反思與學習。

（三）科學教育中AR支持下體驗式教學效果

本研究就13個年齡在10-13歲的小學生進行了共八周的應用實踐。研究觀察與訪談發(fā)現(xiàn)，AR支持下的體驗式教學相比于傳統(tǒng)教學過程，師生之間除了完成傳統(tǒng)課堂環(huán)境中學習、討論和交流，更突出表現(xiàn)的是學生之間的協(xié)作互動表現(xiàn)?；贏R體驗式教學資源的科學教學中，學生共同協(xié)作完成課內(nèi)科學探究和課外科學自主學習的頻率和參與深度有明顯提升。同時，相比傳統(tǒng)課堂，學生在AR體驗式課堂中突破時空界限進行虛擬探究，實時進行實驗驗證所設計實驗方案，參與課堂的興趣提高，這是培養(yǎng)學生在科學學習與科學知識建構(gòu)的重要環(huán)節(jié)。在AR體驗式資源的科學教學課堂中，教師充分發(fā)揮組織者、引導者、輔助者和監(jiān)督者四個角色的作用，使學生在AR環(huán)境和現(xiàn)實環(huán)境中的自主學習、協(xié)作探究等得到較好的融合。經(jīng)過分組協(xié)作學習，學生逐漸形成小組科學協(xié)作意識以及集體榮譽感，后面4周的實踐中學生更加愿意為完成學習任務而與同伴分享自己思考的結(jié)果。與此同時，其中有五位學生在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自身的看法和老師進行討論。

五、結(jié)語

本研究從科學教育的應用視角出發(fā)為如何開發(fā)AR支持的體驗式教學資源、如何設計優(yōu)質(zhì)高效的課程活動提供策略指導。AR體驗式教學資源通過富媒體與增強現(xiàn)實的結(jié)合突破傳統(tǒng)科學教材的學習局限性，通過有效的教學策略指導下的教師引導和有利于學生的體驗式教學環(huán)境，有助于提升學生學習的科學學習水平和科學素養(yǎng)。未來研究還需擴大研究的樣本和應用學科，以進一步驗證AR體驗式科學教學策略的有效性與可適用范圍。

參考文獻：

[1]高嬡，黃榮懷《2017新媒體聯(lián)盟中國高等教育技術(shù)展望：地平線項目區(qū)域報告》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)的體驗式學習環(huán)境設計策略與案例實現(xiàn)[J].中國電化教育，2018.（2）：51-58.

[3]李小平，趙豐年等.VR/AR教學體驗的設計與應用研究[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.虛實融合的物理實驗自主學習環(huán)境設計與實現(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.