AR技術(shù)在實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用

〔摘 要〕 隨著教育數(shù)字化的不斷發(fā)展，虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛。AR技術(shù)可以將抽象的科學(xué)概念轉(zhuǎn)化為直觀的視覺體驗(yàn)，進(jìn)而提升學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣和知識掌握能力，促進(jìn)學(xué)生的學(xué)習(xí)效果和教學(xué)質(zhì)量的提升。本文探討了AR技術(shù)在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的必要性、原則及優(yōu)勢，并提出了目前存在的問題及解決辦法。

〔關(guān)鍵詞〕 小學(xué)科學(xué)；AR虛擬增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)；實(shí)驗(yàn)教學(xué)

〔中圖分類號〕 G424 〔文獻(xiàn)標(biāo)識碼〕 A 〔文章編號〕 1674-6317 （2025） 01 067-069

一、AR技術(shù)在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的必要性

在教育數(shù)字化迅猛發(fā)展的今天，作為教育領(lǐng)域的新興技術(shù)，AR技術(shù)已經(jīng)顯示出巨大的潛力和應(yīng)用價值。實(shí)驗(yàn)教學(xué)是培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)素養(yǎng)和實(shí)踐能力的重要環(huán)節(jié)，但因?qū)嶒?yàn)資源有限、安全風(fēng)險大、學(xué)生參與度低等問題，使傳統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)教學(xué)模式存在一定局限性。而利用AR技術(shù)能夠直觀、形象地呈現(xiàn)復(fù)雜的科學(xué)概念，幫助學(xué)生更好地理解科學(xué)知識。此外，利用AR技術(shù)進(jìn)行虛擬實(shí)驗(yàn)，在保證學(xué)生實(shí)驗(yàn)安全、減輕教師備課負(fù)擔(dān)的同時，也提高了學(xué)生的實(shí)踐操作能力。因此，在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用AR技術(shù)是十分必要的。

二、AR技術(shù)在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用的原則

（一）教育性與科學(xué)性原則

應(yīng)用AR技術(shù)進(jìn)行教學(xué)時，教師選擇的AR教學(xué)資源、實(shí)驗(yàn)場景、互動設(shè)計(jì)等都要以科學(xué)原理為基礎(chǔ)，保證學(xué)生能從中獲得正確的科學(xué)概念和方法。在AR教學(xué)內(nèi)容的選擇上，也要充分考慮學(xué)生的年齡特點(diǎn)和認(rèn)知水平，將科學(xué)知識以適合學(xué)生理解、接受的方式呈現(xiàn)出來。

（二）實(shí)踐性與創(chuàng)新性原則

AR技術(shù)的多樣性能給學(xué)生提供多元的實(shí)踐體驗(yàn)，教師在課堂上要充分利用AR技術(shù)的優(yōu)勢進(jìn)行實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)，讓學(xué)生在實(shí)踐中得到鍛煉與提高。教師也應(yīng)鼓勵學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)的環(huán)境下嘗試創(chuàng)新性的實(shí)驗(yàn)操作，從而培養(yǎng)他們的創(chuàng)新性思維能力。

（三）整合性與互補(bǔ)性原則

AR技術(shù)能為小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的開展提供更為豐富的教學(xué)手段與途徑，但這并不意味著要完全摒棄傳統(tǒng)的教學(xué)方式與途徑。在課堂上，AR虛擬實(shí)驗(yàn)與傳統(tǒng)教學(xué)實(shí)驗(yàn)相互融合、互為補(bǔ)充是十分有必要的。教師在進(jìn)行復(fù)雜科學(xué)原理或概念的授課時，可利用AR技術(shù)幫助學(xué)生形成初步認(rèn)識，接著再結(jié)合傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)操作，使學(xué)生的理性認(rèn)識得到進(jìn)一步加深與提高，從而在科學(xué)素養(yǎng)上得到更大的收獲與提高。

三、AR技術(shù)在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用方式

（一）創(chuàng)設(shè)虛擬教學(xué)情境，激發(fā)學(xué)生學(xué)習(xí)興趣

小學(xué)生好奇心強(qiáng)，對于新鮮事物容易產(chǎn)生興趣，但在教學(xué)中僅僅運(yùn)用傳統(tǒng)的教學(xué)手段很難調(diào)動學(xué)生學(xué)習(xí)的積極性。AR技術(shù)可以提供豐富的資源和場景，可利用AR技術(shù)在課堂上創(chuàng)設(shè)海底世界、動物世界、宇宙星空等真實(shí)存在但難以在課堂上呈現(xiàn)的場景，而教師可以將這些虛擬場景與課堂所要講授的內(nèi)容相結(jié)合。

例如，在一年級《觀察魚》這一課教學(xué)中，教師可以利用AR技術(shù)為學(xué)生創(chuàng)造一個虛擬的水中世界，讓學(xué)生身臨其境，與魚兒近距離接觸（圖1）。這種沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)?zāi)軌驑O大地吸引學(xué)生的注意力，提高他們的學(xué)習(xí)興趣和參與度。

又如，在一年級《校園里的動物》一課教學(xué)中，由于環(huán)境、天氣等限制，無法實(shí)地觀察校園里的動物，或無法保證可觀察到的動物的多樣性。但利用AR技術(shù)可以為學(xué)生營造一個真實(shí)的校園動物生態(tài)系統(tǒng)，學(xué)生沉浸式地在虛擬環(huán)境中發(fā)現(xiàn)、探索，能夠極大激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣（圖2）。

（二）增強(qiáng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)效果，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)踐能力

小學(xué)科學(xué)是一門實(shí)驗(yàn)學(xué)科，實(shí)驗(yàn)操作對學(xué)生來說尤為重要，不僅可以讓學(xué)生學(xué)習(xí)科學(xué)知識，還能夠培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐能力。AR技術(shù)能夠模擬實(shí)驗(yàn)操作過程，讓學(xué)生在虛擬實(shí)驗(yàn)中觀察實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，得出結(jié)論，并將所學(xué)到的科學(xué)原理運(yùn)用到實(shí)際生活中，提高解決實(shí)際問題的能力。

例如，在《點(diǎn)亮小燈泡》一課教學(xué)中，由于學(xué)生未建立“短路”概念，因此在實(shí)驗(yàn)中存在一定的安全隱患，若直接告知學(xué)生“短路”的知識，又無法讓學(xué)生實(shí)現(xiàn)自主探究發(fā)現(xiàn)的過程。因此，教師可采用構(gòu)建“AR虛擬實(shí)驗(yàn)+真實(shí)實(shí)驗(yàn)”融合探究模式。學(xué)生通過AR虛擬實(shí)驗(yàn)室沉浸式觀察小燈泡的結(jié)構(gòu)，嘗試用更多的連接方式點(diǎn)亮小燈泡，接著通過真實(shí)實(shí)驗(yàn)動手驗(yàn)證，最后得出結(jié)論。學(xué)生在這一過程中掌握、運(yùn)用新技術(shù)輔助學(xué)習(xí)，獲得更多的探索空間，更好地掌握了學(xué)科知識（圖3）。

又如，在《不簡單的杠桿》一課教學(xué)中，教師可以借助虛擬實(shí)驗(yàn)?zāi)M杠桿實(shí)驗(yàn)的操作過程，指導(dǎo)學(xué)生先改變支點(diǎn)位置，再通過放置右側(cè)小石子調(diào)整杠桿使其達(dá)到平衡，在實(shí)驗(yàn)操作中進(jìn)一步理解阻力、阻力臂等科學(xué)概念（圖4）。

（三）借助虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，使抽象知識具象化

小學(xué)生由于年齡較小，認(rèn)知能力、思維能力、學(xué)習(xí)能力等具有一定局限性。小學(xué)科學(xué)教材中涉及的某些科學(xué)知識對于小學(xué)生來說過于抽象，如生物與生命、天體與宇宙、技術(shù)與工程等領(lǐng)域。但AR技術(shù)所具有的直觀性、可視性等特點(diǎn)，能夠?qū)⒊橄蟮闹R具象化，幫助學(xué)生進(jìn)一步理解科學(xué)概念。

例如，在六年級《八顆行星》一課教學(xué)中，教材中采用傳統(tǒng)的紙帶建立行星位置模型，但對于學(xué)生理解真實(shí)宇宙中八顆行星的位置關(guān)系還不夠形象。在虛擬實(shí)驗(yàn)中，可以建立出真實(shí)的行星位置和大小模型，將抽象的知識具體化。

又如，在教科版四年級《食物在體內(nèi)的旅行》一課教學(xué)中，由于人體消化器官位于身體內(nèi)部，傳統(tǒng)教學(xué)基本采用圖片和視頻的方式進(jìn)行講授，但這種方式難以讓學(xué)生真正理解抽象的科學(xué)概念。因此，借助AR虛擬實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以親自操作軟件，直觀地感受到人體消化系統(tǒng)是如何系統(tǒng)地相互配合完成消化工作，并且還能對各消化器官進(jìn)行有針對性的觀察，在不斷深入探究過程中加深對于人體消化器官的理解和認(rèn)識（圖5）。

（四）創(chuàng)設(shè)虛擬實(shí)驗(yàn)室，降低實(shí)驗(yàn)成本與風(fēng)險

在傳統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，一些具有危險性的實(shí)驗(yàn)往往難以開展，而應(yīng)用AR技術(shù)則可以將實(shí)驗(yàn)虛擬化，在保證安全的同時獲得與真實(shí)操作的結(jié)果相同的實(shí)驗(yàn)效果。若直接讓學(xué)生進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，如果操作不規(guī)范，容易導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)事故發(fā)生，如試管炸裂、實(shí)驗(yàn)臺著火等。學(xué)生在虛擬環(huán)境下模擬實(shí)驗(yàn)操作，不僅消除了真實(shí)實(shí)驗(yàn)中的安全隱患，還能減輕教師備課負(fù)擔(dān)，提升學(xué)生實(shí)踐操作能力。

例如，三年級科學(xué)課中多次需要使用酒精燈這一實(shí)驗(yàn)器材，因此對于實(shí)驗(yàn)操作的講解十分重要，若直接讓學(xué)生動手操作則可能產(chǎn)生危險。因此，可以先利用虛擬實(shí)驗(yàn)讓學(xué)生掌握正確的實(shí)驗(yàn)操作技能并及時總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，再進(jìn)行真實(shí)的實(shí)驗(yàn)操作。這樣，不僅能提高課堂教學(xué)效率，更能避免實(shí)驗(yàn)事故的發(fā)生（圖6）。

四、AR技術(shù)在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中應(yīng)用存在的問題及解決辦法

（一）技術(shù)成本高昂

高質(zhì)量的AR設(shè)備、軟件和教學(xué)資源往往價格不菲，并且AR技術(shù)發(fā)展迅速，新的設(shè)備、軟件和教學(xué)資源不斷涌現(xiàn)，學(xué)校需要不斷更新和升級設(shè)備，以使之與時俱進(jìn)，但這也會增加經(jīng)濟(jì)成本。因此，政府和社會各界應(yīng)加大對教育科技的投入，同時提供資金支持，幫助學(xué)校引入AR技術(shù)。此外，教師可以與高校合作參與AR資源研發(fā)，不斷提升教育數(shù)字化水平。

（二）教師培訓(xùn)不足

許多教師對AR技術(shù)缺乏了解，不知道如何有效地將其融入科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)。由于教師缺乏必要的培訓(xùn)與支持，使AR技術(shù)在小學(xué)科學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)中的應(yīng)用受到限制。教育部門或?qū)W?？梢蚤_展AR技術(shù)相關(guān)培訓(xùn)，同時鼓勵教師自主學(xué)習(xí)，將AR技術(shù)更好地融入實(shí)驗(yàn)教學(xué)。

（三）學(xué)生參與度不一

雖然AR技術(shù)能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣，但并非所有學(xué)生都能積極參與其中。一些學(xué)生可能因?yàn)閷夹g(shù)的不熟悉或缺乏興趣而無法充分利用AR資源。教師可以利用AR技術(shù)設(shè)計(jì)有趣的實(shí)驗(yàn)，逐漸增強(qiáng)學(xué)生的接受度與培養(yǎng)學(xué)生的興趣。

五、總結(jié)與展望

AR技術(shù)通過構(gòu)建虛實(shí)融合的課堂環(huán)境，成功地打破了時空的界限，擺脫了傳統(tǒng)教學(xué)的局限，打造了一個安全且富有創(chuàng)新性的教學(xué)模式。在這一模式下，學(xué)生能夠更加自主地展開學(xué)習(xí)，有效地促進(jìn)對他們科學(xué)素養(yǎng)的培育，并使其養(yǎng)成更加嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度。這一技術(shù)的運(yùn)用，不僅增強(qiáng)了學(xué)生的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，也為科學(xué)教育的進(jìn)步開辟了新的道路。未來，AR技術(shù)還能與其他教育技術(shù)如VR、MR、人工智能等相結(jié)合，共同構(gòu)建一個更加豐富、多元和高效的教育資源系統(tǒng)。在這一過程中，科學(xué)教師應(yīng)秉持開放與包容的態(tài)度，勇于探索和實(shí)踐新的教學(xué)理念與方法，從而不斷提升自身教育教學(xué)水平。

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