基于AR技术的小学科学教学资源开发设计研究

摘"要：增强现实（AR）技术融合了计算机技术、通信技术和识别技术等多种先进技术，是一种新型的多媒体交互手段。将增强现实技术引入小学科学课堂教学是转变传统教学方式的一种创新尝试，能够有效激发学生的学习兴趣，提升他们探究问题的能力。以小学科学课文“各种各样的蘑菇”为例，探讨如何将增强现实（AR）技术融入小学科学课程的教学资源设计，并提出了相应的构思方案和框架。关键词：小学科学；AR技术；教学资源0"引言《中国学生发展核心素养》明确了学生在接受教育后应具备的基本素质和能力，以及应成为什么样的人才。核心素养的提出，不仅是对原有基础教育的延续，更是对它的改革与创新。它对我国基础教育课程改革与发展进行了补充与完善，推动了学生素质发展的变革，同时也为当前教育理念、培养目标与教育教学实践带来了创新。中小学教育应在原有课程体系的基础上，协调好学生核心素养的培养与课程结构的关系，将培养学生相关学科能力作为核心课程内容，并实现二者的有机结合。小学科学是小学教育阶段的一门重要基础学科。根据《义务教育科学课程标准（2022年版）》，科学课程要培养的核心素养，主要是指学生在学习科学课程的过程中，逐步形成的适应个人终身发展和社会发展所需要的正确价值观、必备品格和关键能力，是科学课程育人价值的集中体现，包括科学观念、科学思维、探究实践、态度责任等方面。基于以上观点，笔者尝试将增强现实（AR）技术应用于小学科学教学，并以人教版小学科学教材四年级上册“各种各样的蘑菇”这一章节为例进行分析，提出了相应的学习资源开发设计方案，供同行参考，希望能为小学科学课堂教学提供有益借鉴。1"教学中存在的问题通过访谈相关教师，笔者发现小学科学课堂教学中存在一些传统教学模式的弊端。具体表现为：课堂以教师单向灌输式讲授为中心，教学方式较为机械、枯燥，导致学生学习兴趣不高，课堂参与积极性较低，学生大多处于被动接受知识的状态。此外，从教学内容来看，小学科学课堂的实践环节较少，缺乏深度的科学探究活动。然而，形式多样的科学实践活动不仅能帮助学生深入探究科学奥秘，更好地理解知识点，还能直观地阐释科学现象背后的原理。这种教学方式有助于激发学生的学习兴趣和求知欲望，从而增强他们的学习动机[1]。基于对以上存在问题的分析，提出两个方面的研究内容。1）改变传统的教学方式，创新小学科学课堂教学方法。2）增设小学科学课堂的实践教学内容，培养学生自主学习和探究问题的能力。2"基于AR技术设计教学资源的意义AR技术具有独特的特点和显著优势。将其与小学科学教学资源相结合，一方面能够创新小学科学课堂教学方法，借助新媒体技术生动呈现教学内容；另一方面，通过交互式实践操作，能够加深学生对知识的理解，提升其探究问题的能力。以人教版小学科学教材四年级上册“各种各样的蘑菇”这一章节为例，该内容属于科学教材中“植物”单元的重要组成部分。选择这一章节作为研究对象的重要原因在于：通过对该章节的教学，教师不仅可以培养学生对相关知识点的认知，提升其文化素养，还能锻炼学生动手操作能力，从而充分体现核心素养中科学思维能力与实践能力的培养目标。1）认知能力。即认识蘑菇的类型和结构。蘑菇作为一种生物，对小学生而言在认知上具有一定陌生性。尽管学生在生活中见过一些常见的蘑菇，如香菇、草菇、姬菇、口蘑等，但全世界有数万种蘑菇，其中许多是学生未曾见过的，借助AR技术让学生认识更多蘑菇的类型。此外，借助AR技术展示和演示蘑菇的组成与内部构造，让学生更直观、深入地了解蘑菇的特征。2）实践能力。即培养学生动手操作能力。学生通过课堂中的交互式实践操作，借助AR技术了解蘑菇生长所需的条件。通过AR技术创设的虚拟实验情境，学生能够更直观地理解植物的生长条件和习性。3）素质拓展能力。即培养学生探究问题的能力。在借助AR技术和三维图形展示蘑菇的基础上，学生能够将蘑菇与其他植物进行对比和归类，并学会辨别食用蘑菇与毒蘑菇的方法。3"相关概念和理论基础3.1"相关概念3.1.1"核心素养2014年印发的《教育部关于全面深化课程改革落实立德树人根本任务的意见》提出，“教育部将组织研究提出各学段学生发展核心素养体系，明确学生应具备的适应终身发展和社会发展需要的必备品格和关键能力”。《中国学生发展核心素养》指出，核心素养以培养“全面发展的人”为核心，分为文化基础、自主发展、社会参与三个方面，综合表现为人文底蕴、科学精神、学会学习、健康生活、责任担当、实践创新六大素养，具体细化为国家认同、理性思维等十八个基本要点。各素养之间相互联系、互相补充、相互促进，在不同情境中整体发挥作用。3.1.2"AR技术AR技术即增强现实技术，是一种通过计算机技术将虚拟影像或图像信息叠加到真实世界中的技术。它能够将虚拟物体与真实场景实时融合，并呈现在同一个画面或空间里，使两者同时存在，虚实结合，真假难辨。其最大特点是利用可穿戴设备对现实物体进行标注，并通过复杂的数学和物理算法实现识别与匹配。在此基础上，计算机生成的虚拟数据可以增强或扩展现实世界的影像，从而为用户带来更加丰富的交互体验。3.2"理论基础3.2.1"情境认知理论情境认知理论认为，实践并非独立于学习之外，意义也不与实践和情境脉络相分离，而是在实践和情境脉络中不断协商而形成的。从某种意义上说，知识是与环境相互作用而构建的。情境学习不仅仅是将教学置于特定情境中，而是更关注知识是如何在实际活动中发展的。情境认知理论强调，知识与行动是相互交织的——知识具有情境性，并且通过活动不断发展。参与实践能够促进学习和理解[2]。本学习资源的开发设计方案旨在通过创设学习情境，让学生参与其中。借助AR技术实现交互，帮助学生加强对知识点的认知，提升对实验过程的理解和逻辑分析能力，同时巩固知识并培养知识探究与拓展的能力。3.2.2"心流体验理论心流概念最初由心理学家CSIKSZENTMIHALYI在20世纪60年代提出。他在观察艺术家、棋手等群体时发现，一些人在全身心投入工作时，会因过于专注而不知不觉地忘记时间流逝，甚至忽略周围环境的存在[3]，并且在事情完成后产生一种充满能量的感受。本学习资源的开发设计目的之一，是通过创设虚拟空间环境，让学生沉浸式地投入学习，立体化地感知学习情境，从而提高学习效果。3.2.3"建构主义理论该理论主张，学习是在学生原有知识和经验的基础上，通过在特定社会环境中主动对新信息进行加工处理而实现的。学习并非教师将知识简单地传递给学生，而是学生自主建构知识的过程。学生不是被动接受知识，而是主动构建知识的内涵和意义，这种建构是学生自身的行为，无法由他人替代。基于此，笔者在构思教学资源方案时，希望通过AR技术将教学内容整合为一个完整的知识体系，使学生能够主动获取知识内容，并构建自己的知识结构，从而达成学习目标。将AR技术与小学科学教学资源相结合，旨在为学生创造虚实融合的学习情境，使其全身心投入学习，达到深度学习的效果。4"教学设计本研究选取章节为人教版小学科学教材四年级上册第二单元“各种各样的蘑菇”。在教学设计方面，主要围绕教学目标与教学内容展开，具体如下。4.1"教学目标1）知识与技能目标：了解常见蘑菇的构造，掌握辨别食用蘑菇和毒蘑菇的方法。2）过程与方法目标：对比不同蘑菇的特征，并结合生活经验，掌握常见蘑菇的相关知识。3）情感态度与价值观目标：培养学生善于观察的品质，提高对比和辨别的能力。4.2"教学内容1）引出教学内容：以学生绘画为导入，让学生画出自己心中的蘑菇，从而引出生活中各种各样的蘑菇，包括常见的和不常见的蘑菇形状。2）具体教学内容：借助多媒体技术，结合图片展示，介绍常见蘑菇的颜色、构造等特征。通过详细讲解，引导学生探索和学习蘑菇各部分的名称和功能。3）巩固教学内容：通过连线的方式，让学生将各种蘑菇的外形与名称进行匹配，以加深他们对课堂教学内容的理解，并借此了解学生的学习效果。4）知识拓展：结合蘑菇图片，重点讲解如何根据蘑菇的外形区分食用蘑菇和毒蘑菇。5）课后练习：课后要求学生通过资料查找，了解蘑菇的特点、作用以及当前的蘑菇栽培方法和技术等相关知识。该设计重难点突出，时间为1个学时。教学内容紧密结合小学生该年龄段的学习心理特点，严格依据教学目标和教材要求进行设计。5"基于AR技术的教学资源设计方案5.1"方案的思路本研究的设计方案主要基于学生对学习资源的需求和教师对教学资源的需求，同时结合课程教学的培养目标，进行系统分析、研究和设计。该设计方案构思如图1所示。5.2"方案的特点结合AR技术，该设计方案体现了以下特点：1）技术性：该方案融入了AR技术，采用EasyAR或Vuforia进行软件开发，并利用3DMax或C4D等建模软件创建三维立体模型。模块之间也具有良好的逻辑性。2）经济性：与VR技术相比，AR技术开发的交互功能更易实现，成本更低。通过手机终端扫描图片或卡片，即可实现模型识别、显现和相关视频播放。3）互动性：该方案的一大特色和亮点是通过AR交互设计，让学生在情境互动中学习。尤其在小学科学实践环节，对互动性的要求更高。4）教育性：该方案用于教学，帮助学生通过直观的形式更好地理解课本知识，并将AR技术融入教学内容，实现寓教于乐。5）科学性：在设计和开发过程中，通过前期调查（如访谈法）发现问题，对学生和教师进行需求分析，再实施教学资源的设计与开发，体现了科学性原则。6）艺术性：根据小学生的思维发展规律和心理特点，界面设计中使用与蘑菇相关的图形和模型元素。设计时注重内容丰富而不杂糅，形式简洁而不简单。7）实用性：该方案主要面向小学阶段学生，用于小学科学课堂教学资源的学习与使用。5.3"方案的框架本研究选取的章节是人教版小学科学教材四年级上册中的“各种各样的蘑菇”。设计方案必须围绕教材中的知识点展开，否则将脱离教材内容。基于此，建议采用3DMax或C4D进行模型创建，也可从专业网站购买现成模型，以节省建模时间成本。功能设计可借助Unity3D软件和EasyAR插件实现，并围绕3个方面、5个模块展开方案构思。具体设计方案框架见图2至图5。其中，模块2和模块4可参考模块3进行设计与开发，此处不再赘述。以下是对该设计方案的3个方面、5个模块的具体说明。5.3.1"认知方面（认一认）认识各种蘑菇。模块1：蘑菇的外形展示。通过扫码，借助AR技术展示常见和不常见的蘑菇外形，并附以文字说明（如蘑菇的介绍、毒性提示等）。模块2：蘑菇的组成结构。通过扫码，借助AR技术演示蘑菇的组成结构。学生可通过缩放、旋转等交互操作，全方位、立体式地浏览蘑菇结构，了解其组成部分。蘑菇通常由菌盖、菌褶、菌柄和菌丝组成。5.3.2"实验实践方面（做一做）让学生理解蘑菇生长所需的条件：一定量的水分、适宜的温度以及有氧的空气。同时，让他们了解蘑菇的分类归属，并掌握其与毒蘑菇的区别。模块3：蘑菇生长的条件。先提供花盆和蘑菇幼苗模型，将蘑菇幼苗栽种在花盆中。学生通过AR技术交互操控，控制水量、调节温度和增减有机肥料。通过这三种交互操作，观察蘑菇的生长情况，通过演示让学生理解蘑菇生长的条件跟哪些因素有关，而这些条件就是教学的重点内容。模块4：蘑菇的类别归属。通过AR交互技术，展示蘑菇孢子真菌与毒蘑菇细菌的外形对比。学生观察并对比两者特征，拓展对菌类生物的认知，了解蘑菇与毒蘑菇的区别。5.3.3nbsp;知识训练方面（练一练）关于蘑菇知识的巩固与加强。模块5：蘑菇知识练习。展示蘑菇的各个部分名称（包括菌盖、菌柄等），并