增强现实技术(AR) 在中小学教育中的应用现状述评与展望

任莉萍

关键词：AR；中小学教育；3D模型；学习策略

1 问题的提出

近年来，增强现实以其独特的教育价值，正迅速走进中小学教育研究领域。2001年，Azuma明确了增强现实的定义：增强现实（Augmented Reality，AR） 是指一个可以将虚拟（计算机生成的）元素或信息与物理环境集成在一起的系统，是虚拟环境的一种变体，它包含三个特征“： 实时交互”“真实与虚拟相结合”和“三维注册”[1]。AR技术是虚拟技术的延伸，可以为学习者提供交互性、情境性、移动性的学习环境，填补学生对抽象概念和真实世界的认知鸿沟。小学教育和中学教育作为人才培养的“出发点”和“拔高点”，影响着学生今后的学习思维的形成和学习方法的掌握。然后，现如今的中小学教育存在以下问题：

1） 知识点抽象难理解。理科知识（包括数学、物理、化学、生物等）较抽象、复杂、难懂；文科知识（包括语文、英语、地理、戏曲等）的内容较单调、难记忆、难理解，缺少有效的教学资源。

2） 教学方式不合理。忽视学生的知识体验；课堂设计不合理；授课形式单一。

3） 学生的自主学习能力不足。小学生注意力水平有限；中学生抽象思维把能力不足，动手能力弱，课堂参与度不高，缺乏学习兴趣。

4） 学习方式不合理。以接受知识为主，学习主动性不高。

基于中小学教育中存在的问题，教育改革势在必行。随着信息技术的发展，其被认为是教育改革的有效手段。2018年，中国政府对信息技术有了进一步的认识，在《教育信息化2.0行动计划》中就提到了“推进新技术与教育教学的深度融合”[2]。2021年7月，十部门印发关于《5G应用“扬帆”行动计划（2021-2023年）》的通知就明确提到“加快5G教学终端设备及AR/VR 教学数字内容的研发，实现场景化交互教学，打造沉浸式课堂”[3]。上海最先探索新技术在教育教学改革上的使用，2021年11月，上海教委在《上海市教育数字化转型实施方案（2021—2023）》提到要积极探索发展基础教育、职业教育、高等教育基于人工智能的探究式、个性化学习，基于AR和VR的沉浸式、体验式教学[4]。AR作为一种新兴技术，能否解决中小学教育中存在的以上问题，学者们做了一些研究。

2 增强现实技术（AR） 在中小学教育中的应用研究与价值

AR是利用計算机模拟虚拟事物，可以让学习者在抽象知识和具象物体间轻松转换，具有交互性、多维性、沉浸性、移动性和多样性等特点，是教育改革的标志。AR的使用，为中小学教育带去了新的契机，为中小学教育开辟新的研究方向，促进了中小学课程、教学的高质量发展。当前AR在中小学教育应用的研究主要集中在以下几个方面。

2.1 基于创设逼真的学习情境促进抽象知识的转换

抽象知识常出现在中小学数学、物理、化学和生物等学科中，具有微观、复杂和抽象等特点。基于AR 的情境化教学可以有效展现抽象知识，还原抽象概念的形成过程。如物理学科是研究物质的运动规律和物质基本结构的科学，也是一门崇尚理性、重视逻辑推理的科学。研究指出，3D虚拟增强现实可以提供逼真、沉浸和交互的教学情境，完成传统物理课堂上不可能完成的实验和展示[5]。而化学学科是研究微观物质的，在原子、分子的水平上研究物质的组成、结构和性质。针对化学教学资源缺乏的问题，萧铭桦等人提出移动AR的化学教学软件，从前期准备、设计开发和测试发布等三个阶段阐述了软件开发的一般流程。AR技术利用3D模型呈现微观物质的不同状态，学生可以从原子、分子层进行概念学习[6]。

初中科学课一直不被重视，但是科学教育被认为是培养学生抽象思维、逻辑思维的重要学科，学生只有在初中接受思维的训练，才能学习高中较难的科学课程。但是，大部分初中生的抽象逻辑思维还处于“经验型”，所以课堂教学更应该注重还原知识情境。如林晓帆[7]等人基于杜威的“做中学”理论，提出利用AR技术创设凸显学生主体地位的逼真情境，在课堂上将抽象概念转换成真实元素，促进学生多感官体验，加强概念学习和空间认知。因此，基于AR的情境化教学在促进抽象、难懂的微观知识的学习上具有其独特的优势，突破了时间、空间和成本的限制，利用其三维的图像和虚实交互性还原知识的生成过程。

不仅如此，对于感性知识的理解，AR技术可以基于还原知识情境，融合多种媒体技术支持简单的对话交流，实现丰富多样的互动方式。小学英语教育的目的是让学生对英语产生好奇心，书写并记忆单词，会用英文表达简单的情感。而现实的教学状况是：无法突破学生认知维度的局限，解决难懂、难记的知识点。对此，王雅芸[8]等人以“At the zoo”为例，探讨了基于MAR技术的小学英语学习系统的设计原则和整体框架。该系统创设虚拟动态的环境教学，支持在拟真情境下的简单互动，学生可以实现知识的理解和内化。同时，AR可将概念学习与日常生活建立联系，在真实的环境中提升学习者的存在感、角色感和参与感[9]，促进学生的多角度体验学习。在抽象知识的学习中，AR创设的虚实结合的情境，能有效克服学生的认知阻碍，在知识“桥梁”之间快速建立联系，大大促进学生对抽象知识的理解。

2.2 基于构建虚拟交互3D 模型激发学生兴趣

学习离不开兴趣。如果中小学生对学习丢失了兴趣，没有自控力的支撑，他们将难以投入学习。在日常的中学教学中，为了在有限的时间内完成既定的教学任务，教师更多注重知识的传输，往往忽视激发学生的学习兴趣。AR可以依据学科特点创建丰富的3D模型，激发学习者兴趣，促进学生逻辑思维能力和动手实践能力的提升[10]。由于学生对概念的不熟悉，无法融会贯通、学以致用。但是，AR创建的虚拟3D 模型可支持学习者的协作学习和自主探究学习，让学生通过亲眼所见、亲自动手感受知识，从而增强学生的直观感受能力。所以，AR是弥补局部地区教学资源短缺和受限的基础。王淑佳等人则介绍了三款AR 技术的App在生物教学上的运用，以此来缓解地域资源分化的问题，促进信息技术与生物教学深度融合[11]。基于AR的教学资源，可以不受限于物质条件，就能提供丰富有趣的模型，为创新教师的教学和学生的学习提供了新思路。

在小学教育中，由于小学生的注意力水平有限，所以趣味性是上好一节课的基础。研究表明，AR可以增强课堂的有效性，提高学生的学习兴趣，降低学生的认知负荷[12]。学生不是与枯燥难懂的文字接触，而是与生动有趣的3D模型交互，学习的体验感更强，更有兴趣。康艺旋等人以提高小学生的学习兴趣为出发点，设计开发了一款基于AR的移动App辅助教学，并在“观察物体”课堂展示使用，发现该教学App 可以激发学生的学习激情，提高学习效果[13]。在小学语文学习中，因为内容单调、枯燥，教学脱离生活经验等问题，学生缺乏学习兴趣和积极性。对此，高晓晓等人设计开发了一款基于AR的小学语文识字教学辅助App，并对其优势进行了分析，发现该App对于文字的象形识记有更好的效果[14]。AR利用象形识字的特征，为学习者提供形象生动的象形，促进学生对抽象文字的感知，增强了学习的趣味性。

2.3 基于融合多种学习策略的AR 突破教学重难点

在中小学教育中，多数教师面对重难点知识的教学，总是存在教学困难、无计可施等问题，再加上传统的教学媒体难于表达知识的完整性，只能使学习停留在视觉和听觉上，缺乏互动[15]。这也导致学生无法区分重点知识，由于学不懂较难知识而放弃。AR可以通过结合不同教学法进行教学设计，从而提升学习者的思维活动和实践能力，拓展学习者的视野，从而突破教学难点[16]。

基于AR的教育游戏激发学习者的求知欲，突出教学重难点，并增强学生记忆对知识的记忆。如陈向东等人以小学低年级的英语学习为例，设计并开发了“泡泡星球”的增强现实的教育游戏，通过提供丰富、有趣的画面，帮助学习者理解和记忆重点知识，优化学习者良好的感官体验[17]。他们在开发完成后，进行多次用例测试，充分了解用户的反馈，为后期的进一步研究奠定了基础。随着国家越来越重视中小学素质教育的提升，而戏曲教育作为素质教育的发展瓶颈，将会成为研究重点。如郭延龙基于增强现实技术，融合游戏互动学习法，创新教师授课模式，实现互动式、沉浸式、冥想式三种学习模式的有机结合，还原戏曲的原有面貌和文化内涵，促进戏曲文化的有效传播。

AR还可以结合不同的学习策略，带来积极的学习效果。孟晨等人基于ARCS动机模型，探究AR结合学习动机策略会产生怎样的效果。他们以三年级科学课《恐龙》为例，采用教学视频分析的方法，分析学习动机策略的应用情况，结果显示，AR技术给学生带来新奇感受，符合学习动机策略和ARCS策略的运用，促进课堂教学的优化。由于AR提供的可视化和立体化，在各个学科中都存在其运用的优势，在融合多学科的教学上，AR可以让学生主动参与探究，展现个人的学习风格和喜好，如钱静等人以STEM学科教学为案例分析，从具身认知视角下，提出以增强现实技术融合STEAM教学的建议，从而实现AR技术促进STEAM教育的高质量发展。

AR可以融入学科教材中，支持学生的自主探究学习。周灵等人基于AR技术的优势分析和促进儿童自主探究学习的需求，提出开发AR教科书。他们以开发儿童英语教科书为例，并进行了具体的设计与开发实践，促进学习者从被动接收信息变成主动获取信息。然而，AR立体化教材开发仍存在成本高、内容较难维护，以及对学生视力造成不良影响等问题，一直难以施行。所以，赵晓嬿等人提出了AR技术与不同信息技术融合的建议，以期解决AR教材兼容性、维护难度大和影响学生视力等问题。随着AR技术在教育领域的不断深入，其灵活、开放的建构方式，促进学习者不断向“学习设计者”迈进。

3 增强现实技术（AR） 在中小学教育中的应用展望

AR技术是虚拟现实的延伸，其运用充分考虑了学生的自主性，在中小学教育中，其主要功能主要包括：创设逼真的学习情境；构建虚拟交互的3D模型；融合多种教学策略。从而实现抽象知识的理解、学习兴趣的激发、突破教学重难点等方面的优势。基于以往的研究，本研究认为AR技术在中小学教育中的运用将会有以下几方面的突破，如图1所示。

3.1 分析层

AR结合教学使用时需要做好前期的分析工作，包括：遵循的教学原则、教学的对象、教学的内容以及需要实现的技术功能等。然而，以往大多数的研究却忽略了该环节，导致研究结果无依据或者偏离研究主题。AR与教学融合的初期阶段主要表现为虚实结合、三维交互、情境创设，这主要依賴于AR技术的优势。现如今倡导的教育优质均衡，促进AR结合教学的前期分析需有进一步发展。

理论基础的含义是指将AR与不同学科融合教学的相关理论，以下列举几个常见的理论。第一，建构主义理论。其倡导教师指导下，以学生为中心的教学。使用AR的主要目的是激发学习者兴趣，促进主动探究学习。如初中科学课中以“生命科学”为主题的教学，利用AR技术让学生主动观察不同种类恐龙的特征，知道它们的名字；高中生物课上，呈现三维交互模型，促进学生主动探究人体消化系统的功能呈现。第二，沉浸式理论。让学习者完全投入到学习内容中，不受任何干扰。如物理学科中，在讲解电机原理时，学生可以通过AR技术提供的3D模型清楚观察电机的整体结构、电流运行等；同理，在化学学科中，学生则清楚观察到原子、分子等微观结构，并亲自操作虚拟模型，达到深层的交互的深入的观察。第三，情境学习理论。被认为是一种促进学生意义学习，有助于学生在真实情境中学习的理论。在英语教学中，情境对话一直是教学的重难点，AR可以创设虚拟的人物或者场景，促进学生英文交流能力的提升。

做好内容分析和学习者分析是开发AR的前提。学习内容是学生在完成学习目标以后，在知识、技能和行为经验上所能达到的总和。在进行教学内容分析时，除了考虑AR是否适用该教学内容，还要考虑如何在AR的支持下，促进学生在学习实践中理解知识点之间的联系，从而自主探究知识的广度和深度。如高中化学学科中，“氧化—还原反应”的知识点贯穿整个高中化学教学中，重难点是离子交换等化学计算。AR技术可以转换抽象概念，还原化学反应过程，引导学生多角度观察氧化过程，促进对知识的融会贯通。学习者分析是指对学生的认知特点和学习特点进行分析。如小学生有自身独特的认知发展特点，该阶段的学生：抽象逻辑较差、观察力缺乏系统性、注意力不受控制等，在运用AR技术时需要融入更多动画或者游戏元素，学习上需要教师更多的关注和引导；而初中生虽然在抽象逻辑上有所发展，但是只能解决简单的抽象逻辑题，对于像数学中较抽象知识，仍然无法理解。因此，可以运用AR技术结合学科特点，创建AR教学资源，辅助学生对抽象知识的理解。

技术功能分析是指对AR技术的功能优势进行分析。从目前对AR的教学应用研究来看，依靠技术实现的教学应用主要包括两种方式：基于图像交互和基于位置交互，两种类型的识别，都会向学习者显示在物理元素中添加的包括声音、文字、图片、视频、动画和3D模型等元素。随着对移动技术的大力发展，AR 也深入课堂教学。通过梳理AR教学的以往研究，可以发现：第一，AR创建虚拟仿真实验室，可以有效解决实验器材的浪费，保障教学实验的安全。如化学、物理等涉及的实验；第二，AR具有的直观性和多样性，促进抽象知识的直观化；第三，AR可以创建自主探究学习的教学情境，促进学生的协作交流。因此，可以从以上几个方面对技术功能进一步分析。

3.2 应用层

在开发出AR教学资源以后，将对其进行应用检验，在检验之前需要抽样。抽样是指挑选出实验对象和确定实验对象的数目，需要根据研究目标和实验目的来确定；确定实验对象以后开始检验，检验时需要尽可能排除干扰因素。在以往的多数研究中却忽视或者不重视抽样和检验两个重要环节。如林晓凡等人在提出AR体验式教学资源的应用策略以后，却因为样本量较少而无法确定其有效性；朱鹏飞则研究了AR技术对化学微观结构知识学习的研究。但是，被试的选择较为局限和刻意，导致结果的推广范围较小；陈向东等人设计开发了AR教育游戏，用于激发小学低年级的求知欲，辅助学生对英语单词的认知和记忆。但是，因为样本量过少，未能充分检验其效果。另外，部分研究者在开发出AR教学资源以后并未进行检验，因而无法确定其功能的有效性。如周灵等人对AR教科书深入分析，设计并开发了儿童英文教科书，但缺少实践检验，其适用性还有待进一步研究；余爱惠通过对AR的课例分析，然后分析了AR在突破初中地理教学难点中的作用，但是该研究仅停留在提出設想方面。因此，本研究认为AR的教学应用检验是必不可少的一环节，检验之前的抽样因受设备和环境的限制，而无法对其功能的有效性检验。所以，在今后的研究中，AR技术融合教学的应用需要在这两个方面有进一步的突破。

3.3 评价层

评价是AR教学应用的最后一个层次，也是在中小学教育中AR技术提升和应用改进的前提。评价主要包括效果评价和技术评价两方面：效果评价指在运用AR技术以后，学生的课堂表现和学习成绩是否产生积极变化。如Simon Creane开发了增强现实学习对象，并探究其在科学教育中的基于探究式学习的效果，以学生在知识、技能、态度和能力等方面的变化为评价标准。研究结果显示，AR可以促进学生对资源、环境的有效利用。而技术评价是指AR能否达到研究者想要实现的功能，如Fabrício Herpich 等人提出了AR教育应用程序的评估标准，揭示新技术及其在教育领域构建应用程序的可能用途。该研究有利于简化应用程序的开发，帮助教育工作者在课堂上引入增强现实技术。Maria Cristina Costa 等人提出移动AR 可以促进学生参与STEM教育，并设计开发了AR游戏，经过多轮的应用和修改，实现较完善的AR游戏开发。评价可以多次改良AR技术，促进AR技术与中小学教育有效融合，实现更加精准有效的教育帮助。因此，我国在AR教育应用评价研究上需进一步提升。

4 结束语

教育和技术并不是孤立存在的，也不是单纯地结合在一起，要实现技术和教育的深度融合需要考虑三大因素：教育者、学习者、教学媒体。AR等新兴技术的出现，打破了常规的教育与技术融合的思路。研究初期大部分学者关注的是AR技术，认为的是只要检验出AR技术能提升教学效果就可以了。但是，随着研究的深入，会发现“教学法”“学习者”和“学习内容”是才是AR技术与中小学教育融合的关键因素。所以，今后的研究应该从以上三个方面着手，实现AR从理论功能向实际功能转换。