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人工智能、大数据分析和虚拟教育是科技改变未来的三个代表领域。增强现实技术（AR）是虚拟教育技术的核心技术之一，这一技术目前已经在教学中得到运用。AR技术是在体验者能够看到现实景象的基础上融入了虚拟现实技术，体验者所感受到的情景是现实情景在虚拟部分的增强，而不是完全的虚拟，因此这一技术被称为增强现实技术。AR技术作为当前研究热点之一的虚拟现实技术的分支，确实能为学生创设出一个科学探究的环境。
在小学科学教学中，太阳、地球、月球三球运动的关系是小学生理解月相变化、四季变化以及日食和月食现象的基础，认识三球运动关系需要学生的认知能力从二维平面提升到三维立体，并且要适度地建构抽象的空间概念。利用传统的教具和教学模式，很难让学生身临其境地感受到三球运动的关系，而应用AR技术能够为解决这一问题提供一个思路。下面结合我们团队的研究，谈谈AR技术支持下的三球运动的教学。
案例1：《月相变化》
本课的学习目標是学生探讨月相变化规律及变化原因，难点是让学生在模拟月相变化的模拟实验的基础上初步认识月相变化的原因。在学习本课前，学生已经了解了太阳、地球、月球的一些基本情况，但对于它们三者的运动关系知之甚少，更谈不上如何能自主进行月相变化模拟实验，所以要借助直观的材料以及丰富的多媒体演示，给学生足够的想象空间，帮助他们建构三球运动的概念。
在《月相变化》一课的教学中，利用VR技术与传统技术相比具有一定的优势，以下是两种方法的优缺点分析：
传统模式
1.显示效果单一。主要是利用图片、视频、flash等方式，因为多为平面效果，不够直观、立体。
2.静态显示。利用图片，显示不出三球的运动效果；利用视频，虽然能展示运动效果，但是教师只能播放给学生观看，不能随意改变三球之间的运动状态，缺少动态生成。
3.观察模式单一。多以俯视的角度进行观察，虽然视频中也提供月相变化的动态视频，但毕竟只是视频，没有互动，不能随时切换观察模式。
利用AR技术教学
1.显示效果直观、逼真和立体。通过AR技术在大屏幕上显示，学生能直观地看到三球运动的关系（如图1），三个星体如在眼前，栩栩如生。
2.动态生成。在三球运动的过程中，月球和地球会根据与太阳的位置关系，即时产生一半是亮面一半是暗面（白昼与黑夜）的动态效果，甚至可以通过改变太阳的位置，使得地球和月球的昼夜变化能够根据太阳位置发生相应改变。演示效果能够根据教师的意愿自主控制和选择，不受限制。
3.观察模式转换。利用AR技术，不仅能以俯视的效果（上帝模式）观察到三球运动的关系，还能随时把观察模式转换成以地球为观察者的第一人称模式，这样就能更真实地模拟出地球上的观察者看到的月相变化。这种模式也可以作为本课模拟实验结果正确与否的验证。
通过利用AR技术对三球运动进行栩栩如生的立体展示，学生的探究兴趣高涨，他们能够很快地认识到产生月相变化的一些重要因素：月球不发光，只能反射太阳的光线；月球绕地球转动，且公转方向是逆时针的；在宇宙中看到的月球，无论转到地球的哪个位置，都是朝向太阳的一半是亮面，背向太阳的一半是暗面。这些都是学生在接下来进行模拟实验时必须知道的一些很重要的因素，有利于他们开展模拟实验。实验后，可以用AR技术对月相变化不同观察角度进行切换，帮助学生对实验结果进行进一步验证，达到事半功倍的效果，同时为他们后续学习日食和月食的相关内容打下坚实的基础。
案例2：《日食和月食》
每次在学习完《月相变化》一课后，总有许多学生提出这样一个问题：在农历每月十五的时候，地球处于太阳和月球之间，地球应该刚好挡住了太阳射向月球的光线，为什么我们看到的月相是一个又大又圆的圆盘？这个问题提得非常好，说明学生对三球运动关系有一定的自主思考和理解。
针对这个问题，后续的《日食和月食》一课需要学生做进一步的探究，正确理解日食和月食的形成原因。有一点非常重要，需要学生把日食、月食时的三球位置与初一和十五的月相区分开，简单地说，就是三个星体在三维空间的高度问题。解决这些问题，利用AR技术有其特有的优势，分析如下：
传统模式教学
1.观察形式和观察角度比较单一，只能通过视频、图片、flash等进行观察。观察的时候不能任意切换观察角度，学生的认知仅仅停留在二维平面。
2.演示效果单一、平面化，不真实。学生感觉学习难度较大，探究兴趣不浓，探究的参与度较低。
3.教师课前准备耗时长，多数教具的观察停留在俯视角度，很少能做到以第一人称的方式进行观察。
利用AR技术教学
1.可以切换不同的观察角度（如图2）。如可以从侧面观察三球运动，一目了然地看到三球在三维空间的高度不同，使学生更容易理解日食和月食的成因。
2.演示效果直观、立体、逼真，能够迅速吸引学生的兴趣，激发他们的学习积极性（如图3）。
3.可以转换观察模式。既可以从俯视角度（上帝模式）进行观察，又可以以站在地球上的角度（第一人称角度）进行观察，特别是以第一人称观察日食时，学生犹如身临其境，置身于宇宙当中，能够更好地感受到月球阻挡太阳的宏观场面。
案例3：《为什么一年有四季》
四季的成因主要与地球的自转、公转以及地轴是倾斜的有关。许多学生对四季的成因有着错误的认识，较普遍的一个观点是地球在围绕太阳公转的过程中，离太阳近时是夏季，离太阳远时是冬季。本节课特别安排了三组对比实验：
实验1：阳光直射和斜射的对比实验。
实验2：地球公转时，直射点变化的观察实验。
实验3：地轴是否倾斜与阳光直射点变化的对比实验。
现基于以上实验，对利用传统模式和AR技术进行教学的优缺点进行对比分析： 传统模式教学
实验1：利用实物模拟，对光源和地球仪的要求比较高，再加上受到教室光线的影响，光线在地球上所呈现出的直射和斜射效果均不明显，学生观察的准确性较低。
实验2：自己制作教具非常难，就算制作成功，也只能用于演示，而且演示的时候也很难让全班学生观察到。如果仅仅是通过图片或视频的方式，直射点在地球公转时的变化过程不能动态地显示出来，学生在理解上会更加困难。
实验3：此实验在实际模拟中比较容易进行，主要是受周围的光线影响较大。
利用AR技术教学
实验1：屏幕上能非常清晰地呈现出太阳和地球的立体图像，而且地球的亮面非常明显。更重要的是，观察者不仅能够看到地球在“真实”地自转，还能够控制太阳改变其照射地球的方向，让学生观察到斜射和直射的区别。
实验2：和实验1一样（如图4），在实验2中，AR技术可以动态生成地球公转，并且能够从360度不同角度对地球进行观察，这样，当地球转到近日点和远日点时，学生能够清晰地看到地球上的太阳光照射情况，能够和学生的原有错误认知形成较大的冲突，从而使他们形成正确的认识。
实验3：可以通过改变地轴的倾斜角度，让学生直观清晰地看到直射点的变化，有利于全班大范围地观察，而且不受光线影响。
通过以上案例分析，我们可以看到AR技术在小学科学教学中的应用优势：
1.虚实结合的功能。AR技术是增强现实的技术，能够让学生感知虚拟的景象，有利于他们完成现实和虚拟的转换，也能够将虚拟对象与真实环境相融合，使他们摆脱对所学知识完全虚拟的困惑。
2.动态生成的优势。利用AR技术学习三球运动，可以将太阳转动、昼夜变换看得很清楚，让更多的学生更直接明了地观察。这种身临其境的感受，不仅能够加深学生的记忆，还能够帮助他们理解所学的知识点。
3.增强了学生学习过程中的自我体验。如《月相变化》一课，传统的教学方式中，学生只能模拟在宇宙中俯视观察三球关系，这样的观察角度无法帮助观察者真正理解月相变化的原因。利用AR技术不仅可以从宇宙的角度观察到三球的运动关系，还可以通过虚拟技术的帮助，用第一人称的模式，模拟人们在地球上观察月相变化的过程，突破了传统演示的视角局限，帮助学生真正地建构空间概念。
AR技术在小学科学教学中的应用无疑是科技进步的体现，但这一技术在科学教学中的應用仍有非常大的提升空间。如AR技术在教学过程中的应用需要编制相应的软件，但是目前软件数量难以满足教学应用；现有的AR技术教学软件存在重形式、轻内容的弊病，软件编辑脱离教学需求；AR技术教学软硬件设施价位偏高，普及尚有困难。为了更好地将小学科学课堂与AR技术有效结合起来，需要更多的科学教学工作者与软件开发者紧密合作，逐步研究AR技术与科学课堂的融合途径，让其能够最大限度地发挥功效，从而有效提升科学课的教学水平。
广东省深圳市螺岭外国语实验学校（518001）
在小学科学教学中，太阳、地球、月球三球运动的关系是小学生理解月相变化、四季变化以及日食和月食现象的基础，认识三球运动关系需要学生的认知能力从二维平面提升到三维立体，并且要适度地建构抽象的空间概念。利用传统的教具和教学模式，很难让学生身临其境地感受到三球运动的关系，而应用AR技术能够为解决这一问题提供一个思路。下面结合我们团队的研究，谈谈AR技术支持下的三球运动的教学。
案例1：《月相变化》
本课的学习目標是学生探讨月相变化规律及变化原因，难点是让学生在模拟月相变化的模拟实验的基础上初步认识月相变化的原因。在学习本课前，学生已经了解了太阳、地球、月球的一些基本情况，但对于它们三者的运动关系知之甚少，更谈不上如何能自主进行月相变化模拟实验，所以要借助直观的材料以及丰富的多媒体演示，给学生足够的想象空间，帮助他们建构三球运动的概念。
在《月相变化》一课的教学中，利用VR技术与传统技术相比具有一定的优势，以下是两种方法的优缺点分析：
传统模式
1.显示效果单一。主要是利用图片、视频、flash等方式，因为多为平面效果，不够直观、立体。
2.静态显示。利用图片，显示不出三球的运动效果；利用视频，虽然能展示运动效果，但是教师只能播放给学生观看，不能随意改变三球之间的运动状态，缺少动态生成。
3.观察模式单一。多以俯视的角度进行观察，虽然视频中也提供月相变化的动态视频，但毕竟只是视频，没有互动，不能随时切换观察模式。
利用AR技术教学
1.显示效果直观、逼真和立体。通过AR技术在大屏幕上显示，学生能直观地看到三球运动的关系（如图1），三个星体如在眼前，栩栩如生。
2.动态生成。在三球运动的过程中，月球和地球会根据与太阳的位置关系，即时产生一半是亮面一半是暗面（白昼与黑夜）的动态效果，甚至可以通过改变太阳的位置，使得地球和月球的昼夜变化能够根据太阳位置发生相应改变。演示效果能够根据教师的意愿自主控制和选择，不受限制。
3.观察模式转换。利用AR技术，不仅能以俯视的效果（上帝模式）观察到三球运动的关系，还能随时把观察模式转换成以地球为观察者的第一人称模式，这样就能更真实地模拟出地球上的观察者看到的月相变化。这种模式也可以作为本课模拟实验结果正确与否的验证。
通过利用AR技术对三球运动进行栩栩如生的立体展示，学生的探究兴趣高涨，他们能够很快地认识到产生月相变化的一些重要因素：月球不发光，只能反射太阳的光线；月球绕地球转动，且公转方向是逆时针的；在宇宙中看到的月球，无论转到地球的哪个位置，都是朝向太阳的一半是亮面，背向太阳的一半是暗面。这些都是学生在接下来进行模拟实验时必须知道的一些很重要的因素，有利于他们开展模拟实验。实验后，可以用AR技术对月相变化不同观察角度进行切换，帮助学生对实验结果进行进一步验证，达到事半功倍的效果，同时为他们后续学习日食和月食的相关内容打下坚实的基础。
案例2：《日食和月食》
每次在学习完《月相变化》一课后，总有许多学生提出这样一个问题：在农历每月十五的时候，地球处于太阳和月球之间，地球应该刚好挡住了太阳射向月球的光线，为什么我们看到的月相是一个又大又圆的圆盘？这个问题提得非常好，说明学生对三球运动关系有一定的自主思考和理解。
针对这个问题，后续的《日食和月食》一课需要学生做进一步的探究，正确理解日食和月食的形成原因。有一点非常重要，需要学生把日食、月食时的三球位置与初一和十五的月相区分开，简单地说，就是三个星体在三维空间的高度问题。解决这些问题，利用AR技术有其特有的优势，分析如下：
传统模式教学
1.观察形式和观察角度比较单一，只能通过视频、图片、flash等进行观察。观察的时候不能任意切换观察角度，学生的认知仅仅停留在二维平面。
2.演示效果单一、平面化，不真实。学生感觉学习难度较大，探究兴趣不浓，探究的参与度较低。
3.教师课前准备耗时长，多数教具的观察停留在俯视角度，很少能做到以第一人称的方式进行观察。
利用AR技术教学
1.可以切换不同的观察角度（如图2）。如可以从侧面观察三球运动，一目了然地看到三球在三维空间的高度不同，使学生更容易理解日食和月食的成因。
2.演示效果直观、立体、逼真，能够迅速吸引学生的兴趣，激发他们的学习积极性（如图3）。
3.可以转换观察模式。既可以从俯视角度（上帝模式）进行观察，又可以以站在地球上的角度（第一人称角度）进行观察，特别是以第一人称观察日食时，学生犹如身临其境，置身于宇宙当中，能够更好地感受到月球阻挡太阳的宏观场面。
案例3：《为什么一年有四季》
四季的成因主要与地球的自转、公转以及地轴是倾斜的有关。许多学生对四季的成因有着错误的认识，较普遍的一个观点是地球在围绕太阳公转的过程中，离太阳近时是夏季，离太阳远时是冬季。本节课特别安排了三组对比实验：
实验1：阳光直射和斜射的对比实验。
实验2：地球公转时，直射点变化的观察实验。
实验3：地轴是否倾斜与阳光直射点变化的对比实验。
现基于以上实验，对利用传统模式和AR技术进行教学的优缺点进行对比分析： 传统模式教学
实验1：利用实物模拟，对光源和地球仪的要求比较高，再加上受到教室光线的影响，光线在地球上所呈现出的直射和斜射效果均不明显，学生观察的准确性较低。
实验2：自己制作教具非常难，就算制作成功，也只能用于演示，而且演示的时候也很难让全班学生观察到。如果仅仅是通过图片或视频的方式，直射点在地球公转时的变化过程不能动态地显示出来，学生在理解上会更加困难。
实验3：此实验在实际模拟中比较容易进行，主要是受周围的光线影响较大。
利用AR技术教学
实验1：屏幕上能非常清晰地呈现出太阳和地球的立体图像，而且地球的亮面非常明显。更重要的是，观察者不仅能够看到地球在“真实”地自转，还能够控制太阳改变其照射地球的方向，让学生观察到斜射和直射的区别。
实验2：和实验1一样（如图4），在实验2中，AR技术可以动态生成地球公转，并且能够从360度不同角度对地球进行观察，这样，当地球转到近日点和远日点时，学生能够清晰地看到地球上的太阳光照射情况，能够和学生的原有错误认知形成较大的冲突，从而使他们形成正确的认识。
实验3：可以通过改变地轴的倾斜角度，让学生直观清晰地看到直射点的变化，有利于全班大范围地观察，而且不受光线影响。
通过以上案例分析，我们可以看到AR技术在小学科学教学中的应用优势：
1.虚实结合的功能。AR技术是增强现实的技术，能够让学生感知虚拟的景象，有利于他们完成现实和虚拟的转换，也能够将虚拟对象与真实环境相融合，使他们摆脱对所学知识完全虚拟的困惑。
2.动态生成的优势。利用AR技术学习三球运动，可以将太阳转动、昼夜变换看得很清楚，让更多的学生更直接明了地观察。这种身临其境的感受，不仅能够加深学生的记忆，还能够帮助他们理解所学的知识点。
3.增强了学生学习过程中的自我体验。如《月相变化》一课，传统的教学方式中，学生只能模拟在宇宙中俯视观察三球关系，这样的观察角度无法帮助观察者真正理解月相变化的原因。利用AR技术不仅可以从宇宙的角度观察到三球的运动关系，还可以通过虚拟技术的帮助，用第一人称的模式，模拟人们在地球上观察月相变化的过程，突破了传统演示的视角局限，帮助学生真正地建构空间概念。
AR技术在小学科学教学中的应用无疑是科技进步的体现，但这一技术在科学教学中的應用仍有非常大的提升空间。如AR技术在教学过程中的应用需要编制相应的软件，但是目前软件数量难以满足教学应用；现有的AR技术教学软件存在重形式、轻内容的弊病，软件编辑脱离教学需求；AR技术教学软硬件设施价位偏高，普及尚有困难。为了更好地将小学科学课堂与AR技术有效结合起来，需要更多的科学教学工作者与软件开发者紧密合作，逐步研究AR技术与科学课堂的融合途径，让其能够最大限度地发挥功效，从而有效提升科学课的教学水平。
广东省深圳市螺岭外国语实验学校（518001）