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摘 要：增强现实技术在STEM学科教学中已有较为深入的应用，并成为技术变革教育的新趋势。本研究首先选取了增强现实技术促进STEM教学的国内外典型应用案例;其次，对这些案例的参与对象、实验材料、研究过程和研究结论进行实证分析;最后从具身认知的具身性、情境性、生成性等视角，提出以增强现实技术增强STEM教学的三大建议。
关键词：增强现实;STEM教育;具身认知
中图分类号：G4 文献标志码：A 文章编号：2096-0069（2020）03-0021-05
一、增强现实技术及其具身认知优势
《2017年新媒体联盟中国高等教育技术展望：地平线项目区域报告》[1]指出：增强现实（Augmented Reality，AR）将作为K-12和高等教育发展中长期所采用的关键技术。增强现实是指以计算机图形、可视化等技术为核心，将虚拟的信息与真实环境相融合，从而达到超越现实的感官体验的数字化技术[2]。用户不仅可以看到真实世界以及融合于真实世界之中的虚拟物体，还能够在真实场景中与之交互，形成个人探索空间，引导用户深入理解概念知识，产生新的构思与创意。
技术的发展促使认知理论发生变革，人们对认知本质和教学过程等进行新的探讨，对传统“离身”特征的认知理论提出新的思维方式：具身认知。具身认知理论主张身体的知觉是行为产生的基础，身体的物理属性、状态及其感知运动经验会改变认知，认知是具体的个体在实时的环境中产生的[3]。即其强调概念的认知形成需依托于学习者身体感知体验、环境作用和群体情感互动等，突出“身体—认知—环境”三位一体的重要性。
在课堂中，创建的学习共同体在具身认知学习环境下进行群体的情感互动，更能加深认知体验。因此，将AR技术应用于教育领域存在着巨大潜力，尤其是对STEM教学，如物理、化学、生物等学科，可以创造一种体验与沉浸式的学习环境，快速提高学习者的学习兴趣，达到知识的建构，具有强大的启发意义。
二、STEM教学的增强现实典型案例分析
STEM学科（Science，Technology，Engineering，Mathematics）具备抽象化、微观化、模型化、空间认知以及彰显实验能力的学科特征[4]，这些特征在实际应用中给教师教学带来巨大的挑战，但AR技术极强的沉浸性可以弥补现实模型不精确、认知不足等缺陷。为了解AR技术的应用现状，本研究從Computers & Education和《化学教学》期刊中选取了三个来自国内外引用率较高的增强现实教学实证研究案例。
（一）物理AR教学实例[5]：电磁学的基本原理学习
该研究的目的是评估在物理基本原理的学习过程中，学生运用增强现实应用程序的状态，并探究AR技术对学习者满意程度和学习效果的影响。
1.实验对象
该研究选取西班牙4所中学共60名高三学生作为实验对象，按照随机分配原则进行分组。其中，实验组的32名学生使用基于AR的应用程序进行电磁学基本原理的学习，对照组的28名学生使用基于Web的应用程序进行学习。
2.研究设计
（1）程序设计
程序设计包括两类。一类是基于AR的应用程序，学生通过平板电脑扫描基准标记（如图1所示）识别模拟电路的三维模型，且每个模型的操作都关联着具体的学习材料、要解决的问题及一些可以帮助学生可视化电磁力及探索电路的模拟活动（如图2所示）。另一类是基于Web的应用程序，每个阶段包含着与前者相同的学习目标和教育内容应用，主要通过导航超链接访问学习材料。
（2）实验设计
研究根据学生的测验情况收集电磁学基本原理的学习效果数据，使用沉浸体验量表和开放式问卷来收集学生使用AR应用程序辅助学习的身心状态和情感态度方面的相关数据。前者用来比较两组的学习效果，后者了解实验组应用程序的情感态度。研究过程的设计如图3所示。
3.研究结果
（1）学生状态分析
通过对学生课堂状态的调研，实验组的学生基本能全身心地投入课堂。他们在学习过程中应用AR程序从做中学，将身体与认知相结合，从而深入学习，更有利于学生创造性地生成电磁学基本原理的规律，且实验组的班级整体氛围相较于对照组更加活跃。
（2）学习结果分析
通过前后测的数据对比可以发现，使用AR应用程序的学生在知识方面的表现以及学业成绩的提高明显优于使用基于Web应用程序的学生，并且前者在学习活动之后更有可能产生积极的情绪，激发较深的成就学习，帮助学生更好地专注于任务。
（二）天文AR教学实例[6]：太阳系内外结构学习
该研究旨在探讨使用AR技术开发的学习材料应用于天文课程对中学生成绩的影响，以及确定他们对AR应用程序的使用状态及态度。
1.实验对象
该研究选取来自两所不同公立学校的100名七年级学生，并将其随机分为实验组和对照组，其中，实验组和对照组各50人，实验组使用AR软件学习“太阳系内外”模块，而对照组则使用教科书和传统方法完成相同模块。
2.研究设计
（1）研究工具
基于AR的学习软件是由一位拥有计算机教育和教学技术能力的专家设计和开发的。软件包括太阳系行星的三维立体图像、天体重要概念信息和相关练习，并附带活动手册。其次，记录课堂语言行为以此来调查学生学习状态，以及设计具有效度的“AR活动态度量表”，确定实验组对AR应用的态度。
（2）实验设计
实验研究分为前测、教学和后测三个部分，在实验中保证学习内容、教学者等不变，只改变教学手段这一变量，即实验组使用AR软件进行教学，而对照组使用传统课本教学。具体实验过程如图4所示。 3.研究结果
研究结果表明，在使用AR学习软件的课堂中，学生的学习状态更佳。实验组的学生比对照组的学生有更高的成就水平，他们对课程有着更积极的态度，在使用AR软件时也没有表现出焦虑的迹象，并且学生们乐意并希望在未来能够继续使用AR应用程序进行学习。
（三）化学AR教学实例[7]：物质微观结构学习
该研究旨在探究应用AR技术对学生化学学科中物质微观结构知识的学习状态和学习效果的影响。
1.实验对象
该研究先对学生物质微观结构知识学习情况进行前测，再选取江苏省无锡市某中学高二前测成绩相近的50名学生，随机选择其中25名分配至实验组使用AR技术应用程序和常见实物模型进行高中化学“物质结构与性质”模块的学习，其余为对照组且仅使用实物模型学习。
2.研究设计
（1）研究工具
本研究使用的AR软件由国内某公司针对高中化学选修模块“物质结构与性质”精心设计开发，软件中包含多种物质微观结构模型，包括各类晶体和分子结构、化学键等。
（2）实验设计
根据前测成绩分配学生到实验组和对照组，并由一位有经验的化学教师对两组分别教学。在教学前，对实验组的学生阐述以“金属晶体”为例的AR应用程序的使用方法;正式教学时，在不改变教学目标和教学内容的条件下，分两次授课（教学设计流程如表1所示）;教学结束后，两组进行化学物质微观结构知识的后测。
3.研究结果
根据研究结果显示，AR软件对学生物质微观空间结构知识的接受有明显的促进作用。学生可通过观察与控制微观结构模型来判断自己是否真正掌握模型内在结构，从而与虚拟物体进行深入交互。在这一过程中，学生对抽象、微观的知识内容有更深入的了解，促进了知识体系建构。
三、增强现实教学建议
国内外典型案例的分析研究都体现了具身认知理论的重要特性以及AR技术的优势。因此，基于具身理论视角，对AR技术应用于STEM教育提出可行建议，实现AR技术促进STEM教育的高质量发展。
（一）创设情境课堂，提升环境交互
具身认知理论的情境性主要体现在学习者与学习环境中各个要素交互影响的过程中，即将学习者的大脑、身体、环境作为一个交互式系统，通过全方位的体验感知，提升学习效果。例如，北京师范大学蔡苏团队[8]利用AR技术在多门课程中创设了真实有意义的情境。在化学课程中创设微观粒子的交互式学习情境，学生通过观察分子模型以及在情境中与水分子进行交互，了解水的形成;在地理课程中开发基于位置的校园导览系统，创建虚拟的校园情境，让学生足不出户地了解校园概况等。
增强现实技术与教学的融合，可以将沉浸理论与情境认知学习理论作为其实现的理论基础[9]。AR以其独特的技术优势，通过搭建各种逼真的模型从而构建真实而生动的情境。其强大的情境性，使学习者在学习过程中，提升自身专注力，进入学习沉浸状态，自主地与虚拟教学环境和教学任务进行交互，因此在STEM教育中模型的真实性、互动的质量以及STEM教育为学习者构建的真实有效的虚拟环境显得尤为重要。
（二）扩展认知途径，增强学习体验
传统认知理论以身心二元论为主，认为学习过程是“身”的学习与“心”的学习的分离，教学呈现出一种静态的过程，教学内容具有片面性，教学活动单一，师生互动欠缺，学生发展也呈现出一种不平衡的状态，各方面素质无法得到综合提升。而具身认知的具身性特点则强调身心结合的学习，体现在教学应用的过程中应通过多种认知途径与方式相结合，以学生为主体进行“心—身—物”的互动建构，使学生能够自主生成经验，促进学生德智体美的全面发展。
如在前文提到的天文课程教学案例中，教师在设计教学活动时，根据教学目标，创建情境，确定丰富多彩的教学内容拓宽学生的认知途径，课堂在某段时间内使用AR程序，引导学生活动时，布置多种多样的任务，组织学习共同体协作学习，增强学习体验，使得学生在知识、技能、情感等领域中得到发展。
（三）注重意义生成，重构自身认知
具身认知认为学生在真实情境中生理体验与心理体验有着强烈的相互作用。具身认知的生成性，则是学生在与环境相互作用的过程中获得生理体验从而促进心理发展，在心理发展的基础上又进一步提升生理体验。
传统的课堂教学，主要是以教师为中心进行基本知识与基本技能的传授，教学方式单一，缺少与学生的互动，学生的主体性无法有效发挥。AR技术教学应用于STEM教学，尊重学生的主体地位，让学生自己通过于虚拟环境的互动，去探索去理解教学内容，在互动中不断建构自己的经验，深化对教学内容的认知。一个优秀的课堂必须是“预设性”与“生成性”的有机统一。AR技术在STEM教学领域中运用，应在遵循教学目标的方向基础上，注重学生的主体地位，在真实的情境中，鼓励学生探索发现，促进学生经验的生成。如在物理AR教学中，教师通过引导学生对电路元素三维模型的操作，以学生为主体，鼓励学生自主动手探究电路的模拟活动，进而掌握电路原理。
四、结语
国内外在基础教育STEM课程中应用AR教学案例普遍偏少，AR技术与教学的融合还处在应用初期，但AR技术为学习者提供感官体验，刺激学生学习兴趣，提高学习效果，推动教育信息化的发展进程，却是毋庸置疑的。
本研究通过对典型案例的探讨，在具身认知视角下，从理论的特征出发，创设情境、拓展认知、促进意义生成，为AR技术应用于教学提供可行性建议，从而充分发挥AR的教育价值，促进AR技术与教学的深度融合，推进教育的高质量发展。
参考文献
[1]高媛，黄荣怀.《2017新媒体联盟中国高等教育技术展望：地平线项目区域报告》解读与启示[J].电化教育研究，2017，38（4）：15-22.
[2]赵晓嬿.增强现实技术在基础教育教材领域的应用现状及发展策略[J].出版科学，2019（6）：93-97.
[3] 王靖，刘志文，陈卫东.未来课堂教学设计特性：具身认知视角[J].现代远程教育研究，2014（5）：71-78.
[4] 林晓凡，朱倩仪，吴倩意，等.增强现实体验式教学资源的科学教育：策略与案例[J].中国电化教育，2019（9）：60-67.
[5]IB? EZ M B，SERIO A D，VILLAR N D，et al.Experimenting with Electromagnetism Using Augmented Reality：Impact on Flow Student Experience and Educational Effectiveness[J].Computers & Education（S0360-1315），2014，71：1-13.
[6]SAHIN D，YILMAZ R M.The Effect of Augmented Reality Technology on Middle School Students’Achievements and Attitudes towards Science Education[J].Computers & Education（S0360-1315），2020，144：1-11.
[7] 朱鵬飞.增强现实（AR）技术促进高中生化学微观结构学习的研究[J].化学教学，2019（9）：34-38.
[8] 蔡苏，张晗，薛晓茹，等.增强现实（AR）在教学中的应用案例评述[J].中国电化教育，2017（3）：1-9+30.
[9] 胡智标.增强教学效果拓展学习空间：增强现实技术在教育中的应用研究[J].远程教育杂志，2014，32（2）：106-112.
（责任编辑 王策）
关键词：增强现实;STEM教育;具身认知
中图分类号：G4 文献标志码：A 文章编号：2096-0069（2020）03-0021-05
一、增强现实技术及其具身认知优势
《2017年新媒体联盟中国高等教育技术展望：地平线项目区域报告》[1]指出：增强现实（Augmented Reality，AR）将作为K-12和高等教育发展中长期所采用的关键技术。增强现实是指以计算机图形、可视化等技术为核心，将虚拟的信息与真实环境相融合，从而达到超越现实的感官体验的数字化技术[2]。用户不仅可以看到真实世界以及融合于真实世界之中的虚拟物体，还能够在真实场景中与之交互，形成个人探索空间，引导用户深入理解概念知识，产生新的构思与创意。
技术的发展促使认知理论发生变革，人们对认知本质和教学过程等进行新的探讨，对传统“离身”特征的认知理论提出新的思维方式：具身认知。具身认知理论主张身体的知觉是行为产生的基础，身体的物理属性、状态及其感知运动经验会改变认知，认知是具体的个体在实时的环境中产生的[3]。即其强调概念的认知形成需依托于学习者身体感知体验、环境作用和群体情感互动等，突出“身体—认知—环境”三位一体的重要性。
在课堂中，创建的学习共同体在具身认知学习环境下进行群体的情感互动，更能加深认知体验。因此，将AR技术应用于教育领域存在着巨大潜力，尤其是对STEM教学，如物理、化学、生物等学科，可以创造一种体验与沉浸式的学习环境，快速提高学习者的学习兴趣，达到知识的建构，具有强大的启发意义。
二、STEM教学的增强现实典型案例分析
STEM学科（Science，Technology，Engineering，Mathematics）具备抽象化、微观化、模型化、空间认知以及彰显实验能力的学科特征[4]，这些特征在实际应用中给教师教学带来巨大的挑战，但AR技术极强的沉浸性可以弥补现实模型不精确、认知不足等缺陷。为了解AR技术的应用现状，本研究從Computers & Education和《化学教学》期刊中选取了三个来自国内外引用率较高的增强现实教学实证研究案例。
（一）物理AR教学实例[5]：电磁学的基本原理学习
该研究的目的是评估在物理基本原理的学习过程中，学生运用增强现实应用程序的状态，并探究AR技术对学习者满意程度和学习效果的影响。
1.实验对象
该研究选取西班牙4所中学共60名高三学生作为实验对象，按照随机分配原则进行分组。其中，实验组的32名学生使用基于AR的应用程序进行电磁学基本原理的学习，对照组的28名学生使用基于Web的应用程序进行学习。
2.研究设计
（1）程序设计
程序设计包括两类。一类是基于AR的应用程序，学生通过平板电脑扫描基准标记（如图1所示）识别模拟电路的三维模型，且每个模型的操作都关联着具体的学习材料、要解决的问题及一些可以帮助学生可视化电磁力及探索电路的模拟活动（如图2所示）。另一类是基于Web的应用程序，每个阶段包含着与前者相同的学习目标和教育内容应用，主要通过导航超链接访问学习材料。
（2）实验设计
研究根据学生的测验情况收集电磁学基本原理的学习效果数据，使用沉浸体验量表和开放式问卷来收集学生使用AR应用程序辅助学习的身心状态和情感态度方面的相关数据。前者用来比较两组的学习效果，后者了解实验组应用程序的情感态度。研究过程的设计如图3所示。
3.研究结果
（1）学生状态分析
通过对学生课堂状态的调研，实验组的学生基本能全身心地投入课堂。他们在学习过程中应用AR程序从做中学，将身体与认知相结合，从而深入学习，更有利于学生创造性地生成电磁学基本原理的规律，且实验组的班级整体氛围相较于对照组更加活跃。
（2）学习结果分析
通过前后测的数据对比可以发现，使用AR应用程序的学生在知识方面的表现以及学业成绩的提高明显优于使用基于Web应用程序的学生，并且前者在学习活动之后更有可能产生积极的情绪，激发较深的成就学习，帮助学生更好地专注于任务。
（二）天文AR教学实例[6]：太阳系内外结构学习
该研究旨在探讨使用AR技术开发的学习材料应用于天文课程对中学生成绩的影响，以及确定他们对AR应用程序的使用状态及态度。
1.实验对象
该研究选取来自两所不同公立学校的100名七年级学生，并将其随机分为实验组和对照组，其中，实验组和对照组各50人，实验组使用AR软件学习“太阳系内外”模块，而对照组则使用教科书和传统方法完成相同模块。
2.研究设计
（1）研究工具
基于AR的学习软件是由一位拥有计算机教育和教学技术能力的专家设计和开发的。软件包括太阳系行星的三维立体图像、天体重要概念信息和相关练习，并附带活动手册。其次，记录课堂语言行为以此来调查学生学习状态，以及设计具有效度的“AR活动态度量表”，确定实验组对AR应用的态度。
（2）实验设计
实验研究分为前测、教学和后测三个部分，在实验中保证学习内容、教学者等不变，只改变教学手段这一变量，即实验组使用AR软件进行教学，而对照组使用传统课本教学。具体实验过程如图4所示。 3.研究结果
研究结果表明，在使用AR学习软件的课堂中，学生的学习状态更佳。实验组的学生比对照组的学生有更高的成就水平，他们对课程有着更积极的态度，在使用AR软件时也没有表现出焦虑的迹象，并且学生们乐意并希望在未来能够继续使用AR应用程序进行学习。
（三）化学AR教学实例[7]：物质微观结构学习
该研究旨在探究应用AR技术对学生化学学科中物质微观结构知识的学习状态和学习效果的影响。
1.实验对象
该研究先对学生物质微观结构知识学习情况进行前测，再选取江苏省无锡市某中学高二前测成绩相近的50名学生，随机选择其中25名分配至实验组使用AR技术应用程序和常见实物模型进行高中化学“物质结构与性质”模块的学习，其余为对照组且仅使用实物模型学习。
2.研究设计
（1）研究工具
本研究使用的AR软件由国内某公司针对高中化学选修模块“物质结构与性质”精心设计开发，软件中包含多种物质微观结构模型，包括各类晶体和分子结构、化学键等。
（2）实验设计
根据前测成绩分配学生到实验组和对照组，并由一位有经验的化学教师对两组分别教学。在教学前，对实验组的学生阐述以“金属晶体”为例的AR应用程序的使用方法;正式教学时，在不改变教学目标和教学内容的条件下，分两次授课（教学设计流程如表1所示）;教学结束后，两组进行化学物质微观结构知识的后测。
3.研究结果
根据研究结果显示，AR软件对学生物质微观空间结构知识的接受有明显的促进作用。学生可通过观察与控制微观结构模型来判断自己是否真正掌握模型内在结构，从而与虚拟物体进行深入交互。在这一过程中，学生对抽象、微观的知识内容有更深入的了解，促进了知识体系建构。
三、增强现实教学建议
国内外典型案例的分析研究都体现了具身认知理论的重要特性以及AR技术的优势。因此，基于具身理论视角，对AR技术应用于STEM教育提出可行建议，实现AR技术促进STEM教育的高质量发展。
（一）创设情境课堂，提升环境交互
具身认知理论的情境性主要体现在学习者与学习环境中各个要素交互影响的过程中，即将学习者的大脑、身体、环境作为一个交互式系统，通过全方位的体验感知，提升学习效果。例如，北京师范大学蔡苏团队[8]利用AR技术在多门课程中创设了真实有意义的情境。在化学课程中创设微观粒子的交互式学习情境，学生通过观察分子模型以及在情境中与水分子进行交互，了解水的形成;在地理课程中开发基于位置的校园导览系统，创建虚拟的校园情境，让学生足不出户地了解校园概况等。
增强现实技术与教学的融合，可以将沉浸理论与情境认知学习理论作为其实现的理论基础[9]。AR以其独特的技术优势，通过搭建各种逼真的模型从而构建真实而生动的情境。其强大的情境性，使学习者在学习过程中，提升自身专注力，进入学习沉浸状态，自主地与虚拟教学环境和教学任务进行交互，因此在STEM教育中模型的真实性、互动的质量以及STEM教育为学习者构建的真实有效的虚拟环境显得尤为重要。
（二）扩展认知途径，增强学习体验
传统认知理论以身心二元论为主，认为学习过程是“身”的学习与“心”的学习的分离，教学呈现出一种静态的过程，教学内容具有片面性，教学活动单一，师生互动欠缺，学生发展也呈现出一种不平衡的状态，各方面素质无法得到综合提升。而具身认知的具身性特点则强调身心结合的学习，体现在教学应用的过程中应通过多种认知途径与方式相结合，以学生为主体进行“心—身—物”的互动建构，使学生能够自主生成经验，促进学生德智体美的全面发展。
如在前文提到的天文课程教学案例中，教师在设计教学活动时，根据教学目标，创建情境，确定丰富多彩的教学内容拓宽学生的认知途径，课堂在某段时间内使用AR程序，引导学生活动时，布置多种多样的任务，组织学习共同体协作学习，增强学习体验，使得学生在知识、技能、情感等领域中得到发展。
（三）注重意义生成，重构自身认知
具身认知认为学生在真实情境中生理体验与心理体验有着强烈的相互作用。具身认知的生成性，则是学生在与环境相互作用的过程中获得生理体验从而促进心理发展，在心理发展的基础上又进一步提升生理体验。
传统的课堂教学，主要是以教师为中心进行基本知识与基本技能的传授，教学方式单一，缺少与学生的互动，学生的主体性无法有效发挥。AR技术教学应用于STEM教学，尊重学生的主体地位，让学生自己通过于虚拟环境的互动，去探索去理解教学内容，在互动中不断建构自己的经验，深化对教学内容的认知。一个优秀的课堂必须是“预设性”与“生成性”的有机统一。AR技术在STEM教学领域中运用，应在遵循教学目标的方向基础上，注重学生的主体地位，在真实的情境中，鼓励学生探索发现，促进学生经验的生成。如在物理AR教学中，教师通过引导学生对电路元素三维模型的操作，以学生为主体，鼓励学生自主动手探究电路的模拟活动，进而掌握电路原理。
四、结语
国内外在基础教育STEM课程中应用AR教学案例普遍偏少，AR技术与教学的融合还处在应用初期，但AR技术为学习者提供感官体验，刺激学生学习兴趣，提高学习效果，推动教育信息化的发展进程，却是毋庸置疑的。
本研究通过对典型案例的探讨，在具身认知视角下，从理论的特征出发，创设情境、拓展认知、促进意义生成，为AR技术应用于教学提供可行性建议，从而充分发挥AR的教育价值，促进AR技术与教学的深度融合，推进教育的高质量发展。
参考文献
[1]高媛，黄荣怀.《2017新媒体联盟中国高等教育技术展望：地平线项目区域报告》解读与启示[J].电化教育研究，2017，38（4）：15-22.
[2]赵晓嬿.增强现实技术在基础教育教材领域的应用现状及发展策略[J].出版科学，2019（6）：93-97.
[3] 王靖，刘志文，陈卫东.未来课堂教学设计特性：具身认知视角[J].现代远程教育研究，2014（5）：71-78.
[4] 林晓凡，朱倩仪，吴倩意，等.增强现实体验式教学资源的科学教育：策略与案例[J].中国电化教育，2019（9）：60-67.
[5]IB? EZ M B，SERIO A D，VILLAR N D，et al.Experimenting with Electromagnetism Using Augmented Reality：Impact on Flow Student Experience and Educational Effectiveness[J].Computers & Education（S0360-1315），2014，71：1-13.
[6]SAHIN D，YILMAZ R M.The Effect of Augmented Reality Technology on Middle School Students’Achievements and Attitudes towards Science Education[J].Computers & Education（S0360-1315），2020，144：1-11.
[7] 朱鵬飞.增强现实（AR）技术促进高中生化学微观结构学习的研究[J].化学教学，2019（9）：34-38.
[8] 蔡苏，张晗，薛晓茹，等.增强现实（AR）在教学中的应用案例评述[J].中国电化教育，2017（3）：1-9+30.
[9] 胡智标.增强教学效果拓展学习空间：增强现实技术在教育中的应用研究[J].远程教育杂志，2014，32（2）：106-112.
（责任编辑 王策）