基于增強現(xiàn)實技術的小學數(shù)學教學模式設計研究

基于增強現(xiàn)實技術的小學數(shù)學教學模式設計研究一、引言進入21世紀以來，隨著信息技術的不斷發(fā)展，人工智能、虛擬現(xiàn)實、大數(shù)據(jù)等新興技術對教育教學的發(fā)展呈現(xiàn)出智能化、協(xié)同化、個性化、泛在化的趨勢。利用網(wǎng)絡技術或智能工具進行輔助教學和持續(xù)學習，對兒童多樣化的學習方法和學習互動有一定的改善。2016年被稱為“VR元年”，國內研究人員也在不斷探索虛擬現(xiàn)實(VR)和增強現(xiàn)實(AR)技術在教育中的應用。例如，SCai認為增強現(xiàn)實作為一種新的方式可以在教育領域進行交叉融合，學習者可以在虛擬和真實的學習背景下以更自然、更真實的方式自主探索。XDChen認為，增強現(xiàn)實具有立體沉浸的特點，為教學對象模擬、教學過程體驗和師生互動提供了豐富的教與學體驗。增強現(xiàn)實技術作為虛擬現(xiàn)實技術的技術延伸，可以通過一定的計算機仿真技術，將虛擬物體疊加到現(xiàn)實世界中，實現(xiàn)無縫連接，可以給孩子的學習帶來許多潛在的好處?，F(xiàn)代兒童教育應受到廣大教育工作者的重視。學生的教與學離不開正確的教學和引導。小學一年級是培養(yǎng)學生數(shù)學學習興趣的重要時期。枯燥、單一的計算練習不僅會削弱學生的學習熱情，還會喪失學生原有的學習熱情。這也會增加家長和老師不必要的負擔。參考《義務教育數(shù)學課程標準》，計算能力主要是指按照規(guī)律和算法正確進行運算的能力，通過培養(yǎng)計算能力，學生能夠理解計算的算術，尋求合理簡單的解題方法。在這個年齡段，孩子們正在從具體的物體轉向理解抽象數(shù)字概念的過程。因此，有必要充分考慮這個年齡段學習數(shù)學的學生的特點。首先要找出學生的認知發(fā)展規(guī)律和心理特點，進而激發(fā)孩子的學習興趣，最終促進學生思考和解決數(shù)學問題的思維能力。本文通過對增強現(xiàn)實技術的基本含義和特點的闡述，闡述了增強現(xiàn)實技術的優(yōu)勢，并分析了情境學習理論、流理論和具身認知理論在教學系統(tǒng)設計中的價值。并進一步細化了具體案例的教輔系統(tǒng)、交互設計和課程設計。以下是基于增強現(xiàn)實技術的教學綜述。二、文獻綜述在教育領域，第一個將增強現(xiàn)實技術應用于教育教學的是比林赫斯特團隊。他們創(chuàng)造了魔法書，將3D模型動畫疊加到書中。通過特殊的眼鏡，孩子們可以觀察到虛擬與現(xiàn)實的結合。學習場景能增加學習者讀書的興趣。通過特殊的眼鏡，幼兒可以觀察到虛擬和真實的學習場景，增加了學習者在閱讀書籍時的興趣。同樣，ADünser和EHornecker設計并開發(fā)了一個增強現(xiàn)實互動故事書，它使用動畫虛擬3D角色、聲音和互動任務來學習。目的是觀察6-7歲的兒童如何互動和合作學習。學習基于增強現(xiàn)實技術的軟件開發(fā)不僅僅是單一的模型動畫，還需要在它發(fā)生的特定背景上建立知識。例如XChen設計開發(fā)的BubblePlanetAR教育游戲，學生扮演拯救地球的角色，然后完成理解和記憶英語詞匯的任務。這個過程有利于激發(fā)孩子對學習內容的好奇心和通關游戲的滿足感。在兒童低齡教育中，數(shù)學學習也是一個不可忽視的分支?！逗喢髋＝蛟~典》將其定義為“關于數(shù)字、數(shù)量和空間的抽象科學”。數(shù)學可以被看作是一種組織思想以形成概念的方法。隨著科技的不斷發(fā)展和進步，近年來，許多研究者在數(shù)學教學中嘗試了一些更直觀、更豐富的學習工具，以更直觀的方式將學習內容呈現(xiàn)給學生。例如，基于AR技術的教學軟件的開發(fā)與應用。HKaufmann通過使用3D構建工具和移動協(xié)同增強現(xiàn)實系統(tǒng)，探索幾何對象在高中和大學數(shù)學和幾何教育中的應用和集成。幾何物體的變換關系可以直觀地顯示出來，方便學生理解更復雜的空間概念。JPurnama建立了基于OpenCV的增強現(xiàn)實幾何學習工具原型系統(tǒng)，利用OpenCV的實時書本顏色和虛擬物體注冊功能，幫助兒童完成量角器的學習。實驗結果表明，學生可以直接與虛擬對象進行交互，數(shù)學學習興趣明顯提高。簡財開發(fā)了一個簡單的AR系統(tǒng)來提高數(shù)學學習能力，使學習者能夠更好地觀察和理解三維物體的結構。同樣，HSLee和JWLee利用骰子和棋盤之間的距離來移動z軸來學習數(shù)學圖形，從而提高了學習者的參與度和AR教育游戲的可用性。MFigueiredo運用不同的增強現(xiàn)實技術設計了有標記點和無標記點形式的數(shù)學教學活動，將課堂擴展為虛擬空間，學生可以有更多的時間練習解題。IRadu發(fā)現(xiàn)AR技術將數(shù)字信息覆蓋在物理對象上的能力允許創(chuàng)建連接物理和抽象內容的游戲，這可能會讓學生比使用傳統(tǒng)方法更容易地以更吸引人的方式學習困難的數(shù)學主題。通過以上對數(shù)學學習的回顧，我們發(fā)現(xiàn)很多研究者更注重學生學習能力和學習參與度的提高，而缺乏獨立的空間來幫助身體動作的發(fā)展。本文針對這一問題設計了相應的解決方案。三、研究設計1.相關概念增強現(xiàn)實簡稱AR，是虛擬現(xiàn)實技術下增強現(xiàn)實技術的延伸。1994年，Milgram、Takemura、Utsumi和Kishino定義了虛擬環(huán)境和真實環(huán)境的關系。如圖1所示，混合現(xiàn)實介于真實環(huán)境和虛擬環(huán)境之間，而混合現(xiàn)實的實際應用更多的是增強現(xiàn)實。它能夠通過一定的計算機仿真技術，將虛擬物體疊加到現(xiàn)實世界中，實現(xiàn)無縫集成。圖1由Millgram定義的真實環(huán)境與虛擬環(huán)境之間的關系2.特征與優(yōu)勢增強現(xiàn)實技術具有三維配準、實時交互、虛擬現(xiàn)實等特點。它不僅實時提供動態(tài)的虛擬場景，還通過相應的交互傳感裝置達到實時交互的目的。與現(xiàn)實世界的無縫連接，讓用戶獲得更真實的場景效果，更自然和諧地沉浸在實時互動中。它具有將抽象的學習內容可視化，支持泛在環(huán)境中的情境學習，增強學生注意力和集中力的優(yōu)點。激發(fā)學生的學習興趣，豐富學習內容，激發(fā)學生自主探索的內在動力。3.理論支撐本文通過文獻研究法，系統(tǒng)梳理了基于增強現(xiàn)實技術的主要學習理論，主要分為情景學習理論、流理論和具身認知理論。(1)情境學習理論強調知識與情境的動態(tài)互動過程。課程設計應將知識與語境相結合，在學習者與語境的互動中改進和發(fā)展學習活動。(2)流動理論。匈牙利裔美國心理學家MihalyCsikszentmihalyi將思維流定義為將個人精力投入某一事件或活動的感覺。在這個過程中獲得高度的興奮和充實。如何讓孩子在游戲中達到心流狀態(tài)，是教育者考慮的重點。(3)具身認知理論。具身認知理論主要是指生理體驗與心理狀態(tài)之間的強聯(lián)系。強調人體運動可以促進學習者感知運動經(jīng)驗知識的學習。也就是說，人們通過身體感知周圍的世界。4.“ARMc”教學模式設計大部分教學設計模型可以歸納為ADDIE模型。它也被稱為通用教學設計模型。一般包括以下五個部分:分析、設計、開發(fā)、實施、評估。有效地改進課堂教學對學生未來的發(fā)展至關重要。增強現(xiàn)實技術是近年來教育領域的研究熱點之一。它在創(chuàng)造真實與虛擬的情景教學、促進跨學科學習、打破固定的時間和空間限制、支持多樣化的教學實踐活動、與實驗教學相結合等方面發(fā)揮著至關重要的作用。通過分析增強現(xiàn)實技術的特點和應用于教學的可能性，結合ADDIE通用教學模型，構建了基于“AR+數(shù)學課程(ARMc)”的教學設計模型，如圖2所示。圖2.

基于AR技術的小學數(shù)學教學模式設計在使用“ARMc”教學模式的過程中，學生必須學習理論知識和實踐操作，增強協(xié)作能力和獨立探索能力。利用增強現(xiàn)實直觀和可視化的優(yōu)勢，幫助學生在學習中構建理論認知。在這種模式下，教師主要發(fā)揮輔助、引導、迷惑的作用。學生是主體，促進了群體間的合作與競爭。最后，教師結合學生的知識掌握情況，對所設計的AR軟件進行可行性評估。四、討論與結論本文通過對文