一、新课标对小学科学教学的要求
（一）小学科学是一门基础性课程面向全体学生的课程
早期的科学教育对一个人的科学素养的形成具有十分重要的作用，通过学习科学课程能够使学生体验科学探究的过程，初步了解与小学生认知水平相适应的一些基本的科学知识，培养提问的习惯，能够利用科学方法和科学知识初步理解身边自然现象和解决某些简单的实际问题。同时它也是一门面向全体学生的课程。同时它也是一门基础课程，旨在培养学生的科学素养、创新精神和实践能力，学好科学具有重要的价值。
（二）小学科学课程是一门实践性课程
探究活动是学生学习科学的重要方式，小学科学课程把探究活动作为学生学习科学的重要方式，强调从学生熟悉的日常生活出发，通过学生亲身经历动手动脑等实践活动，了解科学探究的具体方法和技能&理解基本的科学知识。发现和提出生活实际中的简单科学问题&并尝试用科学方法和科学知识予以解决，在实践中体验和积累认知世界的经验，提高科学能力，培养科学态度。
（三）小学科学课程是一门综合性课程
理解自然现象和解决实际问题需要综合运用不同领域的知识和方法，小学科学课程针对学生身边的现象，综合呈现科学知识和科学方法，强调知识之间的相互渗透和相互联系，注重自然世界的整体性，发挥不同知识领域的教育功能和思维培养功能。
综上所述，小学科学教育工作者应倡导以探究式学习为主的多样化学习方式，促进学生主动探究，突出创设学习环境，为学生提供更多自主选择的学习空间和充分的探究式学习机会，强调做中学和学中思，通过合作与探究，逐步培养学生提出科学问题的能力。
二、小学科学教学面临的问题
在新课标的指引下，小学科学教学发生了巨大的转变，课堂教学由以前的教师单一讲授转变为师生共同探究。但在实际的教学中仍存在不少问题：受教师个人素养、实验室场地、实验设备和技术条件等因素的制约， 探究式学习存在简单化、程序化的问题。②资源缺乏，发展不均衡。小学科学资源开发不足主要表现在多媒体资源、实验资源和游戏资源等方面，开发的资源比较单一，城市与农村发展不平衡，在农村学校、中西部地区学校表现更为明显。③学生主体地位与教师主导作用存在偏差。在新课标的指引下，小学科学教学发生了巨大的转变，但仍存在不少问题：①探究式学习是小学科学教学的主要方法和核心内容，在当前的小学科学教学中，由于受教师个人素养、实验室场地、实验设备和技术条件等因素的制约， 探究式学习存在简单化、程序化的问题。②资源缺乏，开发不足。小学科学资源开发不足主要表现在多媒体资源、实验资源和游戏资源等方面，在农村学校、中西部地区学校表现更为明显。③在科学课堂上，学生主体地位没有得到充分的体现。
为了更好地改善小学科学教学，教育研究工作者青睐于借助现代教育技术， 特别是利用AR技术来改善小学科学的教学方法，丰富教学资源和教学手段，活跃课堂氛围，激发学生的学习积极性，提高学校效果，从而充分提高学生的科学素养。
三、AR在小学科学中的应用
近年来，增强现实技术（AR）被广泛应用于教育教学领域，其原因是它独特的技术优势和教育价值。AR技术具有可视化、情境性、交互性的特点，而教学知识之间具有相关性、直观性和发展性的特性，AR技术与教育教学的有机结合，让学生从所熟悉的身边真实现象出发，真实展示微观结构或抽象概念，甚至再现某些无法模拟或难以模拟的实验现象，增强现实技术为教育教学指明了新的研究方向。
（一）为有意义的学习建构情境
建构主义学习理论强调学习、知识和智慧的情境性，认为只是不可能脱离活动情而抽象地存在，学习应该与情景化社会实践活动结合起来。学习是学生自己建构知识的过程，而不是被动的吸收信息，这种建构不可能由其他人代替。在小学科学教学内容中的天体运动、岩石的变化、植物的生长、动物的生命周期等都是比较抽象的知识，小学生处于具体运算阶段，对事物的认识要借助于具体实物，掌握抽象知识对他们来说比较吃力。增强现实技术是创设真实情境有效的工具，逼真的“虚拟真实”世界，加上交互功能，能让学习者很快融入虚拟现实系统，体验到与现实一样的情境。利用增强现实技术提供的场景，学生能自主决定时间跨度，决定空间角度，将长期运转过程压缩，打破空间、时间对教学的限制，消除时间与空间造成的认知阻断，增强虚拟现实技术为学生提供了生动活泼、直观形象的思维材料，学生在与情境作 用的过程中处在交互状态，由此形成良好的认知结构，知识就在不知不觉中，通过不断的自我同化与顺应的过程，逐步建构起来，形成有意义的学习。
（二）增强对事物、概念的感知与理解
AR技术能将抽象、晦涩难懂的知识以更生动、直观、全面的方式呈现出来，学生能通过不同的视角观察，从而增强对现实事物的理解。利用AR 在呈现现实与虚拟相融合的内容
方面的专长，让虚拟素材的展示更为形象具体，增强对现实情境的视觉感知能力。例如下载AR卡牌相应的专用软件，使用移动设备扫描AR卡片，即可出现角色的立体图像，实现“立体动起来”的效果，这能给学生创设立体观察的机会。这种全新的体验方式，会给学生带来超越传统的感受，不仅有利于知识吸收，更能让学生在趣味性和互动性的过程中增强对概念的理解。
（三）支持课堂内外混合式学习
依照《小学科学课程标准》的指导思想，小学科学教学应尊重学生的意愿兴趣，以开放的思想和态度，为学生创设良好舒适的学习环境，让学生充分掌握身边的科学知识，使他们将所学的知识和技能在平时生活中得以灵活运用。显然，仅凭课堂教学是满足不了学生的求
知欲的。借助现代教育技术可以创设出与现实环境相媲美的虚拟环境，使学生体验难以比拟的现场感和真实感。
四、基于AR技术的小学科学教育游戏课件的设计与开发
根据皮亚杰的建构学习理论和沉浸理论，学习是沉浸在某种特定的情境中，在原有的经验基础之上建构起新的知识经验的过程。利用Unity3D软件来建构AR游戏虚拟学习环境，让学生主动参与更多的情景，让学生感受到“学习是一种真实情境的体验”。
本案例内容选自教科版六年级上册《太阳系》这一章节，根据教学内容设计基于AR的小学科学游戏—太阳系，研究内容主要涉及教学内容设计和教育游戏设计，其设计框架如图1所示。
图1
1.教学设计
教学设计主要包括教学目标、教学需求及内容分析。本课的教学目标是通过收集资料认识和了解太阳系，知道太阳和围绕它运动的行星和小天体组成了太阳系，太阳系是一个较大的天体系统。根据皮亚杰的儿童认知发展阶段理论，六年级处于具体运算阶段，该阶段的学生具有初步的逻辑思维能力，但他们认识事物仍然要借助具体的模型，因此该阶段的学生很难理解抽象的学习对象。为了帮助学生更好地辨别和认识太阳系，笔者研发了一款AR教育游戏，将书本上的二维图片变成立体的三维模型，其优点在于可以将距离我们很遥远的太阳系通过AR技术呈现在学生面前，拉近学生与太阳系之间的距离。从而提高了课堂效率，激发了学生学习的积极性。
2. 游戏设计
游戏设计主要包括游戏原则、框架、内容及开发步骤、交互设计、规则设计等内容。基于 Unity 3D 技术和 Vuforia 技术支持开发 AR 游戏和设计课程，以期达到教学目标、教学目的，是以基于以下设计原则： （1）教育游戏设计遵循科学性原则；教育游戏在于“学”与“玩”，选取《科学》的教学内容，基于科学教育的学科特点，了解 AR 技术自身的特点，科学设计小学科学 AR 教育游戏。（2）教育游戏教学内容的选取需要符合游戏对象的发展规律；根据皮亚杰的认知发展规律，六年级学生处于具体运算阶段向形式运算阶段发展的阶段，这一阶段的儿童正在形成逻辑思维，教学内容的选取必须符合学生的认知发展规律。（3）教育游戏需要强化教学目标和教学内容；AR 教育游戏从某种程度上来说提高了学生课堂学习的专注度和提升了课堂的学习氛围，而游戏设计则要突出教学目标和教学目的。孩子的天性就是好奇和爱玩，游戏对于孩子有一种天然的吸引力，教育游戏有助于教学工作的实施，可以让教师事半功倍但前提是游戏不能失去趣味性。
基于小学科学六年级太阳系的课本，本游戏内容设计主要分为“认识太阳系”、“了解太阳系”和“课后练习”三部分。界面设计如图2所示。
图2
“认识太阳系”部分可以通过手机摄像头扫描教育科学出版社小学六年级上册《科学》书中《太阳系》这一节课中的图片，将会出现太阳系中天体的AR 虚拟模型，玩家可以通过切换不同的按钮来切换不同的行星出现，同时玩家可以通过手指将虚拟模型进行缩放大小和旋转操作。
“了解太阳系”部分点击进入后，将会出现场景一：导入视频，当你仰望星空时，无数的星星是否引发你无穷的想象呢？你想不想认识茫茫宇宙的真面目呢？下面让我们一起来探索太阳系中国的奥秘吧！导入视频是引起学生对太阳系的好奇心和求知欲，激发他们的学习兴趣。导入视频后长按屏幕说话，可以语音识别太阳和八大行星的名字，当游戏识别到行星，随后便会进入某一行星的详细介绍，进入场景二，在这里我们选取太阳作为例子。太阳，配有视频讲解， 视频讲解后玩家需要进入“闯关答题”环节，进行答题测试，测试内容来自于视频讲解中的某个知识点，当选择到正确答案后会得到“回答正确”的文字提示，同时还会出现“继续学习”和“返回主页”两个按钮，如图3所示。当选择到错误答案后会得到“回答错误”的文字提示，同时还会出现“重新观看”“返回主页”如图4所示。玩家可以随意选择，点击“继续学习”按钮，进入到其他，操作和环节与场景二相同，以此类推。每个界面都有“返回主页”按钮操作，点击后进入到主页面，主页面可以再次选择识别方式。
图3 图4
“课后练习”部分点击进入后，“课后练习”部分：当学生对太阳系有一定认识的时候，进入练习环节巩固课堂所学知识。课后练习分为两题。第一题为排序题，通过手指将八大行星与太阳的距离进行排序。第二大题为选择题，为语音识别答案。答对屏幕显示“恭喜你成功过关”，接着进入下一关，如图5所示。答错则不进入下一关如图6所示。
图 5 图6
基于小学科学《太阳系》的教育游戏规则设计，每款游戏都有一个游戏规则约束着玩家，《太阳系》AR游戏要求玩家可以扫描书本上的图片进行观察和研究，同时如果在游戏“认识太阳系”部分，学生必须听教学讲解，并且回答相对应的提问，不完成提问的玩家无法进入下一个行星场景。游戏操作说明，这款游戏主要是通过点击主屏幕上的按钮“有认识太阳系”、“了解太阳系”和“课后练习”完成模式的选择，进入到场景后，每个场景都会设置有“返回主页”按钮，可以进入到游戏场景的主屏幕，有再次选择模式的机会。“认识太阳系”模式是完全靠按钮进行场景切换的，“了解太阳系”模式中可以语音识别实现场景切换。“答题闯关”按钮是进入到下一个动物场景必须进入的提问环节，只有完成提问，才可以继续游戏。
游戏开发主要包括开发平台Untiy3D、Android系统，Java环境，将各种场景、行星模型、动画导入到Unity3D开发平台中，并设计游戏交互功能，设计完成之后可以通过配置SDK和JDK路径再发布相应的APK。
开发步骤
（1）场景的搭建
《太阳系》场景主要包括AR场景，主界面场景，了解太阳系场景，课后练习场景。
AR场景搭建：
①导入VuforiaSDK；②创建 Vufoira应用，通过网站获取License Key， 导入应用数据包untiypackage；③新建场景，删除原Main Camera，将Vuforia/ Perfabs文件中的ARCamera和 ImageTarget预制件拖入层级视图④将建好的3D模型添加到场景，并设置 ImageTarget的子对象，然后在 Inspector中对相关数据进行设置和修改。
主界面场景：在主界面中包含认识太阳系、了解太阳系和课后练习三个场景切换按钮，添加按钮事件和背景界面。实现点击按钮跳转。
了解太阳系场景：制作问答题界面。制作视频界面。场景中的视频由Unity提供的VideoPlayer组件实现播放功能，Voice脚本接入百度语音的API，实现语音解析，播放不同的讲解视频。
课后练习场景：制作题目内容以及UI界面，实现第一题的拖动UI效果。TestVoice脚本接入百度语音的API，实现语音解析，回答不同题目。
（2）模型的导入
本游戏的行星模型都是在3D 模型网下载的，打开3Dmax软件， 将模型导入3Dmax中转为FBX格式，最后将FBX格式的模型直接拖到unity/Assets/model文件夹中。
信息技术与课程整合应用，正在促进我国的课程改革，转变学生的学习方式。引入增强现实技术可以改变课程内容承载的介质，，弥补传统媒体教学的一些缺陷；改变传统的老师单一讲授的课堂模式，向着老师引导学生主体的方向发展，在课堂上利用虚实结合的场景，给学生提供一个全新的学习情境，使课程内容变得更加丰富多彩。AR技术让小学科学课本“化虚为实”，使教师的教学形象生动。 目前学校一般采用实验法、演示法等方法教授学生科学知识，虽然较与其他课程来说，形式已经比较丰富有趣，但将教育游戏应用到《科学》课程中去，可以 真正的实现学生“在做中学”，培养学生们学习科学的兴趣。
