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基于增强现实技术的小学数学教学模式设计研究

一、引言

进入21世纪以来，随着信息技术的不断发展，人工智能、虚拟现实、大数据等新兴技术对教育教学的发展呈现出智能化、协同化、个性化、泛在化的趋势。利用网络技术或智能工具进行辅助教学和持续学习，对儿童多样化的学习方法和学习互动有一定的改善。2016年被称为“VR元年”，国内研究人员也在不断探索虚拟现实(VR)和增强现实(AR)技术在教育中的应用。例如，SCai认为增强现实作为一种新的方式可以在教育领域进行交叉融合，学习者可以在虚拟和真实的学习背景下以更自然、更真实的方式自主探索。XDChen认为，增强现实具有立体沉浸的特点，为教学对象模拟、教学过程体验和师生互动提供了丰富的教与学体验。增强现实技术作为虚拟现实技术的技术延伸，可以通过一定的计算机仿真技术，将虚拟物体叠加到现实世界中，实现无缝连接，可以给孩子的学习带来许多潜在的好处。现代儿童教育应受到广大教育工作者的重视。学生的教与学离不开正确的教学和引导。小学一年级是培养学生数学学习兴趣的重要时期。枯燥、单一的计算练习不仅会削弱学生的学习热情，还会丧失学生原有的学习热情。这也会增加家长和老师不必要的负担。参考《义务教育数学课程标准》，计算能力主要是指按照规律和算法正确进行运算的能力，通过培养计算能力，学生能够理解计算的算术，寻求合理简单的解题方法。在这个年龄段，孩子们正在从具体的物体转向理解抽象数字概念的过程。因此，有必要充分考虑这个年龄段学习数学的学生的特点。首先要找出学生的认知发展规律和心理特点，进而激发孩子的学习兴趣，最终促进学生思考和解决数学问题的思维能力。本文通过对增强现实技术的基本含义和特点的阐述，阐述了增强现实技术的优势，并分析了情境学习理论、流理论和具身认知理论在教学系统设计中的价值。并进一步细化了具体案例的教辅系统、交互设计和课程设计。以下是基于增强现实技术的教学综述。

二、文献综述

在教育领域，第一个将增强现实技术应用于教育教学的是比林赫斯特团队。他们创造了魔法书，将3D模型动画叠加到书中。通过特殊的眼镜，孩子们可以观察到虚拟与现实的结合。学习场景能增加学习者读书的兴趣。通过特殊的眼镜，幼儿可以观察到虚拟和真实的学习场景，增加了学习者在阅读书籍时的兴趣。同样，ADünser和EHornecker设计并开发了一个增强现实互动故事书，它使用动画虚拟3D角色、声音和互动任务来学习。目的是观察6-7岁的儿童如何互动和合作学习。学习基于增强现实技术的软件开发不仅仅是单一的模型动画，还需要在它发生的特定背景上建立知识。例如XChen设计开发的BubblePlanetAR教育游戏，学生扮演拯救地球的角色，然后完成理解和记忆英语词汇的任务。这个过程有利于激发孩子对学习内容的好奇心和通关游戏的满足感。在儿童低龄教育中，数学学习也是一个不可忽视的分支。《简明牛津词典》将其定义为“关于数字、数量和空间的抽象科学”。数学可以被看作是一种组织思想以形成概念的方法。随着科技的不断发展和进步，近年来，许多研究者在数学教学中尝试了一些更直观、更丰富的学习工具，以更直观的方式将学习内容呈现给学生。例如，基于AR技术的教学软件的开发与应用。HKaufmann通过使用3D构建工具和移动协同增强现实系统，探索几何对象在高中和大学数学和几何教育中的应用和集成。几何物体的变换关系可以直观地显示出来，方便学生理解更复杂的空间概念。JPurnama建立了基于OpenCV的增强现实几何学习工具原型系统，利用OpenCV的实时书本颜色和虚拟物体注册功能，帮助儿童完成量角器的学习。实验结果表明，学生可以直接与虚拟对象进行交互，数学学习兴趣明显提高。简财开发了一个简单的AR系统来提高数学学习能力，使学习者能够更好地观察和理解三维物体的结构。同样，HSLee和JWLee利用骰子和棋盘之间的距离来移动z轴来学习数学图形，从而提高了学习者的参与度和AR教育游戏的可用性。MFigueiredo运用不同的增强现实技术设计了有标记点和无标记点形式的数学教学活动，将课堂扩展为虚拟空间，学生可以有更多的时间练习解题。IRadu发现AR技术将数字信息覆盖在物理对象上的能力允许创建连接物理和抽象内容的游戏，这可能会让学生比使用传统方法更容易地以更吸引人的方式学习困难的数学主题。通过以上对数学学习的回顾，我们发现很多研究者更注重学生学习能力和学习参与度的提高，而缺乏独立的空间来帮助身体动作的发展。本文针对这一问题设计了相应的解决方案。

三、研究设计

1.相关概念

增强现实简称AR，是虚拟现实技术下增强现实技术的延伸。1994年，Milgram、Takemura、Utsumi和Kishino定义了虚拟环境和真实环境的关系。如图1所示，混合现实介于真实环境和虚拟环