增強現(xiàn)實技術探究化學微觀世界

蔡蘇 王濤 蔡瑞衡

【摘 要】微觀世界的學習一直是化學學習中的重難點。初中生思維發(fā)育尚不成熟，在接觸化學初期，難以正確想象微觀世界中的化學變化。增強現(xiàn)實技術（AR）具備的可視化、情境性學習、自然交互等特點，可以有效降低學生學習的認知負荷，提高學生的學習興趣。本文簡要分析國內(nèi)外關于AR在化學教學中應用的案例，通過介紹北京師范大學“VR/AR+教育”實驗室對化學AR應用的實證研究，探討目前AR技術在化學學科中應用的特點，并對未來AR技術在化學中的應用前景進行了展望。

【關鍵詞】增強現(xiàn)實；化學；教育技術

【中圖分類號】G434 【文獻標識碼】A

【論文編號】1671-7384（2018）02、03-0115-03

前言

增強現(xiàn)實（AR）技術把真實環(huán)境與虛擬景象結(jié)合在一起，營造更真實、可交互的氛圍，應用于教學可產(chǎn)生沉浸式的效果。目前，AR技術在教育領域的應用涵蓋了K-12年級，對學習者集中注意力、與教學內(nèi)容互動有一定的幫助?；瘜W是中學階段的重要學科，學生在此階段建立起來的化學基本觀念對其今后會產(chǎn)生持久的影響，如有關物質(zhì)變化的觀念性認識主導并維系著他分析、看待問題的方式和科學態(tài)度。物質(zhì)組成是化學的核心概念，對所有物質(zhì)的學習至關重要。義務教育階段化學課程標準要求具體的教材和教學能夠“幫助學生用微粒的觀念去學習化學，通過觀察、想象、類比、模型化等方式使學生理解化學現(xiàn)象的本質(zhì)”。特級教師王后雄指出，化學學習的難度在于其具有較強的抽象性，而初中學生認知水平和空間想象力受到限制。分子、原子、催化劑、物質(zhì)的量等許多游離于宏觀與微觀之間的概念及理論使學生望而生畏[1]。這為我們改善教學方法、開發(fā)創(chuàng)新型教學工具提供了空間。化學學習需要的直觀性、關聯(lián)性和發(fā)展性，與AR的可視化、情境性、交互性不謀而合，運用AR技術可以從學生熟悉的身邊真實現(xiàn)象導入，通過宏觀現(xiàn)象展示微觀概念，甚至再現(xiàn)同類實驗現(xiàn)象，降低學習難度。本研究旨在用AR技術開發(fā)“物質(zhì)組成”模塊的教學工具和教學活動。

國際上AR在化學教學中的應用

近年來，AR技術迅速發(fā)展，應用于教育領域，包括化學的實例越來越多，但主要集中在國外。Yu-Chien Chen （2006） [2]對化學教學中AR模型和物理模型的應用做了比較研究。研究中學生交叉使用氨基酸結(jié)構(gòu)的兩種模型，他們操作兩種模型的方式相同，效果則取決于個人偏好。有同學喜歡AR模型學習，認為可以變化大小，展示更復雜的分子結(jié)構(gòu)，便于觀察細節(jié)，也更節(jié)省材料和空間。AL QASSEM（2014）[3]等用AR技術開發(fā)了氧、氫、氯等常用元素組成的球棍模型，幫助高中生學習化學反應。還有學者用AR結(jié)合5E學習環(huán)等教學方法，提高了學生學習成效和自我效能感。Morten Fjeld和Benedikt M. Voegtli （2002） [4]開發(fā)了融合可觸摸用戶界面和“增強化學”的系統(tǒng)。系統(tǒng)包括元素手冊，選擇器和一個以不同面代表原子到分子模型上不同粘附方式的正方體。這種以AR和化學為核心開發(fā)的應用和專著也漸漸多了起來。如chempreview用自然的手勢以直觀方式進行蛋白質(zhì)等大分子的交互、“增強化學：碳氫化合物”一書作為化學學習的增補材料等。

“VR/AR+教育”實驗室開展AR化學教學的實證案例

國內(nèi)最早開展課堂AR教學并持續(xù)探索的團隊是北京師范大學教育技術學院“VR/AR+教育”實驗室（http：//ar.bnu.edu.cn）。當前AR應用于中學化學教學上大多停留在演示性階段，即學生將標簽放在攝像頭下，觀察其表征的化學結(jié)構(gòu)，而“VR/AR+教育”實驗室設計和開發(fā)的案例不僅體現(xiàn)了AR技術的演示性優(yōu)勢，還利用了其自然交互的特性。屏幕上的三維模型不再是靜止的，會隨著學生的操作產(chǎn)生動畫，并讓學生在虛實融合的環(huán)境中探究。該團隊實現(xiàn)過在桌面上直接操作的化學實驗[5]，也曾在化學課堂實施微觀世界物質(zhì)組成的AR教學并測試和訪談學生的學習效果。研究表明，AR作為一種計算機輔助學習工具，顯著提高了學習效果，學生普遍對軟件有積極態(tài)度，并且學習態(tài)度有所提高[6]。下面具體介紹在深圳一所初中課堂上實踐過的微觀世界中水分子和碳原子交互式實驗的兩個案例。

1.運行效果

原子結(jié)構(gòu)及核外電子的運動

將對應的標識圖放入視野中，即可看到原子模型，學生可根據(jù)其內(nèi)層2個電子，外層6個電子，核外共8個電子來判斷，此原子為氧原子。

原子形成分子、分子構(gòu)成物質(zhì)

把標識圖標簽2、3、4同時放到桌面上，可見兩個氫原子和一個氧原子。當我們慢慢將氫原子向氧原子靠近，三個原子結(jié)合，形成水分子。我們將標識圖2和4扣過來，將標識圖3拿起，進一步觀察，可以看到氧原子貢獻外層的6個電子，兩個氫原子各貢獻1個電子，形成8電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，為水分子。學生可以旋轉(zhuǎn)、移動，從各個角度觀察水分子的結(jié)構(gòu)。將標識圖再向上抬高，即可看到出現(xiàn)一個水滴，如圖1所示。

原子組成物質(zhì)

將標簽2、3、4、6放在桌面上，首先讓學生觀察原子結(jié)構(gòu)，學生通過核外電子數(shù)目判斷為碳原子。將其抬高，屏幕上方出現(xiàn)碳原子模型，以及相應的化學鍵。這樣反復操作，我們可以看到金剛石結(jié)構(gòu)的一個單元。學生可以從各個不同角度觀察金剛石單元。在原有基礎上繼續(xù)搭建，可拼出一個完整的金剛石結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

2.研究結(jié)果

通過分析和討論研究獲得的數(shù)據(jù)，就本AR軟件的教學，我們得出以下結(jié)論：

軟件作為補充性學習工具，效果顯著。在深圳的研究中，后測比前測平均分提高10%，t檢驗差異顯著，可進一步實驗和推廣。

教學對學習成就低的學生效果將更加明顯。學習成就低的學生想象力較差，對書本知識不敏感，模型可以幫助他們更好地理解微觀世界的變化。

問卷調(diào)查表明學生整體上對軟件的滿意度、認知有用度、認知易用度持有積極的態(tài)度，并且對后續(xù)的使用很感興趣。而男生的評價高于女生，我們在未來的教學設計中應增加讓女生感興趣的因素。

問卷分析表明學生的學習態(tài)度與對軟件的評價有明顯的正相關。在引進新的學習媒體和學習方式時，最根本的還是調(diào)動學生的積極性，提高其對學習內(nèi)容重要性的認識。

個別小組不能正確回答活動表格中的問題，沒有得到及時的反饋，若在教師的適當指導下進行，學生的學習效果會更好。還有學生偏愛游戲式和協(xié)作式的學習。我們在采用新媒體教學時，要充分考慮學生偏好，也要加強學生間的互動。

總結(jié)

AR的化學應用縱向涵蓋了從基礎教育到高等教育的各個階段，橫向也可以涵蓋學科的不同分支。從教學和學習的方式上看，AR既可以用于內(nèi)容展示，也可以用于探究式學習、提供深層次的交互。隨著技術的不斷發(fā)展進步，AR內(nèi)容制作的成本和門檻會繼續(xù)降低，這為AR融入化學課堂提供了更多機遇。

在化學中，將AR作為一種展示內(nèi)容的手段和媒體使用，在一定程度上體現(xiàn)了AR虛實結(jié)合、自然交互的特色。未來的AR學科應用，應該更加重視學習活動設計，讓AR不僅作為教師教學的輔助工具，并且更好地融入學生的學習過程中。通過綜合多種教學、學習方式及活動設計，AR會作為一種新的學習環(huán)境對教和學都產(chǎn)生積極的影響[7]。

參考文獻

[1]王后雄. 論中學生學習化學的難度及其成因 [J]. 化學教育， 2003， 24（11）： 7-11.

[2]CHEN Y-C. A study of comparing the use of augmented reality and physical models in chemistry education； proceedings of the Proceedings of the 2006 ACM international conference on Virtual reality continuum and its applications， F， 2006 [C]. ACM.

[3]AL QASSEM L M M S， AL HAWAI H， AL SHEHHI S， et al. AIR-EDUTECH： Augmented immersive reality （AIR） technology for high school Chemistry education； proceedings of the Global Engineering Education Conference （EDUCON）， 2016 IEEE， F， 2016 [C]. IEEE.

[4]FJELD M， VOEGTLI B M. Augmented chemistry： An interactive educational workbench； proceedings of the Mixed and Augmented Reality， 2002 ISMAR 2002 Proceedings International Symposium on， F， 2002 [C]. IEEE.

[5]WANG T， JIA S， DAI J， LU M， XU X， CAI S. A Case Study of Evaluation of LearnersAcceptance of AR_H2O2 System [M]. Proceedings of the 25th International Conference on Computers in Education. New Zealand； Asia-Pacific Society for Computers in Education. 2017： 558-65.

[6]CAI S， WANG X， CHIANG F-K. A case study of Augmented Reality simulation system application in a chemistry course [J]. Computers in Human Behavior， 2014， 37（31-40）.

[7]

蔡蘇， 張晗， 薛曉茹， et al. 增強現(xiàn)實 （AR） 在教學中的應用案例評述 [J]. 中國電化教育， 2017（3）： 1-9.