增強現(xiàn)實(AR)技術促進高中生化學微觀結構學習的研究

朱鵬飛

摘要： 分析增強現(xiàn)實（AR）技術促進學生化學微觀結構知識學習的國內外研究現(xiàn)狀，開展實證研究探討高二年級學生學習《物質結構與性質》模塊時，AR技術對學生化學微觀結構學習的影響。結果表明AR技術對學生空間旋轉可視化能力的發(fā)展影響不顯著，而對學生學習物質微觀空間結構知識有顯著的促進作用。

關鍵詞： 增強現(xiàn)實（AR）技術; 化學微觀結構知識; 空間旋轉可視化能力; 物質結構與性質

文章編號： 10056629（2019）9003405? ? ? ? ? ? 中圖分類號： G633.8? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： B

1? 引言

隨著計算機軟硬件技術、傳感技術、智能控制、心理學以及多媒體等技術的飛速發(fā)展，更具沉浸感、交互性和想象性特征的虛擬現(xiàn)實和增強現(xiàn)實技術受到廣泛的關注[1]。增強現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱AR）是指通過3D技術在真實物體上疊加虛擬對象，從而達到一種視覺混合增強效果，具有虛實結合、無縫交互、浸潤學習等特點[2]。AR的出現(xiàn)能夠搭建虛擬和真實世界的認知橋梁，能實現(xiàn)學習者對復雜空間關系和抽象概念的可視化，實現(xiàn)虛擬和現(xiàn)實之間的無縫交互[3]。當前AR技術應用平臺正在由體積龐大、易損壞的桌面計算機轉向小型的移動設備如平板電腦、手機等，移動AR系統(tǒng)得到迅速發(fā)展，其在醫(yī)學、娛樂、商業(yè)消費的應用較為廣泛，但在教育中的應用還處于起步階段。有研究者將AR技術在教育中的應用特點和功能分為五個方面： 將抽象的學習內容可視化、形象化，支持泛在環(huán)境下的情境學習，提升學習者的存在感、直覺和專注度，使用自然方式交互學習對象，把正式學習和非正式學習相結合[4]。

作為一門在原子、分子水平上研究物質的基礎學科，化學的特征是從微觀層次認識物質，以符號形式描述物質，在不同層面創(chuàng)造物質[5]?；瘜W學科的內容特點決定了化學學習中，學習者必然要從宏觀、微觀和符號等方面對物質及其變化進行多種感知，從而在學習者心理上形成化學學習獨特的三重表征： 宏觀表征、微觀表征和符號表征[6]。不少研究表明微觀表征的建立是學習者感覺比較困難的地方，這是因為微觀表征關注的是一個肉眼無法看見的世界，學習者需要通過豐富的空間想象力來理解微觀世界。而中學生的空間想象能力發(fā)展還不夠成熟，較多研究表明其對微觀世界的理解會存在大量的相異構想，因此需要借助于相關工具如實物模型、ppt動畫、分子模擬軟件等增強微觀世界的可視化。實際教學過程在使用上述工具時存在一些問題： 實物模型和ppt動畫大多僅由教師展示或演示，學生缺少近距離長時間觀察的機會，即使其動手制作實物模型也是耗時耗力，而分子模擬軟件如Jmol、 Netlogo等大多是由國外研究者開發(fā)的，交互界面語言為英文且學生需要人手一臺計算機，易用性一般。研究者在不斷地尋找和研發(fā)更可靠、更貼近現(xiàn)實、交互性更自然、更易用的能夠幫助學生學習微觀世界的可視化工具。

化學微觀結構知識主要是指原子結構與元素的性質、分子結構與性質及晶體結構與性質相關知識，高中階段的微觀結構知識主要在選修模塊《物質結構與性質》中。AR的技術特點尤其是能夠將抽象的肉眼看不到的學習內容可視化、形象化，非常適合化學微觀結構知識的學習。AR技術能夠快速讓學習者在現(xiàn)實環(huán)境背景中看到虛擬生成的三維物質結構模型，而且這一模型可以快速生成、任意旋轉、自如地放大和縮小，同時與已有的需要鼠標和鍵盤等中介設備實現(xiàn)與界面交互的分子模擬軟件相比，運行在智能手機或平板電腦上的AR技術采取的觸摸式交互方式更自然，使用更方便，學習者獲取物質微觀結構知識的感覺通道不只局限于視覺，還包括觸覺。

2? 已有研究

從相關文獻可以看出，AR技術促進學生化學微觀結構知識的研究主要關注以下3個方面： （1）化學AR應用資源的開發(fā)。AR應用資源或程序是開展AR教學的前提，一些研究者開發(fā)了能夠將物質微觀結構可視化的AR程序，如P. Maier等研制了Augmented Chemical Reactions程序，該程序能夠將分子結構可視化[7];Manuela等借助攝像頭和開源AR應用軟件AR ToolKit開發(fā)了一款適合大學無機化學學習使用的軟件，該軟件能夠將一些晶體結構可視化[8];邱美虹等開發(fā)的AR工具能夠將常見的有機分子（主要是烴）進行可視化[9]。（2）AR對學生的影響。這部分研究聚焦于學生應用AR技術開展物質微觀結構知識學習的效果、對AR技術所持態(tài)度等，如P. Maier等開展實證研究對比分別使用AR和分子模擬軟件的學習效果，實驗組采取AR軟件學習物質微觀結構知識，控制組采取分子模擬軟件Jmol進行學習，研究者采取搭建模型和判斷提供的模型正誤的方式對學習效果進行評價，研究發(fā)現(xiàn)： 它們之間存在顯著的差異，相比分子模擬軟件，AR更加能夠幫助學生理解物質的空間結構[10];Su Cai等在初中化學微觀世界物質組成教學中開展實證，學生通過移動氫原子、氧原子形成水分子，對碳原子進行操作、組合形成金剛石的空間立體結構，研究發(fā)現(xiàn)AR作為一種學習工具效果顯著，且對學業(yè)成就低的學生效果更加明顯，學生對AR軟件持有正面態(tài)度，學生的學習態(tài)度與他們對軟件的評價呈正相關[11];而另一項研究則發(fā)現(xiàn)使用AR和沒有使用AR對立體化學學習的效果不存在顯著差異，作者進一步分析了其中的原因可能是使用AR的時間較短，同時指出實驗組的學生更愿意使用AR，對AR持有正面的態(tài)度[12]。（3）AR教學模式研究。AR在教學中的應用并非簡單地替換其他工具，需要探索相應的教學模式和策略，Szhau Cheng等提出在微觀化學分子課程中將5E學習環(huán)教學模式與AR結合，并在此基礎上開發(fā)了一種交互式的5E學習環(huán)AR學習系統(tǒng)，以增強學生對微觀結構知識的理解[13]。

總體來說，目前AR技術在化學微觀結構知識學習中應用的研究還處于起步階段，優(yōu)質的AR應用資源還比較少，一些AR應用程序的設計交互不深入，相關的實證研究還較少，研究周期較短，且研究的對象主要局限于大學及初中?；诖耍覀冮_展AR技術促進高中生化學微觀結構學習的實證研究。本研究選擇化學微觀結構知識、空間旋轉可視化能力為研究變量。空間旋轉可視化能力是指學生在解決涉及立體結構化學知識問題時需要具備的空間知覺、心理旋轉能力[14]。期望研究成果能為AR技術應用于化學教學提供有益的借鑒。

3? 研究設計

3.1? 研究問題

本研究探討高二年級學生使用AR技術學習高中化學《物質結構與性質》模塊時，AR技術對學生的空間旋轉可視化能力、化學微觀結構知識學習的影響。研究假設是： （1）AR技術會促進學生空間旋轉可視化能力的發(fā)展;（2）AR技術會促進學生化學微觀結構知識的掌握。

3.2? 實驗對象

江蘇省無錫市某重點高中高二年級某班50名學生參與本研究，學生由一位具有豐富教學經(jīng)驗的化學教師任教。根據(jù)空間旋轉可視化能力測驗和化學微觀知識測驗前測，成績相同或相近的學生被匹配分到兩個組，每組均為25人。由于兩個組的測驗前測成績接近且差異不顯著，可以認為學生有相似的能力水平。隨機選取一個組是實驗組，另外一個組是對照組，分別接受不同的教學處理。

3.3? 研究流程

3.3.1? 研究階段

本研究分為三個階段。在第一階段，對高二年級某班學生進行空間旋轉可視化能力測驗和化學微觀知識測驗前測。學生根據(jù)前測成績，被匹配分為實驗組和對照組。

在第二階段，同一位化學教師為兩個組授課。為避免互相干擾，實驗組上化學課時，對照組上自習課，反之亦然。實驗組使用AR技術和常見的實物模型學習高中化學《物質結構與性質》模塊，對照組僅使用實物模型學習。研究時間為三周，共13課時，其中實驗組使用AR技術共6課時，學生可以自主控制25個物質微觀結構模型，兩個組均使用實物模型16個。

在第三階段，化學教師完成模塊課程教學后，兩個組進行空間旋轉可視化能力測驗和化學微觀知識測驗后測。

3.3.2? 教學過程

使用AR技術的實驗組和對照組上課的地點均選在學校智慧教室，學生每2人分配一臺預裝好AR軟件的平板電腦。以“金屬晶體”為例簡要闡述利用AR技術開展化學微觀結構教學的教學設計和流程。

（1） 教師首先引導學生從熟悉的宏觀物質入手總結晶體的熔沸點、硬度等物理性質，嘗試初步建立宏觀表征;

（2） 開始晶體微觀結構的學習，教師引導學生探討金屬原子二維平面排列方式，講解簡單立方及體心立方兩種金屬晶體在三維空間的堆積方式，緊接著提供一些問題如不同堆積方式的配位數(shù)、空間利用率、晶胞中的金屬原子數(shù)等供學生思考。

（3） 對照組學生邊觀察教師演示的實物模型，邊進行小組討論，回答上述問題。而實驗組學生帶著上述問題在教師的組織和引導下采取AR軟件對相應的晶體微觀結構圖片進行掃描，獲得三維立體晶體結構模型，在該活動中，學生可以近距離多角度地觀察晶體的結構，同小組一位學生觀察完成后，由另一位同學掃描并進行觀察，活動完成后小組成員之間相互討論回答問題。緊接著教師講解更為復雜的六方密堆積和面心立方密堆積，教學的流程與學習簡單立方和體心立方堆積方式相同。

（4） 最后教師引導學生分析金屬晶體的結構與其物理性質之間的關系，嘗試進行微觀表征與宏觀表征的有機融合。

3.4? 研究工具

3.4.1? 空間旋轉可視化能力測驗

美國普渡大學Guay于1977年公布的空間可視化測驗（Purdue Spatial Visualization Tests），包括共30題，其中有了解被試空間旋轉可視化能力（Visualization of rotations）的分測驗PSVT： R。Bodner等人從PSVT： R中選取20題，組成新的測驗（The Purdue Visualization of Rotations Test， ROT），用于診斷學習化學的學生的空間旋轉可視化能力[15]。每道題均是單選題，答對得1分，答錯得0分。在過往研究中，ROT具有良好的信度和效度，已成為廣泛應用的研究工具[16]。本研究使用ROT了解學生的空間旋轉可視化能力，前測的信度KR20是0.786，后測是0.764，具有較好的信度。

3.4.2? 化學微觀結構知識測驗

化學微觀結構知識測驗的前、后測試題均為自編試題，以便診斷學生在本研究前后對物質微觀空間結構的認識。由于學生此前學習《有機反應原理》模塊，前測考查學生對有機化學物中原子共線、共面問題的認識，共10小題，總分是16分。后測考查《物質結構與性質》模塊的化學鍵、晶體、分子空間構型等核心知識，共9大題31小題，總分是35分。由于模塊內容既有晶體結構、分子空間構型等與物質微觀空間結構有關的內容，也有物質的溶解性、電子式書寫等與物質微觀空間結構不具有直接關系的內容，試題也設置了相應內容的問題。有關題共16小題，總分是29分;無關題共4小題，總分是6分。前測的信度Cronbachs a系數(shù)是0.682，后測是0.700，具有可接受的信度。前、后測試題均由多位中學化學高級教師審查和修改，具有專家效度和內容效度。

3.4.3? AR技術和實物模型

本研究采用的AR技術應用程序為國內某公司開發(fā)的AR軟件，該軟件針對高中化學選修模塊《物質結構與性質》研發(fā)，資源庫中包括27個物質微觀結構模型，主要涵蓋各種類型的晶體結構、電子云、化學鍵、一些常見分子的結構等。實際使用過程中該軟件在平板電腦上運行，學習者打開軟件，將攝像頭對準相應的二維圖片，即可以在電腦上顯示三維立體物質結構模型，該模型可以自由旋轉，放大、縮小，觀察完一個物質結構模型后，點擊“清除”按鈕，即可以進行下一個物質結構模型的觀察。本研究使用的實物模型為化學實驗室中常見的各類晶體結構模型、分子模型等。

4? 結果與討論

4.1? 空間旋轉可視化能力

表1顯示，由于匹配分組的需要，實驗組（M=17.48， SD=2.124）和對照組（M=17.36， SD=2.252）在空間旋轉可視化測驗前測成績的差異不顯著（t=0.194， p=0.847>0.05），可視為學生具有相近的空間旋轉可視化能力。經(jīng)過教學實踐，實驗組（M=18.24， SD=1.899）和對照組（M=18.28， SD=1.768）后測成績的差異也不顯著（t=-0.077， p=0.939>0.05），也即學生仍然具有相近的空間旋轉可視化能力。比較各組前、后測成績（表2），各班后測成績均較前測有顯著提高（t實驗=-2.354， p=0.027<0.05; t對照=-3.130， p=0.005<0.05），學生的空間旋轉可視化能力有顯著提高。兩個班效果量Cohens d實驗=0.38， d對照=0.45，均有小的效果。

物質微觀空間結構知識的學習客觀地要求學生能夠想象原子共面、堆積排列等立體結構，增加幾何體旋轉、移動等運動形式的想象經(jīng)驗。實驗組可以自主觀察和控制物質微觀結構模型，相當于增加物質微觀空間結構各種運動形式的樣例，有助于更好地建立心像和增加空間旋轉可視化能力。

對照組在缺乏使用AR技術的情況下，空間旋轉可視化能力也有顯著提高。這表明在本研究中，學生是否使用AR技術學習物質微觀空間結構知識，并不是學生空間旋轉可視化能力發(fā)展的重要影響因素。這可能是因為相較于實驗組，對照組缺乏更多自主觀察和控制物質微觀結構模型的學習機會，反而迫使更加深入地思考物質微觀空間結構各種運動形式，使得空間旋轉可視化能力有所提高。對照組空間可視化能力提高同時也說明學生在進行化學微觀結構知識學習時，增強

現(xiàn)實技術應適當使用，有可能會限制學生思維發(fā)展，傳統(tǒng)實物模型也有其優(yōu)勢?？傮w而言，AR技術是否會促進學生空間旋轉可視化能力的發(fā)展，尚需要后續(xù)更多的研究來了解。

4.2? 化學微觀結構知識

表3顯示，實驗組（M=8.72， SD=3.336）和對照組（M=8.72， SD=2.685）的化學微觀結構知識測驗前測成績相同，可視為學生對于有機化合物共線和共面知識具有相同的學習水平。經(jīng)過教學實踐，實驗組（M=24.08， SD=5.008）和對照組（M=19.84， SD=4.469）的后測成績存在顯著差異（t=3.159， p=0.003<0.05），效果量Cohens d=0.89>0.80，達到大的效果。這表明實驗組使用AR技術學習物質微觀空間結構知識后，比對照組獲得顯著的學習效果。因此，AR技術對學生學習物質微觀空間結構知識有顯著的促進作用，P. Maier的研究結果也支持該結論[17]。

由于后測試題包括了與物質微觀空間結構直接有關和無關的內容，表3顯示兩個班在有關題才存在顯著差異（t=3.432， p=0.001<0.05），效果量Cohens d=0.97>0.80，達到大的效果，在無關題的差異不顯著（t=0.707， p=0.483>0.05）。這更能確定AR技術僅對與立體空間有關的物質微觀結構知識學習有積極作用。這可能是因為AR技術提供充足的物質微觀結構模型供學生自主觀察和控制，學生在與模型的交互中更好地理解物質微觀空間結構對應的核心知識，促進建立相關知識的心智模式。當學生在后測解答陌生情景下相關知識的應用性問題時，可以調用已形成的心智模式來加工問題線索，更有效地表征和解決問題，獲得良好的測驗表現(xiàn)。無關知識涉及物質微觀結構的某些概念和原理知識，但與物質微觀空間結構并無直接關系。盡管實驗組在無關題上得分高于對照組，但尚無充足證據(jù)可以說明AR技術也會對學生學習物質微觀空間結構的無關知識有直接促進作用。

5? 研究結論

本研究得出如下結論： （1）AR技術對學生空間旋轉可視化能力的發(fā)展影響不顯著，而對學生學習物質微觀空間結構知識有顯著的促進作用;（2）AR技術能夠促進學生學習物質微觀空間結構知識的原因是因為AR技術提供充足的物質微觀結構模型供學生自主觀察和控制，學生在與模型的交互中更好地理解物質微觀空間結構對應的核心知識，促進建立相關知識的心智模式。

隨著AR技術的不斷成熟，其也將逐步廣泛地應用于中小學課堂中。盡管對于AR技術的研究深度已經(jīng)進入到一個從理念到實踐的領域，然而若沒有大量的實證研究證明AR技術對于學習者開展學習的促進作用，必然會影響到教師和學生使用這項技術的熱情和信心。期望本研究成果為將來AR技術在科學教育領域進行規(guī)?；瘧锰峁┯袃r值的參考。需要說明的是，受時間、人力和物力所限，實驗中選取的被試僅限于高二年級，人數(shù)也不多，后續(xù)研究中我們將選取更多年齡層次、更多人數(shù)的被試，進一步提高研究結論的可推廣性。

參考文獻：

[1]李小平， 張琳， 張少剛等. 智能虛擬現(xiàn)實/增強現(xiàn)實教學系統(tǒng)構造研究[J]. 中國電化教育， 2018， （1）： 97～105.

[2]高媛， 黃榮懷. 《2017新媒體聯(lián)盟中國高等教育技術展望： 地平線項目區(qū)域報告》解讀與啟示[J]. 電化教育研究， 2017， （4）： 15～22.

[3]張四方. 現(xiàn)實增強技術在化學教學中的研究現(xiàn)狀與啟示[J]. 化學教育（中英文）， 2017， 38（21）： 43～49.

[4]蔡蘇， 王沛文， 楊陽等. 增強現(xiàn)實（AR）技術的教育應用綜述[J]. 遠程教育雜志， 2016， （5）： 27～37.

[5]中華人民共和國教育部制定. 普通高中化學課程標準（2017年版）[S]. 北京： 人民教育出版社， 2018.

[6]張丙香， 畢華林. 化學三重表征的含義及其教學策略[J]. 中國教育學刊， 2013， （3）： 73～76.

[7]Patrick Maier， Gudrun Klinker. Augmented Chemical Reactions： An Augmented Reality Tool to support Chemistry Teaching [J]. Experiment， 2013， 2（22）： 164～165.

[8]Manuela Núez， Ricardo Quirós， Inma Núez， et al. Collaborative Augmented Reality for Inorganic Chemistry Education [C]， World Scientific and Engineering Academy and Society， 2008： 271～277.

[9]邱美虹， 周金城， 洪達民等. 以擴增實境和虛擬實境方式學習元素與有機分子結構[J]. 臺灣化學教育電子期刊， 2018， （1）： 1～9.

[10][17]Patrick Maier， Gudrun Klinker. Evaluation of an AugumentedRealitybased 3D User Interface to Enhance the 3DUnderstanding of Molecular Chemistry [C]. International Conference On Computer Supported Educatio， 2013： 294～302.

[11]Su Cai， Xu Wang， Fengkuang Chiang. A case study of Augumented Reality simulation system application in a chemistry course [J]. Computers in Human Behavior， 2014， 39（37）： 31～40.

[12]Derek Behmke， David Kerven， Robert Lutz， et al. Augumented Reality Chemistry： Transforming 2D Molecular Representations into Interactive 3D Structures [C]. Proceedings of the Interdisciplinary STEM Teaching and Learning Conference， 2018： 5～11.

[13]Szhau Cheng， HuiChun Chu. An interactive 5E learning cyclebased augmented reality system to improve students learning achievement in a microcosmic Chemistry molecule course [C]. Iiai International Congress on Advanced Applied Informatics， 2016： 357～360.

[14][15]Bodner G M， Guay R B. The purdue visualization of rotations test [J]. The Chemical Educator， 1997， 2（4）： 1～17.

[16]Maeda Y， Yoon S Y. A metaanalysis on gender differences in mental rotation ability measured by the purdue spatial visualization tests： visualization of rotations （PSVT： R） [J]. Educational Psychology Review， 2013， 25（1）： 69～94.