基于移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)輔助應(yīng)用

熊壘 付祥 熊璐

摘要：化學(xué)實(shí)驗(yàn)是化學(xué)學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)，而移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的融入將會(huì)為化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供新的教學(xué)方式與途徑?；谝苿?dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)輔助應(yīng)用軟件能夠激發(fā)學(xué)習(xí)興趣、增強(qiáng)學(xué)習(xí)參與度、提供泛在學(xué)習(xí)條件、鞏固課堂知識(shí)和學(xué)以致用的特點(diǎn)，但同時(shí)也面臨缺乏選擇自由和教育內(nèi)容與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)匹配度低的挑戰(zhàn)。該文在分析基于移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)輔助應(yīng)用特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，根據(jù)學(xué)習(xí)對(duì)象、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)四個(gè)層面的分析并貫穿融合了移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在此基礎(chǔ)上完成了基于移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)輔助應(yīng)用——燃燒吧！化學(xué)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。該文為初高中化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)提供了新的視角與方法，且該方法具拓展性，可以應(yīng)用到其他科目的教學(xué)中。

關(guān)鍵詞：移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí);移動(dòng)終端;初高中;化學(xué)實(shí)驗(yàn)

中圖分類號(hào)：TP393? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1009-3044（2019）27-0267-02

1 背景

近年來，隨著信息技術(shù)、人工智能等新型技術(shù)的發(fā)展，在包括教育在內(nèi)的諸多行業(yè)領(lǐng)域的模式與結(jié)構(gòu)都在產(chǎn)生巨大的改變。而在《國家教育事業(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》中指出，要“積極發(fā)揮人工智能和虛擬現(xiàn)實(shí)（Virtual Reality，VR）、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，AR）等創(chuàng)新技術(shù)的優(yōu)勢，拓展教育形態(tài)，探索未來教育新模式，為促進(jìn)個(gè)性化學(xué)習(xí)與針對(duì)性教育提供支持”[1]，因此教育與增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)這類創(chuàng)新技術(shù)的深度結(jié)合將成為未來教育模式的主要發(fā)展方向。

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)脫胎于虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)，它可以將虛擬對(duì)象準(zhǔn)確地“放置”在真實(shí)環(huán)境中[2]，帶給用戶“虛實(shí)結(jié)合”的全新感受。這項(xiàng)技術(shù)的“虛實(shí)結(jié)合”和強(qiáng)交互性的特點(diǎn)讓它可以為輔助教學(xué)、增加教學(xué)方式的多樣性發(fā)揮極大的作用。而移動(dòng)智能終端與移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展則為基于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的教學(xué)輔助應(yīng)用的廣泛應(yīng)用與發(fā)展鋪平了道路。

化學(xué)是一門基于實(shí)驗(yàn)的學(xué)科，具有一定的抽象性和很強(qiáng)的可操作性。而許多實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)條件相對(duì)嚴(yán)苛，又具有一定危險(xiǎn)性，同時(shí)在中學(xué)普遍存在實(shí)驗(yàn)室對(duì)學(xué)生開放程度低、開展實(shí)驗(yàn)知識(shí)與技能競賽情況不多的情況[3]。而具有強(qiáng)交互性與“虛實(shí)結(jié)合”的特點(diǎn)的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)正好可以為解決這些問題提供一個(gè)思路。但是目前國內(nèi)此類應(yīng)用并不多，因此如何緊密結(jié)合中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)需要并兼顧增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)特點(diǎn)與中學(xué)生理解難點(diǎn)與盲區(qū)的條件下完成完整的應(yīng)用開發(fā)，這值得我們研究和探索。

2 移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)支持實(shí)現(xiàn)化學(xué)輔助應(yīng)用的特點(diǎn)

移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)[4-5]是增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用到智能移動(dòng)終端后形成的子技術(shù)。相比于需要PC機(jī)及各種穿戴顯示等昂貴笨重的設(shè)備的傳統(tǒng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)，輕便、購買維護(hù)代價(jià)低的移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)更易于普及，此外，移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的交互方式更加多樣化和人性化。這為化學(xué)實(shí)驗(yàn)輔助應(yīng)用的實(shí)現(xiàn)提供了極大的幫助，其主要表現(xiàn)為以下三個(gè)方面：

2.1 具象化知識(shí)概念、激發(fā)學(xué)習(xí)興趣

移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)作為一種新興事物，容易引起用戶尤其是青少年用戶的好奇與關(guān)注。AR技術(shù)可以將抽象的知識(shí)概念通過三維可視化的方式具象化，降低理解難度，結(jié)合移動(dòng)智能終端的強(qiáng)交互能力，可以加強(qiáng)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)參與度，并且給予學(xué)習(xí)者不同的學(xué)習(xí)體驗(yàn)，激發(fā)他們尤其是青少年學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)興趣和探索欲。

2.2 還原真實(shí)實(shí)驗(yàn)場景、提高化學(xué)素養(yǎng)

移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有的“虛實(shí)結(jié)合”的特點(diǎn)可以在真實(shí)環(huán)境下進(jìn)行虛擬信息擴(kuò)增，為學(xué)習(xí)者搭建一個(gè)還原真實(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)場景。此外，移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的強(qiáng)交互性和多樣的交互方式能夠?qū)⒒瘜W(xué)實(shí)驗(yàn)操作過程進(jìn)行還原，幫助學(xué)習(xí)者熟悉正確的實(shí)驗(yàn)操作過程，提高學(xué)習(xí)者的化學(xué)素養(yǎng)，同時(shí)增強(qiáng)學(xué)習(xí)者的實(shí)踐能力，充分調(diào)動(dòng)學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)熱情。

2.3 提供泛在學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)條件

移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)下的化學(xué)實(shí)驗(yàn)輔助應(yīng)用是基于移動(dòng)智能終端設(shè)備的軟件，消除了化學(xué)實(shí)驗(yàn)的危險(xiǎn)性并且降低了化學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的條件，使學(xué)習(xí)者可以隨時(shí)隨地地進(jìn)行化學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)。在移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的支持下，學(xué)習(xí)輔助應(yīng)用將成為強(qiáng)有力的泛在學(xué)習(xí)資源，借助移動(dòng)智能終端的攝像頭掃描泛在的學(xué)習(xí)對(duì)象可以進(jìn)行學(xué)習(xí)增強(qiáng)，為學(xué)習(xí)者創(chuàng)造可復(fù)用且無處不在的學(xué)習(xí)條件[6]。

3 案例開發(fā)：燃燒吧！化學(xué)

3.1 應(yīng)用概述

本文所開發(fā)的基于移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)輔助應(yīng)用——燃燒吧！化學(xué)是一款化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作學(xué)習(xí)軟件。通過移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)構(gòu)建了一個(gè)虛實(shí)結(jié)合的學(xué)習(xí)環(huán)境，彌補(bǔ)化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作學(xué)習(xí)的不足;用獨(dú)特多樣的交互方式幫助學(xué)習(xí)者掌握正確的化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作方法。配合以老師的課堂知識(shí)講解與演示，幫助學(xué)習(xí)者更牢固地掌握知識(shí)，達(dá)到學(xué)以致用的目的。

3.2 需求分析

本文將從學(xué)習(xí)對(duì)象、教學(xué)目標(biāo)、教學(xué)內(nèi)容、關(guān)鍵技術(shù)四個(gè)層面進(jìn)行分析。

1）燃燒吧！化學(xué)的主要學(xué)習(xí)對(duì)象是13-18歲的初高中學(xué)生。這一階段的學(xué)生渴望得到認(rèn)同與成就感，用于嘗試新事物;但其學(xué)習(xí)習(xí)慣與接收知識(shí)的進(jìn)度存在較大差異[7]。此外，這一年齡階段的青少年對(duì)于鮮明的色彩與清脆靈動(dòng)的音樂較為推崇。因此在UI設(shè)計(jì)、音效音樂設(shè)計(jì)以及交互方式的設(shè)計(jì)上都要盡可能地貼近初高中學(xué)生的審美需求。

2）教學(xué)目標(biāo)是幫助學(xué)生熟練掌握化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作要點(diǎn)，根據(jù)化學(xué)實(shí)驗(yàn)深刻理解化學(xué)課本知識(shí)。

3）教學(xué)內(nèi)容主要是掌握初高中化學(xué)課本上要求掌握的化學(xué)實(shí)驗(yàn)操作、熟記主要化學(xué)方程式以及了解化學(xué)反應(yīng)的微觀變化與主要用途。

4）技術(shù)層面：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的核心技術(shù)是跟蹤注冊(cè)技術(shù)，主要分為基于物理硬件的注冊(cè)方式與基于計(jì)算機(jī)視覺的注冊(cè)方式，而基于計(jì)算機(jī)視覺的注冊(cè)方式又根據(jù)特征點(diǎn)類型不同分為自然特征注冊(cè)和人工特征注冊(cè)[8]。由于移動(dòng)智能終端的性能不足，因此本文的開發(fā)的應(yīng)用采用了具有較高實(shí)時(shí)性和精確性的人工特征注冊(cè)的方式。并且此種注冊(cè)方式有Vuforia、EasyAR等多種軟件包支持開發(fā)。

3.3 總體設(shè)計(jì)

結(jié)合需求分析，本文開發(fā)的應(yīng)用的總體設(shè)計(jì)分為界面設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)、運(yùn)行邏輯設(shè)計(jì)與交互設(shè)計(jì)四個(gè)方面，并在根據(jù)每個(gè)方面的具體設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)。

1）界面設(shè)計(jì)。界面對(duì)于用戶的第一印象與使用體驗(yàn)十分重要，特別是對(duì)于初高中階段的青少年。因此界面UI應(yīng)該采用色彩明亮、風(fēng)格統(tǒng)一且簡潔美觀的設(shè)計(jì)元素。同時(shí)為了避免繁瑣的操作過程，界面應(yīng)該簡潔，且符合用戶的使用習(xí)慣。實(shí)驗(yàn)選擇界面效果圖和電解水實(shí)驗(yàn)效果圖如圖2和圖3所示。

2）功能設(shè)計(jì)。主要包括選擇功能、任務(wù)功能和反饋評(píng)價(jià)功能。①選擇功能是選擇實(shí)驗(yàn)、藥品與儀器，給予用戶想進(jìn)行不同實(shí)驗(yàn)的需求。②任務(wù)功能是開展實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的具體功能，通過添加藥品與器材的鏈接布置完成所選實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)要求得到正確的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。③反饋評(píng)價(jià)功能，在用戶操作過程中會(huì)根據(jù)用戶的操作正誤播放相應(yīng)的動(dòng)畫并給出提示與指正。

3）運(yùn)行邏輯設(shè)計(jì)。即為場景的切換機(jī)制。本應(yīng)用的運(yùn)行邏輯如圖1所示。該應(yīng)用能在啟動(dòng)場景、實(shí)驗(yàn)選擇場景、實(shí)驗(yàn)場景、微觀實(shí)驗(yàn)場景和反饋評(píng)價(jià)場景中切換。

4）交互設(shè)計(jì)。為了迎合化學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)操作性強(qiáng)的特點(diǎn)，采用了點(diǎn)擊、拖拽、滑動(dòng)、旋轉(zhuǎn)、縮放等多種交互方式，增強(qiáng)學(xué)生的學(xué)習(xí)參與度。

3.4 開發(fā)制作

該軟件在Android平臺(tái)上運(yùn)行，因此采用具有強(qiáng)大的跨平臺(tái)能力的Unity3D來進(jìn)行這款化學(xué)實(shí)驗(yàn)輔助應(yīng)用軟件的開發(fā)。本文開發(fā)的輔助應(yīng)用軟件的移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)采用了EasyAR這款軟件包進(jìn)行開發(fā)實(shí)現(xiàn)，它可以通過計(jì)算機(jī)視覺實(shí)時(shí)捕捉平面圖像和三維圖像，通過識(shí)別其標(biāo)記進(jìn)行真實(shí)世界的虛擬信息拓展。然后將UI、三維模型動(dòng)畫等資源通過Unity進(jìn)行整合與場景的搭建，最后通過算法程序完成開發(fā)實(shí)現(xiàn)各類功能并打包發(fā)布測試版

4 結(jié)束語

基于移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)的化學(xué)實(shí)驗(yàn)輔助應(yīng)用以公益教育為主，致力于為中國中學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)提供一種新方法與新選擇、對(duì)學(xué)生對(duì)化學(xué)興趣的啟蒙與興趣培養(yǎng)以及幫助中學(xué)生自學(xué)以及良好實(shí)驗(yàn)習(xí)慣的養(yǎng)成。經(jīng)過一段時(shí)間的測試、使用調(diào)研，證明此應(yīng)用可以輔助中學(xué)學(xué)生的化學(xué)學(xué)習(xí)，且具有較好的應(yīng)用市場與發(fā)展空間。但是其應(yīng)用尚處于初級(jí)階段，對(duì)自由實(shí)驗(yàn)操作的局限性較大，因此仍需要深入研究，以滿足不同人群的實(shí)驗(yàn)要求。

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