基于移動增強現(xiàn)實技術的化學教學軟件設計與開發(fā)

蕭銘樺 肖信 羅秀玲

摘要： 基于對移動增強現(xiàn)實（AR）技術在化學教育教學中應用現(xiàn)狀的分析，針對當前優(yōu)質(zhì)化學AR教學資源缺乏，教師開發(fā)設計AR教學應用存在較大挑戰(zhàn)的現(xiàn)狀，以化學反應微觀過程為例，闡釋基于移動增強現(xiàn)實技術的化學教學應用軟件的設計、開發(fā)和使用。從前期準備、設計開發(fā)和測試發(fā)布三個階段，總結(jié)基于移動AR技術開發(fā)化學教學應用軟件的一般流程，并對其在化學教學的應用前景進行展望。

關鍵詞： 移動增強現(xiàn)實技術; 化學教學軟件; 化學反應微觀過程; 開發(fā)設計

文章編號： 1005-6629（2020）02-0093-05

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1? 引言

增強現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱AR），是一種將虛擬信息（如三維模型、動畫、視頻、圖片、文字等）根據(jù)約定疊加到現(xiàn)實世界上，實現(xiàn)現(xiàn)實世界與虛擬世界無縫集成和實時交互的一項新興信息技術，具有虛實結(jié)合、多模態(tài)觸發(fā)、實時交互、沉浸式體驗等特點。移動增強現(xiàn)實技術（見圖1）利用手機、平板等移動電子設備，以設備自帶的攝像頭作為輸入設備，以移動應用（APP）的形式封裝AR軟件，實現(xiàn)虛實加成，然后投影于各種顯示設備，既保留了AR的技術特性，又明顯地降低了對AR設備的要求。借助移動設備使觀察者獲得一種實中有虛的嶄新和拓展的視角，逐漸引起教育教學領域?qū)＜液徒處煹母叨汝P注[1]。

圖1? 移動增強現(xiàn)實技術示意圖

化學是在原子、分子水平上研究物質(zhì)的組成、結(jié)構、性質(zhì)、轉(zhuǎn)化及應用的一門基礎學科，其內(nèi)容具有微觀性、抽象性和復雜性。AR能夠?qū)⒒瘜W內(nèi)容可視化、直觀化和互動化，極大地增強了教學內(nèi)容的表達和學習者的感知，在化學教學上表現(xiàn)出強大的應用價值和潛力[2]。研究表明，AR技術能夠提供逼真的微觀視角和沉浸式、互動式的體驗，在促進化學概念理解[3]，學習物質(zhì)微觀空間結(jié)構知識[4]，提高化學實驗能力[5]等方面展現(xiàn)出突出的教育教學功能。

然而，當前獲取化學AR教學資源的途徑較少，適合于基礎教育的優(yōu)質(zhì)AR化學教學資源極其稀缺，且現(xiàn)有AR應用往往缺乏靈活性，無法滿足教師日常的多元化教學需求，已成為AR技術引入化學教育領域的主要障礙。近年來，得益于國家政策對AR教育教學資源建設的支持，一些AR教育資源中心及AR教育實驗室正在逐步建設。如北京師范大學的“VR/AR+教育”實驗室、zSpace虛擬現(xiàn)實實驗室、云幻科教和火花學院等。但這些資源在化學學科內(nèi)容的針對性和數(shù)量上仍然不夠，部分資源還需要使用復雜的硬件設備才能應用于實際教學中。而各大應用商店上的化學類AR應用在內(nèi)容種類與技術功能方面均較為單一，多數(shù)為有機分子和原子微觀結(jié)構圖，功能上僅僅是簡單的三維呈現(xiàn)，交互不夠靈活和深入[6]。有些應用甚至將AR等同于分子、原子模型的展示工具，不能充分體現(xiàn)AR的技術優(yōu)勢和特色，與傳統(tǒng)的教學工具無異。因此，對于一線化學教師來說，目前仍缺少能夠直接用于實際化學教學的AR應用。

教師根據(jù)自己的教學需求自行設計、開發(fā)化學AR應用，是將AR應用于化學實際教學的重要方式之一。但AR的開發(fā)應用，通常需要具備一定的軟硬件安裝和操作、代碼編寫和模型制作等信息技術使用能力，對化學教師來說，仍具有不小的挑戰(zhàn)性。到目前為止，對于如何開發(fā)滿足特定教學需求的移動AR化學教學應用的文獻還極少。因此，本文以人教版選修四《化學反應原理》中有關化學反應微觀過程的教學內(nèi)容為例，設計和開發(fā)了三個移動AR教學應用實例，然后總結(jié)了移動AR化學教學應用設計開發(fā)的一般流程，以期為化學教師提供借鑒和啟示，并為在化學教學中充分發(fā)揮移動AR技術的優(yōu)勢提供一些啟示。

2? 基于移動AR技術的化學反應微觀過程教學應用軟件的設計開發(fā)

2.1? 前期準備階段

2.1.1? 移動AR化學教學應用開發(fā)平臺的選擇

從功能和易學性考慮，當前主流的移動AR開發(fā)方式是采用Vuforia結(jié)合Unity3D。Vuforia Augmented Reality SDK是高通公司推出的針對移動設備增強現(xiàn)實應用的軟件開發(fā)工具包，具有高質(zhì)量的識別技術、多樣化的識別方式、開發(fā)的AR應用與各種型號移動設備和多種操作系統(tǒng)兼容等優(yōu)點。Unity3D是Unity Technologies開發(fā)的一個用于創(chuàng)建2D/3D游戲、建筑漫游和三維動畫演示的綜合性創(chuàng)作平臺[7]，具有內(nèi)置的模型編輯功能、支持多種3D格式、良好的跨平臺性能（如Windows、 Linux、 iOS和Android等多平臺發(fā)布）、支持C#和JavaScript作為編程語言、編程界面可視化等優(yōu)點。在開發(fā)過程中，Unity3D作為開發(fā)環(huán)境，提供強大的功能和開發(fā)邏輯，而Vuforia在Unity3D中以插件的形式存在，提供AR識別和交互功能的支持。實際的開發(fā)操作均在Unity3D界面內(nèi)一體化完成，開發(fā)界面清晰，開發(fā)效率高，交互運行性能優(yōu)越。Unity3D和Vuforia均可從其官網(wǎng)免費下載。為了方便，在進行AR應用軟件開發(fā)時可在臺式計算機上進行，最終發(fā)布后才在移動設備上使用。

2.1.2? 化學反應微觀過程教學內(nèi)容的分析

人教版化學選修四《化學反應原理》中的反應微觀過程涉及“有效碰撞理論”以及“化學反應速率的影響因素”兩部分的教學內(nèi)容。教材中“有效碰撞理論”的內(nèi)容，以文字表述為主，缺乏圖像和三維動態(tài)模擬，且僅僅闡述了分子間碰撞需要有合適的碰撞方向，而對于分子間應具有什么樣的碰撞方向才是合適的卻未展開討論，學生無法很好地理解分子間碰撞的微觀過程?！盎瘜W反應速率的影響因素”與“有效碰撞理論”具有內(nèi)在的密切關聯(lián)，同屬化學反應動力學內(nèi)容?！盎瘜W反應速率的影響因素”是對“有效碰撞理論”的深入運用。對化學反應速率的影響因素，教學中一般通過學生對實驗現(xiàn)象的觀察，然后教師結(jié)合微觀原理進行分析。教材中對于該微觀原理相關內(nèi)容的描述比較簡單，在教學中僅用語言表述則過于枯燥，學生很難理解。使用AR技術讓學生親自動手模擬分子的有效碰撞過程，通過有趣的沉浸式體驗，能更好地把握有效碰撞理論的空間因素和能量因素，并顯化在不同溫度、不同濃度或有無催化劑等條件下，分子中活化分子的數(shù)目及運動能態(tài)，從而降低學生理解微觀化學反應的難度。

2.2? 設計開發(fā)過程

結(jié)合化學反應微觀過程教學內(nèi)容的需求和開發(fā)平臺提供的功能，設計了兩類化學反應微觀過程的AR教學應用（見圖2）。

圖2? 化學反應微觀過程AR應用的交互和反饋功能

開發(fā)化學教學AR應用在步驟上大致可分成素材準備與識別設置、交互設置和反饋設置。素材準備階段包括制作識別（marker）標記、三維模型的繪制及導入等。AR通過捕捉特定的標記從而疊加虛擬信息，為了讓攝像頭能夠快速捕捉并識別標記物，標記物應具有較多的識別位點，選擇或使用繪圖軟件繪制有較多的顏色分布及形狀變化的圖片作為識別標記。然后將標記圖片上傳至Vuforia即完成對標記的注冊，接著下載生成的數(shù)據(jù)庫，點擊Import Package導入數(shù)據(jù)庫到Unity3D中。儀器模型可使用3DS Max軟件進行建模，然后轉(zhuǎn)化為fbx格式導入到Untiy3D中，分子模型的繪制則可使用專業(yè)分子可視化軟件如Jmol等進行制作。素材導入后，在Unity3D中的Hierachy面板中添加AR Camera完成對AR開發(fā)環(huán)境的準備。點擊Vuforia Engine Image添加Image Target即標記圖片對象，對Image Target添加導入的標記圖片，最后將分子模型設置為Image Target的子物體并放置在標記圖片上，即實現(xiàn)分子模型或儀器模型在標記上的掛鉤疊加。

交互和反饋的設定是互動學習的基礎，本研究主要涉及虛擬按鈕和剛體碰撞。虛擬按鈕是AR的一種交互方式，在有效碰撞理論AR軟件中可用作分子活化狀態(tài)和非活化狀態(tài)的切換開關，而在化學反應速率的影響因素中可用于反應條件的選擇。虛擬按鈕是放置于標記物上的一塊隱形矩形感應區(qū)域，在開發(fā)場景中以藍色方塊形式呈現(xiàn)，設備檢測到該區(qū)域被遮擋時會觸發(fā)由編碼設定的關聯(lián)行為。在標記圖片上點擊添加虛擬按鈕后，使用Register Event Handler方法在代碼腳本中進行按鈕的注冊，然后使用On Button Pressed（Virtual Button Behaviour vb）的方法關聯(lián)觸摸按鈕后的行為。該交互方式能夠提供類似真實按鈕的操作體驗，在化學實驗中，可以用于模擬控制反應條件，能夠?qū)崿F(xiàn)互動化教學，提供逼真的操作體驗。在Unity3D中，若物體攜帶有碰撞器及剛體，碰撞時能自動監(jiān)測碰撞事件。在有效碰撞AR應用中，設定了分子以特定方向碰撞為有效碰撞方向。為了判斷物體的碰撞方向是否為有效碰撞方向，讓所有原子攜帶上碰撞器和剛體，在inspector面板中將所屬的tag標簽進行各自的命名，并在腳本代碼中使用On Collision Enter及On Collision Exit的碰撞檢測方法對發(fā)生碰撞的原子進行檢測，使分子碰撞信息實時反饋。圖3呈現(xiàn)了碰撞信息反饋的邏輯關系。Unity3D的碰撞功能還可以應用于監(jiān)控微粒間發(fā)生的相互作用情況，例如應用于可視化分子間作用力、化學鍵、模擬物質(zhì)的構成等AR應用開發(fā)中。

圖3? 分子碰撞信息反饋邏輯

2.3? 測試發(fā)布

2.3.1? 效果測試與打包發(fā)布

完成識別、交互、碰撞等功能設置后，點擊play按鈕，將標記圖片對準計算機攝像頭，攝像頭捕捉后對交互效果和碰撞效果等進行測試，確認無誤后，點擊file中的Build Settings，選擇Android等平臺進行打包發(fā)布，生成相應apk等格式文件，發(fā)送到移動設備上進行安裝。

將標記進行打印，打開APP并使用移動設備攝像頭捕捉標記卡片，即可立刻響應并呈現(xiàn)分子的立體模型或?qū)嶒瀮x器等。如果將移動設備靠近標記卡片或者旋轉(zhuǎn)移動標記卡片，可以從各個角度近距離地觀察分子的結(jié)構，就仿佛在觀察真實的物體一樣。

2.3.2? “有效碰撞理論”AR軟件的使用

本研究開發(fā)了有效碰撞理論的兩個AR應用，分別是碘化氫分子間和氨氣與氯化氫的反應。均可以通過與虛擬按鈕的交互能夠改變分子狀態(tài)為活化分子或非活化態(tài)分子，移動標記卡片進行分子間交互模擬分子間的碰撞情況，實現(xiàn)以特定方向的碰撞為有效碰撞的功能，分子間碰撞信息可實時反饋;可隨時點擊設備屏幕中的“重置”按鈕，重新開始所有操作。以氨氣與氯化氫反應為例（見圖4），拿住并移動標記卡片讓氨氣和氯化氫分子之間互相碰撞，當以氨中的N原子與氯化氫中的H原子相互靠近并碰撞時，會提示當前碰撞方向為有效碰撞方向，并且會生成產(chǎn)物氯化銨;而以其他方向和角度進行碰撞時，會提示碰撞方向無效。

圖4? 氨氣與氯化氫反應有效碰撞的AR應用演示

在有效碰撞理論的教學中，教師可以使用電腦、平板或手機結(jié)合投屏設備演示有效碰撞的過程，然后與學生一起對有效碰撞理論的空間因素和能量因素進行探討。具體實施時也可讓學生使用平板，配合標記卡片近距離地觀察分子模型，或者小組成員之間合作模擬分子的具體碰撞過程，根據(jù)碰撞過程中的實時反饋的信息，深入認識和理解并非每一次分子間碰撞都能有效地發(fā)生。并通過不斷地調(diào)整碰撞的方向，最終找出成功的碰撞方式，體驗化學反應發(fā)生的微觀過程。

2.3.3? “化學反應速率的影響因素”AR軟件的使用

當使用設備攝像頭和APP觀察教材中濃度、溫度、催化劑對化學反應速率影響的內(nèi)容時，會出現(xiàn)錐形瓶以及瓶內(nèi)正在做無規(guī)則運動的分子微粒。使用手指觸摸代表不同實驗條件的虛擬按鈕，能觀察到在不同影響因素下活化分子數(shù)目以及分子運動速率的變化。例如，按溫度逐漸升高的順序觸摸不同的溫度按鈕，就能夠觀察到分子體系中活化分子數(shù)目逐漸增加，并且分子的運動速率逐漸加快的現(xiàn)象（見圖5）。在實際教學中，教師或者學生使用電腦、平板或手機掃描教材中相應內(nèi)容，通過觸摸標記圖片上的虛擬按鈕，觀察不同條件下的活化分子數(shù)量和運動速率的變化，從而印象深刻地認識到化學反應速率的影響因素及其微觀作用機理。

圖5? 化學反應速率影響因素的AR應用演示

3? 基于移動AR技術的化學教學應用軟件的設計開發(fā)流程

結(jié)合上述化學AR教學應用的設計開發(fā)，以及應用商店中與化學教學相關的AR軟件的分析，歸納總結(jié)了基于AR技術的化學教學應用的設計開發(fā)流程（見圖6）?？梢苑譃槿齻€環(huán)節(jié)： 前期準備、設計開發(fā)和測試發(fā)布。其中前期準備包括選擇合適開發(fā)平臺、分析教學內(nèi)容和確定開發(fā)目標;軟件設計開發(fā)包括素材準備、識別設置、交互設置和反饋設置等;最后是效果測試、打包發(fā)布和使用檢驗。

圖6? 基于AR技術的化學教學應用軟件的設計開發(fā)流程

與傳統(tǒng)的多媒體技術相比，AR技術的優(yōu)勢在于其交互方式的進步，即基于現(xiàn)實世界中多樣化的標識物、標識物行為的變化和虛擬按鈕等引發(fā)的實時反饋，借助攝像頭輸入和結(jié)合APP觸摸操作，實現(xiàn)了一種既真實但又充滿魔幻的傳感式互動，從而使學習者參與其中的體驗大大增強。基于移動AR技術的化學教學應用軟件，能夠充當教學演示工具及豐富教學媒體，增強教學內(nèi)容的表達，促進微觀層面的表征和理解，是教材的有益補充和延伸，是創(chuàng)新課堂教學形式的重要工具。通過AR化學教學應用，可以促進師生、生生、學生與教材之間的互動，幫助學生實現(xiàn)化學宏觀、微觀和符號學習的融合轉(zhuǎn)化，更準確、深入地認識化學的本質(zhì)及過程，激發(fā)學生化學學習的興趣和動機。展望未來，隨著AR技術的快速發(fā)展，相關設備費用下降，AR開發(fā)工具性能和易用性的提高，一線教師將結(jié)合具體教學內(nèi)容和教學需求，開發(fā)優(yōu)質(zhì)和個性化的化學教學AR應用，為學生帶來更佳的化學學習體驗和效果。

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