關(guān)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(AR)技術(shù)促進(jìn)高中生化學(xué)微觀結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)的探討

楊美嫦

摘要：分析增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)促進(jìn)學(xué)生化學(xué)微觀結(jié)構(gòu)知識學(xué)習(xí)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，開展實(shí)證研究探討高二年級學(xué)生學(xué)習(xí)物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)時，AR技術(shù)對學(xué)生化學(xué)微觀結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)的影響。結(jié)果表明，AR技術(shù)對學(xué)生空間旋轉(zhuǎn)可視化能力的發(fā)展影響不顯著，而對學(xué)生學(xué)習(xí)物質(zhì)微觀空間結(jié)構(gòu)知識有顯著的促進(jìn)作用。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)；化學(xué)微觀結(jié)構(gòu)知識；空間旋轉(zhuǎn)可視化能力；物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)

中圖分類號：G633.8文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號：1992-7711（2020）11-0127

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（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(shí)世界上，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界無縫集成和實(shí)時交互的一項(xiàng)新興信息技術(shù)，具有虛實(shí)結(jié)合、多模態(tài)觸發(fā)、實(shí)時交互、沉浸式體驗(yàn)等特點(diǎn)。[1]移動增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用手機(jī)、平板等移動電子設(shè)備，以設(shè)備自帶的攝像頭作為輸入設(shè)備，以移動應(yīng)用（APP）的形式封裝AR軟件，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)加成，然后投影于各種顯示設(shè)備，既保留了AR的技術(shù)特性，又明顯地降低了對AR設(shè)備的要求。借助移動設(shè)備使觀察者獲得一種實(shí)中有虛的嶄新和拓展的視角，逐漸引起教育教學(xué)領(lǐng)域?qū)＜液徒處煹母叨汝P(guān)注。

一、增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)的教學(xué)優(yōu)勢

作為一門在原子、分子水平上研究物質(zhì)的基礎(chǔ)學(xué)科，化學(xué)的特征是從微觀層次認(rèn)識物質(zhì)，以符號形式描述物質(zhì)，在不同層面創(chuàng)造物質(zhì)?；瘜W(xué)學(xué)科的內(nèi)容特點(diǎn)決定了在化學(xué)學(xué)習(xí)中，學(xué)習(xí)者必然要從宏觀、微觀和符號等方面對物質(zhì)及其變化進(jìn)行多種感知，從而在學(xué)習(xí)者心理上形成化學(xué)學(xué)習(xí)獨(dú)特的三重表征：宏觀表征、微觀表征和符號表征。不少研究表明，微觀表征的建立是學(xué)習(xí)者感覺比較困難的地方，這是因?yàn)槲⒂^表征關(guān)注的是一個肉眼無法看見的世界，學(xué)習(xí)者需要通過豐富的空間想象力來理解微觀世界。

而中學(xué)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(gòu)想，因此需要借助相關(guān)工具如實(shí)物模型、PPT動畫、分子模擬軟件等增強(qiáng)微觀世界的可視化。實(shí)際教學(xué)過程在使用上述工具時存在一些問題：實(shí)物模型和PPT動畫大多僅由教師展示或演示，學(xué)生缺少近距離長時間觀察的機(jī)會，即使其動手制作實(shí)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(xué)生需要人手一臺計算機(jī)，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(shí)、交互性更自然、更易用地能夠幫助學(xué)生學(xué)習(xí)微觀世界的可視化工具。

化學(xué)微觀結(jié)構(gòu)知識主要是指原子結(jié)構(gòu)與元素的性質(zhì)、分子結(jié)構(gòu)與性質(zhì)及晶體結(jié)構(gòu)與性質(zhì)相關(guān)知識，高中階段的微觀結(jié)構(gòu)知識主要在物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)。AR的技術(shù)特點(diǎn)尤其是能夠?qū)⒊橄蟮?、肉眼看不到的學(xué)習(xí)內(nèi)容可視化、形象化，非常適合化學(xué)微觀結(jié)構(gòu)知識的學(xué)習(xí)。AR技術(shù)能夠快速讓學(xué)習(xí)者在現(xiàn)實(shí)環(huán)境背景中看到虛擬生成的三維物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，而且這一模型可以快速生成、任意旋轉(zhuǎn)、自如地放大和縮小，同時與已有的需要鼠標(biāo)和鍵盤等中介設(shè)備實(shí)現(xiàn)與界面交互的分子模擬軟件相比，運(yùn)行在智能手機(jī)或平板電腦上的AR技術(shù)采取的觸摸式交互方式更自然，使用更方便。

二、化學(xué)反應(yīng)微觀過程教學(xué)內(nèi)容的分析

在學(xué)習(xí)高中化學(xué)電化學(xué)基礎(chǔ)一章時，電化學(xué)反應(yīng)微觀過程涉及“氧化還原反應(yīng)”以及“原電池或電解池中離子的遷徙”兩部分的教學(xué)內(nèi)容。教材中“氧化還原反應(yīng)”的內(nèi)容，以化學(xué)方程式為主，缺乏圖像和三維動態(tài)模擬，且僅僅用文字闡述了化學(xué)反應(yīng)，而對于電池中化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的位置、速率等的內(nèi)容卻未展開充分討論，學(xué)生無法很好地理解離子間的微觀過程。“氧化還原反應(yīng)”與“原電池或電解池中離子的遷徙”具有內(nèi)在的密切關(guān)聯(lián)，同屬電化學(xué)反應(yīng)的內(nèi)容。對化電學(xué)反應(yīng)的影響因素，教學(xué)中一般通過學(xué)生對實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的觀察，然后教師結(jié)合微觀原理進(jìn)行分析。教材中對于該微觀原理相關(guān)內(nèi)容的描述比較簡單，在教學(xué)中僅用語言表述則過于枯燥，學(xué)生很難理解。使用AR技術(shù)讓學(xué)生親自動手模擬分子的反應(yīng)過程，通過有趣的沉浸式體驗(yàn)，能更好地把握電化學(xué)反應(yīng)的離子遷移和反應(yīng)，并顯化在不同溫度、不同濃度或有無催化劑等條件下，離子如何析出或者氣體如何放出的過程，從而降低學(xué)生理解微觀電化學(xué)反應(yīng)的難度。

三、AR總體設(shè)計

結(jié)合需求分析，本文開發(fā)的應(yīng)用的總體設(shè)計分為界面設(shè)計、功能設(shè)計、運(yùn)行邏輯設(shè)計與交互設(shè)計四個方面，并根據(jù)每個方面的具體設(shè)計內(nèi)容進(jìn)行了具體的設(shè)計。

1.界面設(shè)計。界面對于用戶的第一印象與使用體驗(yàn)十分重要，特別是對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)計元素。同時為了避免煩瑣的操作過程，界面應(yīng)該簡潔，且符合用戶的使用習(xí)慣。

2.功能設(shè)計。主要包括選擇功能、任務(wù)功能和反饋評價功能。（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）反饋評價功能，在用戶操作過程中會根據(jù)用戶的操作正誤播放相應(yīng)的動畫并給出提示與指正。

3.運(yùn)行邏輯設(shè)計。即為場景的切換機(jī)制，本應(yīng)用的運(yùn)行邏輯與大多數(shù)軟件一致。該應(yīng)用能在啟動場景、實(shí)驗(yàn)選擇場景、實(shí)驗(yàn)場景、微觀實(shí)驗(yàn)場景和反饋評價場景中切換。

4.交互設(shè)計。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、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。

總而言之，隨著AR技術(shù)的不斷成熟，其也將逐步廣泛地運(yùn)用于中小學(xué)課堂中。盡管對于AR技術(shù)的研究深度已經(jīng)進(jìn)入一個從理念到實(shí)踐的領(lǐng)域，然而若沒有大量的實(shí)證研究證明AR技術(shù)對于學(xué)習(xí)者開展學(xué)習(xí)的促進(jìn)作用，必然會影響到教師和學(xué)生使用這項(xiàng)技術(shù)的熱情和信心。期望本研究成果為將來AR技術(shù)在科學(xué)教育領(lǐng)域進(jìn)行規(guī)?；瘧?yīng)用提供有價值的參考。需要說明的是，受時間、人力和物力所限，實(shí)驗(yàn)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(jìn)一步提高研究結(jié)論的可推廣性。

（作者單位：湖南省郴州市宜章縣養(yǎng)正中學(xué)424200）