實驗安全教育與增強現(xiàn)實技術(shù)（AR）結(jié)合的教學改革與實踐

袁冰芯 李恒 賈加加

摘?要：增強現(xiàn)實技術(shù)（AR）可以將虛擬信息和真實環(huán)境疊加起來，具有交互式、沉浸式等優(yōu)點，它可以將抽象的概念進行形象化、具體化。本文旨在探討實驗安全教育與增強現(xiàn)實技術(shù)（AR）結(jié)合交互教學改革與實踐，而增強現(xiàn)實技術(shù)可以在實驗教學中提供虛擬的環(huán)境和場景，使學生能夠更加安全地進行實驗，并且能夠增強學生的學習體驗和興趣。本文將分析增強現(xiàn)實技術(shù)在實驗安全教育中的應用。

關(guān)鍵詞：實驗安全教育；增強現(xiàn)實技術(shù)；改革與實踐

一、概述

實驗是科學研究和教學的重要手段之一，可以幫助學生更好地理解和掌握理論知識，培養(yǎng)學生的實踐能力。然而，實驗過程中也存在著一定的安全風險，如化學品的誤用、電氣設(shè)備的故障等。因此，在進行實驗教學之前，必須對學生進行全面的實驗安全教育，從而有效地預防實驗事故的發(fā)生。為了提高實驗安全教育的有效性和吸引力，研究人員和教育者開始嘗試將增強現(xiàn)實技術(shù)（AR）引入實驗室安全培訓［1］。結(jié)合增強現(xiàn)實技術(shù)（AR）進行交互教學改革和實踐，可以為實驗安全教育帶來新的思路和方法。

二、增強現(xiàn)實技術(shù)（AR）應用原理

增強現(xiàn)實技術(shù)（AR）最早于1990年被提出，隨后經(jīng)歷了近30年的研究探索［2］。2009年全球首款增強現(xiàn)實瀏覽器被推出，能通過手機幫助用戶獲取當前環(huán)境的詳細信息。［3］增強現(xiàn)實技術(shù)是一種將虛擬的數(shù)字信息與現(xiàn)實世界中的物體和場景相結(jié)合的技術(shù)。利用電腦圖形圖像技術(shù)、可視化技術(shù)將真實世界與虛擬世界進行“真實”結(jié)合的技術(shù)。［47］它可以提供虛擬的環(huán)境和場景，為學生帶來更加生動、直觀、互動的學習體驗，并且能夠增強學生的學習體驗和興趣。在實驗教學中，增強現(xiàn)實技術(shù)可以提供實驗環(huán)境、實驗操作、實驗過程的模擬和演示，以及實驗數(shù)據(jù)的可視化和分析等功能［8］。

三、AR技術(shù)在實驗安全教育方面的應用

AR可以提供與傳統(tǒng)實驗室學習方式不同的學習體驗，為學生提供更加生動、豐富的實驗環(huán)境和情境，使學習過程更具趣味性和吸引力。AR實驗室安全培訓系統(tǒng)是一個基于增強現(xiàn)實技術(shù)的實驗室安全培訓平臺。學生可以通過智能手機、平板電腦或AR眼鏡等設(shè)備運行該系統(tǒng)。系統(tǒng)利用AR技術(shù)將虛擬信息疊加到現(xiàn)實環(huán)境中，為學生提供了一種身臨其境的學習體驗。增強現(xiàn)實技術(shù)可以提供虛擬實驗環(huán)境，使學生不必親身參與實驗，就可以進行實驗的模擬和演示。在虛擬實驗環(huán)境中，學生可以觀察實驗的過程和結(jié)果，并且能夠進行實驗數(shù)據(jù)的可視化和分析。這種虛擬實驗環(huán)境可以有效地降低學生和教師的風險，同時也能夠提高學生的學習效率和興趣。AR技術(shù)在實驗安全教育方面的應用有以下幾個方面。

首先，AR技術(shù)可以模擬危險的實驗場景，讓學生可以在安全的環(huán)境中體驗和學習如何正確地處理危險情況。通過AR技術(shù)，學生可以觀察和分析危險物質(zhì)的行為特征和反應過程，了解危險物質(zhì)的特性和安全操作的要點，同時避免了實驗過程中可能出現(xiàn)的危險和風險。在AR的實驗環(huán)境中，學生可以隨時觀察、探究和學習，不受時間和場地的限制，不會因為實驗設(shè)備受損而無法進行實驗，同時還可以在實驗中隨時修改實驗方案，提高實驗教學的靈活性和實效性。

其次，在實驗室安全培訓課程中，教師可以利用AR實驗室安全培訓系統(tǒng)為學生提供模擬實驗環(huán)境。在這個虛擬環(huán)境中，學生可以學習并實踐如何正確使用實驗器材、處理化學品、穿戴防護裝備等實驗操作。系統(tǒng)還可以模擬實驗室中的潛在危險情況，如化學品泄漏、火災等，幫助學生了解如何在緊急情況下采取正確的應對措施。

AR技術(shù)可以使實驗教學變得更加生動有趣。通過AR技術(shù)，學生可以看到實驗物質(zhì)在實驗中的行為和特性，可以更好地理解實驗中的原理和過程，從而提高學生的學習興趣和學習效果。AR技術(shù)可以使實驗教學與游戲化教學相結(jié)合，通過豐富的視覺和聽覺效果，提高學生對實驗過程的參與度和主動性。

綜上所述，AR技術(shù)在實驗安全教育課程中的應用是非常有前途的。它可以提供更加生動、豐富、趣味性的實驗環(huán)境和情境，讓學生更好地理解實驗的原理和過程，同時又避免了實驗中可能出現(xiàn)的危險和風險。AR技術(shù)可以幫助學生更好地掌握實驗技能，提高學生的學習效果和學習興趣。

四、實驗安全教育與AR技術(shù)結(jié)合的意義

實驗室安全教育是非常重要的，因為實驗室內(nèi)存在著很多潛在的危險，如化學品泄漏、電擊、火災等。為了確保實驗室工作人員和學生的安全，必須對實驗室安全進行全面的教育和培訓。AR技術(shù)結(jié)合實驗室安全教育可以提供更加生動、直觀和互動的學習體驗，AR技術(shù)可以將虛擬的實驗室場景與現(xiàn)實世界相結(jié)合，通過視覺和聽覺等多種感官，使學生能夠更加深入地了解實驗室的危險和安全規(guī)范，提高學生的安全意識和實驗技能。具體意義將通過以下幾個方面進行闡述。

（一）幫助學生避免實驗隱患

增強現(xiàn)實技術(shù)可以提供實驗操作的模擬和演示，使學生能夠更加熟悉實驗的操作流程和技巧。在實驗操作模擬和演示中，學生可以通過虛擬的場景和物體進行正確的實驗操作，觀察實驗的過程和結(jié)果，并且能夠進行實驗數(shù)據(jù)的可視化和分析。但有些實驗在反應過程中可能會產(chǎn)生易燃易爆氣體，比如H2O2和KMnO4反應制氧氣，在檢驗是否有氧氣放出時，有時為了更好地觀察到復燃現(xiàn)象，會使用紙條來代替木條。但是在復燃之后，紙條極易掉落到盛有氧氣的試管中，這會使紙條劇烈燃燒，產(chǎn)生爆炸，造成安全事故。但是AR技術(shù)的應用可以將實驗物品虛擬化，學生通過AR技術(shù)在虛擬場景中進行試驗的學習，可以達到真實的效果。例如，有些反應過程會有有毒有害氣體放出，但是AR技術(shù)在實驗中的應用可以規(guī)避掉這一危險。這種實驗操作模擬和演示可以有效地提高學生的實驗技能和實驗操作的熟練度，提高學生的學習效率和興趣。同時，正確規(guī)范的實驗操作可以大大降低實驗過程中的安全隱患。

（二）提高實驗技能

AR技術(shù)可以通過虛擬實驗的方式來讓學生在安全的環(huán)境下進行實驗操作，從而提高學生的實驗技能。在虛擬實驗過程中，學生可以通過模擬真實實驗的操作流程來進行實驗，從而更加熟練地掌握實驗技能。同時，AR技術(shù)還可以通過提供實驗教學的反饋信息來指導學生進行實驗操作，從而幫助學生更好地掌握實驗技能。

化學作為一門科學研究的學科，需要學生有很強的動手操作能力，化學實驗就成為我們檢驗真理和增加學生動手能力的一種重要手段。經(jīng)過近幾年的教學改革，化學實驗成為學科教學中的必修科目。但化學實驗中有許多難懂且復雜的實驗操作，通過教師的講述無法直觀展示，或教師講解內(nèi)容過多，學生不能及時消化理解。這時我們可以通過AR技術(shù)將化學實驗的相關(guān)內(nèi)容制作成AR教材，當我們用移動設(shè)備，例如手機的APP進行掃描時，實驗教材中靜止的二維平面圖便會展示正確的實驗操作技能。通過AR技術(shù)，學生更加直觀地、正確地看到實驗的具體操，并且對相應實驗知識的理解和實驗技能的記憶便會更加深刻。只有規(guī)范的操作技能，才能有效規(guī)避實驗風險。

（三）幫助學生掌握實驗安全知識

在實驗過程中，學生的實驗安全意識十分重要。利用AR技術(shù)，可以將一些安全隱患和操作規(guī)范等信息通過虛擬現(xiàn)實的方式呈現(xiàn)出來，從而幫助學生更加深入地理解實驗的安全性，從而減少實驗事故的發(fā)生。同時，AR技術(shù)還可以通過虛擬實驗的方式，讓學生更加清晰地認識到一些危險物質(zhì)的特性和使用方法，從而在實驗過程中更加謹慎地操作，減少了實驗安全問題的出現(xiàn)。

在傳統(tǒng)實驗安全教學中，教師的教學大多數(shù)是通過口述進行。這是因為在教學過程中不能夠出現(xiàn)具有危險的教學行為，因此，他們的技能僅來源于教師的抽象描述。面對危險時需要把理論知識轉(zhuǎn)化為行動，這使大部分學生不能夠及時應對。但是增強現(xiàn)實技術(shù)參與，在實驗安全教育中，可以使學生更加直觀地觀察到在面對危險時，應該如何處理，需要做出怎么樣的應對措施。例如滅火器的操作，在傳統(tǒng)實驗安全教學中，教師只能模擬滅火器的使用：一提、二拉、三對準、四壓。在沒有專業(yè)消防員在場的情況下，不能進行真實演練。但是通過增強現(xiàn)實技術(shù)，學生可以更加直觀地觀察到，在面對火災時應如何應對。當學生在實驗過程中遇到危險時，能夠快速回憶起應對畫面，做出相應的應對措施。

（四）提高學生的學習興趣和參與度

化學作為一門嚴謹?shù)幕A(chǔ)學科，需要學生有很強的動手操作能力。因此在化學學科學習中化學實驗也就成為增強學生對化學學科學習興趣的一種重要手段。雖然，近些年來化學實驗在必修課中設(shè)置了實驗課程，如增加化學趣味實驗以及簡單的化學小實驗等，但學生的學習興趣并沒有被提高。這是由于學生實驗的化學材料不具備，并且購買也很麻煩，無法做實驗，學生的興趣也就無從談起。AR技術(shù)在化學實驗中的成功應用就很好地解決了這一問題。在“鎂條燃燒”實驗中，鎂條劇烈地燃燒，產(chǎn)生耀眼的白光。通過AR技術(shù)，模擬出來化學材料，通過對實驗條件的設(shè)定，從而達到自己想要的實驗效果。通過這一AR技術(shù)，吸引學生對學習化學的興趣，激發(fā)學生對化學知識的求知欲望。

（五）實驗數(shù)據(jù)可視化和分析

增強現(xiàn)實技術(shù)可以提供實驗數(shù)據(jù)的可視化和分析，使學生能夠更加清晰地了解實驗數(shù)據(jù)的特征和規(guī)律。在實驗數(shù)據(jù)可視化和分析中，學生可以通過虛擬的場景和物體進行實驗數(shù)據(jù)的可視化和分析，觀察實驗數(shù)據(jù)的分布和變化，分析實驗數(shù)據(jù)的特征和規(guī)律。這種實驗數(shù)據(jù)可視化和分析可以有效地提高學生的數(shù)據(jù)分析能力和科學研究能力，同時也能夠提高學生的學習效率和興趣。

（六）降低培訓成本

傳統(tǒng)的實驗室培訓需要投入大量的時間和成本。例如，為了進行化學實驗的培訓，需要購買實驗器材和化學品，并安排專業(yè)人員進行培訓。這些成本往往是很高的，而AR技術(shù)可以提供更便宜的培訓方案。AR技術(shù)可以為學生提供虛擬實驗室和實驗操作的模擬，減少對實驗器材和化學品等資源的需求，從而降低培訓成本。

五、實驗安全教育與AR技術(shù)結(jié)合的具體實施方案

第一，選擇合適的AR平臺和設(shè)備。目前市面上有很多AR平臺和設(shè)備可供選擇，如HoloLens、ARKit、Vuforia等，需要根據(jù)實驗內(nèi)容和學生需求選擇合適的平臺和設(shè)備。第二，需要設(shè)計合適的實驗場景和模型。根據(jù)實驗內(nèi)容和學生需求，設(shè)計出合適的實驗場景和模型，將虛擬信息融合到真實場景中，使學生可以在虛擬環(huán)境中進行實驗。第三，設(shè)置合適的實驗安全提示和演示。在虛擬環(huán)境中，設(shè)置合適的實驗安全提示和演示，讓學生了解實驗過程中可能出現(xiàn)的危險情況，以及如何避免和處理這些情況。第四，引導學生進行實驗和探索。在虛擬環(huán)境中，引導學生進行實驗和探索，讓他們自主發(fā)現(xiàn)問題和解決問題，從而培養(yǎng)他們的實驗技能和創(chuàng)新意識。第五，評估實驗效果和學生反饋。通過實驗效果評估和學生反饋，不斷改進和優(yōu)化實驗教學方式，提高教學效果和學生滿意度。

六、結(jié)論

在本文中，我們探討了實驗安全教育與AR技術(shù)的結(jié)合，以提高實驗室安全意識和技能。實驗室安全是一項至關(guān)重要的任務，而AR技術(shù)的應用可以提供一種創(chuàng)新的方式來培養(yǎng)實驗室安全文化。將AR技術(shù)應用于實驗室安全教育，可以以視覺化的方式呈現(xiàn)實驗室危險和安全措施，來使學生更好地理解實驗室安全知識和技能。

AR技術(shù)的優(yōu)勢在于它可以提供互動和實時反饋。例如，在實驗室安全培訓中，學生可以通過AR技術(shù)模擬實驗室中的危險場景，學習正確的安全程序，并在模擬場景中進行實時互動。這種實時反饋可以幫助學生更好地理解實驗室安全知識，并在實踐中熟練掌握安全技能。此外，AR技術(shù)也可以提供個性化的學習體驗。由于每個學生的學習能力和需求不同，AR技術(shù)可以根據(jù)學生的學習進度和理解程度自動調(diào)整內(nèi)容和難度，以提供最適合每個學生的個性化學習體驗。這種個性化學習體驗可以更好地滿足學生的學習需求，促進他們的學習興趣和積極性。在使用AR技術(shù)進行實驗室安全教育時，我們也應該注意一些潛在的風險和挑戰(zhàn)。例如，學生可能會過于依賴AR技術(shù)，而忽視實驗室中的實際情況和環(huán)境。此外，AR技術(shù)需要專業(yè)人員來開發(fā)和維護，這也需要投入相應的人力和資源。

總的來說，AR技術(shù)的應用可以提高實驗室安全教育的效果，為學生提供更好的學習體驗，并促進實驗室安全文化的培養(yǎng)。但是，我們需要謹慎地應用AR技術(shù)，并認真處理其中的潛在風險和挑戰(zhàn)，以確保實驗室安全教育的有效性和可持續(xù)性。

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［8］于景晶，王珊珊.增強現(xiàn)實技術(shù)在化學實驗教學中的應用［J］.教育教學論壇，2022，28（01）：4748.

項目基金：2021年鄭州大學教育教學改革研究與實踐項目（2021ZZUJGLX122）

作者簡介：袁冰芯（1989—?），女，漢族，河南鶴壁人，理學博士，副教授，主要從事膠束催化和綠色化學轉(zhuǎn)化相關(guān)研究工作；李恒（1986—?），男，漢族，河南新鄉(xiāng)人，理學博士，講師，主要從事金屬有機化學和催化化學相關(guān)研究工作；賈加加（1999—?），女，漢族，河南鄭州人，理學學士，主要從事膠束催化相關(guān)研究工作。