以AR技術(shù)助力化學(xué)教學(xué)

史萌

摘? 要：結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)的教育應(yīng)用特點(diǎn)和化學(xué)學(xué)科特征，AR技術(shù)對化學(xué)教學(xué)的促進(jìn)作用主要體現(xiàn)在將微觀的知識內(nèi)容可視化、模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場景和創(chuàng)造虛實(shí)結(jié)合的學(xué)習(xí)現(xiàn)場等方面。因此，AR技術(shù)可以在化學(xué)微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)實(shí)驗(yàn)和化學(xué)工業(yè)流程等的教學(xué)中，發(fā)揮其助力作用。

關(guān)鍵詞：高中化學(xué)；AR技術(shù)；微觀結(jié)構(gòu)；化學(xué)實(shí)驗(yàn)；化學(xué)工業(yè)流程

本文系江蘇省教育科學(xué)“十四五”規(guī)劃重點(diǎn)課題“虛實(shí)融合：交互式AR環(huán)境支持的化學(xué)核心概念教學(xué)研究”（編號：Cb/2021/02/71）的階段性研究成果。

《普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版2020年修訂）》指出，教師要關(guān)注以移動智能網(wǎng)絡(luò)終端、大數(shù)據(jù)技術(shù)和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為代表的個性化學(xué)習(xí)與評價系統(tǒng)的發(fā)展，并適時引入到化學(xué)教學(xué)中。［1］作為虛擬現(xiàn)實(shí)的擴(kuò)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）是指將虛擬信息（如三維模型、動畫等）根據(jù)約定疊加到真實(shí)物體或環(huán)境上，從而達(dá)到一種視覺混合增強(qiáng)效果。［2］有研究者將AR技術(shù)在教育中的應(yīng)用特點(diǎn)和功能分為五個方面：可視化抽象微觀的學(xué)習(xí)內(nèi)容，支持泛在環(huán)境下的情境學(xué)習(xí)，提升學(xué)習(xí)者的存在感和專注度，使用自然方式交互學(xué)習(xí)對象，結(jié)合正式學(xué)習(xí)和非正式學(xué)習(xí)。［3］化學(xué)是一門從微觀層次認(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)的學(xué)科［4］，其具有微觀化、模型化、抽象性、實(shí)踐性等特征。結(jié)合AR技術(shù)的教育應(yīng)用特點(diǎn)和化學(xué)學(xué)科特征，我們認(rèn)為，AR技術(shù)對化學(xué)教學(xué)的促進(jìn)作用主要體現(xiàn)在將微觀的知識內(nèi)容可視化、模擬真實(shí)的實(shí)驗(yàn)場景和創(chuàng)造虛實(shí)結(jié)合的學(xué)習(xí)現(xiàn)場等方面。因此，AR技術(shù)可以在化學(xué)微觀結(jié)構(gòu)、化學(xué)實(shí)驗(yàn)和化學(xué)工業(yè)流程等的教學(xué)中，發(fā)揮其助力作用。

一、可視化微觀內(nèi)容，助力化學(xué)微觀結(jié)構(gòu)教學(xué)

化學(xué)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)需要學(xué)生具備一定的空間想象力，并借助空間想象力來認(rèn)識和理解微觀世界，進(jìn)而建立微觀結(jié)構(gòu)、宏觀現(xiàn)象與化學(xué)符號之間的聯(lián)系。然而，現(xiàn)實(shí)情況是，部分高中生的空間想象能力還較薄弱。一些實(shí)證研究表明，部分高中生對微觀的化學(xué)世界會存在錯誤認(rèn)識，換句話說，微觀表征的建立是他們學(xué)習(xí)化學(xué)時感覺比較困難的地方。這種情況下，教師可以借助相關(guān)工具來增強(qiáng)微觀世界的可視化。AR技術(shù)的特點(diǎn)（尤其是能夠?qū)⑷搜蹮o法見到的抽象內(nèi)容可視化、形象化），適用于化學(xué)微觀結(jié)構(gòu)知識的教學(xué)。此外，AR技術(shù)能夠讓使用者看到由二維圖片轉(zhuǎn)換生成的三維物質(zhì)結(jié)構(gòu)模型，并自由放縮、任意旋轉(zhuǎn)、多維感知這一模型，進(jìn)而認(rèn)識物質(zhì)的空間結(jié)構(gòu)、微粒間的連接方式以及相關(guān)反應(yīng)的過程。

例如，人教版高中化學(xué)必修第二冊“有機(jī)化合物結(jié)構(gòu)”這部分內(nèi)容，一方面，涉及碳原子的不同成鍵方式差異，較為微觀，需要學(xué)生具備一定的空間想象能力；另一方面，學(xué)生剛開始學(xué)習(xí)有機(jī)化學(xué)內(nèi)容，對相關(guān)內(nèi)容較為陌生。因此，這部分內(nèi)容是學(xué)生學(xué)習(xí)的難點(diǎn)。此外，教材要求學(xué)生搭建球棍模型認(rèn)識碳原子間的成鍵方式，然而較少有學(xué)校備有充足數(shù)量的球棍模型讓學(xué)生人手一套進(jìn)行操作，因此這一學(xué)習(xí)活動往往較難達(dá)成。而借助AR技術(shù)，可以快速讓學(xué)生體會有機(jī)分子的三維空間構(gòu)型和成鍵情況。

教師先引導(dǎo)學(xué)生根據(jù)前面所學(xué)的知識思考碳原子可以通過怎樣的方式成鍵，討論如下問題：碳原子以不同結(jié)合方式相連，呈現(xiàn)怎樣的空間結(jié)構(gòu)特點(diǎn)？然后指導(dǎo)學(xué)生打開“有機(jī)化學(xué)”軟件（一款A(yù)R軟件），點(diǎn)擊“掃描”按鈕，對常見烷烴、烯烴、炔烴的分子結(jié)構(gòu)二維圖片進(jìn)行掃描，即可獲得三維立體模型（如圖1所示）。接著，讓學(xué)生著重從碳骨架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、鍵與鍵之間的夾角、碳原子的成鍵方式三個維度逐一分析常見的烷烴、烯烴、炔烴分子的空間結(jié)構(gòu)。實(shí)際分析過程中，學(xué)生還可以通過“旋轉(zhuǎn)”“放大”“縮小”等不同操作功能，更清楚地觀察有機(jī)分子的空間結(jié)構(gòu)。如“放大”甲烷、乙烷、丙烷等烷烴分子的空間結(jié)構(gòu)后“旋轉(zhuǎn)”觀察，可以很清楚地觀察到在這些有機(jī)分子中，碳骨架呈現(xiàn)折線形，鍵與鍵之間的夾角約為109°（利用軟件自帶的測量功能測量），碳原子與其他原子均以單鍵相連。學(xué)生觀察完畢后，在學(xué)案上描述觀察到的分子空間結(jié)構(gòu)情況。

課后，我們也對學(xué)生進(jìn)行了訪談，發(fā)現(xiàn)他們普遍認(rèn)同AR技術(shù)能夠幫助他們更清晰地觀察有機(jī)分子的空間結(jié)構(gòu)。部分學(xué)生回家后自己在手機(jī)上安裝相應(yīng)的App，繼續(xù)深入學(xué)習(xí)有機(jī)物的空間結(jié)構(gòu)。這讓我們認(rèn)識到，與傳統(tǒng)的球棍模型搭建方法相比，利用AR技術(shù)進(jìn)行觀察有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）搭建球棍模型需要耗費(fèi)較多的時間和實(shí)物模型資源，AR技術(shù)可以快速地可視化分子結(jié)構(gòu)，幫助學(xué)生在較短的時間內(nèi)完成系列分子空間結(jié)構(gòu)的觀察；（2）AR技術(shù)可以讓學(xué)生從多個角度全面觀察有機(jī)分子的空間結(jié)構(gòu)；（3）學(xué)生課后還可以利用AR軟件進(jìn)行非正式學(xué)習(xí)，實(shí)現(xiàn)正式學(xué)習(xí)和非正式學(xué)習(xí)的結(jié)合。

二、模擬真實(shí)實(shí)驗(yàn)場景，助力化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)

化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)存在如下現(xiàn)狀：由于實(shí)驗(yàn)條件的限制，學(xué)生動手實(shí)驗(yàn)的頻率較低；學(xué)生動手操作的實(shí)驗(yàn)大多局限于操作簡單、安全性高的實(shí)驗(yàn)，涉及濃硫酸、濃硝酸等危險試劑的實(shí)驗(yàn)則主要由教師演示或以視頻播放的方式代替；一些學(xué)生動手操作的實(shí)驗(yàn)由于成功率不高，而有限的實(shí)驗(yàn)時間又很難讓學(xué)生多次進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，因此學(xué)生的實(shí)驗(yàn)成就感較低。AR技術(shù)在一定程度上可以改善上述現(xiàn)狀。首先，對于操作簡單、安全性高的實(shí)驗(yàn)，AR技術(shù)能夠讓學(xué)生在有限的時間里多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，增加實(shí)驗(yàn)的成功率。其次，對于危險系數(shù)較高的實(shí)驗(yàn)，AR技術(shù)降低了實(shí)驗(yàn)的危險性；同時，還能夠讓學(xué)生感受錯誤操作帶來的實(shí)驗(yàn)事故后果，從而增強(qiáng)學(xué)生實(shí)際操作實(shí)驗(yàn)時的謹(jǐn)慎度。此外，一些反應(yīng)時間較長或很短的實(shí)驗(yàn)也可以利用AR技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，讓學(xué)生鮮明地感受反應(yīng)的變化過程?？傊?，利用AR技術(shù)可以克服實(shí)驗(yàn)條件限制、降低化學(xué)實(shí)驗(yàn)危險性、提升化學(xué)實(shí)驗(yàn)效果，讓學(xué)生在移動設(shè)備上以更加自然交互的方式做實(shí)驗(yàn)，獲得沉浸式的學(xué)習(xí)體驗(yàn)。

例如，“鈉與水的反應(yīng)”是高中化學(xué)的經(jīng)典實(shí)驗(yàn)之一。由于鈉具有較強(qiáng)的還原性，與水反應(yīng)比較劇烈，因此教師較少將該實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)為學(xué)生實(shí)驗(yàn)。即使設(shè)計(jì)為學(xué)生實(shí)驗(yàn)，也會事先將鈉切割成綠豆大小，實(shí)驗(yàn)的預(yù)設(shè)性較強(qiáng)，學(xué)生也因此失去了感知鈉質(zhì)地較軟的物理性質(zhì)的機(jī)會。

對此，可在教學(xué)中引入AR技術(shù)。教師提問：鈉與水反應(yīng)，根據(jù)元素守恒和氧化還原反應(yīng)的基本原理，預(yù)測反應(yīng)產(chǎn)物是什么？學(xué)生回答：氫氣和氫氧化鈉。教師引導(dǎo)學(xué)生分析該實(shí)驗(yàn)的具體步驟，要求學(xué)生從鈉在水中的位置、鈉的形狀的變化、溶液顏色的變化等方面觀察和描述實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，強(qiáng)調(diào)實(shí)驗(yàn)的安全性。學(xué)生打開“ZSpace”軟件（一款A(yù)R軟件），點(diǎn)擊“高中化學(xué)：鈉及其化合物”。學(xué)生通過手勢操作，首先切割鈉，感受鈉的顏色、質(zhì)地等物理性質(zhì)；然后將切割好的鈉塊投入水中，學(xué)生可以直觀鮮明地觀察到“浮、熔、游、響、紅”的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象（如圖2所示）。在這一操作過程中，有的學(xué)生切割的鈉塊較大，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很劇烈，這讓他們體會到鈉塊切割的大小與實(shí)驗(yàn)危險性的關(guān)聯(lián)。

利用AR技術(shù)開展類似具有較大危險性或耗時較長的實(shí)驗(yàn)有如下優(yōu)點(diǎn)：（1）由于是在近似真實(shí)的環(huán)境中開展化學(xué)實(shí)驗(yàn)，因此實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)真實(shí)性與安全性的平衡，回避了相應(yīng)的風(fēng)險；（2）可以在較短時間內(nèi)多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，體會實(shí)驗(yàn)成敗的影響因素，減小實(shí)驗(yàn)操作的心理負(fù)擔(dān)；（3）直觀鮮明的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象為學(xué)生理解化學(xué)概念、正確書寫化學(xué)方程式奠定基礎(chǔ)。

三、創(chuàng)造虛實(shí)結(jié)合的學(xué)習(xí)現(xiàn)場，助力化學(xué)工業(yè)流程教學(xué)

化學(xué)工業(yè)流程知識是高中化學(xué)學(xué)習(xí)的難點(diǎn)所在，主要原因在于以下幾個方面：其一，化學(xué)工業(yè)與學(xué)生生活距離較遠(yuǎn)，學(xué)生對反應(yīng)流程、儀器裝置等較為陌生；其二，化學(xué)工業(yè)流程知識的教學(xué)方式單一，教師大多采用直接講授的方式，利用PPT顯示裝置圖和簡單的工業(yè)流程圖的圖片，或指導(dǎo)學(xué)生閱讀相關(guān)材料；其三，受客觀條件的影響，學(xué)生較難有機(jī)會在真實(shí)的場景中學(xué)習(xí)，即使有機(jī)會參觀企業(yè)，也大多走馬觀花，很難有充足的時間參觀不同類型的化工廠。AR技術(shù)能夠營造真實(shí)的化工廠學(xué)習(xí)場景，拓展學(xué)習(xí)的空間，提高教學(xué)的交互性，加強(qiáng)學(xué)生對不同反應(yīng)階段和反應(yīng)裝置的直接認(rèn)知。

例如，人教版高中化學(xué)教材特別關(guān)注了中國科學(xué)工作者的科技成就，因此以“侯氏制堿法”為基礎(chǔ)的“純堿工業(yè)”內(nèi)容在多個教學(xué)模塊都有所涉及，這部分內(nèi)容也是高考的重要考查內(nèi)容。然而，實(shí)際情況是，學(xué)生很少有機(jī)會走進(jìn)化工廠，感受真實(shí)的化工流程，因此教師在教學(xué)中大多通過圖片展示、口頭講解的方式。AR技術(shù)可以三維可視化真實(shí)的化工生產(chǎn)流程，讓學(xué)生仿佛身處化工廠中，感受化工生產(chǎn)的不同流程和裝置，置身于體驗(yàn)性的學(xué)習(xí)情境，從而有效增強(qiáng)學(xué)生對化工知識學(xué)習(xí)的興趣。如感受純堿工業(yè)中的碳化、吸氨、加鹽等流程，煅燒爐、結(jié)晶器、吸氨器、壓縮機(jī)等反應(yīng)裝置。

教師引導(dǎo)學(xué)生從用途、原料、核心反應(yīng)、工業(yè)流程四個角度分析純堿工業(yè)反應(yīng)。然后，組織學(xué)生兩人一組，打開“北極光化學(xué)”軟件（一款A(yù)R軟件），點(diǎn)擊“純堿工業(yè)”，點(diǎn)擊掃描相應(yīng)的二維碼，界面上出現(xiàn)“外觀”“制玻璃”“聯(lián)合制堿法”等按鈕。點(diǎn)擊“外觀”，即可具體觀察純堿樣品，學(xué)習(xí)其物理性質(zhì)；點(diǎn)擊“制玻璃”，即可詳細(xì)觀察純堿與二氧化硅的反應(yīng)；點(diǎn)擊“聯(lián)合制堿法”，即可出現(xiàn)制備純堿的化工生產(chǎn)流程（如圖3所示），再點(diǎn)擊反應(yīng)中不同的原料，便可以觀察該物質(zhì)涉及的具體流程，如碳化等。借助AR軟件，學(xué)生身臨其境地感受工業(yè)生產(chǎn)的過程，加深對核心反應(yīng)的理解。

可以發(fā)現(xiàn)，在化學(xué)工業(yè)知識教學(xué)中，利用AR技術(shù)能夠創(chuàng)設(shè)傳統(tǒng)課堂難以體驗(yàn)的學(xué)習(xí)情境，增強(qiáng)學(xué)生的沉浸感，提升學(xué)生的專注度。

最后需要說明的是，一項(xiàng)新興技術(shù)本身并不能單獨(dú)地改變教育教學(xué)，其需要與教師教學(xué)模式、策略緊密地結(jié)合。AR技術(shù)在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用并非簡單地替換PPT動畫、實(shí)物模型或分子模擬軟件，要想使AR技術(shù)與化學(xué)教學(xué)深度融合，真正促進(jìn)教學(xué)和學(xué)習(xí)效果，就需要探索AR技術(shù)應(yīng)用于化學(xué)教學(xué)的教學(xué)模式和策略。此外，AR技術(shù)在學(xué)科教育的有效應(yīng)用不僅需要理論層面的分析，更需要實(shí)證研究。基于實(shí)證研究，將質(zhì)性與量化方法相結(jié)合，積極探索AR技術(shù)對學(xué)習(xí)者學(xué)習(xí)效果的促進(jìn)、認(rèn)知負(fù)荷的改變等。

參考文獻(xiàn)：

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