蔡蘇 王濤 蔡瑞衡

【摘 要】微觀世界的學(xué)習(xí)一直是化學(xué)學(xué)習(xí)中的重難點(diǎn)。初中生思維發(fā)育尚不成熟，在接觸化學(xué)初期，難以正確想象微觀世界中的化學(xué)變化。增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)（AR）具備的可視化、情境性學(xué)習(xí)、自然交互等特點(diǎn)，可以有效降低學(xué)生學(xué)習(xí)的認(rèn)知負(fù)荷，提高學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣。本文簡(jiǎn)要分析國(guó)內(nèi)外關(guān)于AR在化學(xué)教學(xué)中應(yīng)用的案例，通過(guò)介紹北京師范大學(xué)“VR/AR+教育”實(shí)驗(yàn)室對(duì)化學(xué)AR應(yīng)用的實(shí)證研究，探討目前AR技術(shù)在化學(xué)學(xué)科中應(yīng)用的特點(diǎn)，并對(duì)未來(lái)AR技術(shù)在化學(xué)中的應(yīng)用前景進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)；化學(xué)；教育技術(shù)

【中圖分類號(hào)】G434 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A

【論文編號(hào)】1671-7384（2018）02、03-0115-03

前言

增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)把真實(shí)環(huán)境與虛擬景象結(jié)合在一起，營(yíng)造更真實(shí)、可交互的氛圍，應(yīng)用于教學(xué)可產(chǎn)生沉浸式的效果。目前，AR技術(shù)在教育領(lǐng)域的應(yīng)用涵蓋了K-12年級(jí)，對(duì)學(xué)習(xí)者集中注意力、與教學(xué)內(nèi)容互動(dòng)有一定的幫助?；瘜W(xué)是中學(xué)階段的重要學(xué)科，學(xué)生在此階段建立起來(lái)的化學(xué)基本觀念對(duì)其今后會(huì)產(chǎn)生持久的影響，如有關(guān)物質(zhì)變化的觀念性認(rèn)識(shí)主導(dǎo)并維系著他分析、看待問(wèn)題的方式和科學(xué)態(tài)度。物質(zhì)組成是化學(xué)的核心概念，對(duì)所有物質(zhì)的學(xué)習(xí)至關(guān)重要。義務(wù)教育階段化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)要求具體的教材和教學(xué)能夠“幫助學(xué)生用微粒的觀念去學(xué)習(xí)化學(xué)，通過(guò)觀察、想象、類比、模型化等方式使學(xué)生理解化學(xué)現(xiàn)象的本質(zhì)”。特級(jí)教師王后雄指出，化學(xué)學(xué)習(xí)的難度在于其具有較強(qiáng)的抽象性，而初中學(xué)生認(rèn)知水平和空間想象力受到限制。分子、原子、催化劑、物質(zhì)的量等許多游離于宏觀與微觀之間的概念及理論使學(xué)生望而生畏[1]。這為我們改善教學(xué)方法、開(kāi)發(fā)創(chuàng)新型教學(xué)工具提供了空間?；瘜W(xué)學(xué)習(xí)需要的直觀性、關(guān)聯(lián)性和發(fā)展性，與AR的可視化、情境性、交互性不謀而合，運(yùn)用AR技術(shù)可以從學(xué)生熟悉的身邊真實(shí)現(xiàn)象導(dǎo)入，通過(guò)宏觀現(xiàn)象展示微觀概念，甚至再現(xiàn)同類實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象，降低學(xué)習(xí)難度。本研究旨在用AR技術(shù)開(kāi)發(fā)“物質(zhì)組成”模塊的教學(xué)工具和教學(xué)活動(dòng)。

國(guó)際上AR在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

近年來(lái)，AR技術(shù)迅速發(fā)展，應(yīng)用于教育領(lǐng)域，包括化學(xué)的實(shí)例越來(lái)越多，但主要集中在國(guó)外。Yu-Chien Chen （2006） [2]對(duì)化學(xué)教學(xué)中AR模型和物理模型的應(yīng)用做了比較研究。研究中學(xué)生交叉使用氨基酸結(jié)構(gòu)的兩種模型，他們操作兩種模型的方式相同，效果則取決于個(gè)人偏好。有同學(xué)喜歡AR模型學(xué)習(xí)，認(rèn)為可以變化大小，展示更復(fù)雜的分子結(jié)構(gòu)，便于觀察細(xì)節(jié)，也更節(jié)省材料和空間。AL QASSEM（2014）[3]等用AR技術(shù)開(kāi)發(fā)了氧、氫、氯等常用元素組成的球棍模型，幫助高中生學(xué)習(xí)化學(xué)反應(yīng)。還有學(xué)者用AR結(jié)合5E學(xué)習(xí)環(huán)等教學(xué)方法，提高了學(xué)生學(xué)習(xí)成效和自我效能感。Morten Fjeld和Benedikt M. Voegtli （2002） [4]開(kāi)發(fā)了融合可觸摸用戶界面和“增強(qiáng)化學(xué)”的系統(tǒng)。系統(tǒng)包括元素手冊(cè)，選擇器和一個(gè)以不同面代表原子到分子模型上不同粘附方式的正方體。這種以AR和化學(xué)為核心開(kāi)發(fā)的應(yīng)用和專著也漸漸多了起來(lái)。如chempreview用自然的手勢(shì)以直觀方式進(jìn)行蛋白質(zhì)等大分子的交互、“增強(qiáng)化學(xué)：碳?xì)浠衔铩币粫鳛榛瘜W(xué)學(xué)習(xí)的增補(bǔ)材料等。

“VR/AR+教育”實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展AR化學(xué)教學(xué)的實(shí)證案例

國(guó)內(nèi)最早開(kāi)展課堂AR教學(xué)并持續(xù)探索的團(tuán)隊(duì)是北京師范大學(xué)教育技術(shù)學(xué)院“VR/AR+教育”實(shí)驗(yàn)室（http：//ar.bnu.edu.cn）。當(dāng)前AR應(yīng)用于中學(xué)化學(xué)教學(xué)上大多停留在演示性階段，即學(xué)生將標(biāo)簽放在攝像頭下，觀察其表征的化學(xué)結(jié)構(gòu)，而“VR/AR+教育”實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)的案例不僅體現(xiàn)了AR技術(shù)的演示性優(yōu)勢(shì)，還利用了其自然交互的特性。屏幕上的三維模型不再是靜止的，會(huì)隨著學(xué)生的操作產(chǎn)生動(dòng)畫，并讓學(xué)生在虛實(shí)融合的環(huán)境中探究。該團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)過(guò)在桌面上直接操作的化學(xué)實(shí)驗(yàn)[5]，也曾在化學(xué)課堂實(shí)施微觀世界物質(zhì)組成的AR教學(xué)并測(cè)試和訪談學(xué)生的學(xué)習(xí)效果。研究表明，AR作為一種計(jì)算機(jī)輔助學(xué)習(xí)工具，顯著提高了學(xué)習(xí)效果，學(xué)生普遍對(duì)軟件有積極態(tài)度，并且學(xué)習(xí)態(tài)度有所提高[6]。下面具體介紹在深圳一所初中課堂上實(shí)踐過(guò)的微觀世界中水分子和碳原子交互式實(shí)驗(yàn)的兩個(gè)案例。

1.運(yùn)行效果

原子結(jié)構(gòu)及核外電子的運(yùn)動(dòng)

將對(duì)應(yīng)的標(biāo)識(shí)圖放入視野中，即可看到原子模型，學(xué)生可根據(jù)其內(nèi)層2個(gè)電子，外層6個(gè)電子，核外共8個(gè)電子來(lái)判斷，此原子為氧原子。

原子形成分子、分子構(gòu)成物質(zhì)

把標(biāo)識(shí)圖標(biāo)簽2、3、4同時(shí)放到桌面上，可見(jiàn)兩個(gè)氫原子和一個(gè)氧原子。當(dāng)我們慢慢將氫原子向氧原子靠近，三個(gè)原子結(jié)合，形成水分子。我們將標(biāo)識(shí)圖2和4扣過(guò)來(lái)，將標(biāo)識(shí)圖3拿起，進(jìn)一步觀察，可以看到氧原子貢獻(xiàn)外層的6個(gè)電子，兩個(gè)氫原子各貢獻(xiàn)1個(gè)電子，形成8電子的穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，為水分子。學(xué)生可以旋轉(zhuǎn)、移動(dòng)，從各個(gè)角度觀察水分子的結(jié)構(gòu)。將標(biāo)識(shí)圖再向上抬高，即可看到出現(xiàn)一個(gè)水滴，如圖1所示。

原子組成物質(zhì)

將標(biāo)簽2、3、4、6放在桌面上，首先讓學(xué)生觀察原子結(jié)構(gòu)，學(xué)生通過(guò)核外電子數(shù)目判斷為碳原子。將其抬高，屏幕上方出現(xiàn)碳原子模型，以及相應(yīng)的化學(xué)鍵。這樣反復(fù)操作，我們可以看到金剛石結(jié)構(gòu)的一個(gè)單元。學(xué)生可以從各個(gè)不同角度觀察金剛石單元。在原有基礎(chǔ)上繼續(xù)搭建，可拼出一個(gè)完整的金剛石結(jié)構(gòu)，如圖2所示。

2.研究結(jié)果

通過(guò)分析和討論研究獲得的數(shù)據(jù)，就本AR軟件的教學(xué)，我們得出以下結(jié)論：

軟件作為補(bǔ)充性學(xué)習(xí)工具，效果顯著。在深圳的研究中，后測(cè)比前測(cè)平均分提高10%，t檢驗(yàn)差異顯著，可進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)和推廣。

教學(xué)對(duì)學(xué)習(xí)成就低的學(xué)生效果將更加明顯。學(xué)習(xí)成就低的學(xué)生想象力較差，對(duì)書本知識(shí)不敏感，模型可以幫助他們更好地理解微觀世界的變化。

問(wèn)卷調(diào)查表明學(xué)生整體上對(duì)軟件的滿意度、認(rèn)知有用度、認(rèn)知易用度持有積極的態(tài)度，并且對(duì)后續(xù)的使用很感興趣。而男生的評(píng)價(jià)高于女生，我們?cè)谖磥?lái)的教學(xué)設(shè)計(jì)中應(yīng)增加讓女生感興趣的因素。

問(wèn)卷分析表明學(xué)生的學(xué)習(xí)態(tài)度與對(duì)軟件的評(píng)價(jià)有明顯的正相關(guān)。在引進(jìn)新的學(xué)習(xí)媒體和學(xué)習(xí)方式時(shí)，最根本的還是調(diào)動(dòng)學(xué)生的積極性，提高其對(duì)學(xué)習(xí)內(nèi)容重要性的認(rèn)識(shí)。

個(gè)別小組不能正確回答活動(dòng)表格中的問(wèn)題，沒(méi)有得到及時(shí)的反饋，若在教師的適當(dāng)指導(dǎo)下進(jìn)行，學(xué)生的學(xué)習(xí)效果會(huì)更好。還有學(xué)生偏愛(ài)游戲式和協(xié)作式的學(xué)習(xí)。我們?cè)诓捎眯旅襟w教學(xué)時(shí)，要充分考慮學(xué)生偏好，也要加強(qiáng)學(xué)生間的互動(dòng)。

總結(jié)

AR的化學(xué)應(yīng)用縱向涵蓋了從基礎(chǔ)教育到高等教育的各個(gè)階段，橫向也可以涵蓋學(xué)科的不同分支。從教學(xué)和學(xué)習(xí)的方式上看，AR既可以用于內(nèi)容展示，也可以用于探究式學(xué)習(xí)、提供深層次的交互。隨著技術(shù)的不斷發(fā)展進(jìn)步，AR內(nèi)容制作的成本和門檻會(huì)繼續(xù)降低，這為AR融入化學(xué)課堂提供了更多機(jī)遇。

在化學(xué)中，將AR作為一種展示內(nèi)容的手段和媒體使用，在一定程度上體現(xiàn)了AR虛實(shí)結(jié)合、自然交互的特色。未來(lái)的AR學(xué)科應(yīng)用，應(yīng)該更加重視學(xué)習(xí)活動(dòng)設(shè)計(jì)，讓AR不僅作為教師教學(xué)的輔助工具，并且更好地融入學(xué)生的學(xué)習(xí)過(guò)程中。通過(guò)綜合多種教學(xué)、學(xué)習(xí)方式及活動(dòng)設(shè)計(jì)，AR會(huì)作為一種新的學(xué)習(xí)環(huán)境對(duì)教和學(xué)都產(chǎn)生積極的影響[7]。

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