楊美嫦

摘要：分析增強現(xiàn)實（AR）技術促進學生化學微觀結構知識學習的國內外研究現(xiàn)狀，開展實證研究探討高二年級學生學習物質結構與性質時，AR技術對學生化學微觀結構學習的影響。結果表明，AR技術對學生空間旋轉可視化能力的發(fā)展影響不顯著，而對學生學習物質微觀空間結構知識有顯著的促進作用。

關鍵詞：增強現(xiàn)實（AR）技術；化學微觀結構知識；空間旋轉可視化能力；物質結構與性質

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

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，具有虛實結合、多模態(tài)觸發(fā)、實時交互、沉浸式體驗等特點。[1]移動增強現(xiàn)實技術，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專家和教師的高度關注。

一、增強現(xiàn)實技術的教學優(yōu)勢

作為一門在原子、分子水平上研究物質的基礎學科，化學的特征是從微觀層次認識物質，以符號形式描述物質，在不同層面創(chuàng)造物質?；瘜W學科的內容特點決定了在化學學習中，學習者必然要從宏觀、微觀和符號等方面對物質及其變化進行多種感知，從而在學習者心理上形成化學學習獨特的三重表征：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習者感覺比較困難的地方，這是因為微觀表征關注的是一個肉眼無法看見的世界，學習者需要通過豐富的空間想象力來理解微觀世界。

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

化學微觀結構知識主要是指原子結構與元素的性質、分子結構與性質及晶體結構與性質相關知識，高中階段的微觀結構知識主要在物質的分子結構。AR的技術特點尤其是能夠將抽象的、肉眼看不到的學習內容可視化、形象化，非常適合化學微觀結構知識的學習。AR技術能夠快速讓學習者在現(xiàn)實環(huán)境背景中看到虛擬生成的三維物質結構模型，而且這一模型可以快速生成、任意旋轉、自如地放大和縮小，同時與已有的需要鼠標和鍵盤等中介設備實現(xiàn)與界面交互的分子模擬軟件相比，運行在智能手機或平板電腦上的AR技術采取的觸摸式交互方式更自然，使用更方便。

二、化學反應微觀過程教學內容的分析

在學習高中化學電化學基礎一章時，電化學反應微觀過程涉及“氧化還原反應”以及“原電池或電解池中離子的遷徙”兩部分的教學內容。教材中“氧化還原反應”的內容，以化學方程式為主，缺乏圖像和三維動態(tài)模擬，且僅僅用文字闡述了化學反應，而對于電池中化學反應發(fā)生的位置、速率等的內容卻未展開充分討論，學生無法很好地理解離子間的微觀過程。“氧化還原反應”與“原電池或電解池中離子的遷徙”具有內在的密切關聯(lián)，同屬電化學反應的內容。對化電學反應的影響因素，教學中一般通過學生對實驗現(xiàn)象的觀察，然后教師結合微觀原理進行分析。教材中對于該微觀原理相關內容的描述比較簡單，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反應過程，通過有趣的沉浸式體驗，能更好地把握電化學反應的離子遷移和反應，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，從而降低學生理解微觀電化學反應的難度。

三、AR總體設計

結合需求分析，本文開發(fā)的應用的總體設計分為界面設計、功能設計、運行邏輯設計與交互設計四個方面，并根據(jù)每個方面的具體設計內容進行了具體的設計。

1.界面設計。界面對于用戶的第一印象與使用體驗十分重要，特別是對于初高中階段的青少年。因此，界面UI應該采用色彩明亮、風格統(tǒng)一且簡潔美觀的設計元素。同時為了避免煩瑣的操作過程，界面應該簡潔，且符合用戶的使用習慣。

2.功能設計。主要包括選擇功能、任務功能和反饋評價功能。（1）選擇功能是選擇實驗、藥品與儀器，給予用戶想進行不同實驗的需求。（2）任務功能是開展實驗學習的具體功能，通過添加藥品與器材的鏈接布置完成所選實驗的實驗要求得到正確的實驗現(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的動畫并給出提示與指正。

3.運行邏輯設計。即為場景的切換機制，本應用的運行邏輯與大多數(shù)軟件一致。該應用能在啟動場景、實驗選擇場景、實驗場景、微觀實驗場景和反饋評價場景中切換。

4.交互設計。為了迎合化學實驗學習操作性強的特點，采用了點擊、拖拽、滑動、旋轉、縮放等多種交互方式，增強學生的學習參與度。

總而言之，隨著AR技術的不斷成熟，其也將逐步廣泛地運用于中小學課堂中。盡管對于AR技術的研究深度已經進入一個從理念到實踐的領域，然而若沒有大量的實證研究證明AR技術對于學習者開展學習的促進作用，必然會影響到教師和學生使用這項技術的熱情和信心。期望本研究成果為將來AR技術在科學教育領域進行規(guī)?；瘧锰峁┯袃r值的參考。需要說明的是，受時間、人力和物力所限，實驗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，進一步提高研究結論的可推廣性。

（作者單位：湖南省郴州市宜章縣養(yǎng)正中學424200）