關(guān)于增強(qiáng)現(xiàn)實(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

增強(qiáng)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(shù)，具有虛實結(jié)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(qiáng)現(xiàn)實技術(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，實現(xiàn)虛實加成，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)。化學(xué)學(xué)科的內(nèi)容特點決定了在化學(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，這是因為微觀表征關(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。實際教學(xué)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(xué)生缺少近距離長時間觀察的機(jī)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(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、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)特點尤其是能夠?qū)⒊橄蟮摹⑷庋劭床坏降膶W(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)備實現(xiàn)與界面交互的分子模擬軟件相比，運行在智能手機(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)生對實驗現(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，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)選擇功能是選擇實驗、藥品與儀器，給予用戶想進(jìn)行不同實驗的需求。(2)任務(wù)功能是開展實驗學(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(yīng)的動畫并給出提示與指正。

3.運行邏輯設(shè)計。即為場景的切換機(jī)制，本應(yīng)用的運行邏輯與大多數(shù)軟件一致。該應(yīng)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(shè)計。為了迎合化學(xué)實驗學(xué)習(xí)操作性強(qiáng)的特點，采用了點擊、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)入一個從理念到實踐的領(lǐng)域，然而若沒有大量的實證研究證明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)模化應(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(jìn)一步提高研究結(jié)論的可推廣性。