增強現(xiàn)實（AR）技術在國內化學教學中的研究進展及啟示

摘要：從教學資源開發(fā)、教學內容應用、教學效果評價和教學應用策略等方面對增強現(xiàn)實（AR）技術應用于國內化學教學中的研究進展進行梳理分析，在此基礎上提出若干研究啟示。

關鍵詞：增強現(xiàn)實（AR）技術;化學教學;體驗性情境;空間結構

文章編號：1008-0546（2021）05-0033-03中圖分類號：G632.41文獻標識碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.05.008

與其他教育技術相比，更具浸潤感、交互性和想象性特征的增強現(xiàn)實（Augmented Reality，簡稱AR）技術近年來受到教育研究者的廣泛關注。《普通高中化學課程標準（2017年版）》指出教師在教學中可以適時引入以虛擬現(xiàn)實技術為代表的個性化學習與評價系統(tǒng)⑴。作為虛擬現(xiàn)實的擴展，增強現(xiàn)實是指通過3D技術在真實物體上疊加虛擬對象，從而達到一種視覺混合增強效果，具有虛實結合、無縫交互、浸潤學習等特點⑵。AR的出現(xiàn)能夠填補虛擬和真實世界的認知橋梁，降低學習者的認知負荷，實現(xiàn)學習者對復雜空間關系和抽象概念的可視化，促進虛擬和現(xiàn)實之間的無縫交互⑶，其在科學學科學習中發(fā)揮重要的作用。

搜索相關文獻，可以發(fā)現(xiàn)已有研究者就AR在國外化學教學中的研究進展進行分析⑷。近年來AR開始在國內化學教學中進行應用，盡管仍處于起步階段，但已經取得一定的成果。因此從技術在課堂中推廣應用的角度來看，有必要對AR在國內化學教學中的相關研究成果進行梳理分析。為了解AR應用于國內化學教學的研究進展，筆者于2021年1月以“增強現(xiàn)實技術”“化學”和“AR技術”等作為關鍵詞，反復查詢中國知網、萬方、維普等國內主要的網絡學術文獻數據庫，共得到相關主題的期刊論文18篇，碩士學位論文5篇和1本專著。此外為更全面地了解AR的研究現(xiàn)狀，又通過網絡搜索查閱了國內研究AR的主要團隊網站，豐富研究資料。認真研讀資料的主要內容，對其進行內容歸類，從目前文獻中提煉出四個研究視角：（1）教學軟件資源的開發(fā);（2）教學內容的應用;（3）教學效果評價;（4）教學應用策略。部分文獻化學教與學2021年第5期同時涉及到多個研究視角，教學軟件資源的開發(fā)有7篇次，教學內容的研究有11篇次，教學效果評價有5篇次，教學應用策略研究有3篇次。

一、研究進展

1.教學軟件資源的開發(fā)

優(yōu)質易用的軟件資源是AR在國內化學教學中得到廣泛應用的前提，也是研究者率先開展的研究領域。蕭銘樺等以化學反應微觀過程為例，闡述了基于 AR技術的應用軟件設計、開發(fā)和使用，介紹了前期準備、設計開發(fā)和測試發(fā)布等軟件開發(fā)的一般流程，并具體介紹了“化學反應速率的影響因素”“有效碰撞理論”等軟件⑸。王今陽從視覺設計、功能設計等角度闡述了相關AR軟件的設計過程，開發(fā)“電離、水解”“原電池實驗”等軟件⑹。張瑜鑫利用3D Max和Unity 3D 軟件對初中化學教科書“物質組成的奧秘”相關內容進行AR呈現(xiàn)⑺。臺灣師范大學邱美虹教授的研究團隊開發(fā)了一套包括常見有機物分子的化學撲克牌，使用平板掃描這些撲克牌，就能將二維圖片轉化為三維的空間結構，此外他們還就極性分子與非極性分子、碳納米管等相關知識開發(fā)AR軟件⑻。從網絡資源來看，北京師范大學的“VR/AR+教育”實驗室、仟問化學等相繼開發(fā)了相應的AR軟件，仟問化學還將AR與高中化學選擇性必修模塊《物質結構與性質》相結合，出版了相應的AR書籍⑼。總的來看，一方面由于AR軟件的開發(fā)應用，需要具備代碼編寫等能力，設計的成本和門檻較高，因此化學教育研究者研究的較少，已有的一些報道軟件研究成果的文獻大多為教育技術專業(yè)研究生完成，另一方面已開發(fā)的AR資源內容單一，功能上主要是簡單的三維呈現(xiàn)，交互不夠靈活和深入，不能充分體現(xiàn)AR的技術特點。因此，對中學化學教師來說，目前仍缺少能夠在教學中使用的優(yōu)質 AR資源。

2.教學內容的研究

一些研究表明對物質微觀結構的認識是學生化學學習中感覺比較困難的地方，而AR最顯著的特點就是能夠使抽象的學習內容可視化，變“不可見”為“可見”，因此其可以應用于物質結構教學的研究，促進學習者對微觀結構知識的掌握。如筆者在原子結構、分子結構和晶體結構的教學內容中使用AR技術， 通過平板電腦掃描二維圖片，即可以呈現(xiàn)三維立體結構模型，并可以自由旋轉、放大和縮小，促進學習者相關知識的掌握，降低認知負荷口七李新義等將AR融入到高中化學必修“乙烯”的教學中，在課堂上讓學生利用AR觀察乙烯分子三維球棍模型，幫助學生認識碳碳雙鍵的結構特點[11]。

《教育部關于加強和改進中小學實驗教學的意見》指出“對于因受時空限制而在現(xiàn)實世界中無法觀察和控制的事物和現(xiàn)象、變化太快或太慢的過程，以及有危險性、破壞性和對環(huán)境有危害的實驗，可用增強現(xiàn)實等技術手段呈現(xiàn)”。AR技術能夠搭建還原真實化學實驗的學習場景，幫助學習者熟悉正確的實驗操作過程，感受錯誤操作過程帶來的實驗后果。熊壘等在氣體的制備和電解水實驗中采用AR技術，學生可以自由選擇實驗儀器，搭建實驗裝備，這樣的操作使得學生正確認識實驗基本步驟，增大實際開展實驗的成功性皿。此外AR技術還能夠消除一些化學實驗帶來的危險性，降低了探究學習的條件，如鋁熱反應由于較為危險，學生較少有機會親自實驗，獲得近距離觀察該實驗現(xiàn)象的機會，而AR則能夠幫助學生在真實的場景中開展這一實驗。

AR技術能夠營造真實的學習場景，提高教學的交互性，加強學生對環(huán)境的直接認知，提升真實的主觀感受，因此可以應用于一些常規(guī)條件下無法創(chuàng)設真實場景的學科知識教學。例如學生初始學習化學元素時，對元素的感知性不強，教師也較難提供種類繁多的物質供學生感知，熊啟英利用Elements 4D軟件對化學物質的顏色狀態(tài)等進行視覺增強，學生可以在短時間內感知幾十種元素對應物質的顏色狀態(tài)，體驗真實感和臨場感關o蔡蘇等利用AR軟件設計“元素、物質”的教學，學生將氫元素的卡片和氧元素的卡片靠在一起，既可以觀察到水分子的球棍模型，還能夠看到一滴“真實”的水皿。此外由于常規(guī)教學對教學場地的限制，學生在課堂中較難感知真實的化學工業(yè)流程，AR能夠創(chuàng)設真實的場景，讓學習者置身于化工企業(yè)中，感受反應的流程、設備和現(xiàn)象。

3.教學效果評價研究

AR技術的教學效果如何，一些研究者對此展開了研究。劉瀟等設計了一個以“烷炷分子結構”為主題的實驗，該實驗以學習材料和空間能力為自變量， 探究AR材料和傳統(tǒng)圖文材料對不同空間能力學習者的學習成績、認知負荷和學習動機的影響，進而研究 AR能否有效促進學生進行化學學習。結果表明，AR 能夠激發(fā)學生的學習動機，對提升學習成績產生顯著影響，但沒有明顯降低認知負荷，AR對空間能力低的學習者幫助更大筆者開展實證研究探討AR對學生學習化學微觀結構知識和空間旋轉可視化能力的影響，研究選取高二選修模塊《物質結構與性質》為學習材料，研究時間為三周，結果AR技術對學生空間旋轉可視化能力的發(fā)展影響不顯著，但對學生學習物質微觀結構知識有顯著促進作用[⑹。蔡蘇等以“電解池”為教學案例，探究交互式AR教學對中學生認知能力的影響，結果發(fā)現(xiàn)AR教學在應用維度的提升優(yōu)于 Flash動畫教學，在記憶維度提升弱于傳統(tǒng)動畫教學， 在理解維度上沒有顯著差異[17].

4.教學應用策略研究

針對當前AR教學應用普遍存在的技術簡單添加于教學流程之中、大多只用于知識呈現(xiàn)、沒有創(chuàng)建有利于學生主動探究開展深度學習的體驗性情境等問題，一些研究者開始研究AR資源在教學中的應用策略。林曉凡等基于體驗式學習理論建構了 AR支持下的體驗式資源在科學教學中的應用策略，包括AR 真境“現(xiàn)”實情、AR概念“糾”錯誤、AR器材“建”方案等響。張四方認為目前是AR技術的初級應用階段， 表現(xiàn)為技術特點所體現(xiàn)出的教學效果，聯(lián)結和設計將成為進一步發(fā)展的方向，AR技術應用于教學包括四個基本策略：識別教育目標、提出合適任務、決定任務的功能需求、探尋技術的合適功能⑶。

二、研究啟示

1.AR在化學教學中發(fā)揮的作用有待進一步挖掘

已有研究表明AR作為教學工具在物質微觀結構知識和實驗教學領域發(fā)揮著重要作用，運用AR有助于培養(yǎng)學生微觀探析、證據推理等素養(yǎng)，增強三重表征，建立認知模型。然而從目前的研究成果來看，AR 能夠基于體驗性營造真實學習環(huán)境的作用研究的還較少。此外AR運行的載體大多為智能手機或平板電腦，因此其不僅可以作為課堂學習的工具，還可以作為學生課前、課后預習或復習的工具，如可以借助于 AR探究實驗，觀察分子三維結構模型。此外教師對學生知識掌握評價方式不應局限于紙筆測驗，也可以借助于AR來進行評價，如評價學生對分子結構的掌握可以要求學生在AR系統(tǒng)呈現(xiàn)分子結構，并由系統(tǒng)進行反饋。總之，AR不僅可以作為教師教學的手段， 也可以成為學生學習的工具。

2.研發(fā)適合教師和學生使用的AR資源

擁有大量的真正適合教師和學生使用的優(yōu)質資源是一項技術成功應用于教育領域的關鍵。當前，AR技術逐漸走向成熟期，但絕大多數AR資源都面向于非教育領域，國內優(yōu)質的應用于教育領域的AR資源較少。為何會出現(xiàn)此種情況，劉勉、張際平等在分析虛擬現(xiàn)實技術出現(xiàn)同樣的問題時認為很大的一個原因就在于技術與教學的脫節(jié)s。其進一步指出擁有技術的軟件工程師雖然精通算法、代碼等，但對具體教學并不了解，而教師等對相關開發(fā)技術望而興嘆，技術與教學之間存在巨大的鴻溝。筆者認為這也是AR教育資源較少的原因。因此技術工程師和教師應組成團隊， 發(fā)揮各自的專業(yè)優(yōu)勢，共同來建設AR教育資源庫。

3.開展AR應用于教學的實證研究

相比其它技術在教育中的研究，AR的應用研究還處于起步階段，相關的實證研究較少，已有的一些研究也存在樣本數較少，實驗時間較短等問題。AR 是否能夠真正促進學生學習，這需要大量的實證研究尤其是學習效果方面的實證研究來說明。實證研究是新時代教育研究發(fā)展的潮流，也是技術與學科教育融合深化的必然要求。一線中小學教師具有豐富的課堂教學經驗，但缺乏開展實證研究的知識和能力儲備，其可以與高校專家合作，共同開展增強現(xiàn)實技術應用于教學的實證研究。

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