基于增強現實技術的高中化學實驗教學模式探索

摘 要：隨著科技的快速發展，增強現實（AR）技術逐漸融入教育領域，為傳統的高中化學實驗教學帶來了新的變革。在高中化學教學中，教師要提高自身的教學素質，掌握AR技術的實施要點，優化傳統化學實驗教學模式，鍛煉學生的實驗操作技能。文章探討了基于AR技術的高中化學實驗教學模式的實施方法，旨在提高學生的學習興趣和實驗效果，同時確保實驗過程的安全性和可控性。

關鍵詞：增強現實技術；高中化學；實驗教學；教學模式；安全性

中圖分類號：G633.8+G434 文獻標識碼：A 文章編號：1673-8918（2024）39-0123-04

高中化學實驗教學對發展學生科學素養與實踐能力具有重要意義。但傳統實驗教學受實驗條件、資源和安全性的限制，很難完全適應學生學習的需要。增強現實（AR）技術的提出因其特有的虛實結合和實時交互等特性給高中化學實驗教學帶來了一種全新的可能性。

一、 AR技術應用于高中化學實驗教學的優勢

AR技術應用于高中化學實驗教學具有顯著優勢，其不僅可以豐富教學手段、提升學生學習興趣，而且可以強化實驗效果、保障實驗過程的安全。具體如下：

第一，AR技術因其特有的沉浸式學習體驗大幅提升了學生學習興趣。傳統高中化學實驗教學中學生對實驗原理與步驟往往僅能通過課本或者教師講解進行理解，此種抽象學習方式難以使學生有直觀感受與深刻認識。而AR技術則是通過虛擬實驗室的建設，把實驗器材、試劑和操作界面以三維方式展現給學生，學生可通過AR頭顯或者手機等器材進行操作，走進虛擬實驗環境，實時互動，觀察實驗現象，體驗化學的精彩與神奇。這種沉浸式的學習體驗使學生猶如置身在一個真正的實驗室里，調動起學習熱情與探索欲望，增強學習積極性與主動性。

第二，AR技術可以強化實驗效果，有利于學生對實驗原理及操作步驟的深入理解與掌握。虛擬實驗環境下學生可按照實驗課程設計自由操作實驗、觀察實驗現象、記錄實驗數據。相較于傳統實驗教學，AR技術能夠模擬出較為復雜的實驗過程并呈現較多實驗現象，讓學生對實驗原理以及操作步驟有直觀了解。另外AR技術能夠對學生實驗操作進行實時反饋，并指出操作失誤與不足之處，有利于學生及時修正與完善。該互動式學習方式有助于學生對實驗原理及操作技巧的深入理解，增強實驗能力及科學素養。

第三，AR技術可以保證實驗過程安全和降低實驗風險。實際化學實驗中受化學品特殊、實驗條件有限等因素影響，常常會出現一些安全隱患。如有些化學品易燃易爆、有毒有害，若操作不規范或管理混亂，極易造成事故。而AR技術則通過虛擬實驗環境的搭建規避了真實實驗可能帶來的隱患。虛擬實驗環境中學生無須真實的化學品及實驗器材就能完成實驗操作，從而避免化學品泄漏及爆炸事故。同時AR技術也能對實驗過程可能發生的危險情況進行模擬，有利于學生對危險源及防范措施的理解，增強其安全意識及自我保護能力。除此之外，AR技術在其他領域也展現了明顯的優勢。如它能打破時空的束縛，使學生隨時隨地地進行實驗學習；該系統能夠提供個性化的教學方法，并根據學生的學習節奏和興趣點來定制實驗課程；該方法有助于減少實驗的總成本，并降低對實驗設備和化學物質的使用和浪費。

二、 AR技術在高中化學實驗教學中的應用方法

（一）建設虛擬實驗室

高中化學實驗教學虛擬實驗室的建設是推行基于AR技術的教學模式的第一步，虛擬實驗室因其特有的功能與特點，給學生帶來沉浸式、互動性的學習場所，使化學實驗教學效果得到極大改善。建設虛擬實驗室首先需結合高中化學實驗教學需要與目標確定其規模與作用。例如，可以創建一個虛擬實驗室，其中包括各種不同的實驗區域，如無機化學、有機化學和物理化學等，并確保每個區域都配備了合適的實驗設備和試劑。同時還要兼顧虛擬實驗室交互性強、實時反饋功能強等特點，以保證學生能實時交互虛擬實驗器材，得到即時操作反饋信息。在建立虛擬實驗室時，可采用AR技術三維建模與渲染技術，把實驗器材、試劑、操作界面等用三維方式展示給學生。從而使學生對實驗器材、試劑的構造與作用、實驗操作具體步驟及注意事項有直觀認識。同時通過AR頭顯或者手機等器材讓學生進入虛擬的實驗環境并實時和虛擬的實驗器材交互來觀察實驗現象和記錄實驗數據。

例如，在進行“鈉和水會發生化學反應”這一實驗時，教師可以在虛擬實驗室環境中模擬整個實驗流程。學生在AR設備上可觀察到鈉塊遇水很快融化為小球而游來游去。同時，可對實驗時產生氣體、溫度變化及其他數據進行觀測和記錄。這種沉浸式的學習體驗有助于學生對實驗原理與操作步驟的深入理解，增強實驗能力與科學素養。虛擬實驗室在模擬實驗過程之外能夠提供大量實驗資源與實例，教師可根據教學需要在虛擬實驗室內設計各種難度、種類的實驗案例讓學生自主選擇、自主學習。同時學生也可根據興趣與需要在虛擬實驗室內自由地進行探究與學習，擴大知識面與視野。

（二）重視對實驗過程的觀察

以AR技術為基礎的高中化學實驗教學中，重視對實驗過程的觀察是非常關鍵的環節。通過對實驗現象的仔細觀察與分析，有助于學生對實驗原理與操作步驟的深刻認識，提高實驗能力與科學素養。學生觀察實驗過程時需注意實驗器材與試劑狀態的改變，實驗現象發生與改變的過程，記錄與分析實驗數據。如做“酸堿滴定”這一實驗時，要求學生通過觀察指示劑顏色的變化來判斷滴定終點和記錄滴定時所消耗滴定劑的體積。通過對這些數據的觀察與分析，有助于學生對待測溶液中酸堿濃度進行計算，進而認識其性質與成分。以AR技術為基礎進行實驗教學時，學生可借助AR設備在虛擬實驗環境下對實驗過程進行觀測，該觀察方式既直觀、實時，又能提供多角度、多層次的觀察。例如，學生可從第一人稱視角，透過AR頭顯進入虛擬實驗環境中觀察實驗器材及試劑狀態的改變；還可借助手機等器材，從第三人稱視角對實驗全過程進行觀察，從而理解實驗現象發生、變化的全過程。另外，以AR技術為核心的實驗教學能夠提供大量實驗數據與圖像資料，學生可在AR設備上獲得實驗時溫度、壓力、濃度等實時數據，以及利用圖像識別與分析技術，對實驗現象進行圖像資料處理。這些資料及圖像資料有助于學生對實驗原理及操作步驟的深入理解，培養其數據分析及圖像處理的能力。為更好地指導學生，在觀察實驗過程中，教師可設計特定的觀察任務與提問。例如，教師可讓學生對實驗中生成氣體的顏色、氣味、密度等特征進行觀察與記錄，分析其成因與規律；還可以讓學生通過AR設備得到實驗數據，并用其對實驗結果進行計算分析。這些任務與問題有助于學生對實驗過程進行更有目的的觀察，增強其觀察與分析能力。通過對實驗過程的重視，以AR技術為載體進行高中化學實驗教學可以較好地達到教學目標。學生通過對實驗的觀察，能深刻理解實驗的原理及操作步驟，增強實驗能力及科學素養；還可對實驗數據及圖像資料進行觀察與分析，以培養其數據分析及圖像處理能力。

（三）進行主題式的探索

以AR技術為載體的高中化學實驗教學實施主題式探究活動不失為一種行之有效的教學方法，通過設置具體的實驗主題與探究問題、指導學生自主探究與實踐操作等方式，既能培養學生的創新精神與實踐能力，也可以增強其團隊協作、解決問題等能力。主題式探究活動的實施首先要明確實驗主題與探究問題，實驗主題要與高中化學的教學內容密切相關，要能涉及眾多的知識點以及實驗技能；探究問題又要有開放性與挑戰性，能激發學生探究欲望與創新思維。

例如，可以設定“探討不同催化劑對化學反應速率的作用規律”作為實驗主題，引導學生設計實驗方案、選擇催化劑、進行實驗操作、記錄實驗數據并分析結果。在探索過程中學生需借助AR技術建立虛擬實驗室、模擬實驗環境與設備、實驗操作與數據記錄。同時學生也需依據實驗數據與現象加以分析與說明，并提出個人看法與結論。這一自主探究過程，既能培養學生實踐能力與創新精神，又有助于學生學會用已學過的知識去解決現實問題。為更好地指導學生開展主題式探究，教師可給予必要的引導與支持。例如，教師可對學生實驗方案的設計提出意見并加以引導，協助學生選擇適宜的催化劑及實驗條件等；還能給學生提供對實驗數據進行分析與講解的方法與技術，有助于學生對所學內容的深入理解與運用。另外，教師也可組織學生開展小組討論與交流活動，使其共享探究經驗與收獲，互相學習與借鑒。因此，以AR技術為載體進行高中化學實驗教學，既可以提升學生實踐能力與創新精神，又可以培養其團隊協作與問題解決能力。

（四）輔助智能化的評價和反饋

以AR技術為基礎的高中化學實驗教學，融入智能化評估和反饋，是增強教學效果和優化學習路徑至關重要的環節。引入智能評估系統后，教師可以對學生學習進度及實驗操作情況進行實時監測，及時準確地給予反饋，有利于學生對實驗知識的深入理解與把握。

智能化評估與反饋系統可根據學生實驗操作數據、實驗結果及實驗報告自動分析與評價。該系統能夠通過算法來確定學生操作的標準、數據記錄的準確性以及實驗結果的合理性，并據此給出具體評估結果以及反饋建議。該評估方式在提高評估效率與準確性的同時，也有助于教師對學生學習情況有一個較為全面的認識。化學實驗教學的智能化評估和反饋系統可運用到諸多環節，在虛擬實驗室內，該系統能夠實時地監測學生實驗操作過程并及時地提醒其改正不規范操作。如學生做“酸堿滴定”的實驗，若滴定速度過快或者對滴定終點的判斷不準，該系統可通過AR設備發出提示信息或者預警，有利于學生對操作的適時調整。在實驗結果分析部分，智能化評估及反饋系統能夠自動給學生實驗結果打分并反饋，該系統能夠按照預設評分標準，對學生實驗結果做出客觀公正的打分和具體反饋。例如，在“探討不同催化劑對化學反應速率的0GuTgs1wqsz7S2LNOIuLfGgAaG5HXTGZPN2k76hthNc=作用規律”實驗中，系統可以根據學生的實驗數據和結論，判斷學生的探究能力、數據分析能力以及問題解決能力等情況，提出相關反饋以及建議。另外，智能化評估及反饋系統可依據學生學習情況及成績向其推薦合適的學習資源及練習題目。通過個性化推薦、智能匹配等方式，該系統可以幫助學生更有效地學習化學知識、提升學習效果。

（五）鼓勵學生創意發揮

就高中化學實驗教學而言，AR技術給傳統實驗帶來革新的同時，也成為激發學生想象的有力手段。學生借助AR技術能夠超越真實的局限，自由地探索虛擬世界里化學的秘密，進而發展創新思維與實踐能力。

AR技術給學生搭建了別出心裁的實驗平臺。傳統的實驗受實驗條件所限，學生通常只能按設定的程序去做，很難做到個性化嘗試與探究。而AR技術突破了這種桎梏，使學生能夠在虛擬環境下自由地設計實驗方案，調節實驗參數乃至發現新的實驗現象。例如，在探索“酸堿中和反應”實驗時，學生可應用AR技術模擬出酸、堿在不同濃度下的混合情況，觀察、對比反應速率及產物性質在不同情況下的變化規律。這一個性化實驗體驗既能激發學生的好奇心與求知欲，又能促使學生主動思考、大膽嘗試，進而發展創新思維與解決問題的能力。另外，AR技術也可以給學生創意發揮帶來大量材料與資源，學生利用AR技術很容易獲得各類化學物質的特性、結構和反應機理，從而在虛擬環境下完成模擬實驗。這種獲取信息的便捷性，給學生帶來了一個廣闊的創作空間，有助于學生按照自己的愛好和思路自由地創作。以“有機合成”實驗為例，學生可運用AR技術對復雜有機合成路線進行設計與模擬，并用虛擬實驗證明其可行性與有效性。這一創意性實驗設計在鍛煉學生邏輯思維與實驗技能的同時，也能使學生感受化學知識所帶來的神奇與快樂。為鼓勵學生的創意，教師可采取以下措施：一是創設開放性實驗環境，讓學生自由地選擇與設計實驗方案并進行實驗；二是給予必要的引導與支持，以幫助學生解決創意發揮中遇到的難題。

（六）理論和實踐的整合

在高中化學教學過程中，將理論知識與實際操作相結合是提升學生全面素質和創新思維的關鍵手段。AR技術的推出，給這一整合帶來了全新的可能與契機。學生借助AR技術能夠對虛擬環境下的化學現象與原理有一個直觀的觀察與認識，并結合實際操作展開深入探索與學習。

AR技術有助于學生加深對化學概念、原理的理解，傳統的教學通常將化學概念與原理通過文字或者圖片等方式展現在學生面前，不利于學生的直觀感覺與認識。AR技術能夠把這些抽象概念與原理變成具體的、可互動的虛擬場景，有助于學生在虛擬的環境下切身感受與感悟。例如，在對“原子結構”的學習中，學生可借助AR技術來觀察原子內部結構、電子運動軌跡及原子核和電子間相互作用。這一直觀感受不僅有助于學生對相關知識點的理解與掌握，而且有助于激發學生深入探究的熱情與動力。AR技術對學生實踐能力的提高具有促進作用，虛擬環境下，化學實驗操作還能夠極大地降低實驗成本與風險，也增強了實驗安全性與可控性。學生能夠不受現實條件所限，通過多次實驗嘗試與調節，熟練實驗技能與操作方法。另外，AR技術能模擬真實世界里很難實現的各種實驗條件與情境，有助于學生從更為寬廣的領域去實踐與探索。例如，在討論“化學反應速率”時，學生可通過AR技術模擬反應速率在不同溫度、壓力和濃度下的變化規律，從而更加深刻地了解反應速率影響因素及其變化規律。

三、 結論

隨著科學技術的不斷進步，教育理念也在不斷更新，以AR技術為核心的高中化學實驗教學模式將日益受到人們的青睞。因此，更多的學校及教育工作者應主動擁抱這一轉變，在實驗教學中加入AR技術，給學生營造出更加豐富、多元、安全的學習環境。

參考文獻：

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作者簡介：陳玉飛（1983～），男，漢族，湖南益陽人，湖南省長沙麓山國際實驗學校，研究方向：化學教學。