關(guān)于增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)(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(shí)(Augmented Reality，簡(jiǎn)稱AR)，是一種將虛擬信息(如三維模型、動(dòng)畫、視頻、圖片、文字等)根據(jù)約定疊加到現(xiàn)實(shí)世界上，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)實(shí)世界與虛擬世界無(wú)縫集成和實(shí)時(shí)交互的一項(xiàng)新興信息技術(shù)，具有虛實(shí)結(jié)合、多模態(tài)觸發(fā)、實(shí)時(shí)交互、沉浸式體驗(yàn)等特點(diǎn)。[1]移動(dòng)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，利用手機(jī)、平板等移動(dòng)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(dòng)應(yīng)用(APP)的形式封裝AR軟件，實(shí)現(xiàn)虛實(shí)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(duì)AR設(shè)備的要求。借助移動(dòng)設(shè)備使觀察者獲得一種實(shí)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(shí)技術(shù)的教學(xué)優(yōu)勢(shì)

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(shí)物質(zhì)，以符號(hào)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(diǎn)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(hào)等方面對(duì)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(dú)特的三重表征：宏觀表征、微觀表征和符號(hào)表征。不少研究表明，微觀表征的建立是學(xué)習(xí)者感覺(jué)比較困難的地方，這是因?yàn)槲⒂^表征關(guān)注的是一個(gè)肉眼無(wú)法看見(jiàn)的世界，學(xué)習(xí)者需要通過(guò)豐富的空間想象力來(lái)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(duì)微觀世界的理解會(huì)存在大量的相異構(gòu)想，因此需要借助相關(guān)工具如實(shí)物模型、PPT動(dòng)畫、分子模擬軟件等增強(qiáng)微觀世界的可視化。實(shí)際教學(xué)過(guò)程在使用上述工具時(shí)存在一些問(wèn)題：實(shí)物模型和PPT動(dòng)畫大多僅由教師展示或演示，學(xué)生缺少近距離長(zhǎng)時(shí)間觀察的機(jī)會(huì)，即使其動(dòng)手制作實(shí)物模型也是耗時(shí)耗力，而分子模擬軟件如Jmol、Netlogo等大多是由國(guó)外研究者開(kāi)發(fā)的，交互界面語(yǔ)言為英文且學(xué)生需要人手一臺(tái)計(jì)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(shí)、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(shí)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(shí)，高中階段的微觀結(jié)構(gòu)知識(shí)主要在物質(zhì)的分子結(jié)構(gòu)。AR的技術(shù)特點(diǎn)尤其是能夠?qū)⒊橄蟮?、肉眼看不到的學(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(shí)的學(xué)習(xí)。AR技術(shù)能夠快速讓學(xué)習(xí)者在現(xiàn)實(shí)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(shí)與已有的需要鼠標(biāo)和鍵盤等中介設(shè)備實(shí)現(xiàn)與界面交互的分子模擬軟件相比，運(yùn)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(guò)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(shí)，電化學(xué)反應(yīng)微觀過(guò)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(dòng)態(tài)模擬，且僅僅用文字闡述了化學(xué)反應(yīng)，而對(duì)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(kāi)充分討論，學(xué)生無(wú)法很好地理解離子間的微觀過(guò)程?！把趸€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(duì)化電學(xué)反應(yīng)的影響因素，教學(xué)中一般通過(guò)學(xué)生對(duì)實(shí)驗(yàn)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(duì)于該微觀原理相關(guān)內(nèi)容的描述比較簡(jiǎn)單，在教學(xué)中僅用語(yǔ)言表述則過(guò)于枯燥，學(xué)生很難理解。使用AR技術(shù)讓學(xué)生親自動(dòng)手模擬分子的反應(yīng)過(guò)程，通過(guò)有趣的沉浸式體驗(yàn)，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(wú)催化劑等條件下，離子如何析出或者氣體如何放出的過(guò)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(jì)

結(jié)合需求分析，本文開(kāi)發(fā)的應(yīng)用的總體設(shè)計(jì)分為界面設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)、運(yùn)行邏輯設(shè)計(jì)與交互設(shè)計(jì)四個(gè)方面，并根據(jù)每個(gè)方面的具體設(shè)計(jì)內(nèi)容進(jìn)行了具體的設(shè)計(jì)。

1.界面設(shè)計(jì)。界面對(duì)于用戶的第一印象與使用體驗(yàn)十分重要，特別是對(duì)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(jiǎn)潔美觀的設(shè)計(jì)元素。同時(shí)為了避免煩瑣的操作過(guò)程，界面應(yīng)該簡(jiǎn)潔，且符合用戶的使用習(xí)慣。

2.功能設(shè)計(jì)。主要包括選擇功能、任務(wù)功能和反饋評(píng)價(jià)功能。(1)選擇功能是選擇實(shí)驗(yàn)、藥品與儀器，給予用戶想進(jìn)行不同實(shí)驗(yàn)的需求。(2)任務(wù)功能是開(kāi)展實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)的具體功能，通過(guò)添加藥品與器材的鏈接布置完成所選實(shí)驗(yàn)的實(shí)驗(yàn)要求得到正確的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。(3)反饋評(píng)價(jià)功能，在用戶操作過(guò)程中會(huì)根據(jù)用戶的操作正誤播放相應(yīng)的動(dòng)畫并給出提示與指正。

3.運(yùn)行邏輯設(shè)計(jì)。即為場(chǎng)景的切換機(jī)制，本應(yīng)用的運(yùn)行邏輯與大多數(shù)軟件一致。該應(yīng)用能在啟動(dòng)場(chǎng)景、實(shí)驗(yàn)選擇場(chǎng)景、實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景、微觀實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景和反饋評(píng)價(jià)場(chǎng)景中切換。

4.交互設(shè)計(jì)。為了迎合化學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)習(xí)操作性強(qiáng)的特點(diǎn)，采用了點(diǎn)擊、拖拽、滑動(dòng)、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(yùn)用于中小學(xué)課堂中。盡管對(duì)于AR技術(shù)的研究深度已經(jīng)進(jìn)入一個(gè)從理念到實(shí)踐的領(lǐng)域，然而若沒(méi)有大量的實(shí)證研究證明AR技術(shù)對(duì)于學(xué)習(xí)者開(kāi)展學(xué)習(xí)的促進(jìn)作用，必然會(huì)影響到教師和學(xué)生使用這項(xiàng)技術(shù)的熱情和信心。期望本研究成果為將來(lái)AR技術(shù)在科學(xué)教育領(lǐng)域進(jìn)行規(guī)?；瘧?yīng)用提供有價(jià)值的參考。需要說(shuō)明的是，受時(shí)間、人力和物力所限，實(shí)驗(yàn)中選取的被試僅限于高二年級(jí)，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。