增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)在國(guó)內(nèi)化學(xué)教學(xué)中的研究進(jìn)展及啟示

摘要：從教學(xué)資源開(kāi)發(fā)、教學(xué)內(nèi)容應(yīng)用、教學(xué)效果評(píng)價(jià)和教學(xué)應(yīng)用策略等方面對(duì)增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù)應(yīng)用于國(guó)內(nèi)化學(xué)教學(xué)中的研究進(jìn)展進(jìn)行梳理分析，在此基礎(chǔ)上提出若干研究啟示。

關(guān)鍵詞：增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（AR）技術(shù);化學(xué)教學(xué);體驗(yàn)性情境;空間結(jié)構(gòu)

文章編號(hào)：1008-0546（2021）05-0033-03中圖分類號(hào)：G632.41文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.05.008

與其他教育技術(shù)相比，更具浸潤(rùn)感、交互性和想象性特征的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)（Augmented Reality，簡(jiǎn)稱AR）技術(shù)近年來(lái)受到教育研究者的廣泛關(guān)注?！镀胀ǜ咧谢瘜W(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)（2017年版）》指出教師在教學(xué)中可以適時(shí)引入以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)為代表的個(gè)性化學(xué)習(xí)與評(píng)價(jià)系統(tǒng)⑴。作為虛擬現(xiàn)實(shí)的擴(kuò)展，增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)是指通過(guò)3D技術(shù)在真實(shí)物體上疊加虛擬對(duì)象，從而達(dá)到一種視覺(jué)混合增強(qiáng)效果，具有虛實(shí)結(jié)合、無(wú)縫交互、浸潤(rùn)學(xué)習(xí)等特點(diǎn)⑵。AR的出現(xiàn)能夠填補(bǔ)虛擬和真實(shí)世界的認(rèn)知橋梁，降低學(xué)習(xí)者的認(rèn)知負(fù)荷，實(shí)現(xiàn)學(xué)習(xí)者對(duì)復(fù)雜空間關(guān)系和抽象概念的可視化，促進(jìn)虛擬和現(xiàn)實(shí)之間的無(wú)縫交互⑶，其在科學(xué)學(xué)科學(xué)習(xí)中發(fā)揮重要的作用。

搜索相關(guān)文獻(xiàn)，可以發(fā)現(xiàn)已有研究者就AR在國(guó)外化學(xué)教學(xué)中的研究進(jìn)展進(jìn)行分析⑷。近年來(lái)AR開(kāi)始在國(guó)內(nèi)化學(xué)教學(xué)中進(jìn)行應(yīng)用，盡管仍處于起步階段，但已經(jīng)取得一定的成果。因此從技術(shù)在課堂中推廣應(yīng)用的角度來(lái)看，有必要對(duì)AR在國(guó)內(nèi)化學(xué)教學(xué)中的相關(guān)研究成果進(jìn)行梳理分析。為了解AR應(yīng)用于國(guó)內(nèi)化學(xué)教學(xué)的研究進(jìn)展，筆者于2021年1月以“增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)”“化學(xué)”和“AR技術(shù)”等作為關(guān)鍵詞，反復(fù)查詢中國(guó)知網(wǎng)、萬(wàn)方、維普等國(guó)內(nèi)主要的網(wǎng)絡(luò)學(xué)術(shù)文獻(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)，共得到相關(guān)主題的期刊論文18篇，碩士學(xué)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(guò)網(wǎng)絡(luò)搜索查閱了國(guó)內(nèi)研究AR的主要團(tuán)隊(duì)網(wǎng)站，豐富研究資料。認(rèn)真研讀資料的主要內(nèi)容，對(duì)其進(jìn)行內(nèi)容歸類，從目前文獻(xiàn)中提煉出四個(gè)研究視角：（1）教學(xué)軟件資源的開(kāi)發(fā);（2）教學(xué)內(nèi)容的應(yīng)用;（3）教學(xué)效果評(píng)價(jià);（4）教學(xué)應(yīng)用策略。部分文獻(xiàn)化學(xué)教與學(xué)2021年第5期同時(shí)涉及到多個(gè)研究視角，教學(xué)軟件資源的開(kāi)發(fā)有7篇次，教學(xué)內(nèi)容的研究有11篇次，教學(xué)效果評(píng)價(jià)有5篇次，教學(xué)應(yīng)用策略研究有3篇次。

一、研究進(jìn)展

1.教學(xué)軟件資源的開(kāi)發(fā)

優(yōu)質(zhì)易用的軟件資源是AR在國(guó)內(nèi)化學(xué)教學(xué)中得到廣泛應(yīng)用的前提，也是研究者率先開(kāi)展的研究領(lǐng)域。蕭銘樺等以化學(xué)反應(yīng)微觀過(guò)程為例，闡述了基于 AR技術(shù)的應(yīng)用軟件設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和使用，介紹了前期準(zhǔn)備、設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)和測(cè)試發(fā)布等軟件開(kāi)發(fā)的一般流程，并具體介紹了“化學(xué)反應(yīng)速率的影響因素”“有效碰撞理論”等軟件⑸。王今陽(yáng)從視覺(jué)設(shè)計(jì)、功能設(shè)計(jì)等角度闡述了相關(guān)AR軟件的設(shè)計(jì)過(guò)程，開(kāi)發(fā)“電離、水解”“原電池實(shí)驗(yàn)”等軟件⑹。張瑜鑫利用3D Max和Unity 3D 軟件對(duì)初中化學(xué)教科書(shū)“物質(zhì)組成的奧秘”相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行AR呈現(xiàn)⑺。臺(tái)灣師范大學(xué)邱美虹教授的研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一套包括常見(jiàn)有機(jī)物分子的化學(xué)撲克牌，使用平板掃描這些撲克牌，就能將二維圖片轉(zhuǎn)化為三維的空間結(jié)構(gòu)，此外他們還就極性分子與非極性分子、碳納米管等相關(guān)知識(shí)開(kāi)發(fā)AR軟件⑻。從網(wǎng)絡(luò)資源來(lái)看，北京師范大學(xué)的“VR/AR+教育”實(shí)驗(yàn)室、仟問(wèn)化學(xué)等相繼開(kāi)發(fā)了相應(yīng)的AR軟件，仟問(wèn)化學(xué)還將AR與高中化學(xué)選擇性必修模塊《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》相結(jié)合，出版了相應(yīng)的AR書(shū)籍⑼?？偟膩?lái)看，一方面由于AR軟件的開(kāi)發(fā)應(yīng)用，需要具備代碼編寫(xiě)等能力，設(shè)計(jì)的成本和門(mén)檻較高，因此化學(xué)教育研究者研究的較少，已有的一些報(bào)道軟件研究成果的文獻(xiàn)大多為教育技術(shù)專業(yè)研究生完成，另一方面已開(kāi)發(fā)的AR資源內(nèi)容單一，功能上主要是簡(jiǎn)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(shù)特點(diǎn)。因此，對(duì)中學(xué)化學(xué)教師來(lái)說(shuō)，目前仍缺少能夠在教學(xué)中使用的優(yōu)質(zhì) AR資源。

2.教學(xué)內(nèi)容的研究

一些研究表明對(duì)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的認(rèn)識(shí)是學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)中感覺(jué)比較困難的地方，而AR最顯著的特點(diǎn)就是能夠使抽象的學(xué)習(xí)內(nèi)容可視化，變“不可見(jiàn)”為“可見(jiàn)”，因此其可以應(yīng)用于物質(zhì)結(jié)構(gòu)教學(xué)的研究，促進(jìn)學(xué)習(xí)者對(duì)微觀結(jié)構(gòu)知識(shí)的掌握。如筆者在原子結(jié)構(gòu)、分子結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)的教學(xué)內(nèi)容中使用AR技術(shù)， 通過(guò)平板電腦掃描二維圖片，即可以呈現(xiàn)三維立體結(jié)構(gòu)模型，并可以自由旋轉(zhuǎn)、放大和縮小，促進(jìn)學(xué)習(xí)者相關(guān)知識(shí)的掌握，降低認(rèn)知負(fù)荷口七李新義等將AR融入到高中化學(xué)必修“乙烯”的教學(xué)中，在課堂上讓學(xué)生利用AR觀察乙烯分子三維球棍模型，幫助學(xué)生認(rèn)識(shí)碳碳雙鍵的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)[11]。

《教育部關(guān)于加強(qiáng)和改進(jìn)中小學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)的意見(jiàn)》指出“對(duì)于因受時(shí)空限制而在現(xiàn)實(shí)世界中無(wú)法觀察和控制的事物和現(xiàn)象、變化太快或太慢的過(guò)程，以及有危險(xiǎn)性、破壞性和對(duì)環(huán)境有危害的實(shí)驗(yàn)，可用增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)等技術(shù)手段呈現(xiàn)”。AR技術(shù)能夠搭建還原真實(shí)化學(xué)實(shí)驗(yàn)的學(xué)習(xí)場(chǎng)景，幫助學(xué)習(xí)者熟悉正確的實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程，感受錯(cuò)誤操作過(guò)程帶來(lái)的實(shí)驗(yàn)后果。熊壘等在氣體的制備和電解水實(shí)驗(yàn)中采用AR技術(shù)，學(xué)生可以自由選擇實(shí)驗(yàn)儀器，搭建實(shí)驗(yàn)裝備，這樣的操作使得學(xué)生正確認(rèn)識(shí)實(shí)驗(yàn)基本步驟，增大實(shí)際開(kāi)展實(shí)驗(yàn)的成功性皿。此外AR技術(shù)還能夠消除一些化學(xué)實(shí)驗(yàn)帶來(lái)的危險(xiǎn)性，降低了探究學(xué)習(xí)的條件，如鋁熱反應(yīng)由于較為危險(xiǎn)，學(xué)生較少有機(jī)會(huì)親自實(shí)驗(yàn)，獲得近距離觀察該實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象的機(jī)會(huì)，而AR則能夠幫助學(xué)生在真實(shí)的場(chǎng)景中開(kāi)展這一實(shí)驗(yàn)。

AR技術(shù)能夠營(yíng)造真實(shí)的學(xué)習(xí)場(chǎng)景，提高教學(xué)的交互性，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)環(huán)境的直接認(rèn)知，提升真實(shí)的主觀感受，因此可以應(yīng)用于一些常規(guī)條件下無(wú)法創(chuàng)設(shè)真實(shí)場(chǎng)景的學(xué)科知識(shí)教學(xué)。例如學(xué)生初始學(xué)習(xí)化學(xué)元素時(shí)，對(duì)元素的感知性不強(qiáng)，教師也較難提供種類繁多的物質(zhì)供學(xué)生感知，熊啟英利用Elements 4D軟件對(duì)化學(xué)物質(zhì)的顏色狀態(tài)等進(jìn)行視覺(jué)增強(qiáng)，學(xué)生可以在短時(shí)間內(nèi)感知幾十種元素對(duì)應(yīng)物質(zhì)的顏色狀態(tài)，體驗(yàn)真實(shí)感和臨場(chǎng)感關(guān)o蔡蘇等利用AR軟件設(shè)計(jì)“元素、物質(zhì)”的教學(xué)，學(xué)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(shí)”的水皿。此外由于常規(guī)教學(xué)對(duì)教學(xué)場(chǎng)地的限制，學(xué)生在課堂中較難感知真實(shí)的化學(xué)工業(yè)流程，AR能夠創(chuàng)設(shè)真實(shí)的場(chǎng)景，讓學(xué)習(xí)者置身于化工企業(yè)中，感受反應(yīng)的流程、設(shè)備和現(xiàn)象。

3.教學(xué)效果評(píng)價(jià)研究

AR技術(shù)的教學(xué)效果如何，一些研究者對(duì)此展開(kāi)了研究。劉瀟等設(shè)計(jì)了一個(gè)以“烷炷分子結(jié)構(gòu)”為主題的實(shí)驗(yàn)，該實(shí)驗(yàn)以學(xué)習(xí)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(duì)不同空間能力學(xué)習(xí)者的學(xué)習(xí)成績(jī)、認(rèn)知負(fù)荷和學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)的影響，進(jìn)而研究 AR能否有效促進(jìn)學(xué)生進(jìn)行化學(xué)學(xué)習(xí)。結(jié)果表明，AR 能夠激發(fā)學(xué)生的學(xué)習(xí)動(dòng)機(jī)，對(duì)提升學(xué)習(xí)成績(jī)產(chǎn)生顯著影響，但沒(méi)有明顯降低認(rèn)知負(fù)荷，AR對(duì)空間能力低的學(xué)習(xí)者幫助更大筆者開(kāi)展實(shí)證研究探討AR對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)化學(xué)微觀結(jié)構(gòu)知識(shí)和空間旋轉(zhuǎn)可視化能力的影響，研究選取高二選修模塊《物質(zhì)結(jié)構(gòu)與性質(zhì)》為學(xué)習(xí)材料，研究時(shí)間為三周，結(jié)果AR技術(shù)對(duì)學(xué)生空間旋轉(zhuǎn)可視化能力的發(fā)展影響不顯著，但對(duì)學(xué)生學(xué)習(xí)物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)知識(shí)有顯著促進(jìn)作用[⑹。蔡蘇等以“電解池”為教學(xué)案例，探究交互式AR教學(xué)對(duì)中學(xué)生認(rèn)知能力的影響，結(jié)果發(fā)現(xiàn)AR教學(xué)在應(yīng)用維度的提升優(yōu)于 Flash動(dòng)畫(huà)教學(xué)，在記憶維度提升弱于傳統(tǒng)動(dòng)畫(huà)教學(xué)， 在理解維度上沒(méi)有顯著差異[17].

4.教學(xué)應(yīng)用策略研究

針對(duì)當(dāng)前AR教學(xué)應(yīng)用普遍存在的技術(shù)簡(jiǎn)單添加于教學(xué)流程之中、大多只用于知識(shí)呈現(xiàn)、沒(méi)有創(chuàng)建有利于學(xué)生主動(dòng)探究開(kāi)展深度學(xué)習(xí)的體驗(yàn)性情境等問(wèn)題，一些研究者開(kāi)始研究AR資源在教學(xué)中的應(yīng)用策略。林曉凡等基于體驗(yàn)式學(xué)習(xí)理論建構(gòu)了 AR支持下的體驗(yàn)式資源在科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用策略，包括AR 真境“現(xiàn)”實(shí)情、AR概念“糾”錯(cuò)誤、AR器材“建”方案等響。張四方認(rèn)為目前是AR技術(shù)的初級(jí)應(yīng)用階段， 表現(xiàn)為技術(shù)特點(diǎn)所體現(xiàn)出的教學(xué)效果，聯(lián)結(jié)和設(shè)計(jì)將成為進(jìn)一步發(fā)展的方向，AR技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)包括四個(gè)基本策略：識(shí)別教育目標(biāo)、提出合適任務(wù)、決定任務(wù)的功能需求、探尋技術(shù)的合適功能⑶。

二、研究啟示

1.AR在化學(xué)教學(xué)中發(fā)揮的作用有待進(jìn)一步挖掘

已有研究表明AR作為教學(xué)工具在物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)知識(shí)和實(shí)驗(yàn)教學(xué)領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，運(yùn)用AR有助于培養(yǎng)學(xué)生微觀探析、證據(jù)推理等素養(yǎng)，增強(qiáng)三重表征，建立認(rèn)知模型。然而從目前的研究成果來(lái)看，AR 能夠基于體驗(yàn)性營(yíng)造真實(shí)學(xué)習(xí)環(huán)境的作用研究的還較少。此外AR運(yùn)行的載體大多為智能手機(jī)或平板電腦，因此其不僅可以作為課堂學(xué)習(xí)的工具，還可以作為學(xué)生課前、課后預(yù)習(xí)或復(fù)習(xí)的工具，如可以借助于 AR探究實(shí)驗(yàn)，觀察分子三維結(jié)構(gòu)模型。此外教師對(duì)學(xué)生知識(shí)掌握評(píng)價(jià)方式不應(yīng)局限于紙筆測(cè)驗(yàn)，也可以借助于AR來(lái)進(jìn)行評(píng)價(jià)，如評(píng)價(jià)學(xué)生對(duì)分子結(jié)構(gòu)的掌握可以要求學(xué)生在AR系統(tǒng)呈現(xiàn)分子結(jié)構(gòu)，并由系統(tǒng)進(jìn)行反饋?？傊?，AR不僅可以作為教師教學(xué)的手段， 也可以成為學(xué)生學(xué)習(xí)的工具。

2.研發(fā)適合教師和學(xué)生使用的AR資源

擁有大量的真正適合教師和學(xué)生使用的優(yōu)質(zhì)資源是一項(xiàng)技術(shù)成功應(yīng)用于教育領(lǐng)域的關(guān)鍵。當(dāng)前，AR技術(shù)逐漸走向成熟期，但絕大多數(shù)AR資源都面向于非教育領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)優(yōu)質(zhì)的應(yīng)用于教育領(lǐng)域的AR資源較少。為何會(huì)出現(xiàn)此種情況，劉勉、張際平等在分析虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)出現(xiàn)同樣的問(wèn)題時(shí)認(rèn)為很大的一個(gè)原因就在于技術(shù)與教學(xué)的脫節(jié)s。其進(jìn)一步指出擁有技術(shù)的軟件工程師雖然精通算法、代碼等，但對(duì)具體教學(xué)并不了解，而教師等對(duì)相關(guān)開(kāi)發(fā)技術(shù)望而興嘆，技術(shù)與教學(xué)之間存在巨大的鴻溝。筆者認(rèn)為這也是AR教育資源較少的原因。因此技術(shù)工程師和教師應(yīng)組成團(tuán)隊(duì)， 發(fā)揮各自的專業(yè)優(yōu)勢(shì)，共同來(lái)建設(shè)AR教育資源庫(kù)。

3.開(kāi)展AR應(yīng)用于教學(xué)的實(shí)證研究

相比其它技術(shù)在教育中的研究，AR的應(yīng)用研究還處于起步階段，相關(guān)的實(shí)證研究較少，已有的一些研究也存在樣本數(shù)較少，實(shí)驗(yàn)時(shí)間較短等問(wèn)題。AR 是否能夠真正促進(jìn)學(xué)生學(xué)習(xí)，這需要大量的實(shí)證研究尤其是學(xué)習(xí)效果方面的實(shí)證研究來(lái)說(shuō)明。實(shí)證研究是新時(shí)代教育研究發(fā)展的潮流，也是技術(shù)與學(xué)科教育融合深化的必然要求。一線中小學(xué)教師具有豐富的課堂教學(xué)經(jīng)驗(yàn)，但缺乏開(kāi)展實(shí)證研究的知識(shí)和能力儲(chǔ)備，其可以與高校專家合作，共同開(kāi)展增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)應(yīng)用于教學(xué)的實(shí)證研究。

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[17]蔡蘇，張鵬，李江旭等.交互式AR教學(xué)對(duì)中學(xué)生認(rèn)知能力的影響——以高中化學(xué)電解池知識(shí)點(diǎn)為例[J].現(xiàn)代教育技術(shù)，2021（1）：40-46

[18]林曉凡，朱倩儀，吳倩意等.增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)體驗(yàn)式教學(xué)資源的科學(xué)教育應(yīng)用：策略與案例[J].中國(guó)電化教育，2019（9）：60-67