國內(nèi)外VR/AR技術在化學教育的應用研究述評

陳嘉欣 占小紅 楊笑

摘要： 通過多元分析方法對國內(nèi)外VR/AR技術在化學教育的應用進行主題提煉、熱點及發(fā)展趨勢分析。研究表明： VR/AR技術在化學實驗教學、遠程教學中的應用、技術或系統(tǒng)的開發(fā)及設計、對學習者的影響研究是國內(nèi)外共同關注的研究主題;教學模式、教學方法或策略等方面的變革是國內(nèi)特有的研究聚焦點。

關鍵詞： VR/AR技術; 化學教育; 比較研究; 共詞分析

文章編號： 10056629（2022）01000807

中圖分類號： G633.8

文獻標識碼： B

1 引言

隨著信息技術的發(fā)展，虛擬現(xiàn)實技術在教育教學領域的應用逐漸興起，使教與學出現(xiàn)了更加多元化模式，虛擬現(xiàn)實技術被視為未來2～3年解決深度學習矛盾的關鍵技術[1]?！秶医逃聵I(yè)發(fā)展“十三五”規(guī)劃》指出，要綜合利用人工智能等信息技術來探索未來教育教學的新模式[2]。

虛擬現(xiàn)實（VR）是一種采用計算技術生成逼真的視覺、聽覺、觸覺一體化的特定范圍的沉浸式交互環(huán)境[3]。增強現(xiàn)實（AR）作為VR技術的拓展，是將計算機形成的虛擬信息疊加到真實場景，使人們在視覺、聽覺、觸覺等方面增強對現(xiàn)實世界的體驗，具有虛實結(jié)合、交互性、浸潤性等特點[4]。

VR/AR技術作為一種能將化學抽象知識可視化、情境化的工具，能幫助學生從宏觀、微觀等多層面認識化學。同時，虛擬仿真環(huán)境為學生提供了反映真實實驗的情境，給予學生參與科學實踐的機會。因此，VR/AR技術在化學教學中逐步開始應用并日趨深入。

近十年來國內(nèi)VR/AR技術在教育領域的應用研究逐年升溫，但VR/AR技術與化學教學融合的研究還缺乏教學應用的系統(tǒng)化研究[5]，這在一定程度上阻礙了我國化學教學的改革和創(chuàng)新，梳理和明晰國內(nèi)外有關VR/AR技術與化學教學融合的研究現(xiàn)狀十分必要。

共詞分析方法是一種量化的內(nèi)容分析方法，與一般的內(nèi)容分析方法相比，其優(yōu)勢在于它更為客觀，能較好地克服傳統(tǒng)文獻研究法偏主觀、定性歸納的弊端，能直觀地呈現(xiàn)出領域的研究熱點、主題及趨勢[6]。本研究采用可視化的共詞分析法，對近十年國內(nèi)外VR/AR技術在化學教學領域的應用研究進行對比分析，揭示國內(nèi)外該領域研究的差異，并聚焦國內(nèi)該領域的研究熱點及未來趨勢，為未來我國VR/AR技術融入化學課程研究提出啟示。

2 研究設計

本研究的英文文獻以Web of Science核心合集數(shù)據(jù)庫作為數(shù)據(jù)來源，檢索條件為TS=（"Virtual Reality" OR "Augment Reality" OR "Virtual laboratories" OR "VR" OR "AR" OR "Enhanced Visualization" OR "GestureBased Computing" OR "3D Printing" OR "3D Printed" OR "ThreeDimensional Printing "OR "Wearable Technology" OR "Virtual Assistants" OR "Virtual and Remote Laboratories"） AND TS=（Chemistry）。中文文獻以中國知網(wǎng)（CNKI）作為數(shù)據(jù)來源，以“虛擬現(xiàn)實”或“增強現(xiàn)實”或“虛擬仿真”或“VR/AR”或“VR”并含“化學”作為主題詞進行檢索，中外文獻的檢索時間均限為2010年至2020年11月。通讀每篇文獻的標題、摘要、關鍵詞等，發(fā)現(xiàn)一些與本研究無關的文獻，如VR/AR技術在其他領域的應用或只涉及化學教育但與VR/AR技術完全無關的文獻等，人工篩除后獲得有效中文文獻317篇、英文文獻111篇。

利用現(xiàn)代統(tǒng)計技術中的社會網(wǎng)絡分析、聚類分析等多元分析方法，歸納出該領域的研究熱點、主題與發(fā)展趨勢。

3 數(shù)據(jù)處理與分析

3.1 高頻關鍵詞確定

首先，借助Bicomb共詞分析軟件進行關鍵詞的提取，人工合并篩選后確定中文文獻的高頻詞為34個，英文文獻的高頻詞為30個，其中國內(nèi)外關鍵詞頻次為10以上的約十個，因此選取前十個關鍵詞初步研究領域熱點，如表1所示。國內(nèi)外VR/AR在化學教學的應用均關注在高等教育的研究，主要以實驗教學為主，國外在基礎教育的應用也是研究熱點，國內(nèi)則未出現(xiàn)基礎教育相關高頻詞，說明國內(nèi)VR/AR在基礎教育的化學實驗教學應用的研究較薄弱。此外，國內(nèi)研究關注VR/AR技術帶來的教學改革;國外則強調(diào)VR/AR技術對學習者實踐學習的影響。

3.2 研究主題提煉——聚類分析

僅靠高頻關鍵詞無法揭示各個研究熱點之間的聯(lián)系，借助SPSS對高頻關鍵詞進行聚類分析，可以提煉出研究主題，聚類結(jié)果如圖1（a）（b）所示。

3.2.1 國內(nèi)研究主題

主題1： 虛擬實驗教學促進人才培養(yǎng)的研究。該主題包括虛擬仿真實驗教學、創(chuàng)新能力、人才培養(yǎng)、實踐教學等關鍵詞。研究主要借助虛擬實驗開展實踐教學，達到培養(yǎng)學生的實踐能力、自主創(chuàng)新能力等未來人才培育目標。如王梅等人構(gòu)建了針對條件控制類實驗的高中探究性化學虛擬實驗系統(tǒng)及對應的設計模式，并以“對H2O2分解速率的影響因素”虛擬實驗為例來說明該教學模式可以培養(yǎng)學生的聯(lián)想思維，而聯(lián)想思維在該模式中又可以激發(fā)學生探究興趣，培養(yǎng)創(chuàng)新思維，增強對化學知識的理解等多方面的作用[7]。

主題2： 基于VR技術的化學實驗教學研究。該主題包括實驗教學、教學改革、教學模式、應用等關鍵詞。VR技術在國內(nèi)化學教學中的應用主要以虛擬實驗為主，因此該主題主要關注開發(fā)相應的VR技術應用于實驗教學及帶來的化學實驗教學變革。如李中強以制備乙酸乙酯及工業(yè)合成氨等高中化學實驗為例，展示了VR技術的安全、環(huán)保、門檻低等優(yōu)勢，闡述了能利用VR技術講清實驗原理;進行虛擬實驗操作;支持反復觀看進行實驗總結(jié)等具體開展步驟，有助于學生的實踐能力及學習興趣的提升[8]。

主題3：“互聯(lián)網(wǎng)+”時代基于虛擬現(xiàn)實的混合式教學方法研究。該主題包括教學方法、在線課程、線上線下教學等關鍵詞。在互聯(lián)網(wǎng)背景下，無機化學、物理化學等化學學科分支領域的教學中慕課等在線課程以及虛擬仿真實驗平臺逐漸興起，“線上+線下”教學方法打破了時空的限制，成為獨立的研究熱點。如許文菊等人開發(fā)了分析化學虛擬實驗平臺并設計了基于平臺的分析化學實驗翻轉(zhuǎn)課堂教學模式，即課前借助平臺理解實驗原理，多次虛擬操作練習，課中進行真實實驗，課后獲取教學評價與反饋的教學模式，能節(jié)約課中講解時間，最大程度避免和克服學生在理解實驗原理和重難點、熟悉關鍵操作、數(shù)據(jù)記錄與處理等環(huán)節(jié)存在的經(jīng)常性和普遍性問題，能有效提升教學質(zhì)量[9]等。

主題4： 基于信息技術的高等教育實驗室建設研究。該主題包括Unity3D、實驗室建設、高校、高職等關鍵詞。實驗室的信息化建設作為教育信息化研究的一項重要內(nèi)容，同樣屬于VR/AR平臺或系統(tǒng)的開發(fā)及設計研究，但主要集中在從Unity3D、 VRML等信息技術的角度來探討高等院校的實驗室信息化建設的可行性、開發(fā)及應用等方面的研究。如蘇學軍等介紹了基于VRML與3D MAX構(gòu)建的大學化學虛擬實驗平臺，能讓學生學習實驗機理、儀器的工作原理及使用方法并進行仿真操作，師生與生生之間可以在平臺上進行交流互動，不僅滿足教學需要，還能為遠程教學及學生自主學習和繼續(xù)教育提供條件[10]。

3.2.2 國外研究主題

主題1：“互聯(lián)網(wǎng)+”背景下VR/AR技術對學習者的影響研究。該研究主題包括互聯(lián)網(wǎng)或基于網(wǎng)絡的學習、基于多媒體的學習、遠程教學或自學等關鍵詞。研究方向主要以基于VR/AR技術的化學教學系統(tǒng)設計開發(fā)及對學習者影響的效果研究。如Merchant等人構(gòu)建了3D桌面虛擬現(xiàn)實環(huán)境對學習者特征（即感知和心理變量）的影響模型，幫助提高了桌面虛擬現(xiàn)實環(huán)境的有效性，以增強空間能力及科學成就，并發(fā)現(xiàn)基于3D虛擬現(xiàn)實的教學對于提高學生的化學成績是有效的[11]; Ling等人通過基于增強的沉浸式現(xiàn)實技術對11年級的學生的“氣體定律”知識進行測試，發(fā)現(xiàn)該程序能促進學生對關鍵知識的理解及學習化學的興趣[12]。

主題2： 借助VR/AR/3D打印技術促進學生的實踐學習/動手操作研究。當今化學教學越發(fā)強調(diào)對學生實踐動手能力和探究能力的培養(yǎng)，實踐學習/操作性學習從VR/AR/3D打印技術對學習者的影響研究中獨立出來，成為一個單獨的研究主題。該主題包括實踐學習或操作性學習、跨學科或多學科等關鍵詞。該主題的研究探討了借助VR/AR技術讓學生通過動手操作來獲得沉浸感，培養(yǎng)學生的動手實踐能力。同時，由于許多課程的設置越來越多學科化，需要相應地開發(fā)實踐學習活動。如Ferrell等人設計了一種教育性VR活動——iMDVR應用于有機化學課程，該活動可以展示化學概念并引導學生操縱探索虛擬空間中的動態(tài)分子，結(jié)果表明該活動能提高學生的沉浸感和動手實踐能力，幫助學生理解化學概念，通過對學生的訪談發(fā)現(xiàn)大部分學生對該活動呈積極態(tài)度[13]等。

主題3： 化學教學中的虛擬技術開發(fā)研究。該主題主要包括虛擬現(xiàn)實、虛擬實驗室、增強現(xiàn)實等關鍵詞。主要探討了用于化學教學中的各種虛擬技術的“靈活性”或“定制性”開發(fā)。如Sampaio等人開發(fā)了一個可自定義的虛擬化學實驗室平臺@UMa，教師在該平臺可以自主定制實驗方案并讓學生在該平臺中執(zhí)行和驗證實驗，改變大多數(shù)平臺只能根據(jù)固有的程序來組織教學，可以滿足教師多元化的教學需求，并且能相應地跟蹤學生，滿足學生的學習需求和克服學習困難[14]; Erdem等人創(chuàng)建了一個框架，使虛擬化學實驗室之間能實現(xiàn)通信和交互，實現(xiàn)不同平臺與資料之間的共享，實現(xiàn)更加靈活的教學[15]。

3.2.3 國內(nèi)外主題的對比分析

通過聚類分析發(fā)現(xiàn)，國內(nèi)外研究存在一些共同的主題： （1）VR/AR技術在化學實驗教學中的應用研究;（2）VR/AR技術遠程教學的應用研究;（3）VR/AR技術或系統(tǒng)的開發(fā)及設計研究;（4）VR/AR技術對學生的影響研究。

在共同主題中，研究成果也存在著一定的差異，如VR/AR技術對學生的影響研究主題中，國內(nèi)更多為理論研究，而國外側(cè)重學生學習效果、態(tài)度及動機等實證研究;對于VR/AR技術或系統(tǒng)的設計及開發(fā)研究主題，國內(nèi)研究主要針對某一平臺或系統(tǒng)的開發(fā)，而國外更關注技術開發(fā)層面的靈活性及定制性等。

此外，國內(nèi)研究特有的主題有： （1）VR/AR技術與化學課程融合的教學模式、方法等改革研究;（2）基于VR/AR技術的高等教育仿真實驗室建設研究。國外研究特有的主題有： VR/AR/3D打印技術支持下的跨學科/多學科領域的應用融合研究。

3.3 研究熱點分析——社會網(wǎng)絡圖譜識別

為了更好地把握研究熱點，借助Ucinet 6.0社會網(wǎng)絡分析軟件生成國內(nèi)外研究高頻關鍵詞社會網(wǎng)絡圖譜，并采用中介中心度進行中心性可視化分析，如圖2（a）（b）所示。

3.3.1 基于關鍵節(jié)點分析

圖2（a）的國內(nèi)社會網(wǎng)絡圖譜中，除了中心詞“虛擬現(xiàn)實”外，教學改革、實驗教學、教學模式等關鍵詞的節(jié)點較大且距離中心詞較近、連線較粗，說明當前國內(nèi)主要關注以VR技術為支撐的化學實驗教學模式等變革研究。圖2（b）的國外社會網(wǎng)絡圖譜中，實踐學習/操作性學習、高中/入門化學、一年級本科生、二年級本科生等關鍵詞的節(jié)點較大，并且這些詞共同形成以“實踐學習/操作性學習”為核心的研究類團，表明當前國外主要關注對中、高等教育學生在互聯(lián)網(wǎng)環(huán)境下學習范式的轉(zhuǎn)變及實踐能力的培養(yǎng)。

3.3.2 基于整體屬性分析

從圖譜的整體來看，可以看出國內(nèi)圖譜以“虛擬現(xiàn)實”為核心詞，與“實驗室教學”“教學改革”等構(gòu)成核心層，國外圖譜以“實踐學習/操作性學習”為核心詞，與“基于計算機的學習”“高中/入門化學”“跨學科/多學科”等構(gòu)成核心層，核心層構(gòu)成的主題結(jié)構(gòu)是該領域的研究熱點;國內(nèi)圖譜中如“實踐教學”“人才培養(yǎng)”“中學化學”等關鍵詞，國外圖譜中如“遠程教學/自學”“探究式/發(fā)現(xiàn)式學習”等關鍵詞處于圖譜的邊緣層，反映了當前該研究領域的薄弱之處，可能發(fā)展時間不長或研究熱度較小，但可能成為將來的關注方向。

3.3.3 基于中心性分析

在社會網(wǎng)絡圖譜中，當點度中心度、接近中心度較低，中介中心度較高的關鍵詞節(jié)點則代表著未來的發(fā)展趨勢[16]。在UCINET中獲得關鍵詞的三種中心度的數(shù)值，導入excel中得到三種中心度的簇狀柱形圖，如圖3（a）（b）所示。

根據(jù)圖3（a）（b）選取符合點度中心度、接近中心度較低，而中介中心度較高的關鍵詞，如國內(nèi)關鍵詞“教學改革”、國外關鍵詞“基于互聯(lián)網(wǎng)的學習”。通過對國內(nèi)外所有高頻關鍵詞進行分析可以得到符合該要求的關鍵詞，國內(nèi)包括教學改革、化學實驗、教學模式、教學設計、實踐教學、在線課程、線上線下教學、創(chuàng)新能力等關鍵詞，表明國內(nèi)未來的研究方向為基于VR/AR技術的化學教學變革方面的研究，具體包括開展以促進學生創(chuàng)新能力發(fā)展的實驗、實踐教學改革研究以及在線課程或線上線下混合教學模式變革研究。國外包括互聯(lián)網(wǎng)/基于互聯(lián)網(wǎng)的學習、基于多媒體的學習、跨學科/多學科、虛擬現(xiàn)實、3D打印等關鍵詞，表明國外未來的關注方向主要為學生學習方式的轉(zhuǎn)變研究，這也是當前國外研究的熱點，具體包括學生借助互聯(lián)網(wǎng)/多媒體/計算機等硬件或軟件使用VR/AR/3D打印技術實現(xiàn)跨學科/多學科教與學等方面的研究。

4 研究結(jié)論

本研究采用可視化的共詞分析法，對近十年國內(nèi)外VR/AR技術在化學教育的應用研究領域的研究現(xiàn)狀及熱點進行分析，發(fā)現(xiàn)國內(nèi)外該領域的研究熱點、薄弱點及發(fā)展趨勢有共同之處，也存在一定的差異，主要呈現(xiàn)出以下三點特征：

4.1 均重視VR/AR技術在化學學科的教學應用研究，但側(cè)重點不同

VR/AR技術在化學教育中的應用研究逐漸轉(zhuǎn)向教學研究，成為當前及今后的研究熱點。但國內(nèi)外側(cè)重點有所不同，當前國內(nèi)研究側(cè)重于改進教師的教學工作，主要聚焦于具體的教學模式、方法或策略等變革。國外更側(cè)重于VR/AR技術中對學生學習的影響，主要關注借助技術來促進學生的實踐學習、探究式學習等學習范式的轉(zhuǎn)變。

4.2 均聚焦于應用效果研究，但關注的層面略有不同

輔之以技術的使用促進學生學習結(jié)果的達成是國內(nèi)外研究共同的目標。當前國內(nèi)研究更多地從理論層面進行探討，缺乏大量實證研究的證明，且對應用效果的實證研究主要關注相關的技術或系統(tǒng)對學生學習效果的影響，僅有極少部分的實證研究涉及對學生態(tài)度或動機等非認知因素的影響。國外對于VR/AR技術的應用效果研究多為通過實證研究來對系統(tǒng)的可用性和實際的教學效果進行驗證[17]，且對學生學習結(jié)果的評價顯示出更加多元化的傾向，除了關注學習者的學習效果外，也關注了技術使用下學生的學習態(tài)度、動機及學習范式等方面的改變。

4.3 研究主題系統(tǒng)化，但研究深度有待挖掘

當前國內(nèi)外VR/AR技術在化學教學的應用領域的研究都較為系統(tǒng)，VR/AR技術在化學實驗教學、遠程教學中的應用、技術或系統(tǒng)的設計及開發(fā)、對學習者的影響等方面的研究是國內(nèi)外共同關注的研究主題，體現(xiàn)了VR/AR技術在化學教學應用研究的系統(tǒng)化特征。國內(nèi)的VR/AR技術在化學教學的應用雖然形成了較為系統(tǒng)化的研究主題，但研究深度仍有待挖掘。通過對比國內(nèi)外研究主題的共同點和差異性，可以發(fā)現(xiàn)國內(nèi)研究需要從理論層面的探討拓展到相應的實證研究、對學生學習效果的分析需要更加地多元化、在技術開發(fā)層面需要更具靈活性等，做到研究廣度和深度共同發(fā)展。

5 研究啟示

VR/AR技術在我國化學教學領域的應用仍處于淺層階段，其理論和實踐層面仍具有很大的發(fā)展空間。

5.1 加強VR/AR技術在中學化學教學的應用

由于化學學科的抽象概念、微觀知識和空間結(jié)構(gòu)等教學內(nèi)容對于剛接觸化學的中學生而言存在一定的學習困難。借助VR/AR技術能幫助學習者拓展多維空間，有效激發(fā)對化學的學習興趣，同時對中學課堂中有限的教學條件下提供拓展的實驗教學資源。我國VR/AR技術在中學教學中的應用較少，在后續(xù)的研究中應加強VR/AR技術在中學化學的教學應用研究，如NOBOOK、 ChemLab等屬于桌面式虛擬現(xiàn)實的虛擬實驗室軟件，可應用于難以在課堂實施初高中化學實驗;ELEMENT 4D等AR軟件配合相應的紙牌或書籍等，能在物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)教學和實驗教學起三維呈現(xiàn)、虛擬結(jié)合、沉浸學習等重要作用。這兩類技術所需要的成本較為低廉且實現(xiàn)技術較為簡單，便于在化學教學中應用。而對于一些設備條件允許的學校還可以使用沉浸式虛擬現(xiàn)實技術，采用頭盔、傳感手套等交互設備的作用下進行概念、原理、結(jié)構(gòu)、實驗等化學教學，幫助學生獲得沉浸式互動體驗，

調(diào)動學生學習化學的興趣。

5.2 加強基于證據(jù)的教學實證研究

VR/AR技術在化學課堂中應用的教學效果是我國研究中較為缺乏的研究領域。當前國內(nèi)外該領域的實證研究主要采用問卷法、紙筆測驗法和訪談法來了解學生的態(tài)度、動機等及教學干預前后學業(yè)成就等的變化情況。在后續(xù)的研究可以借鑒對作業(yè)及在線交互記錄等資料，使用對學習模式進行跟蹤研究的內(nèi)容分析法及課堂觀察法等，加強基于證據(jù)的VR/AR技術應用的多維度實證研究，為VR/AR技術在化學教學應用的可持續(xù)發(fā)展提供強有力的數(shù)據(jù)支撐。

5.3 加強評價體系多元化設計

為了促進學生化學學科的深度學習，除了要求學生掌握核心知識外，需要培養(yǎng)學生的批判理解、遷移應用、問題解決等方面的能力。除了對學習者成績的影響，融入新興技術后學生學習的態(tài)度和動機等的改變也可能成為影響學習效果的因素，今后研究中要更多

關注對學生深度學習能力的要求，綜合考慮學生態(tài)度、動機等多方面的因素，探索構(gòu)建科學有效的基于VR/AR技術的評價體系，實現(xiàn)評價的多元化。

5.4 加強硬件定制化、軟件開放化，實現(xiàn)資源的共建共享

由于不同學科所需要的技術硬件或有所不同，需要加強硬件的化學學科定制化開發(fā)，這也需要化學教師提高技術應用及開發(fā)設計能力，根據(jù)自己的教學需求設計、開發(fā)化學VR/AR應用。此外，當前我國仍無法實現(xiàn)VR/AR教育平臺和系統(tǒng)之間的資源共享，需要不斷探索和完善，從而實現(xiàn)資源的高度共享。

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