基于移动增强现实技术的化学教学软件设计与开发

萧铭桦 肖信 罗秀玲

摘要： 基于对移动增强现实（AR）技术在化学教育教学中应用现状的分析，针对当前优质化学AR教学资源缺乏，教师开发设计AR教学应用存在较大挑战的现状，以化学反应微观过程为例，阐释基于移动增强现实技术的化学教学应用软件的设计、开发和使用。从前期准备、设计开发和测试发布三个阶段，总结基于移动AR技术开发化学教学应用软件的一般流程，并对其在化学教学的应用前景进行展望。

关键词： 移动增强现实技术; 化学教学软件; 化学反应微观过程; 开发设计

文章编号： 1005-6629（2020）02-0093-05

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1  引言

增强现实（Augmented Reality，简称AR），是一种将虚拟信息（如三维模型、动画、视频、图片、文字等）根据约定叠加到现实世界上，实现现实世界与虚拟世界无缝集成和实时交互的一项新兴信息技术，具有虚实结合、多模态触发、实时交互、沉浸式体验等特点。移动增强现实技术（见图1）利用手机、平板等移动电子设备，以设备自带的摄像头作为输入设备，以移动应用（APP）的形式封装AR软件，实现虚实加成，然后投影于各种显示设备，既保留了AR的技术特性，又明显地降低了对AR设备的要求。借助移动设备使观察者获得一种实中有虚的崭新和拓展的视角，逐渐引起教育教学领域专家和教师的高度关注[1]。

图1  移动增强现实技术示意图

化学是在原子、分子水平上研究物质的组成、结构、性质、转化及应用的一门基础学科，其内容具有微观性、抽象性和复杂性。AR能够将化学内容可视化、直观化和互动化，极大地增强了教学内容的表达和学习者的感知，在化学教学上表现出强大的应用价值和潜力[2]。研究表明，AR技术能够提供逼真的微观视角和沉浸式、互动式的体验，在促进化学概念理解[3]，学习物质微观空间结构知识[4]，提高化学实验能力[5]等方面展现出突出的教育教学功能。

然而，当前获取化学AR教学资源的途径较少，适合于基础教育的优质AR化学教学资源极其稀缺，且现有AR应用往往缺乏灵活性，无法满足教师日常的多元化教学需求，已成为AR技术引入化学教育领域的主要障碍。近年来，得益于国家政策对AR教育教学资源建设的支持，一些AR教育资源中心及AR教育实验室正在逐步建设。如北京师范大学的“VR/AR+教育”实验室、zSpace虚拟现实实验室、云幻科教和火花学院等。但这些资源在化學学科内容的针对性和数量上仍然不够，部分资源还需要使用复杂的硬件设备才能应用于实际教学中。而各大应用商店上的化学类AR应用在内容种类与技术功能方面均较为单一，多数为有机分子和原子微观结构图，功能上仅仅是简单的三维呈现，交互不够灵活和深入[6]。有些应用甚至将AR等同于分子、原子模型的展示工具，不能充分体现AR的技术优势和特色，与传统的教学工具无异。因此，对于一线化学教师来说，目前仍缺少能够直接用于实际化学教学的AR应用。

教师根据自己的教学需求自行设计、开发化学AR应用，是将AR应用于化学实际教学的重要方式之一。但AR的开发应用，通常需要具备一定的软硬件安装和操作、代码编写和模型制作等信息技术使用能力，对化学教师来说，仍具有不小的挑战性。到目前为止，对于如何开发满足特定教学需求的移动AR化学教学应用的文献还极少。因此，本文以人教版选修四《化学反应原理》中有关化学反应微观过程的教学内容为例，设计和开发了三个移动AR教学应用实例，然后总结了移动AR化学教学应用设计开发的一般流程，以期为化学教师提供借鉴和启示，并为在化学教学中充分发挥移动AR技术的优势提供一些启示。

2  基于移动AR技术的化学反应微观过程教学应用软件的设计开发

2.1  前期准备阶段

2.1.1  移动AR化学教学应用开发平台的选择

从功能和易学性考虑，当前主流的移动AR开发方式是采用Vuforia结合Unity3D。Vuforia Augmented Reality SDK是高通公司推出的针对移动设备增强现实应用的软件开发工具包，具有高质量的识别技术、多样化的识别方式、开发的AR应用与各种型号移动设备和多种操作系统兼容等优点。Unity3D是Unity Technologies开发的一个用于创建2D/3D游戏、建筑漫游和三维动画演示的综合性创作平台[7]，具有内置的模型编辑功能、支持多种3D格式、良好的跨平台性能（如Windows、 Linux、 iOS和Android等多平台发布）、支持C#和JavaScript作为编程语言、编程界面可视化等优点。在开发过程中，Unity3D作为开发环境，提供强大的功能和开发逻辑，而Vuforia在Unity3D中以插件的形式存在，提供AR识别和交互功能的支持。实际的开发操作均在Unity3D界面内一体化完成，开发界面清晰，开发效率高，交互运行性能优越。Unity3D和Vuforia均可从其官网免费下载。为了方便，在进行AR应用软件开发时可在台式计算机上进行，最终发布后才在移动设备上使用。

2.1.2  化学反应微观过程教学内容的分析

人教版化学选修四《化学反应原理》中的反应微观过程涉及“有效碰撞理论”以及“化学反应速率的影响因素”两部分的教学内容。教材中“有效碰撞理论”的内容，以文字表述为主，缺乏图像和三维动态模拟，且仅仅阐述了分子间碰撞需要有合适的碰撞方向，而对于分子间应具有什么样的碰撞方向才是合适的却未展开讨论，学生无法很好地理解分子间碰撞的微观过程。“化学反应速率的影响因素”与“有效碰撞理论”具有内在的密切关联，同属化学反应动力学内容。“化学反应速率的影响因素”是对“有效碰撞理论”的深入运用。对化学反应速率的影响因素，教学中一般通过学生对实验现象的观察，然后教师结合微观原理进行分析。教材中对于该微观原理相关内容的描述比较简单，在教学中仅用语言表述则过于枯燥，学生很难理解。使用AR技术让学生亲自动手模拟分子的有效碰撞过程，通过有趣的沉浸式体验，能更好地把握有效碰撞理论的空间因素和能量因素，并显化在不同温度、不同浓度或有无催化剂等条件下，分子中活化分子的数目及运动能态，从而降低学生理解微观化学反应的难度。

2.2  设计开发过程

结合化学反应微观过程教学内容的需求和开发平台提供的功能，设计了两类化学反应微观过程的AR教学应用（见图2）。

图2  化学反应微观过程AR应用的交互和反馈功能

开发化学教学AR应用在步骤上大致可分成素材准备与识别设置、交互设置和反馈设置。素材准备阶段包括制作识别（marker）标记、三维模型的绘制及导入等。AR通过捕捉特定的标记从而叠加虚拟信息，为了让摄像头能够快速捕捉并识别标记物，标记物应具有较多的识别位点，选择或使用绘图软件绘制有较多的颜色分布及形状变化的图片作为识别标记。然后将标记图片上传至Vuforia即完成对标记的注册，接着下载生成的数据库，点击Import Package导入数据库到Unity3D中。仪器模型可使用3DS Max软件进行建模，然后转化为fbx格式导入到Untiy3D中，分子模型的绘制则可使用专业分子可视化软件如Jmol等进行制作。素材导入后，在Unity3D中的Hierachy面板中添加AR Camera完成对AR开发环境的准备。点击Vuforia Engine Image添加Image Target即标记图片对象，对Image Target添加导入的标记图片，最后将分子模型设置为Image Target的子物体并放置在标记图片上，即实现分子模型或仪器模型在标记上的挂钩叠加。

交互和反馈的设定是互动学习的基础，本研究主要涉及虚拟按钮和刚体碰撞。虚拟按钮是AR的一种交互方式，在有效碰撞理论AR软件中可用作分子活化状态和非活化状态的切换开关，而在化学反应速率的影响因素中可用于反应条件的选择。虚拟按钮是放置于标记物上的一块隐形矩形感应区域，在开发场景中以蓝色方块形式呈现，设备检测到该区域被遮挡时会触发由编码设定的关联行为。在标记图片上点击添加虚拟按钮后，使用Register Event Handler方法在代码脚本中进行按钮的注册，然后使用On Button Pressed（Virtual Button Behaviour vb）的方法关联触摸按钮后的行为。该交互方式能够提供类似真实按钮的操作体验，在化学实验中，可以用于模拟控制反应条件，能够实现互动化教学，提供逼真的操作体验。在Unity3D中，若物体携带有碰撞器及刚体，碰撞时能自动监测碰撞事件。在有效碰撞AR应用中，设定了分子以特定方向碰撞为有效碰撞方向。为了判断物体的碰撞方向是否为有效碰撞方向，让所有原子携带上碰撞器和刚体，在inspector面板中将所属的tag标签进行各自的命名，并在脚本代码中使用On Collision Enter及On Collision Exit的碰撞检测方法对发生碰撞的原子进行检测，使分子碰撞信息实时反馈。图3呈现了碰撞信息反馈的逻辑关系。Unity3D的碰撞功能还可以应用于监控微粒间发生的相互作用情况，例如应用于可视化分子间作用力、化学键、模拟物质的构成等AR应用开发中。

图3  分子碰撞信息反馈逻辑

2.3  测试发布

2.3.1  效果测试与打包发布

完成识别、交互、碰撞等功能设置后，点击play按钮，将标记图片对准计算机摄像头，摄像头捕捉后对交互效果和碰撞效果等进行测试，确认无误后，点击file中的Build Settings，选择Android等平台进行打包发布，生成相应apk等格式文件，发送到移动设备上进行安装。

将标记进行打印，打开APP并使用移动设备摄像头捕捉标记卡片，即可立刻响应并呈现分子的立体模型或实验仪器等。如果将移动设备靠近标记卡片或者旋转移动标记卡片，可以从各个角度近距离地观察分子的结构，就仿佛在观察真实的物体一样。

2.3.2  “有效碰撞理论”AR软件的使用

本研究开发了有效碰撞理论的两个AR应用，分别是碘化氢分子间和氨气与氯化氢的反应。均可以通过与虚拟按钮的交互能够改变分子状态为活化分子或非活化态分子，移动标记卡片进行分子间交互模拟分子间的碰撞情况，实现以特定方向的碰撞为有效碰撞的功能，分子间碰撞信息可实时反馈;可随时点击设备屏幕中的“重置”按钮，重新开始所有操作。以氨气与氯化氢反应为例（见图4），拿住并移动标记卡片让氨气和氯化氢分子之间互相碰撞，当以氨中的N原子与氯化氢中的H原子相互靠近并碰撞时，会提示当前碰撞方向为有效碰撞方向，并且会生成产物氯化铵;而以其他方向和角度进行碰撞時，会提示碰撞方向无效。

图4  氨气与氯化氢反应有效碰撞的AR应用演示

在有效碰撞理论的教学中，教师可以使用电脑、平板或手机结合投屏设备演示有效碰撞的过程，然后与学生一起对有效碰撞理论的空间因素和能量因素进行探讨。具体实施时也可让学生使用平板，配合标记卡片近距离地观察分子模型，或者小组成员之间合作模拟分子的具体碰撞过程，根据碰撞过程中的实时反馈的信息，深入认识和理解并非每一次分子间碰撞都能有效地发生。并通过不断地调整碰撞的方向，最终找出成功的碰撞方式，体验化学反应发生的微观过程。

2.3.3  “化学反应速率的影响因素”AR软件的使用

当使用设备摄像头和APP观察教材中浓度、温度、催化剂对化学反应速率影响的内容时，会出现锥形瓶以及瓶内正在做无规则运动的分子微粒。使用手指触摸代表不同实验条件的虚拟按钮，能观察到在不同影响因素下活化分子数目以及分子运动速率的变化。例如，按温度逐渐升高的顺序触摸不同的温度按钮，就能够观察到分子体系中活化分子数目逐渐增加，并且分子的运动速率逐渐加快的现象（见图5）。在实际教学中，教师或者学生使用电脑、平板或手机扫描教材中相应内容，通过触摸标记图片上的虚拟按钮，观察不同条件下的活化分子数量和运动速率的变化，从而印象深刻地认识到化学反应速率的影响因素及其微观作用机理。

图5  化学反应速率影响因素的AR应用演示

3  基于移动AR技术的化学教学应用软件的设计开发流程

结合上述化学AR教学应用的设计开发，以及应用商店中与化学教学相关的AR软件的分析，归纳总结了基于AR技术的化学教学应用的设计开发流程（见图6）。可以分为三个环节： 前期准备、设计开发和测试发布。其中前期准备包括选择合适开发平台、分析教学内容和确定开发目标;软件设计开发包括素材准备、识别设置、交互设置和反馈设置等;最后是效果测试、打包发布和使用检验。

图6  基于AR技术的化学教学应用软件的设计开发流程

与传统的多媒体技术相比，AR技术的优势在于其交互方式的进步，即基于现实世界中多样化的标识物、标识物行为的变化和虚拟按钮等引发的实时反馈，借助摄像头输入和结合APP触摸操作，实现了一种既真实但又充满魔幻的传感式互动，从而使学习者参与其中的体验大大增强。基于移动AR技术的化学教学应用软件，能够充当教学演示工具及丰富教学媒体，增强教学内容的表达，促进微观层面的表征和理解，是教材的有益补充和延伸，是创新课堂教学形式的重要工具。通过AR化学教学应用，可以促进师生、生生、学生与教材之间的互动，帮助学生实现化学宏观、微观和符号学习的融合转化，更准确、深入地认识化学的本质及过程，激发学生化学学习的兴趣和动机。展望未来，随着AR技术的快速发展，相关设备费用下降，AR开发工具性能和易用性的提高，一线教师将结合具体教学内容和教学需求，开发优质和个性化的化学教学AR应用，为学生带来更佳的化学学习体验和效果。

参考文献：

[1]Plunkett K.N.. A simple and practical method for incorporating Augmented Reality into the classroom and laboratory [J]. Journal of Chemical Education， 2019， 96（11）： 2628～2631.

[2]张四方， 江家发. 现实增强技术在化学教学中的研究现状与启示[J]. 化学教育（中英文）， 2017， 38（21）： 43～49.

[3]Cai S.， Wang X.， Chiang F.K.. A case study of Augmented Reality simulation system application in a chemistry course [J]. Computers in Human Behavior， 2014， （37）： 31～40.

[4]朱鹏飞. 增强现实（AR）技术促进高中生化学微观结构學习的研究[J]. 化学教学， 2019， （9）： 34～36.

[5]Wojciechowski R.， Cellary W.. Evaluation of learners attitude toward learning in ARIES augmented reality environments [J]. Computers & Education， 2013， 68（10）： 570～585.

[6]赵文静， 曹忠. 国外增强现实教育应用的研究进展——基于104篇国际教育技术期刊论文的质性元分析[J]. 中国教育信息化， 2019， （10）： 30～35.

[7]智画互动开发团队. Unity3D大风暴[M]. 北京： 电子工业出版社， 2014： 36～207.