关于增强现实(AR)技术促进高中生化学微观结构学习的探讨

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。[1]移动增强现实技术，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。

一、增强现实技术的教学优势

作为一门在原子、分子水平上研究物质的基础学科，化学的特征是从微观层次认识物质，以符号形式描述物质，在不同层面创造物质。化学学科的内容特点决定了在化学学习中，学习者必然要从宏观、微观和符号等方面对物质及其变化进行多种感知，从而在学习者心理上形成化学学习独特的三重表征：宏观表征、微观表征和符号表征。不少研究表明，微观表征的建立是学习者感觉比较困难的地方，这是因为微观表征关注的是一个肉眼无法看见的世界，学习者需要通过丰富的空间想象力来理解微观世界。

而中学生的空间想象能力发展还不够成熟，较多研究表明其对微观世界的理解会存在大量的相异构想，因此需要借助相关工具如实物模型、PPT动画、分子模拟软件等增强微观世界的可视化。实际教学过程在使用上述工具时存在一些问题：实物模型和PPT动画大多仅由教师展示或演示，学生缺少近距离长时间观察的机会，即使其动手制作实物模型也是耗时耗力，而分子模拟软件如Jmol、Netlogo等大多是由国外研究者开发的，交互界面语言为英文且学生需要人手一台计算机，易用性一般。研究者在不断地寻找和研发更可靠、更贴近现实、交互性更自然、更易用地能够帮助学生学习微观世界的可视化工具。

化学微观结构知识主要是指原子结构与元素的性质、分子结构与性质及晶体结构与性质相关知识，高中阶段的微观结构知识主要在物质的分子结构。AR的技术特点尤其是能够将抽象的、肉眼看不到的学习内容可视化、形象化，非常适合化学微观结构知识的学习。AR技术能够快速让学习者在现实环境背景中看到虚拟生成的三维物质结构模型，而且这一模型可以快速生成、任意旋转、自如地放大和缩小，同时与已有的需要鼠标和键盘等中介设备实现与界面交互的分子模拟软件相比，运行在智能手机或平板电脑上的AR技术采取的触摸式交互方式更自然，使用更方便。

二、化学反应微观过程教学内容的分析

在学习高中化学电化学基础一章时，电化学反应微观过程涉及“氧化还原反应”以及“原电池或电解池中离子的迁徙”两部分的教学内容。教材中“氧化还原反应”的内容，以化学方程式为主，缺乏图像和三维动态模拟，且仅仅用文字阐述了化学反应，而对于电池中化学反应发生的位置、速率等的内容却未展开充分讨论，学生无法很好地理解离子间的微观过程。“氧化还原反应”与“原电池或电解池中离子的迁徙”具有内在的密切关联，同属电化学反应的内容。对化电学反应的影响因素，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反应过程，通过有趣的沉浸式体验，能更好地把握电化学反应的离子迁移和反应，并显化在不同温度、不同浓度或有无催化剂等条件下，离子如何析出或者气体如何放出的过程，从而降低学生理解微观电化学反应的难度。

三、AR总体设计

结合需求分析，本文开发的应用的总体设计分为界面设计、功能设计、运行逻辑设计与交互设计四个方面，并根据每个方面的具体设计内容进行了具体的设计。

1.界面设计。界面对于用户的第一印象与使用体验十分重要，特别是对于初高中阶段的青少年。因此，界面UI应该采用色彩明亮、风格统一且简洁美观的设计元素。同时为了避免烦琐的操作过程，界面应该简洁，且符合用户的使用习惯。

2.功能设计。主要包括选择功能、任务功能和反馈评价功能。(1)选择功能是选择实验、药品与仪器，给予用户想进行不同实验的需求。(2)任务功能是开展实验学习的具体功能，通过添加药品与器材的链接布置完成所选实验的实验要求得到正确的实验现象。(3)反馈评价功能，在用户操作过程中会根据用户的操作正误播放相应的动画并给出提示与指正。

3.运行逻辑设计。即为场景的切换机制，本应用的运行逻辑与大多数软件一致。该应用能在启动场景、实验选择场景、实验场景、微观实验场景和反馈评价场景中切换。

4.交互设计。为了迎合化学实验学习操作性强的特点，采用了点击、拖拽、滑动、旋转、缩放等多种交互方式，增强学生的学习参与度。

总而言之，随着AR技术的不断成熟，其也将逐步广泛地运用于中小学课堂中。尽管对于AR技术的研究深度已经进入一个从理念到实践的领域，然而若没有大量的实证研究证明AR技术对于学习者开展学习的促进作用，必然会影响到教师和学生使用这项技术的热情和信心。期望本研究成果为将来AR技术在科学教育领域进行规模化应用提供有价值的参考。需要说明的是，受时间、人力和物力所限，实验中选取的被试仅限于高二年级，人数也不多，后续研究中我们将选取更多年龄层次、更多人数的被试，进一步提高研究结论的可推广性。