增强现实（AR）技术在国内化学教学中的研究进展及启示

摘要：从教学资源开发、教学内容应用、教学效果评价和教学应用策略等方面对增强现实（AR）技術应用于国内化学教学中的研究进展进行梳理分析，在此基础上提出若干研究启示。

关键词：增强现实（AR）技术;化学教学;体验性情境;空间结构

文章编号：1008-0546（2021）05-0033-03中图分类号：G632.41文献标识码：B

doi：10.3969/j.issn.1008-0546.2021.05.008

与其他教育技术相比，更具浸润感、交互性和想象性特征的增强现实（Augmented Reality，简称AR）技术近年来受到教育研究者的广泛关注。《普通高中化学课程标准（2017年版）》指出教师在教学中可以适时引入以虚拟现实技术为代表的个性化学习与评价系统⑴。作为虚拟现实的扩展，增强现实是指通过3D技术在真实物体上叠加虚拟对象，从而达到一种视觉混合增强效果，具有虚实结合、无缝交互、浸润学习等特点⑵。AR的出现能够填补虚拟和真实世界的认知桥梁，降低学习者的认知负荷，实现学习者对复杂空间关系和抽象概念的可视化，促进虚拟和现实之间的无缝交互⑶，其在科学学科学习中发挥重要的作用。

搜索相关文献，可以发现已有研究者就AR在国外化学教学中的研究进展进行分析⑷。近年来AR开始在国内化学教学中进行应用，尽管仍处于起步阶段，但已经取得一定的成果。因此从技术在课堂中推广应用的角度来看，有必要对AR在国内化学教学中的相关研究成果进行梳理分析。为了解AR应用于国内化学教学的研究进展，笔者于2021年1月以“增强现实技术”“化学”和“AR技术”等作为关键词，反复查询中国知网、万方、维普等国内主要的网络学术文献数据库，共得到相关主题的期刊论文18篇，硕士学位论文5篇和1本专著。此外为更全面地了解AR的研究现状，又通过网络搜索查阅了国内研究AR的主要团队网站，丰富研究资料。认真研读资料的主要内容，对其进行内容归类，从目前文献中提炼出四个研究视角：（1）教学软件资源的开发;（2）教学内容的应用;（3）教学效果评价;（4）教学应用策略。部分文献化学教与学2021年第5期同时涉及到多个研究视角，教学软件资源的开发有7篇次，教学内容的研究有11篇次，教学效果评价有5篇次，教学应用策略研究有3篇次。

一、研究进展

1.教学软件资源的开发

优质易用的软件资源是AR在国内化学教学中得到广泛应用的前提，也是研究者率先开展的研究领域。萧铭桦等以化学反应微观过程为例，阐述了基于 AR技术的应用软件设计、开发和使用，介绍了前期准备、设计开发和测试发布等软件开发的一般流程，并具体介绍了“化学反应速率的影响因素”“有效碰撞理论”等软件⑸。王今阳从视觉设计、功能设计等角度阐述了相关AR软件的设计过程，开发“电离、水解”“原电池实验”等软件⑹。张瑜鑫利用3D Max和Unity 3D 软件对初中化学教科书“物质组成的奥秘”相关内容进行AR呈现⑺。台湾师范大学邱美虹教授的研究团队开发了一套包括常见有机物分子的化学扑克牌，使用平板扫描这些扑克牌，就能将二维图片转化为三维的空间结构，此外他们还就极性分子与非极性分子、碳纳米管等相关知识开发AR软件⑻。从网络资源来看，北京师范大学的“VR/AR+教育”实验室、仟问化学等相继开发了相应的AR软件，仟问化学还将AR与高中化学选择性必修模块《物质结构与性质》相结合，出版了相应的AR书籍⑼。总的来看，一方面由于AR软件的开发应用，需要具备代码编写等能力，设计的成本和门槛较高，因此化学教育研究者研究的较少，已有的一些报道软件研究成果的文献大多为教育技术专业研究生完成，另一方面已开发的AR资源内容单一，功能上主要是简单的三维呈现，交互不够灵活和深入，不能充分体现AR的技术特点。因此，对中学化学教师来说，目前仍缺少能够在教学中使用的优质 AR资源。

2.教学内容的研究

一些研究表明对物质微观结构的认识是学生化学学习中感觉比较困难的地方，而AR最显著的特点就是能够使抽象的学习内容可视化，变“不可见”为“可见”，因此其可以应用于物质结构教学的研究，促进学习者对微观结构知识的掌握。如笔者在原子结构、分子结构和晶体结构的教学内容中使用AR技术， 通过平板电脑扫描二维图片，即可以呈现三维立体结构模型，并可以自由旋转、放大和缩小，促进学习者相关知识的掌握，降低认知负荷口七李新义等将AR融入到高中化学必修“乙烯”的教学中，在课堂上让学生利用AR观察乙烯分子三维球棍模型，帮助学生认识碳碳双键的结构特点[11]。

《教育部关于加强和改进中小学实验教学的意见》指出“对于因受时空限制而在现实世界中无法观察和控制的事物和现象、变化太快或太慢的过程，以及有危险性、破坏性和对环境有危害的实验，可用增强现实等技术手段呈现”。AR技术能够搭建还原真实化学实验的学习场景，帮助学习者熟悉正确的实验操作过程，感受错误操作过程带来的实验后果。熊垒等在气体的制备和电解水实验中采用AR技术，学生可以自由选择实验仪器，搭建实验装备，这样的操作使得学生正确认识实验基本步骤，增大实际开展实验的成功性皿。此外AR技术还能够消除一些化学实验带来的危险性，降低了探究学习的条件，如铝热反应由于较为危险，学生较少有机会亲自实验，获得近距离观察该实验现象的机会，而AR则能够帮助学生在真实的场景中开展这一实验。

AR技术能够营造真实的学习场景，提高教学的交互性，加强学生对环境的直接认知，提升真实的主观感受，因此可以应用于一些常规条件下无法创设真实场景的学科知识教学。例如学生初始学习化学元素时，对元素的感知性不强，教师也较难提供种类繁多的物质供学生感知，熊启英利用Elements 4D软件对化学物质的颜色状态等进行视觉增强，学生可以在短时间内感知几十种元素对应物质的颜色状态，体验真实感和临场感關o蔡苏等利用AR软件设计“元素、物质”的教学，学生将氢元素的卡片和氧元素的卡片靠在一起，既可以观察到水分子的球棍模型，还能够看到一滴“真实”的水皿。此外由于常规教学对教学场地的限制，学生在课堂中较难感知真实的化学工业流程，AR能够创设真实的场景，让学习者置身于化工企业中，感受反应的流程、设备和现象。

3.教学效果评价研究

AR技术的教学效果如何，一些研究者对此展开了研究。刘潇等設计了一个以“烷炷分子结构”为主题的实验，该实验以学习材料和空间能力为自变量， 探究AR材料和传统图文材料对不同空间能力学习者的学习成绩、认知负荷和学习动机的影响，进而研究 AR能否有效促进学生进行化学学习。结果表明，AR 能够激发学生的学习动机，对提升学习成绩产生显著影响，但没有明显降低认知负荷，AR对空间能力低的学习者帮助更大笔者开展实证研究探讨AR对学生学习化学微观结构知识和空间旋转可视化能力的影响，研究选取高二选修模块《物质结构与性质》为学习材料，研究时间为三周，结果AR技术对学生空间旋转可视化能力的发展影响不显著，但对学生学习物质微观结构知识有显著促进作用[⑹。蔡苏等以“电解池”为教学案例，探究交互式AR教学对中学生认知能力的影响，结果发现AR教学在应用维度的提升优于 Flash动画教学，在记忆维度提升弱于传统动画教学， 在理解维度上没有显著差异[17].

4.教学应用策略研究

针对当前AR教学应用普遍存在的技术简单添加于教学流程之中、大多只用于知识呈现、没有创建有利于学生主动探究开展深度学习的体验性情境等问题，一些研究者开始研究AR资源在教学中的应用策略。林晓凡等基于体验式学习理论建构了 AR支持下的体验式资源在科学教学中的应用策略，包括AR 真境“现”实情、AR概念“纠”错误、AR器材“建”方案等响。张四方认为目前是AR技术的初级应用阶段， 表现为技术特点所体现出的教学效果，联结和设计将成为进一步发展的方向，AR技术应用于教学包括四个基本策略：识别教育目标、提出合适任务、决定任务的功能需求、探寻技术的合适功能⑶。

二、研究启示

1.AR在化学教学中发挥的作用有待进一步挖掘

已有研究表明AR作为教学工具在物质微观结构知识和实验教学领域发挥着重要作用，运用AR有助于培养学生微观探析、证据推理等素养，增强三重表征，建立认知模型。然而从目前的研究成果来看，AR 能够基于体验性营造真实学习环境的作用研究的还较少。此外AR运行的载体大多为智能手机或平板电脑，因此其不仅可以作为课堂学习的工具，还可以作为学生课前、课后预习或复习的工具，如可以借助于 AR探究实验，观察分子三维结构模型。此外教师对学生知识掌握评价方式不应局限于纸笔测验，也可以借助于AR来进行评价，如评价学生对分子结构的掌握可以要求学生在AR系统呈现分子结构，并由系统进行反馈。总之，AR不仅可以作为教师教学的手段， 也可以成为学生学习的工具。

2.研发适合教师和学生使用的AR资源

拥有大量的真正适合教师和学生使用的优质资源是一项技术成功应用于教育领域的关键。当前，AR技术逐渐走向成熟期，但绝大多数AR资源都面向于非教育领域，国内优质的应用于教育领域的AR资源较少。为何会出现此种情况，刘勉、张际平等在分析虚拟现实技术出现同样的问题时认为很大的一个原因就在于技术与教学的脱节s。其进一步指出拥有技术的软件工程师虽然精通算法、代码等，但对具体教学并不了解，而教师等对相关开发技术望而兴叹，技术与教学之间存在巨大的鸿沟。笔者认为这也是AR教育资源较少的原因。因此技术工程师和教师应组成团队， 发挥各自的专业优势，共同来建设AR教育资源库。

3.开展AR应用于教学的实证研究

相比其它技术在教育中的研究，AR的应用研究还处于起步阶段，相关的实证研究较少，已有的一些研究也存在样本数较少，实验时间较短等问题。AR 是否能够真正促进学生学习，这需要大量的实证研究尤其是学习效果方面的实证研究来说明。实证研究是新时代教育研究发展的潮流，也是技术与学科教育融合深化的必然要求。一线中小学教师具有丰富的课堂教学经验，但缺乏开展实证研究的知识和能力储备，其可以与高校专家合作，共同开展增强现实技术应用于教学的实证研究。

参考文献

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