基于AR的移动端无机化学实验预习软件设计

刘晓丹

（山东现代学院，山东济南 250000）

1 基于AR的移动端无机化学实验预习软件应用优势

1.1 操作简便，不受时间场地限制

传统的无机化学实?验必须在实验室内操作进行，因此无论是时间上还是空间上都受到了一定的限制。而且很多无机化学实验的操作过程比较烦琐，需要进行漫长的观察和等待，移动端AR无机化学实验预习软件的应用，既不受时间空间限制也不受时间限制，不仅为学生提供了全新的预习和学习方式，手机上的操作也更为简单容易，学生可以随时随地的打开手机，实现知识点的渗透，进行实验预习，为实际操作提供有力保障，相关的操作和观测也变得更加的简单化和高效化。

1.2 降低成本，贯穿绿色化学思想

无机化学实验过涉及大量的实验仪器以及实验药品，反复的操作过程中会造成相应的浪费，尤其是对于很多操作难度大的实验来讲，很难保障一次性操作成功。通过软件进行虚拟的操作不仅能够节省化学原材料，也能从根本上消除污染，防止化学实验污染对环境造成的损坏，符合绿色化学思想中的减量化、再利用以及再循环的基本原则。

1.3 缩短时间，提升实验成功效率

整个实验教学建立在扎实的基础知识和操作技能之上，能够帮助学生形成科学的实验方法和思维，提高创新意识和实践操作能力，更能培养其科学精神，实现化学素质全面提高。而预习的好坏直接影响到课堂的效果，以往的预习过程当中学生不过是翻阅书籍提炼知识点，但很难掌握实验精髓，而且对于各种实验仪器以及设备的操作使用也会形成一个误解。移动端AR技术实验预习软件中包含着大量的实验操作视频，学生在观看的过程当中更能形成直观印象抓住重点，从而促使其在真实实验操作时提高成功率。

1.4 扎实基础，数据统计简单直接

无机化学实验涉及众多实验数据的记录，很多实验进行的过程中，需要绘制图表、走势图以及运用公式完成结果计算，而各种实验试剂用量的控制掌握也要达到精密需求。通过移动端AR技术进行虚拟化学实验，无须手动配制试剂原料，能够实现实验结果的智能处理，相应的数据统计也更加简单直接，摆脱了烦琐的计算过程，在计算结果上也极大程度地减少了人工计算的失误。

1.5 避免危险，夯实教学全新思路

化学实验室是提升学生操作技能验证、推断结果的重要场所，但同时化学实验室也是一个十分危险的场所。实验的过程当中会不可避免地接触到一些有毒的化学试剂，进行一些危险系数较高的实验操作[1]，移动端AR技术的应用为学生提供了仿真化学实验环境的同时，更提供了一个安全的实验环境，能够避免错误操作带来的危险，同时也能有效减少有毒药品的泄漏，降低化学事故的发生概率。

2 AR移动端虚拟实验与传统实验的关系

2.1 与AR移动端虚拟实验融合互补

传统实验操作不仅受到时间、空间的限制，还会受到基础设施的限制。在全新的教育改革推动之下，大多数高校对于实验的重视性逐渐提升，但同时也会受到基础设施建设薄弱的制约。这在客观程度上造成了学生实践操作机会较少，无法将所学知识落到实处的困境。实际上对于无机化学而言，实验教学为内容核心，从基本技能操作到基础分析是一个环环相扣、循序渐进的过程。可以根据课堂上所学知识，通过实验进行技能广度和深度的提升，才能够培养学生自主学习的兴趣并实现研究精神以及探索精神的提升。在AR移动端虚拟实验室的辅助之下，学生可以实现自由操作，将理论课程和实验性的内容相结合，在预习和讨论中形成自主学习能力，开发勇于探索的实践精神，同时也为进行实际的实验操作奠定基础。

2.2 与传统实验操作相互促进

虚拟实验操作是一项全新的技术，是科学发展的深度体现，融合了多媒体、计算机AR技术以及网络技术于一体，也克服了传统实验模式当中设备不足、设施老化的问题。同时为更多的学生提供更多的实践机会以及知识体系的扩展，也是当前多元化教学模式的切实呈现。众多高校因为成本投入的问题，很难实现对实验操作设备的及时更新，而在无机化学实验过程中，众多精密实验操作仪器成本极高，所以想要达到一人一机的独立操作是非常困难的，对于AR移动端虚拟实验室而言，会根据科学的发展以及教学体系的更新及时完成软件升级，完善操作系统，能够在提供真实、生动、逼真实验效果的同时保证学生操作机会，并在预习和融合理论基础的同时锻炼自身分析能力和解决问题的能力，在有效的分析应用的过程中实现传统实验和虚拟实验结构的验证。

2.3 利于综合性人才培养

有人说虚拟仿真实验是纸上谈兵，空有理论基础却难以形成直观地体验，并不能完全代替传统实验的真实客观性操作；有人说，传统实验是真刀真枪，想要完成科学地分析达到真正的研究目的还需通过传统实验操作来实现。但实际上AR移动端虚拟实验和传统实验各具优缺点，是一个相辅相成、相互促进的关系，AR移动端虚拟实验通过熟悉操作流程，抓住知识重点为传统实验的操作提供基础，能够实现学生创新能力、思维拓展能力的提升，帮助其形成科学研究意识；传统实验通过加强操作能力，提升掌握能力，为AR移动端虚拟实验提供验证，能够实现学生领悟能力、开发能力的提升，帮助其建立实践出真知的思维。所以在日常教学活动中，可以将二者进行有效结合，建立一个全方位的教学体系和多元化的评价体系，才能够从整体上提升教学进程实现学习评估进阶，在二者的融合发展以及相互促进中达到培育综合性人才的目的。

3 基于AR的移动端无机化学实验预习软件设计

3.1 开发设计基础

AR技术衍生于VR基础之上，拥有一定的沉浸感和交互感，构建了一个虚拟与现实融合的世界，能够带来新鲜感更能增强体验感。整个移动端AR无机化学实验系软件的设计和开发，构建的是一个便携虚拟的化学实验环境，进行仿真实验时拥有众多的化学仪器也可以实现装置药品的自由添加，不仅能够真实形象地展示各种化学实验成果，更能提供准确的数据记录并进行智能分析，满足无机化学教学的预习需求。

整个设计流程以资料搜集、模型制作、UI设计以及交互设计为根本流程，资料的搜集过程中，本款软件以《无机化学实验》教材为脚本参考，对各个单元的知识点进行归纳整理构建单元菜单；模型制作的过程通过对实验仪器的测量形成参考，用3DsMax 作为建模软件，建立三维虚拟实验室同时优化FBX文件；UI设计的重点在于各个操作界面的设计结合动画、图片以及整体颜色搭配来形成完整的布局；交互设计的程序较为复杂，利用Unity3D 制作交互模型，通过 VuforiaSDK搭载AR功能完成软件设计开发。整个无机化学实验软件包含基本功能介绍、实验流程演示、仿真实验操作以及实验结果讨论四个模块，提供的是更为全面的无机化学实验预习[2]。

3.2 软件平台组成

整个移动端AR及化学实验预习软件的构建由六部分组成，分别拥有不同的功能：

①编辑功能：该功能对无机化学教学过程当中涉及的图形、文字、符号、图表等行编辑形成课件，保存在软件平台当中以便提供虚拟演示。②素材库：素材库的选取以《无机化学实验》为基础搜集实验过程当中使用到的各种图片、视频、动画、文本等素材，并保证用户在操作过程当中可以自由掌控各种素材。③同步操作：该功能与《无机化学实验》课本当中实验操作同步，记录课本当中实验操作的全部过程，能够提供虚拟操作。④构建工具：构建工具能够保证用户根据需求进行实验流程的设计，工具当中包含完备的素材库，用户在操作过程中只要按需求进行组装就能实现实验装置的配置。⑤辅助工具：辅助工具提供的是整个实验过程中操作所需要的各种模型以及计算软件，例如计划学、计算器、元素周期表以及分子模型工具等。⑥仿真工具：仿真工具以AR技术为根本，按照实验操作规律自动生成实验工具，能够实现虚拟信息和现实操作的叠加。

3.3 软件模块功能

①主界面：移动端AR实验预习软件设计的主界面以简单美观利于操作为主、利于识别为主，实际上该主界面实现的也是一个目录的功能，其主要的建立目的就是促使学生可以通过主界面形成正确的实验预习引导。②实验教学模块：实验教学是预习软件构建的核心，其根本宗旨在于帮助学生掌握基本理论和基本概念，培养其观察思考以及解决问题的能力，同时在对实验操作观摩的过程当中完成操作重点的掌握而达到良好的预习效果。实验教学模块进行设计以《无机化学实验》教材为基础，通过合理规划进行内容拆分，每个单元配备基本功能介绍、实验流程演示、仿真实验操作以及实验结果讨论的功能，形成有效的化学实验预习内容体系，学生通过手机端点击完成实验操作，整个过程当中学生既能模拟操作又能自主设计，同时获取科学的指导和真实的反馈。

仿真实验操作建立在AR基础上，可以进行场景识别也可以通过流程图的扫描显示立体虚拟操作。整个仿真实验操作系统包含基本介绍、实验流程、开始实验以及实验讨论四个步骤。基本功能介绍模块包含的是各单元知识点的归纳以及实验目的原理的介绍，同时也含有各类实验仪器试剂操作的注意事项；实验流程构成最为复杂，包含的层次更深，能够清楚地呈现出实验的操作步骤，学生可以通过AR识图进行扫描进入仿真世界观看操作流程，通过开始实验的点击完成整个虚拟操作的全部过程，并在讨论部分进行分析思考强化实验理解。

3.4 主要技术

①AR技术：AR技术是整个化学预习软件构建的重点，仿真系统的建立通过开始按钮的点击进入实验步骤，选择的仿真界面，只要进行手机扫描通过AR识图即可调用手机摄像头进行，并通过互联网后台的建设展现详细的信息，在图像叠加的过程当中为学生展示更加立体真实的环境，通过进一步的点击完成整个实验操作过程。②移动平台：本款无机化学实验预习软件适合应用于android平台，可以安装在智能手机上使用，突破了PC端虚拟实验软件的限制，实现更为方便快捷的教学[2]。

4 基于AR的移动端无机化学实验预习软件设计的操作应用

4.1 无机化学实验

无机化学在理工科教学过程当中拥有着重要的位置，作为化学领域的重要分支与有机化学相对应，主要进行的是无机物组成性质、结构以及反应的研究。无机化学实验是验证无机化学理论、实现科学探索的有效途径。能够帮助学生在实验当中获得感性知识，深度掌握课堂基本理论以及各种实验的操作方法和技巧。而在此过程中通过有效的实验预习，不仅能够提升实验完成效率，更能加深直观印象保证良好教学效果。近年来，化学仿真实验室的建设逐渐走进了众多高校，与传统实验室相比有着明显的优势，在国内外都得到了十分重视。基于AR的移动端无机化学实验预习软件的设计开发，符合当今信息时代飞速发展的趋势，是教育变革的必然也是教育教学的良好辅助[3]。

4.2 实践操作

以中国大学生计算机设计大赛全国二等奖——“水解法制备纳米氧化铁”实验模块为例进行移动端AR无机化学实验预习软件的应用分析探讨：纳米氧化铁是一种多功能材料，具有良好的光学性质、磁性以及催化性，如今已经被广泛应用于磁性材料、生物医学、催化剂以及颜料领域当中。主流的制备方法有水热法、微乳液法以及水解法等。通过水解法进行纳米氧化铁的制备有着工艺简单、无污染且产物分散性能好等优点。在通过AR实验预习软件进行“水解法制备纳米氧化铁”实验操作时能够有效避免具体实验中的危险，能够极大提升实验成功率。

在对软件的应用过程当中，首先打开App进入主界面，在主界面会看到关于“水解法制备纳米氧化铁”实验的全部知识点，接下来点击进入实验内容，通过基本介绍流程图的观看完成实验要点、操作注意事项、操作流程的进一步的了解。接下来点击实验，可以进行仿真实验，通过具体操作步骤选择进入具体实验流程，通过AR虚拟图像的叠加展示进行分步操作处理。在对操作步骤学习完成之后可以通过数据拟合界面点击曲线绘制进行实验数据的处理，该过程简单易行，避免了烦琐操作，保证了实验结果的准确无误性。整体过程完成之后，可以点击实验讨论按钮进入结果讨论思考的环节，该环节当中实现了信息的互联和共享，有助于学生进行群体讨论实现共同进步。

5 结束语

对基于移动终端无机化学实验预习软件设计进行了详细的探讨，并对其实践应用结果进行验证，表明该软件作为无机化学基础教学实验的辅助软件，能够有效提升预习效率，解决实验难题，并在抽象的文字当中帮助学生建立整体知识框架和直观理解。同时，该软件的应用不受时间和空间的限制，可以有效提升学生的积极性，值得推广使用。