以AR技術助力化學教學

史萌

摘? 要：結合增強現實（AR）技術的教育應用特點和化學學科特征，AR技術對化學教學的促進作用主要體現在將微觀的知識內容可視化、模擬真實的實驗場景和創造虛實結合的學習現場等方面。因此，AR技術可以在化學微觀結構、化學實驗和化學工業流程等的教學中，發揮其助力作用。

關鍵詞：高中化學；AR技術；微觀結構；化學實驗；化學工業流程

本文系江蘇省教育科學“十四五”規劃重點課題“虛實融合：交互式AR環境支持的化學核心概念教學研究”（編號：Cb/2021/02/71）的階段性研究成果。

《普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）》指出，教師要關注以移動智能網絡終端、大數據技術和虛擬現實技術為代表的個性化學習與評價系統的發展，并適時引入到化學教學中。［1］作為虛擬現實的擴展，增強現實（AR）是指將虛擬信息（如三維模型、動畫等）根據約定疊加到真實物體或環境上，從而達到一種視覺混合增強效果。［2］有研究者將AR技術在教育中的應用特點和功能分為五個方面：可視化抽象微觀的學習內容，支持泛在環境下的情境學習，提升學習者的存在感和專注度，使用自然方式交互學習對象，結合正式學習和非正式學習。［3］化學是一門從微觀層次認識物質，以符號形式描述物質，在不同層面創造物質的學科［4］，其具有微觀化、模型化、抽象性、實踐性等特征。結合AR技術的教育應用特點和化學學科特征，我們認為，AR技術對化學教學的促進作用主要體現在將微觀的知識內容可視化、模擬真實的實驗場景和創造虛實結合的學習現場等方面。因此，AR技術可以在化學微觀結構、化學實驗和化學工業流程等的教學中，發揮其助力作用。

一、可視化微觀內容，助力化學微觀結構教學

化學物質微觀結構的學習需要學生具備一定的空間想象力，并借助空間想象力來認識和理解微觀世界，進而建立微觀結構、宏觀現象與化學符號之間的聯系。然而，現實情況是，部分高中生的空間想象能力還較薄弱。一些實證研究表明，部分高中生對微觀的化學世界會存在錯誤認識，換句話說，微觀表征的建立是他們學習化學時感覺比較困難的地方。這種情況下，教師可以借助相關工具來增強微觀世界的可視化。AR技術的特點（尤其是能夠將人眼無法見到的抽象內容可視化、形象化），適用于化學微觀結構知識的教學。此外，AR技術能夠讓使用者看到由二維圖片轉換生成的三維物質結構模型，并自由放縮、任意旋轉、多維感知這一模型，進而認識物質的空間結構、微粒間的連接方式以及相關反應的過程。

例如，人教版高中化學必修第二冊“有機化合物結構”這部分內容，一方面，涉及碳原子的不同成鍵方式差異，較為微觀，需要學生具備一定的空間想象能力；另一方面，學生剛開始學習有機化學內容，對相關內容較為陌生。因此，這部分內容是學生學習的難點。此外，教材要求學生搭建球棍模型認識碳原子間的成鍵方式，然而較少有學校備有充足數量的球棍模型讓學生人手一套進行操作，因此這一學習活動往往較難達成。而借助AR技術，可以快速讓學生體會有機分子的三維空間構型和成鍵情況。

教師先引導學生根據前面所學的知識思考碳原子可以通過怎樣的方式成鍵，討論如下問題：碳原子以不同結合方式相連，呈現怎樣的空間結構特點？然后指導學生打開“有機化學”軟件（一款AR軟件），點擊“掃描”按鈕，對常見烷烴、烯烴、炔烴的分子結構二維圖片進行掃描，即可獲得三維立體模型（如圖1所示）。接著，讓學生著重從碳骨架的結構特點、鍵與鍵之間的夾角、碳原子的成鍵方式三個維度逐一分析常見的烷烴、烯烴、炔烴分子的空間結構。實際分析過程中，學生還可以通過“旋轉”“放大”“縮小”等不同操作功能，更清楚地觀察有機分子的空間結構。如“放大”甲烷、乙烷、丙烷等烷烴分子的空間結構后“旋轉”觀察，可以很清楚地觀察到在這些有機分子中，碳骨架呈現折線形，鍵與鍵之間的夾角約為109°（利用軟件自帶的測量功能測量），碳原子與其他原子均以單鍵相連。學生觀察完畢后，在學案上描述觀察到的分子空間結構情況。

課后，我們也對學生進行了訪談，發現他們普遍認同AR技術能夠幫助他們更清晰地觀察有機分子的空間結構。部分學生回家后自己在手機上安裝相應的App，繼續深入學習有機物的空間結構。這讓我們認識到，與傳統的球棍模型搭建方法相比，利用AR技術進行觀察有如下優點：（1）搭建球棍模型需要耗費較多的時間和實物模型資源，AR技術可以快速地可視化分子結構，幫助學生在較短的時間內完成系列分子空間結構的觀察；（2）AR技術可以讓學生從多個角度全面觀察有機分子的空間結構；（3）學生課后還可以利用AR軟件進行非正式學習，實現正式學習和非正式學習的結合。

二、模擬真實實驗場景，助力化學實驗教學

化學實驗教學存在如下現狀：由于實驗條件的限制，學生動手實驗的頻率較低；學生動手操作的實驗大多局限于操作簡單、安全性高的實驗，涉及濃硫酸、濃硝酸等危險試劑的實驗則主要由教師演示或以視頻播放的方式代替；一些學生動手操作的實驗由于成功率不高，而有限的實驗時間又很難讓學生多次進行實驗，因此學生的實驗成就感較低。AR技術在一定程度上可以改善上述現狀。首先，對于操作簡單、安全性高的實驗，AR技術能夠讓學生在有限的時間里多次重復實驗，增加實驗的成功率。其次，對于危險系數較高的實驗，AR技術降低了實驗的危險性；同時，還能夠讓學生感受錯誤操作帶來的實驗事故后果，從而增強學生實際操作實驗時的謹慎度。此外，一些反應時間較長或很短的實驗也可以利用AR技術進行設計，讓學生鮮明地感受反應的變化過程?？傊?，利用AR技術可以克服實驗條件限制、降低化學實驗危險性、提升化學實驗效果，讓學生在移動設備上以更加自然交互的方式做實驗，獲得沉浸式的學習體驗。

例如，“鈉與水的反應”是高中化學的經典實驗之一。由于鈉具有較強的還原性，與水反應比較劇烈，因此教師較少將該實驗設計為學生實驗。即使設計為學生實驗，也會事先將鈉切割成綠豆大小，實驗的預設性較強，學生也因此失去了感知鈉質地較軟的物理性質的機會。

對此，可在教學中引入AR技術。教師提問：鈉與水反應，根據元素守恒和氧化還原反應的基本原理，預測反應產物是什么？學生回答：氫氣和氫氧化鈉。教師引導學生分析該實驗的具體步驟，要求學生從鈉在水中的位置、鈉的形狀的變化、溶液顏色的變化等方面觀察和描述實驗現象，強調實驗的安全性。學生打開“ZSpace”軟件（一款AR軟件），點擊“高中化學：鈉及其化合物”。學生通過手勢操作，首先切割鈉，感受鈉的顏色、質地等物理性質；然后將切割好的鈉塊投入水中，學生可以直觀鮮明地觀察到“浮、熔、游、響、紅”的實驗現象（如圖2所示）。在這一操作過程中，有的學生切割的鈉塊較大，實驗現象很劇烈，這讓他們體會到鈉塊切割的大小與實驗危險性的關聯。

利用AR技術開展類似具有較大危險性或耗時較長的實驗有如下優點：（1）由于是在近似真實的環境中開展化學實驗，因此實現了實驗真實性與安全性的平衡，回避了相應的風險；（2）可以在較短時間內多次重復實驗，體會實驗成敗的影響因素，減小實驗操作的心理負擔；（3）直觀鮮明的實驗現象為學生理解化學概念、正確書寫化學方程式奠定基礎。

三、創造虛實結合的學習現場，助力化學工業流程教學

化學工業流程知識是高中化學學習的難點所在，主要原因在于以下幾個方面：其一，化學工業與學生生活距離較遠，學生對反應流程、儀器裝置等較為陌生；其二，化學工業流程知識的教學方式單一，教師大多采用直接講授的方式，利用PPT顯示裝置圖和簡單的工業流程圖的圖片，或指導學生閱讀相關材料；其三，受客觀條件的影響，學生較難有機會在真實的場景中學習，即使有機會參觀企業，也大多走馬觀花，很難有充足的時間參觀不同類型的化工廠。AR技術能夠營造真實的化工廠學習場景，拓展學習的空間，提高教學的交互性，加強學生對不同反應階段和反應裝置的直接認知。

例如，人教版高中化學教材特別關注了中國科學工作者的科技成就，因此以“侯氏制堿法”為基礎的“純堿工業”內容在多個教學模塊都有所涉及，這部分內容也是高考的重要考查內容。然而，實際情況是，學生很少有機會走進化工廠，感受真實的化工流程，因此教師在教學中大多通過圖片展示、口頭講解的方式。AR技術可以三維可視化真實的化工生產流程，讓學生仿佛身處化工廠中，感受化工生產的不同流程和裝置，置身于體驗性的學習情境，從而有效增強學生對化工知識學習的興趣。如感受純堿工業中的碳化、吸氨、加鹽等流程，煅燒爐、結晶器、吸氨器、壓縮機等反應裝置。

教師引導學生從用途、原料、核心反應、工業流程四個角度分析純堿工業反應。然后，組織學生兩人一組，打開“北極光化學”軟件（一款AR軟件），點擊“純堿工業”，點擊掃描相應的二維碼，界面上出現“外觀”“制玻璃”“聯合制堿法”等按鈕。點擊“外觀”，即可具體觀察純堿樣品，學習其物理性質；點擊“制玻璃”，即可詳細觀察純堿與二氧化硅的反應；點擊“聯合制堿法”，即可出現制備純堿的化工生產流程（如圖3所示），再點擊反應中不同的原料，便可以觀察該物質涉及的具體流程，如碳化等。借助AR軟件，學生身臨其境地感受工業生產的過程，加深對核心反應的理解。

可以發現，在化學工業知識教學中，利用AR技術能夠創設傳統課堂難以體驗的學習情境，增強學生的沉浸感，提升學生的專注度。

最后需要說明的是，一項新興技術本身并不能單獨地改變教育教學，其需要與教師教學模式、策略緊密地結合。AR技術在化學教學中的應用并非簡單地替換PPT動畫、實物模型或分子模擬軟件，要想使AR技術與化學教學深度融合，真正促進教學和學習效果，就需要探索AR技術應用于化學教學的教學模式和策略。此外，AR技術在學科教育的有效應用不僅需要理論層面的分析，更需要實證研究?；趯嵶C研究，將質性與量化方法相結合，積極探索AR技術對學習者學習效果的促進、認知負荷的改變等。

參考文獻：

［1］［4］中華人民共和國教育部.普通高中化學課程標準（2017年版2020年修訂）［S］.北京：人民教育出版社，2020：87，1.

［2］高媛，黃榮懷.《2017新媒體聯盟中國高等教育技術展望：地平線項目區域報告》解讀與啟示［J］.電化教育研究，2017（4）：1522.

［3］蔡蘇，王沛文，楊陽，等.增強現實（AR）技術的教育應用綜述［J］.遠程教育雜志，2016（5）：2829.