熊垒 付祥 熊璐

摘要：化学实验是化学学习的基础，而移动增强现实技术的融入将会为化学实验教学提供新的教学方式与途径。基于移动增强现实的化学实验辅助应用软件能够激发学习兴趣、增强学习参与度、提供泛在学习条件、巩固课堂知识和学以致用的特点，但同时也面临缺乏选择自由和教育内容与增强现实技术匹配度低的挑战。该文在分析基于移动增强现实的化学实验辅助应用特点的基础上，根据学习对象、教学目标、教学内容、关键技术四个层面的分析并贯穿融合了移动增强现实技术，在此基础上完成了基于移动增强现实的化学实验辅助应用——燃烧吧！化学的设计与开发。该文为初高中化学实验教学提供了新的视角与方法，且该方法具拓展性，可以应用到其他科目的教学中。

关键词：移动增强现实;移动终端;初高中;化学实验

中图分类号：TP393      文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2019）27-0267-02

1 背景

近年来，随着信息技术、人工智能等新型技术的发展，在包括教育在内的诸多行业领域的模式与结构都在产生巨大的改变。而在《国家教育事业发展“十三五”规划》中指出，要“积极发挥人工智能和虚拟现实（Virtual Reality，VR）、增强现实（Augmented Reality，AR）等创新技术的优势，拓展教育形态，探索未来教育新模式，为促进个性化学习与针对性教育提供支持”[1]，因此教育与增强现实这类创新技术的深度结合将成为未来教育模式的主要发展方向。

增强现实技术脱胎于虚拟现实技术，它可以将虚拟对象准确地“放置”在真实环境中[2]，带给用户“虚实结合”的全新感受。这项技术的“虚实结合”和强交互性的特点让它可以为辅助教学、增加教学方式的多样性发挥极大的作用。而移动智能终端与移动互联网的发展则为基于增强现实的教学辅助应用的广泛应用与发展铺平了道路。

化学是一门基于实验的学科，具有一定的抽象性和很强的可操作性。而许多实验的实验条件相对严苛，又具有一定危险性，同时在中学普遍存在实验室对学生开放程度低、开展实验知识与技能竞赛情况不多的情况[3]。而具有强交互性与“虚实结合”的特点的增强现实技术正好可以为解决这些问题提供一个思路。但是目前国内此类应用并不多，因此如何紧密结合中学化学实验教学需要并兼顾增强现实特点与中学生理解难点与盲区的条件下完成完整的应用开发，这值得我们研究和探索。

2 移动增强现实支持实现化学辅助应用的特点

移动增强现实技术[4-5]是增强现实技术应用到智能移动终端后形成的子技术。相比于需要PC机及各种穿戴显示等昂贵笨重的设备的传统增强现实系统，轻便、购买维护代价低的移动增强现实系统更易于普及，此外，移动增强现实系统的交互方式更加多样化和人性化。这为化学实验辅助应用的实现提供了极大的帮助，其主要表现为以下三个方面：

2.1 具象化知识概念、激发学习兴趣

移动增强现实技术作为一种新兴事物，容易引起用户尤其是青少年用户的好奇与关注。AR技术可以将抽象的知识概念通过三维可视化的方式具象化，降低理解难度，结合移动智能终端的强交互能力，可以加强学习者的学习参与度，并且给予学习者不同的学习体验，激发他们尤其是青少年学习者的学习兴趣和探索欲。

2.2 还原真实实验场景、提高化学素养

移动增强现实技术具有的“虚实结合”的特点可以在真实环境下进行虚拟信息扩增，为学习者搭建一个还原真实化学实验的学习场景。此外，移动增强现实技术的强交互性和多样的交互方式能够将化学实验操作过程进行还原，帮助学习者熟悉正确的实验操作过程，提高学习者的化学素养，同时增强学习者的实践能力，充分调动学习者的学习热情。

2.3 提供泛在学习的学习条件

移动增强现实技术下的化学实验辅助应用是基于移动智能终端设备的软件，消除了化学实验的危险性并且降低了化学实验学习的条件，使学习者可以随时随地地进行化学实验学习。在移动增强现实的支持下，学习辅助应用将成为强有力的泛在学习资源，借助移动智能终端的摄像头扫描泛在的学习对象可以进行学习增强，为学习者创造可复用且无处不在的学习条件[6]。

3 案例开发：燃烧吧！化学

3.1 应用概述

本文所开发的基于移动增强现实的化学实验辅助应用——燃烧吧！化学是一款化学实验操作学习软件。通过移动增强现实技术构建了一个虚实结合的学习环境，弥补化学实验操作学习的不足;用独特多样的交互方式帮助学习者掌握正确的化学实验操作方法。配合以老师的课堂知识讲解与演示，帮助学习者更牢固地掌握知识，达到学以致用的目的。

3.2 需求分析

本文将从学习对象、教学目标、教学内容、关键技术四个层面进行分析。

1）燃烧吧！化学的主要学习对象是13-18岁的初高中学生。这一阶段的学生渴望得到认同与成就感，用于尝试新事物;但其学习习惯与接收知识的进度存在较大差异[7]。此外，这一年龄阶段的青少年对于鲜明的色彩与清脆灵动的音乐较为推崇。因此在UI设计、音效音乐设计以及交互方式的設计上都要尽可能地贴近初高中学生的审美需求。

2）教学目标是帮助学生熟练掌握化学实验操作要点，根据化学实验深刻理解化学课本知识。

3）教学内容主要是掌握初高中化学课本上要求掌握的化学实验操作、熟记主要化学方程式以及了解化学反应的微观变化与主要用途。

4）技术层面：增强现实系统的核心技术是跟踪注册技术，主要分为基于物理硬件的注册方式与基于计算机视觉的注册方式，而基于计算机视觉的注册方式又根据特征点类型不同分为自然特征注册和人工特征注册[8]。由于移动智能终端的性能不足，因此本文的开发的应用采用了具有较高实时性和精确性的人工特征注册的方式。并且此种注册方式有Vuforia、EasyAR等多种软件包支持开发。

3.3 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，并在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。同时为了避免繁琐的操作过程，界面应该简洁，且符合用户的使用习惯。实验选择界面效果图和电解水实验效果图如图2和图3所示。

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。本应用的运行逻辑如图1所示。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。

3.4 开发制作

该软件在Android平台上运行，因此采用具有强大的跨平台能力的Unity3D来进行这款化学实验辅助应用软件的开发。本文开发的辅助应用软件的移动增强现实系统的实现采用了EasyAR这款软件包进行开发实现，它可以通过计算机视觉实时捕捉平面图像和三维图像，通过识别其标记进行真实世界的虚拟信息拓展。然后将UI、三维模型动画等资源通过Unity进行整合与场景的搭建，最后通过算法程序完成开发实现各类功能并打包发布测试版

4 结束语

基于移动增强现实的化学实验辅助应用以公益教育为主，致力于为中国中学化学实验提供一种新方法与新选择、对学生对化学兴趣的启蒙与兴趣培养以及帮助中学生自学以及良好实验习惯的养成。经过一段时间的测试、使用调研，证明此应用可以辅助中学学生的化学学习，且具有较好的应用市场与发展空间。但是其应用尚处于初级阶段，对自由实验操作的局限性较大，因此仍需要深入研究，以满足不同人群的实验要求。

参考文献：

[1] 中华人民共和国国务院. 国务院关于印发国家教育事业发展“十三五”规划的通知[EB/OL]. [2017-01-10]. http：// www.gov.cn/zhengce/content/2017-01/19/content_5161341.htm.

[2] 王涌天， 陈靖， 程德文. 增强现实技术导论[M]. 北京： 科学出版社， 2015： 1， 3-4.

[3] 张昌恒. 初高中化学实验现状调研与建议[J]. 化学教与学， 2018（5）： 76.

[4] 高翔， 安辉， 陈为， 等. 移动增强现实可视化综述[J]. 计算机辅助设计与图形学学报， 2018， 30（1）： 1-8.

[5] CRAIG A B. Understanding augmented reality：concepts and applications[M]. San Francisco： Margan Kaufmann， 2013.

[6] 王萍. 移動增强现实型学习资源研究[J]. 电化教育研究， 2013， 34（12）： 60-67.

[7] 杨云英. 初高中学生学习心理和学习习惯的差异[J]. 甘肃教育， 2018（7）： 77.

[8] 刘运强. 基于增强现实的三维注册技术的研究与实现[D]. 上海： 华东师范大学， 2017.

【通联编辑：谢媛媛】