基于移動增強現實的化學實驗輔助應用

熊壘 付祥 熊璐

摘要：化學實驗是化學學習的基礎，而移動增強現實技術的融入將會為化學實驗教學提供新的教學方式與途徑。基于移動增強現實的化學實驗輔助應用軟件能夠激發學習興趣、增強學習參與度、提供泛在學習條件、鞏固課堂知識和學以致用的特點，但同時也面臨缺乏選擇自由和教育內容與增強現實技術匹配度低的挑戰。該文在分析基于移動增強現實的化學實驗輔助應用特點的基礎上，根據學習對象、教學目標、教學內容、關鍵技術四個層面的分析并貫穿融合了移動增強現實技術，在此基礎上完成了基于移動增強現實的化學實驗輔助應用——燃燒吧！化學的設計與開發。該文為初高中化學實驗教學提供了新的視角與方法，且該方法具拓展性，可以應用到其他科目的教學中。

關鍵詞：移動增強現實;移動終端;初高中;化學實驗

中圖分類號：TP393? ? ? 文獻標識碼：A

文章編號：1009-3044（2019）27-0267-02

1 背景

近年來，隨著信息技術、人工智能等新型技術的發展，在包括教育在內的諸多行業領域的模式與結構都在產生巨大的改變。而在《國家教育事業發展“十三五”規劃》中指出，要“積極發揮人工智能和虛擬現實（Virtual Reality，VR）、增強現實（Augmented Reality，AR）等創新技術的優勢，拓展教育形態，探索未來教育新模式，為促進個性化學習與針對性教育提供支持”[1]，因此教育與增強現實這類創新技術的深度結合將成為未來教育模式的主要發展方向。

增強現實技術脫胎于虛擬現實技術，它可以將虛擬對象準確地“放置”在真實環境中[2]，帶給用戶“虛實結合”的全新感受。這項技術的“虛實結合”和強交互性的特點讓它可以為輔助教學、增加教學方式的多樣性發揮極大的作用。而移動智能終端與移動互聯網的發展則為基于增強現實的教學輔助應用的廣泛應用與發展鋪平了道路。

化學是一門基于實驗的學科，具有一定的抽象性和很強的可操作性。而許多實驗的實驗條件相對嚴苛，又具有一定危險性，同時在中學普遍存在實驗室對學生開放程度低、開展實驗知識與技能競賽情況不多的情況[3]。而具有強交互性與“虛實結合”的特點的增強現實技術正好可以為解決這些問題提供一個思路。但是目前國內此類應用并不多，因此如何緊密結合中學化學實驗教學需要并兼顧增強現實特點與中學生理解難點與盲區的條件下完成完整的應用開發，這值得我們研究和探索。

2 移動增強現實支持實現化學輔助應用的特點

移動增強現實技術[4-5]是增強現實技術應用到智能移動終端后形成的子技術。相比于需要PC機及各種穿戴顯示等昂貴笨重的設備的傳統增強現實系統，輕便、購買維護代價低的移動增強現實系統更易于普及，此外，移動增強現實系統的交互方式更加多樣化和人性化。這為化學實驗輔助應用的實現提供了極大的幫助，其主要表現為以下三個方面：

2.1 具象化知識概念、激發學習興趣

移動增強現實技術作為一種新興事物，容易引起用戶尤其是青少年用戶的好奇與關注。AR技術可以將抽象的知識概念通過三維可視化的方式具象化，降低理解難度，結合移動智能終端的強交互能力，可以加強學習者的學習參與度，并且給予學習者不同的學習體驗，激發他們尤其是青少年學習者的學習興趣和探索欲。

2.2 還原真實實驗場景、提高化學素養

移動增強現實技術具有的“虛實結合”的特點可以在真實環境下進行虛擬信息擴增，為學習者搭建一個還原真實化學實驗的學習場景。此外，移動增強現實技術的強交互性和多樣的交互方式能夠將化學實驗操作過程進行還原，幫助學習者熟悉正確的實驗操作過程，提高學習者的化學素養，同時增強學習者的實踐能力，充分調動學習者的學習熱情。

2.3 提供泛在學習的學習條件

移動增強現實技術下的化學實驗輔助應用是基于移動智能終端設備的軟件，消除了化學實驗的危險性并且降低了化學實驗學習的條件，使學習者可以隨時隨地地進行化學實驗學習。在移動增強現實的支持下，學習輔助應用將成為強有力的泛在學習資源，借助移動智能終端的攝像頭掃描泛在的學習對象可以進行學習增強，為學習者創造可復用且無處不在的學習條件[6]。

3 案例開發：燃燒吧！化學

3.1 應用概述

本文所開發的基于移動增強現實的化學實驗輔助應用——燃燒吧！化學是一款化學實驗操作學習軟件。通過移動增強現實技術構建了一個虛實結合的學習環境，彌補化學實驗操作學習的不足;用獨特多樣的交互方式幫助學習者掌握正確的化學實驗操作方法。配合以老師的課堂知識講解與演示，幫助學習者更牢固地掌握知識，達到學以致用的目的。

3.2 需求分析

本文將從學習對象、教學目標、教學內容、關鍵技術四個層面進行分析。

1）燃燒吧！化學的主要學習對象是13-18歲的初高中學生。這一階段的學生渴望得到認同與成就感，用于嘗試新事物;但其學習習慣與接收知識的進度存在較大差異[7]。此外，這一年齡階段的青少年對于鮮明的色彩與清脆靈動的音樂較為推崇。因此在UI設計、音效音樂設計以及交互方式的設計上都要盡可能地貼近初高中學生的審美需求。

2）教學目標是幫助學生熟練掌握化學實驗操作要點，根據化學實驗深刻理解化學課本知識。

3）教學內容主要是掌握初高中化學課本上要求掌握的化學實驗操作、熟記主要化學方程式以及了解化學反應的微觀變化與主要用途。

4）技術層面：增強現實系統的核心技術是跟蹤注冊技術，主要分為基于物理硬件的注冊方式與基于計算機視覺的注冊方式，而基于計算機視覺的注冊方式又根據特征點類型不同分為自然特征注冊和人工特征注冊[8]。由于移動智能終端的性能不足，因此本文的開發的應用采用了具有較高實時性和精確性的人工特征注冊的方式。并且此種注冊方式有Vuforia、EasyAR等多種軟件包支持開發。

3.3 總體設計

結合需求分析，本文開發的應用的總體設計分為界面設計、功能設計、運行邏輯設計與交互設計四個方面，并在根據每個方面的具體設計內容進行了具體的設計。

1）界面設計。界面對于用戶的第一印象與使用體驗十分重要，特別是對于初高中階段的青少年。因此界面UI應該采用色彩明亮、風格統一且簡潔美觀的設計元素。同時為了避免繁瑣的操作過程，界面應該簡潔，且符合用戶的使用習慣。實驗選擇界面效果圖和電解水實驗效果圖如圖2和圖3所示。

2）功能設計。主要包括選擇功能、任務功能和反饋評價功能。①選擇功能是選擇實驗、藥品與儀器，給予用戶想進行不同實驗的需求。②任務功能是開展實驗學習的具體功能，通過添加藥品與器材的鏈接布置完成所選實驗的實驗要求得到正確的實驗現象。③反饋評價功能，在用戶操作過程中會根據用戶的操作正誤播放相應的動畫并給出提示與指正。

3）運行邏輯設計。即為場景的切換機制。本應用的運行邏輯如圖1所示。該應用能在啟動場景、實驗選擇場景、實驗場景、微觀實驗場景和反饋評價場景中切換。

4）交互設計。為了迎合化學實驗學習操作性強的特點，采用了點擊、拖拽、滑動、旋轉、縮放等多種交互方式，增強學生的學習參與度。

3.4 開發制作

該軟件在Android平臺上運行，因此采用具有強大的跨平臺能力的Unity3D來進行這款化學實驗輔助應用軟件的開發。本文開發的輔助應用軟件的移動增強現實系統的實現采用了EasyAR這款軟件包進行開發實現，它可以通過計算機視覺實時捕捉平面圖像和三維圖像，通過識別其標記進行真實世界的虛擬信息拓展。然后將UI、三維模型動畫等資源通過Unity進行整合與場景的搭建，最后通過算法程序完成開發實現各類功能并打包發布測試版

4 結束語

基于移動增強現實的化學實驗輔助應用以公益教育為主，致力于為中國中學化學實驗提供一種新方法與新選擇、對學生對化學興趣的啟蒙與興趣培養以及幫助中學生自學以及良好實驗習慣的養成。經過一段時間的測試、使用調研，證明此應用可以輔助中學學生的化學學習，且具有較好的應用市場與發展空間。但是其應用尚處于初級階段，對自由實驗操作的局限性較大，因此仍需要深入研究，以滿足不同人群的實驗要求。

參考文獻：

[1] 中華人民共和國國務院. 國務院關于印發國家教育事業發展“十三五”規劃的通知[EB/OL]. [2017-01-10]. http：// www.gov.cn/zhengce/content/2017-01/19/content_5161341.htm.

[2] 王涌天， 陳靖， 程德文. 增強現實技術導論[M]. 北京： 科學出版社， 2015： 1， 3-4.

[3] 張昌恒. 初高中化學實驗現狀調研與建議[J]. 化學教與學， 2018（5）： 76.

[4] 高翔， 安輝， 陳為， 等. 移動增強現實可視化綜述[J]. 計算機輔助設計與圖形學學報， 2018， 30（1）： 1-8.

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

[6] 王萍. 移動增強現實型學習資源研究[J]. 電化教育研究， 2013， 34（12）： 60-67.

[7] 楊云英. 初高中學生學習心理和學習習慣的差異[J]. 甘肅教育， 2018（7）： 77.

[8] 劉運強. 基于增強現實的三維注冊技術的研究與實現[D]. 上海： 華東師范大學， 2017.

【通聯編輯：謝媛媛】