AR技術在《儀器分析》課程中的應用

馮玉如，陶亞輝，侯 榮

(太原科技大學晉城校區，山西 晉城 048000)

儀器分析是20世紀40年代發展起來的一類綜合性極強的分析方法，體現著科學與技術的高度結合，是藥學、食品、生物科學、化學化工、環境等專業必修的專業基礎課之一[1]。在國民經濟建設、科學技術和社會發展等領域發揮著極其重要的作用，這就要求尤其是定位為應用型本科教育的在校生，學習這門課程之后，應掌握常用大型儀器的基本原理和實驗技術，并且具備逆向選擇分析方法的能力以及基本的儀器分析素質。但是由于該課程所涉及的理論復雜抽象、接受難度高，且受學校經費和人力資源等方面的限制，要全面按照既定應用型、技能型人才的培養目標開展此課程，難度較大。

1 傳統培養方法的局限性

傳統《儀器分析》教學采用理論與實驗相融合的一體化教學模式。首先在課堂上結合多媒體制作 PPT 講授理論知識，然后進入儀器分析各實驗室實操，一方面加深對理論知識的理解，另一方面培養其儀器分析能力。然而在教學過程中發現該傳統培養方式收效甚微，分析其原因復雜。

1.1 理論教學模式束縛

傳統課本內容選材經典，但無法做到與時俱進，其理論與實驗室實際儀器設備之間相差甚遠，課本內容往往跟不上大型儀器操作系統的更新換代[2]。此外，實驗條件有限，中高端大型儀器價格昂貴、臺數少且操作要求高，通常只面向教師和研究生開放。而本科生只能靠老師講解課本理論知識和演示實驗來熟悉大型儀器的基本構造和操作流程，因此理論教學和實驗實踐之間的銜接也往往具有延遲性。在有限課時內，根本不可能每人都清楚、熟練地掌握這些高精儀器，也就意味著經過粗糙訓練的本科生不會被允許獨立上機操作。根據傳統教學模式開展實驗的課后調查結果顯示，學生對儀器分析這項實驗技能的掌握仍停留在模糊、一知半解的基礎上，而這離國家對技能型人才定位的培養目標相去甚遠。

1.2 實驗開展模式固化

目前高校的實驗開設，以儀器分析實驗為說明對象。實驗開展模式通常是：首先實驗室老師提前準備好實驗試劑、儀器；實驗開始后，教師對實驗的基本原理進行理論講解，安排好詳細實驗步驟，提示實驗過程中的注意事項等；然后驗證實驗；最后按學校要求的實驗報告格式完成報告總結。在此過程中，對于實驗前期的準備工作如樣品制備等，一般都是略作講解，學生并沒有時間和機會真正的參與到實驗準備過程中去。學生們只是在架空的基礎上，按部就班，被動、機械的按照給定實驗步驟完成驗證。此種模式雖然在一定程度上保證了實驗的成功率，達到了驗證理論的目的，同時確保了高精儀器設備的安全操作。但是不合理的實驗方式打亂了學生的邏輯思維，束縛了創造力，整個實驗過程，學生幾乎無需思考，更不需要主動設計創造，導致很多悟性較差的學生根本無法具備《儀器分析》課程最終要求的結合分析目的、對象、儀器特點、應用范圍等選擇恰當分析手段的能力。

傳統教學、實驗的培養模式，使學生重理論、輕實踐，做實驗草草了事。長此以往，學生得到的刺激不足，不僅對知識水平的提高和能力的訓練非常有限，無法培養出符合新時代要求的專技型人才，而且造成了惡性循環，使學生不自覺中處于“假象主動”的學習狀態，這在一定程度上有違當前國家大力提倡的“雙創”精神。因此，對類似《儀器分析》強調技能訓練類的課程，其傳統教學方式、方法亟需改革。

2 AR技術在《儀器分析》課程中的應用

AR (Augmented Reality：增強現實) 即把原本在現實世界里一定時間、空間范圍內很難體驗到的實體信息(如視覺、聽覺、味覺、觸覺等)，通過科學技術手段將虛擬信息傳遞到現實世界,被人類感知并產生超越現實的感官體驗，這種技術被稱作增強現實技術，簡稱AR技術[3]。

2.1 AR在教育領域的應用

作為當前最熱門的計算機技術，AR逐漸應用到教育領域。國內涉及AR技術的高校和科研機構較少，主要有北京理工大學光電信技術與顏色工程研究所、浙江大學計算機輔助設計與圖形學國家重點實驗室、華中科技大學-亮風臺增強現實聯合實驗室等。北京郵電大學的李鐵萌等針對幼兒園兒童漢字和英語學習開發了AR識字系統[4]；華東師范大學開發了一款叫做“快樂尋寶”的教育游戲[5]；北京師范大學蔡蘇團隊自主設計開發了三維虛擬學習環境平臺[6]，王沛文等人又基于移動增強現實和位置服務技術，設計并實現了地理導航與文化導游一體化的服務系統，并在大學校園部署應用等[7]。這些將AR實踐到教育中的應用研究均表明，AR在未來教學中有著巨大優勢，并且有顛覆傳統教學模式的趨勢。

2.2 AR與《儀器分析》的契合

在AR技術廣闊的應用環境下，結合校區乃至很多工科類院校存在的實驗、實踐培養問題，以《儀器分析》課程實驗進行了嘗試。首先，基于AR理念，利用AR虛實結合的功能，通過計算機網絡通信技術構建優質智能型資源共享微信小程序。其次，將《儀器分析》教材中涉及的幾大類分析儀器照片作為AR微信小程序掃描識別的“標志”。最終，學生只需通過智能手機啟動該微信小程序，用攝像頭掃描識別“標志”，即可實現自動查找，迅速獲取有關設備的文字介紹、操作演示或視頻信息等各種媒體格式資源。

例如，在學習原子發射光譜分析法章節時，由于原子發射光譜法及光譜線的原理復雜、理解抽象，學生在課堂上脫離儀器學習，很難將所學原理與實際原子發射光譜儀的結構相對應。但是通過該AR微信小程序，學生只需實行掃描這樣一個簡單操作，便可在老師講解過程中或課后復習中隨時走進“實驗室”，直接、有效的獲取相關視頻資料，及時將所學知識與設備細節無縫對接，實現自主、協作學習。雖然現在各大視頻網站如騰訊、愛奇藝等可以搜索到許多關于原子發射光譜儀的操作視頻，但尋找與實驗室內儀器型號相匹配的視頻資源有如大海撈針，費時費力，且受到網絡或用戶權限的限制。但是學生通過該定制的AR微信小程序掃描圖形“標志”呈現出來的虛擬信息或視頻介紹，是完全針對實驗室內設備的詳細型號的。經此模式，學生在正式進入實驗室之前已經熟悉了每一步操作步驟及各類儀器的零部件構造，這無疑能極大幫助他們有效利用好每一次實操機會，在有限的上機操作時間內獲得事半功倍的效果。

AR以其本身所具備的交互性、沉浸性等特征應用于實驗課程，不僅有助于教師更加形象生動地展示教學內容，起到積極的輔助和促進作用，而且又給予了實驗課程很強地趣味性和自主性，在一定程度上緩解了由于實驗教學課時壓縮和減少給

老師們帶來的教學壓力[8]。此外，最具意義的是AR為學生提供了良好的實驗基礎和學習空間，使學生能夠隨時隨地和虛擬信息產生互動，將長期以來的被動灌輸式學習轉化為主動興趣式學習。

3 結語

AR技術使人工智能歸類檢索替代了繁瑣的親力親為分類查找，其在實驗課程里的開發與應用，對于傳統的教學模式具有空前的改革意義。通過內容富有針對性、呈現手段豐富以及可支持碎片時間學習的實驗教學媒體資源，使學生提前通過在線學習方式進行實驗背景知識的準備，培養學生自主學習能力。同時有效提高實驗課時的利用率，從而保證知識靈活融合運用，學生的逆向思維能力得到訓練，使其未來能更好地適應社會，服務于社會。