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增强现实(AR)技术促进高中生化学微观结构学习的研究

范文

朱鹏飞

摘要：分析增强现实（AR）技术促进学生化学微观结构知识学习的国内外研究现状，开展实证研究探讨高二年级学生学习《物质结构与性质》模块时，AR技术对学生化学微观结构学习的影响。结果表明AR技术对学生空间旋转可视化能力的发展影响不显著，而对学生学习物质微观空间结构知识有显著的促进作用。

关键词：增强现实（AR）技术; 化学微观结构知识; 空间旋转可视化能力; 物质结构与性质

文章编号： 10056629（2019）9003405? ? ? ? ? ? 中图分类号： G633.8? ? ? ? ? ? 文献标识码： B

1? 引言

随着计算机软硬件技术、传感技术、智能控制、心理学以及多媒体等技术的飞速发展，更具沉浸感、交互性和想象性特征的虚拟现实和增强现实技术受到广泛的关注[1]。增强现实（Augmented Reality，简称AR）是指通过3D技术在真实物体上叠加虚拟对象，从而达到一种视觉混合增强效果，具有虚实结合、无缝交互、浸润学习等特点[2]。AR的出现能够搭建虚拟和真实世界的认知桥梁，能实现学习者对复杂空间关系和抽象概念的可视化，实现虚拟和现实之间的无缝交互[3]。当前AR技术应用平台正在由体积庞大、易损坏的桌面计算机转向小型的移动设备如平板电脑、手机等，移动AR系统得到迅速发展，其在医学、娱乐、商业消费的应用较为广泛，但在教育中的应用还处于起步阶段。有研究者将AR技术在教育中的应用特点和功能分为五个方面：将抽象的学习内容可视化、形象化，支持泛在环境下的情境学习，提升学习者的存在感、直觉和专注度，使用自然方式交互学习对象，把正式学习和非正式学习相结合[4]。

作为一门在原子、分子水平上研究物质的基础学科，化学的特征是从微观层次认识物质，以符号形式描述物质，在不同层面创造物质[5]。化学学科的内容特点决定了化学学习中，学习者必然要从宏观、微观和符号等方面对物质及其变化进行多种感知，从而在学习者心理上形成化学学习独特的三重表征：宏观表征、微观表征和符号表征[6]。不少研究表明微观表征的建立是学习者感觉比较困难的地方，这是因为微观表征关注的是一个肉眼无法看见的世界，学习者需要通过丰富的空间想象力来理解微观世界。而中学生的空间想象能力发展还不够成熟，较多研究表明其对微观世界的理解会存在大量的相异构想，因此需要借助于相关工具如实物模型、ppt动画、分子模拟软件等增强微观世界的可视化。实际教学过程在使用上述工具时存在一些问题：实物模型和ppt动画大多仅由教师展示或演示，学生缺少近距离长时间观察的机会，即使其动手制作实物模型也是耗时耗力，而分子模拟软件如Jmol、 Netlogo等大多是由国外研究者开发的，交互界面语言为英文且学生需要人手一台计算机，易用性一般。研究者在不断地寻找和研发更可靠、更贴近现实、交互性更自然、更易用的能够帮助学生学习微观世界的可视化工具。

化学微观结构知识主要是指原子结构与元素的性质、分子结构与性质及晶体结构与性质相关知识，高中阶段的微观结构知识主要在选修模块《物质结构与性质》中。AR的技术特点尤其是能够将抽象的肉眼看不到的学习内容可视化、形象化，非常适合化学微观结构知识的学习。AR技术能够快速让学习者在现实环境背景中看到虚拟生成的三维物质结构模型，而且这一模型可以快速生成、任意旋转、自如地放大和缩小，同时与已有的需要鼠标和键盘等中介设备实现与界面交互的分子模拟软件相比，运行在智能手机或平板电脑上的AR技术采取的触摸式交互方式更自然，使用更方便，学习者获取物质微观结构知识的感觉通道不只局限于视觉，还包括触觉。

2? 已有研究

从相关文献可以看出，AR技术促进学生化学微观结构知识的研究主要关注以下3个方面：（1）化学AR应用资源的开发。AR应用资源或程序是开展AR教学的前提，一些研究者开发了能够将物质微观结构可视化的AR程序，如P. Maier等研制了Augmented Chemical Reactions程序，该程序能够将分子结构可视化[7];Manuela等借助攝像头和开源AR应用软件AR ToolKit开发了一款适合大学无机化学学习使用的软件，该软件能够将一些晶体结构可视化[8];邱美虹等开发的AR工具能够将常见的有机分子（主要是烃）进行可视化[9]。（2）AR对学生的影响。这部分研究聚焦于学生应用AR技术开展物质微观结构知识学习的效果、对AR技术所持态度等，如P. Maier等开展实证研究对比分别使用AR和分子模拟软件的学习效果，实验组采取AR软件学习物质微观结构知识，控制组采取分子模拟软件Jmol进行学习，研究者采取搭建模型和判断提供的模型正误的方式对学习效果进行评价，研究发现：它们之间存在显著的差异，相比分子模拟软件，AR更加能够帮助学生理解物质的空间结构[10];Su Cai等在初中化学微观世界物质组成教学中开展实证，学生通过移动氢原子、氧原子形成水分子，对碳原子进行操作、组合形成金刚石的空间立体结构，研究发现AR作为一种学习工具效果显著，且对学业成就低的学生效果更加明显，学生对AR软件持有正面态度，学生的学习态度与他们对软件的评价呈正相关[11];而另一项研究则发现使用AR和没有使用AR对立体化学学习的效果不存在显著差异，作者进一步分析了其中的原因可能是使用AR的时间较短，同时指出实验组的学生更愿意使用AR，对AR持有正面的态度[12]。（3）AR教学模式研究。AR在教学中的应用并非简单地替换其他工具，需要探索相应的教学模式和策略，Szhau Cheng等提出在微观化学分子课程中将5E学习环教学模式与AR结合，并在此基础上开发了一种交互式的5E学习环AR学习系统，以增强学生对微观结构知识的理解[13]。

总体来说，目前AR技术在化学微观结构知识学习中应用的研究还处于起步阶段，优质的AR应用资源还比较少，一些AR应用程序的设计交互不深入，相关的实证研究还较少，研究周期较短，且研究的对象主要局限于大学及初中。基于此，我们开展AR技术促进高中生化学微观结构学习的实证研究。本研究选择化学微观结构知识、空间旋转可视化能力为研究变量。空间旋转可视化能力是指学生在解决涉及立体结构化学知识问题时需要具备的空间知觉、心理旋转能力[14]。期望研究成果能为AR技术应用于化学教学提供有益的借鉴。

3? 研究设计

3.1? 研究问题

本研究探讨高二年级学生使用AR技术学习高中化学《物质结构与性质》模块时，AR技术对学生的空间旋转可视化能力、化学微观结构知识学习的影响。研究假设是：（1）AR技术会促进学生空间旋转可视化能力的发展;（2）AR技术会促进学生化学微观结构知识的掌握。

3.2? 实验对象

江苏省无锡市某重点高中高二年级某班50名学生参与本研究，学生由一位具有丰富教学经验的化学教师任教。根据空间旋转可视化能力测验和化学微观知识测验前测，成绩相同或相近的学生被匹配分到两个组，每组均为25人。由于两个组的测验前测成绩接近且差异不显著，可以认为学生有相似的能力水平。随机选取一个组是实验组，另外一个组是对照组，分别接受不同的教学处理。

3.3? 研究流程

3.3.1? 研究阶段

本研究分为三个阶段。在第一阶段，对高二年级某班学生进行空间旋转可视化能力测验和化学微观知识测验前测。学生根据前测成绩，被匹配分为实验组和对照组。

在第二阶段，同一位化学教师为两个组授课。为避免互相干扰，实验组上化学课时，对照组上自习课，反之亦然。实验组使用AR技术和常见的实物模型学习高中化学《物质结构与性质》模块，对照组仅使用实物模型学习。研究时间为三周，共13课时，其中实验组使用AR技术共6课时，学生可以自主控制25个物质微观结构模型，两个组均使用实物模型16个。

在第三阶段，化学教师完成模块课程教学后，两个组进行空间旋转可视化能力测验和化学微观知识测验后测。

3.3.2? 教学过程

使用AR技术的实验组和对照组上课的地点均选在学校智慧教室，学生每2人分配一台预装好AR软件的平板电脑。以“金属晶体”为例简要阐述利用AR技术开展化学微观结构教学的教学设计和流程。

（1）教师首先引导学生从熟悉的宏观物质入手总结晶体的熔沸点、硬度等物理性质，尝试初步建立宏观表征;

（2）开始晶体微观结构的学习，教师引导学生探讨金属原子二维平面排列方式，讲解简单立方及体心立方两种金属晶体在三维空间的堆积方式，紧接着提供一些问题如不同堆积方式的配位数、空间利用率、晶胞中的金属原子数等供学生思考。

（3）对照组学生边观察教师演示的实物模型，边进行小组讨论，回答上述问题。而实验组学生带着上述问题在教师的组织和引导下采取AR软件对相应的晶体微观结构图片进行扫描，获得三维立体晶体结构模型，在该活动中，学生可以近距离多角度地观察晶体的结构，同小组一位学生观察完成后，由另一位同学扫描并进行观察，活动完成后小组成员之间相互讨论回答问题。紧接着教师讲解更为复杂的六方密堆积和面心立方密堆积，教学的流程与学习简单立方和体心立方堆积方式相同。

（4）最后教师引导学生分析金属晶体的结构与其物理性质之间的关系，尝试进行微观表征与宏观表征的有机融合。

3.4? 研究工具

3.4.1? 空间旋转可视化能力测验

美国普渡大学Guay于1977年公布的空间可视化测验（Purdue Spatial Visualization Tests），包括共30题，其中有了解被试空间旋转可视化能力（Visualization of rotations）的分测验PSVT： R。Bodner等人从PSVT： R中选取20题，组成新的测验（The Purdue Visualization of Rotations Test， ROT），用于诊断学习化学的学生的空间旋转可视化能力[15]。每道题均是单选题，答对得1分，答错得0分。在过往研究中，ROT具有良好的信度和效度，已成为广泛应用的研究工具[16]。本研究使用ROT了解學生的空间旋转可视化能力，前测的信度KR20是0.786，后测是0.764，具有较好的信度。

3.4.2? 化学微观结构知识测验

化学微观结构知识测验的前、后测试题均为自编试题，以便诊断学生在本研究前后对物质微观空间结构的认识。由于学生此前学习《有机反应原理》模块，前测考查学生对有机化学物中原子共线、共面问题的认识，共10小题，总分是16分。后测考查《物质结构与性质》模块的化学键、晶体、分子空间构型等核心知识，共9大题31小题，总分是35分。由于模块内容既有晶体结构、分子空间构型等与物质微观空间结构有关的内容，也有物质的溶解性、电子式书写等与物质微观空间结构不具有直接关系的内容，试题也设置了相应内容的问题。有关题共16小题，总分是29分;无关题共4小题，总分是6分。前测的信度Cronbachs a系数是0.682，后测是0.700，具有可接受的信度。前、后测试题均由多位中学化学高级教师审查和修改，具有专家效度和内容效度。

3.4.3? AR技术和实物模型

本研究采用的AR技术应用程序为国内某公司开发的AR软件，该软件针对高中化学选修模块《物质结构与性质》研发，资源库中包括27个物质微观结构模型，主要涵盖各种类型的晶体结构、电子云、化学键、一些常见分子的结构等。实际使用过程中该软件在平板电脑上运行，学习者打开软件，将摄像头对准相应的二维图片，即可以在电脑上显示三维立体物质结构模型，该模型可以自由旋转，放大、缩小，观察完一个物质结构模型后，点击“清除”按钮，即可以进行下一个物质结构模型的观察。本研究使用的实物模型为化学实验室中常见的各类晶体结构模型、分子模型等。

4? 结果与讨论

4.1? 空间旋转可视化能力

表1显示，由于匹配分组的需要，实验组（M=17.48， SD=2.124）和对照组（M=17.36， SD=2.252）在空间旋转可视化测验前测成绩的差异不显著（t=0.194， p=0.847>0.05），可视为学生具有相近的空间旋转可视化能力。经过教学实践，实验组（M=18.24， SD=1.899）和对照组（M=18.28， SD=1.768）后测成绩的差异也不显著（t=-0.077， p=0.939>0.05），也即学生仍然具有相近的空间旋转可视化能力。比较各组前、后测成绩（表2），各班后测成绩均较前测有显著提高（t实验=-2.354， p=0.027<0.05; t对照=-3.130， p=0.005<0.05），学生的空间旋转可视化能力有显著提高。两个班效果量Cohens d实验=0.38， d对照=0.45，均有小的效果。

物质微观空间结构知识的学习客观地要求学生能够想象原子共面、堆积排列等立体结构，增加几何体旋转、移动等运动形式的想象经验。实验组可以自主观察和控制物质微观结构模型，相当于增加物质微观空间结构各种运动形式的样例，有助于更好地建立心像和增加空间旋转可视化能力。

对照组在缺乏使用AR技术的情况下，空间旋转可视化能力也有显著提高。这表明在本研究中，学生是否使用AR技术学习物质微观空间结构知识，并不是学生空间旋转可视化能力发展的重要影响因素。这可能是因为相较于实验组，对照组缺乏更多自主观察和控制物质微观结构模型的学习机会，反而迫使更加深入地思考物质微观空间结构各种运动形式，使得空间旋转可视化能力有所提高。对照组空间可视化能力提高同时也说明学生在进行化学微观结构知识学习时，增强

现实技术应适当使用，有可能会限制学生思维发展，传统实物模型也有其优势。总体而言，AR技术是否会促进学生空间旋转可视化能力的发展，尚需要后续更多的研究来了解。

4.2? 化学微观结构知识

表3显示，实验组（M=8.72， SD=3.336）和对照组（M=8.72， SD=2.685）的化学微观结构知识测验前测成绩相同，可视为学生对于有机化合物共线和共面知识具有相同的学习水平。经过教学实践，实验组（M=24.08， SD=5.008）和对照组（M=19.84， SD=4.469）的后测成绩存在显著差异（t=3.159， p=0.003<0.05），效果量Cohens d=0.89>0.80，达到大的效果。这表明实验组使用AR技术学习物质微观空间结构知识后，比对照组获得显著的学习效果。因此，AR技术对学生学习物质微观空间结构知识有显著的促进作用，P. Maier的研究结果也支持该结论[17]。

由于后测试题包括了与物质微观空间结构直接有关和无关的内容，表3显示两个班在有关题才存在显著差异（t=3.432， p=0.001<0.05），效果量Cohens d=0.97>0.80，达到大的效果，在无关题的差异不显著（t=0.707， p=0.483>0.05）。这更能确定AR技术仅对与立体空间有关的物质微觀结构知识学习有积极作用。这可能是因为AR技术提供充足的物质微观结构模型供学生自主观察和控制，学生在与模型的交互中更好地理解物质微观空间结构对应的核心知识，促进建立相关知识的心智模式。当学生在后测解答陌生情景下相关知识的应用性问题时，可以调用已形成的心智模式来加工问题线索，更有效地表征和解决问题，获得良好的测验表现。无关知识涉及物质微观结构的某些概念和原理知识，但与物质微观空间结构并无直接关系。尽管实验组在无关题上得分高于对照组，但尚无充足证据可以说明AR技术也会对学生学习物质微观空间结构的无关知识有直接促进作用。

5? 研究结论

本研究得出如下结论：（1）AR技术对学生空间旋转可视化能力的发展影响不显著，而对学生学习物质微观空间结构知识有显著的促进作用;（2）AR技术能够促进学生学习物质微观空间结构知识的原因是因为AR技术提供充足的物质微观结构模型供学生自主观察和控制，学生在与模型的交互中更好地理解物质微观空间结构对应的核心知识，促进建立相关知识的心智模式。

随着AR技术的不断成熟，其也将逐步广泛地应用于中小学课堂中。尽管对于AR技术的研究深度已经进入到一个从理念到实践的领域，然而若没有大量的实证研究证明AR技术对于学习者开展学习的促进作用，必然会影响到教师和学生使用这项技术的热情和信心。期望本研究成果为将来AR技术在科学教育领域进行规模化应用提供有价值的参考。需要说明的是，受时间、人力和物力所限，实验中选取的被试仅限于高二年级，人数也不多，后续研究中我们将选取更多年龄层次、更多人数的被试，进一步提高研究结论的可推广性。

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