2012年3月，教育部印發了《教育信息化六年發展規劃(2011—2020)》和《2017年教育信息化工作要點》，在規劃中明晰提出了創新優質數字教育資源共建共享機制、實現教育信息化可持續發展的新思路。中國地質學院(上海)化學實驗教學示范中心承當全校25個專業1600名大專生的化學實驗課，教學任務艱巨。為進一步提升教學質量，迎合時代發展，不斷強化教學方式的變革與探求，強化新技術與實驗教學的融合，擴大信息化建設在實驗室建設中的比重[1-3]。諸如，因為實驗中心推行寒假期開放規定，中學生在寒暑周末間可以完成下學期的實驗課。為了便捷中學生在周末間完成實驗，實驗室對實驗內容中的原理講解和操作步驟拍攝了教學視頻[4]。為探求新的考評機制、深化實驗教學的考試形式，對原有的考評方式進行大膽嘗試。將信息技術應用到了考試環節，推行了虛擬仿真操作考試，這即彰顯了實驗課程本身的特性，又充分發揮了新信息技術的優勢[5]。為了滿足中學生在課外完成科技創新實驗項目的需求，構建了普適性工具和普適性檢查儀器的虛擬仿真操作軟件[6,7]。另外，所有那些信息化建設工作都取得了挺好的教學療效，但目前仍然存在一些問題。
(1)中學生在實驗預習環節中不求甚解，照搬課件，應付課堂檢測為目的，沒有深入了解實驗內容，對于具體操作過程更是一無所知。這除了沒有達到實驗預習的目的、降低了實驗效率以及教學質量，并且還孳生了中學生不良學習習慣。(2)遭到專業本身特性的影響，中國地質學院的好多中學生來自偏遠地區，實驗基礎薄弱，實驗中涉及到的好多基本常用儀器不曾見過更不會使用。怎樣通過自主學習填補知識漏洞是這類中學生普遍存在的問題。(3)課堂上即使完成了實驗，但對實驗過程的個別操作細節仍然存在一些疑惑，因為時間關系或則其它誘因不便捷直接咨詢老師，課后怎么解決。基于該現況，急需探求一種基于新信息技術下的學習載體和學習途徑。該載體應具有與紙質教材相當的普及性和使用率，即可以進行實驗操作，又不用到實驗室現場的優勢，同時還具有不受網路限制的特性。
1基于AR技術的紙質數學實驗教材
提高現實(,AR)技術作為虛擬現實技術的延展，其基本軟硬件構成與虛擬技術非常相像，因而兩者間存在密切的關系，而且她們又有著明顯的差異[8,9]。若果將整個環境氣氛場景和物體，這么虛擬現實中的場景和物體都是虛擬的，這恰好完全符合虛擬現實沉溺性的特性。在虛擬現實中，使用者難以感知到周圍的真實世界，因而延展出新的技術讓虛擬與實體同時在同一空間共存，該技術即為提高現實。提高現實中的場景即是真實的場景，將生成的虛擬信息融合到真實場景之中，致使虛擬提高信息和真實場景信息互相共存、相互補充、相互疊加。提高現實技術除了是從虛擬現實技術發展而至，但是它和虛擬現實技術具有相像的應用領域。正是因為提高現實技術具有才能結合虛擬的特點，因而使其在軍事、醫療可視化、娛樂教育、工程機械、兒童圖書、服裝設計等眾多領域具有優勢[10-12]。
目前絕大多數情況下，中學生采用紙質版的教材進行學習，這是由于紙質版教材使用便捷、不受網路等外界條件的限制，但是人手一本教材具有極高的普及性和使用率。因此，我們將AR技術與紙質教材進行了融合，將《大學化學實驗》(高等教育出版社，主編周惟公，2014年出版)中涉及到的實驗裝置和實驗儀器進行了AR技術處理，并將AR技術鑲嵌于該紙質教材中。中學生通過掃描教材中的圖象就可以實現與虛擬儀器的交互操作。并且在斷掉網路的情況下，仍才能進行操作，避開了網路多學習的限制。
2技術特征
中學生用安卓或蘋果手機的聯通顧客端通過下載APP，注冊后即可使用。中學生將手機對準紙質教材中的實驗裝置或則元元件圖象進行掃描，經過辨識就可以在手機上聽到該圖象的數字信息，包括三維模型、三維動漫、交互操作等。才能將具備實驗交互的三維模型整合顯示，實現操作化學實驗的功能，進而達到實驗預習的目的。具體來說，該技術具有以下特性。
1)使用便捷。其實AR技術早已在院校實驗室教學中進行了應用，但多數情況下須要穿戴專門的AR設備如頭盔、手套等裝置，有的還要配備攝像頭。而對于本技術融合而言，中學生掃描教材中的圖象后，就可以進行虛擬環境下的互動，學習內容愈加直觀形象，學習興趣也愈發激增。改變了傳統教材學生僅能接收靜態信息的方法，大幅度提高了中學生的理解力。如圖1所示，將手機對準紙質版教材中的游標千分尺圖象掃描，便可以得到虛擬的游標千分尺。可以進行千分尺使用的操作練習，并且可以與標準讀數進行核實，讀數是否正確。
2)紙質教材的有益補充。實現傳統的紙質教材與當前信息技術的結合，學習者除了可以看見紙質教材中的內容，還抒發了真實文字和圖象不能抒發的內容。中學生可以隨時隨地和那些紙質內容的擴充信息進行互動，這無疑大幅度提升了中學生的興趣和能力。因而豐富教材內容，為中學生的學習提供了一條新的途徑。
3)提升學習效率。另外，該系統具備離線學習功能，雖然斷掉網路的情況下，仍才能進行交互和操作，不受網路的影響，極大的避開了對學習網路的依賴。這一點在目前形勢下變得尤為重要，眾所周知，如今中學生對網路有嚴重的依賴程度物理實驗室AR，在才能上網的情況下都會不自覺的上網瀏覽或玩游戲，而在不能上網的情況下，中學生只能專心學習，大大提升學習效率。
4)結構復雜儀器的可視化。對于結構復雜的儀器，一般情況下中學生只能看見儀器的外表，儀器的結構只能靠中學生自己的空間想像。對于AR技術的出現，便可以實現了結構復雜儀器的可視化。學院化學實驗中，示波器本身的構造其實談不上復雜，但對于通常的中學生而言，還是難以想像內容結構。中學生掃描紙質教材中示波器結布光便可以獲得示波器的虛擬結布光如圖2所示。其中圖2(b)是去除示波器殼體后的結構，從圖2(c)中便可以據悉各部份具體的名子。
3總結
對于化學實驗教學而言，AR技術與傳統教材的融合是一個大膽的嘗試，是打破傳統固有學習介質的一種突破。該教材經過一個學年的使用，中學生反饋意見特別好。兩者的融合促使實驗儀器的學習愈發形象和直觀，才能更好地詮釋實驗的動態過程，非常是挺好的解決了結構復雜儀器的構造和操作中的問題。中學生從原先簡單的照搬課件、操作靠想像的預習模式，逐漸變為人書交互模式的預習方法，打破了傳統意義上“黑匣子”式的儀器結構的學習，致使預習療效和效率大幅度提高。另外，預習效率提升的同時，課堂教學療效也得到了強化，同時也為部份基礎薄弱的中學生的課外自主學習提供了一條新的途徑。
AR技術其實早已在部份教學實踐中得到了應用，而且還沒有實現大規模的推廣。主要誘因是這是一個多方協調的結果，須要實驗室與研制公司進行深入廣泛的合作。中學提供經費支持、科技公司提供技術支持、實驗班主任提供內容支持、出版社提供出版支持，多方的通力合作能夠實現。在今后的實驗室建設過程中，中國地質學院(上海)化學實驗中心將更加重視信息技術與傳統教學的結合，擴大信息技術在建設中的比重，突破傳統教學的一些思維定式，豐富教學內容，提升教學質量。
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基金項目:中國地質學院(上海)教學變革與教學研究項目()捐助。
作者簡介:鄭志遠，男，中國地質學院院長，主要從事化學實驗教學研究，。
引文格式:鄭志遠，董愛國，李傳濤，等.AR技術與紙質教材相融合的化學實驗教學研究[J].化學與工程，2020，30(1)：116-119.
END