2012年3月，教育部印發(fā)了《教育信息化六年發(fā)展規(guī)劃(2011—2020)》和《2017年教育信息化工作要點(diǎn)》，在規(guī)劃中明晰提出了創(chuàng)新優(yōu)質(zhì)數(shù)字教育資源共建共享機(jī)制、實(shí)現(xiàn)教育信息化可持續(xù)發(fā)展的新思路。中國(guó)地質(zhì)學(xué)院(上海)化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心承當(dāng)全校25個(gè)專業(yè)1600名大專生的化學(xué)實(shí)驗(yàn)課，教學(xué)任務(wù)艱巨。為進(jìn)一步提升教學(xué)質(zhì)量，迎合時(shí)代發(fā)展，不斷強(qiáng)化教學(xué)方式的變革與探求，強(qiáng)化新技術(shù)與實(shí)驗(yàn)教學(xué)的融合，擴(kuò)大信息化建設(shè)在實(shí)驗(yàn)室建設(shè)中的比重[1-3]。諸如，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)中心推行寒假期開(kāi)放規(guī)定，中學(xué)生在寒暑周末間可以完成下學(xué)期的實(shí)驗(yàn)課。為了便捷中學(xué)生在周末間完成實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)室對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中的原理講解和操作步驟拍攝了教學(xué)視頻[4]。為探求新的考評(píng)機(jī)制、深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)的考試形式，對(duì)原有的考評(píng)方式進(jìn)行大膽嘗試。將信息技術(shù)應(yīng)用到了考試環(huán)節(jié)，推行了虛擬仿真操作考試，這即彰顯了實(shí)驗(yàn)課程本身的特性，又充分發(fā)揮了新信息技術(shù)的優(yōu)勢(shì)[5]。為了滿足中學(xué)生在課外完成科技創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的需求，構(gòu)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(shè)工作都取得了挺好的教學(xué)療效，但目前仍然存在一些問(wèn)題。
(1)中學(xué)生在實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)環(huán)節(jié)中不求甚解，照搬課件，應(yīng)付課堂檢測(cè)為目的，沒(méi)有深入了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，對(duì)于具體操作過(guò)程更是一無(wú)所知。這除了沒(méi)有達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的目的、降低了實(shí)驗(yàn)效率以及教學(xué)質(zhì)量，并且還孳生了中學(xué)生不良學(xué)習(xí)習(xí)慣。(2)遭到專業(yè)本身特性的影響，中國(guó)地質(zhì)學(xué)院的好多中學(xué)生來(lái)自偏遠(yuǎn)地區(qū)，實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)薄弱，實(shí)驗(yàn)中涉及到的好多基本常用儀器不曾見(jiàn)過(guò)更不會(huì)使用。怎樣通過(guò)自主學(xué)習(xí)填補(bǔ)知識(shí)漏洞是這類(lèi)中學(xué)生普遍存在的問(wèn)題。(3)課堂上即使完成了實(shí)驗(yàn)，但對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程的個(gè)別操作細(xì)節(jié)仍然存在一些疑惑，因?yàn)闀r(shí)間關(guān)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(xiàn)況，急需探求一種基于新信息技術(shù)下的學(xué)習(xí)載體和學(xué)習(xí)途徑。該載體應(yīng)具有與紙質(zhì)教材相當(dāng)?shù)钠占靶院褪褂寐剩纯梢赃M(jìn)行實(shí)驗(yàn)操作，又不用到實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還具有不受網(wǎng)路限制的特性。
1基于AR技術(shù)的紙質(zhì)數(shù)學(xué)實(shí)驗(yàn)教材
提高現(xiàn)實(shí)(,AR)技術(shù)作為虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)的延展，其基本軟硬件構(gòu)成與虛擬技術(shù)非常相像，因而兩者間存在密切的關(guān)系，而且她們又有著明顯的差異[8,9]。若果將整個(gè)環(huán)境氣氛?qǐng)鼍昂臀矬w，這么虛擬現(xiàn)實(shí)中的場(chǎng)景和物體都是虛擬的，這恰好完全符合虛擬現(xiàn)實(shí)沉溺性的特性。在虛擬現(xiàn)實(shí)中，使用者難以感知到周?chē)恼鎸?shí)世界，因而延展出新的技術(shù)讓虛擬與實(shí)體同時(shí)在同一空間共存，該技術(shù)即為提高現(xiàn)實(shí)。提高現(xiàn)實(shí)中的場(chǎng)景即是真實(shí)的場(chǎng)景，將生成的虛擬信息融合到真實(shí)場(chǎng)景之中，致使虛擬提高信息和真實(shí)場(chǎng)景信息互相共存、相互補(bǔ)充、相互疊加。提高現(xiàn)實(shí)技術(shù)除了是從虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)發(fā)展而至，但是它和虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)具有相像的應(yīng)用領(lǐng)域。正是因?yàn)樘岣攥F(xiàn)實(shí)技術(shù)具有才能結(jié)合虛擬的特點(diǎn)，因而使其在軍事、醫(yī)療可視化、娛樂(lè)教育、工程機(jī)械、兒童圖書(shū)、服裝設(shè)計(jì)等眾多領(lǐng)域具有優(yōu)勢(shì)[10-12]。
目前絕大多數(shù)情況下，中學(xué)生采用紙質(zhì)版的教材進(jìn)行學(xué)習(xí)，這是由于紙質(zhì)版教材使用便捷、不受網(wǎng)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(shù)與紙質(zhì)教材進(jìn)行了融合，將《大學(xué)化學(xué)實(shí)驗(yàn)》(高等教育出版社，主編周惟公，2014年出版)中涉及到的實(shí)驗(yàn)裝置和實(shí)驗(yàn)儀器進(jìn)行了AR技術(shù)處理，并將AR技術(shù)鑲嵌于該紙質(zhì)教材中。中學(xué)生通過(guò)掃描教材中的圖象就可以實(shí)現(xiàn)與虛擬儀器的交互操作。并且在斷掉網(wǎng)路的情況下，仍才能進(jìn)行操作，避開(kāi)了網(wǎng)路多學(xué)習(xí)的限制。
2技術(shù)特征
中學(xué)生用安卓或蘋(píng)果手機(jī)的聯(lián)通顧客端通過(guò)下載APP，注冊(cè)后即可使用。中學(xué)生將手機(jī)對(duì)準(zhǔn)紙質(zhì)教材中的實(shí)驗(yàn)裝置或則元元件圖象進(jìn)行掃描，經(jīng)過(guò)辨識(shí)就可以在手機(jī)上聽(tīng)到該圖象的數(shù)字信息，包括三維模型、三維動(dòng)漫、交互操作等。才能將具備實(shí)驗(yàn)交互的三維模型整合顯示，實(shí)現(xiàn)操作化學(xué)實(shí)驗(yàn)的功能，進(jìn)而達(dá)到實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)的目的。具體來(lái)說(shuō)，該技術(shù)具有以下特性。
1)使用便捷。其實(shí)AR技術(shù)早已在院校實(shí)驗(yàn)室教學(xué)中進(jìn)行了應(yīng)用，但多數(shù)情況下須要穿戴專門(mén)的AR設(shè)備如頭盔、手套等裝置，有的還要配備攝像頭。而對(duì)于本技術(shù)融合而言，中學(xué)生掃描教材中的圖象后，就可以進(jìn)行虛擬環(huán)境下的互動(dòng)，學(xué)習(xí)內(nèi)容愈加直觀形象，學(xué)習(xí)興趣也愈發(fā)激增。改變了傳統(tǒng)教材學(xué)生僅能接收靜態(tài)信息的方法，大幅度提高了中學(xué)生的理解力。如圖1所示，將手機(jī)對(duì)準(zhǔn)紙質(zhì)版教材中的游標(biāo)千分尺圖象掃描，便可以得到虛擬的游標(biāo)千分尺。可以進(jìn)行千分尺使用的操作練習(xí)，并且可以與標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)進(jìn)行核實(shí)，讀數(shù)是否正確。
2)紙質(zhì)教材的有益補(bǔ)充。實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)的紙質(zhì)教材與當(dāng)前信息技術(shù)的結(jié)合，學(xué)習(xí)者除了可以看見(jiàn)紙質(zhì)教材中的內(nèi)容，還抒發(fā)了真實(shí)文字和圖象不能抒發(fā)的內(nèi)容。中學(xué)生可以隨時(shí)隨地和那些紙質(zhì)內(nèi)容的擴(kuò)充信息進(jìn)行互動(dòng)，這無(wú)疑大幅度提升了中學(xué)生的興趣和能力。因而豐富教材內(nèi)容，為中學(xué)生的學(xué)習(xí)提供了一條新的途徑。
3)提升學(xué)習(xí)效率。另外，該系統(tǒng)具備離線學(xué)習(xí)功能，雖然斷掉網(wǎng)路的情況下，仍才能進(jìn)行交互和操作，不受網(wǎng)路的影響，極大的避開(kāi)了對(duì)學(xué)習(xí)網(wǎng)路的依賴。這一點(diǎn)在目前形勢(shì)下變得尤為重要，眾所周知，如今中學(xué)生對(duì)網(wǎng)路有嚴(yán)重的依賴程度物理實(shí)驗(yàn)室AR，在才能上網(wǎng)的情況下都會(huì)不自覺(jué)的上網(wǎng)瀏覽或玩游戲，而在不能上網(wǎng)的情況下，中學(xué)生只能專心學(xué)習(xí)，大大提升學(xué)習(xí)效率。
4)結(jié)構(gòu)復(fù)雜儀器的可視化。對(duì)于結(jié)構(gòu)復(fù)雜的儀器，一般情況下中學(xué)生只能看見(jiàn)儀器的外表，儀器的結(jié)構(gòu)只能靠中學(xué)生自己的空間想像。對(duì)于AR技術(shù)的出現(xiàn)，便可以實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)復(fù)雜儀器的可視化。學(xué)院化學(xué)實(shí)驗(yàn)中，示波器本身的構(gòu)造其實(shí)談不上復(fù)雜，但對(duì)于通常的中學(xué)生而言，還是難以想像內(nèi)容結(jié)構(gòu)。中學(xué)生掃描紙質(zhì)教材中示波器結(jié)布光便可以獲得示波器的虛擬結(jié)布光如圖2所示。其中圖2(b)是去除示波器殼體后的結(jié)構(gòu)，從圖2(c)中便可以據(jù)悉各部份具體的名子。
3總結(jié)
對(duì)于化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)而言，AR技術(shù)與傳統(tǒng)教材的融合是一個(gè)大膽的嘗試，是打破傳統(tǒng)固有學(xué)習(xí)介質(zhì)的一種突破。該教材經(jīng)過(guò)一個(gè)學(xué)年的使用，中學(xué)生反饋意見(jiàn)特別好。兩者的融合促使實(shí)驗(yàn)儀器的學(xué)習(xí)愈發(fā)形象和直觀，才能更好地詮釋實(shí)驗(yàn)的動(dòng)態(tài)過(guò)程，非常是挺好的解決了結(jié)構(gòu)復(fù)雜儀器的構(gòu)造和操作中的問(wèn)題。中學(xué)生從原先簡(jiǎn)單的照搬課件、操作靠想像的預(yù)習(xí)模式，逐漸變?yōu)槿藭?shū)交互模式的預(yù)習(xí)方法，打破了傳統(tǒng)意義上“黑匣子”式的儀器結(jié)構(gòu)的學(xué)習(xí)，致使預(yù)習(xí)療效和效率大幅度提高。另外，預(yù)習(xí)效率提升的同時(shí)，課堂教學(xué)療效也得到了強(qiáng)化，同時(shí)也為部份基礎(chǔ)薄弱的中學(xué)生的課外自主學(xué)習(xí)提供了一條新的途徑。
AR技術(shù)其實(shí)早已在部份教學(xué)實(shí)踐中得到了應(yīng)用，而且還沒(méi)有實(shí)現(xiàn)大規(guī)模的推廣。主要誘因是這是一個(gè)多方協(xié)調(diào)的結(jié)果，須要實(shí)驗(yàn)室與研制公司進(jìn)行深入廣泛的合作。中學(xué)提供經(jīng)費(fèi)支持、科技公司提供技術(shù)支持、實(shí)驗(yàn)班主任提供內(nèi)容支持、出版社提供出版支持，多方的通力合作能夠?qū)崿F(xiàn)。在今后的實(shí)驗(yàn)室建設(shè)過(guò)程中，中國(guó)地質(zhì)學(xué)院(上海)化學(xué)實(shí)驗(yàn)中心將更加重視信息技術(shù)與傳統(tǒng)教學(xué)的結(jié)合，擴(kuò)大信息技術(shù)在建設(shè)中的比重，突破傳統(tǒng)教學(xué)的一些思維定式，豐富教學(xué)內(nèi)容，提升教學(xué)質(zhì)量。
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基金項(xiàng)目:中國(guó)地質(zhì)學(xué)院(上海)教學(xué)變革與教學(xué)研究項(xiàng)目()捐助。
作者簡(jiǎn)介:鄭志遠(yuǎn)，男，中國(guó)地質(zhì)學(xué)院院長(zhǎng)，主要從事化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究，。
引文格式:鄭志遠(yuǎn)，董愛(ài)國(guó)，李傳濤，等.AR技術(shù)與紙質(zhì)教材相融合的化學(xué)實(shí)驗(yàn)教學(xué)研究[J].化學(xué)與工程，2020，30(1)：116-119.
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