基于 AR 技术的初中化学实验设计与实现论文

SCI论文（www.lunwensci.com）
 

　　摘要：为了改善传统化学实验教学形式单一,提高学生学习兴趣,改善学生实验操作能力,避免反复试验造成的实验试剂的浪费,本文将化学学科与增强现实技术相结合,运用三维建模等相关软件,设计出可以进行虚实交互的初中化学中的铜与浓硫酸和铝热反应实验。学生可以通过桌面式实验平台进行虚实结合的实验并观察实验结果,而虚拟的实验环境也能够弥补传统化学实验教学上的弊端,排除潜在危险,提高了化学实验的安全性。同时,可视化的化学反应过程和人机交互式的学习过程,提升了学生学习化学的参与度和主动性。实践表明,增强现实技术在化学实验教学中的应用体现了学生在教学中的主体地位。

　　关键词：AR；教育；化学实验；虚拟现实

　　Design and Implementation of Junior High School Chemistry Experiment Based on AR Technology

　　【Abstract】：In order to improve the traditional teaching form of chemical experiments,enhance students'interest in learning,improve their experimental operation ability,and avoid the waste of experimental reagents caused by repeated experiments,the paper combines the discipline of chemistry with augmented reality technology,and uses relevant software such as 3D modeling to design a reaction experiment of copper with concentrated sulfuric acid and aluminothermal reaction in junior high school chemistry that can interact with reality.Students can conduct virtual and real experiments through a desktop experimental platform and observe the experimental results.The virtual experimental environment can make up for the shortcomings of traditional chemical experiment teaching,eliminate potential dangers,and improve the safety of chemical experiments.At the same time,visualized chemical reaction process and human-machine interactive learning process enhance students'participation and initiative in learning chemistry.Practice has shown that the application of augmented reality technology in chemical experimental teaching reflects the dominant position of students in teaching.

　　【Key words】：AR;education;chemical experiments;virtual reality

　　0引言

　　增强现实技术以其空间性、叙事性以及完善资源的均衡管理性为基础,在教学过程中具备较为突出的教学优势[1]。国内外对AR和化学技术结合的侧重点和应用目标结果不同,国外重视AR技术的应用对学生的影响,关注学生的学习兴趣等方面,国内重视教学的模式和理论上的研究,缺乏实践,极少关注学生的学习动机等方面[2]。Bujak等人在物理维度上运用虚拟操纵器对数学概念进行反复实验,使其对物体的操控更加真实,使虚拟实验结果更加可靠,并从认知维度看待虚拟实验环境与知识相结合后对学生学习的影响[3]。Julio Cabero-Almenara等人应用虚拟现实技术将现实环境转变为数字环境和真实的物理环境进行教学,测试了学生的学习效率,包括信心、注意力以及满意度等相关变量,得出的结果是学生的学习接受程度可以到达教学目标,甚至学习的内容更易被学生接受[4]。Plunkett等人构建现实平台,演示了在教室和实验室中应用增强现实技术进行化学实验的过程,论述了有机化学反应的机制[5]。与国外相比,我国的增强现实技术仍处于发展中阶段,但也取得了一定成果。王罗那梳理近十年国内外有关增强现实技术与数学教育结合的研究,发现在AR技术的可视化支持下,可以做到数形结合,联系直观与抽象的概念,增强学生对多维空间的认知[6]。洪滔等人探讨了AR教学的安全性和科学性,认为在中药挥发油提取的实验和在实验动物的心脏采血操作中利用AR技术进行模拟实验,经过多次虚拟练习并熟练掌握实验步骤后再进行真实的实验,可以预防安全隐患[7]。杨佳祎等人认为化学的学习离不开空间概念,通过分析近十年的相关文献,探索不同晶体的堆积方式、堆积过程、配位数、空间利用率等问题,探讨了在有机化学教学过程中,AR技术提高了学生对概念及其要素的理解程度[8]。蔡苏等人以高中化学电解池知识点为例,进行了交互式AR辅助课堂对比实验,结果表明,利用AR与其他教具相结合,能够提高学生的认知能力和自主探究能力等[9]。教学过程与增强现实技术相结合,对教育的改革意义重大,不仅是科技的进步,也是教育模式的改变,使用虚拟环境进行化学实验,学生不仅可以提高学习兴趣、专注力和学习效率,在进行化学实验的过程中身心安全也可以得到保障。

　　1 AR化学实验的设计

　　1.1需求分析

　　现如今,国内国外虚拟现实与各行各业的联系日渐紧密,在教学方面,使用AR立体仿真实验环境,在没有教师指导的情况下,学生也可以自主式学习、沉浸式学习,获得更高的学习效率。在学校进行化学实验,不仅需要专业的试验环境、实验器材和化学药品,还需专业的老师进行监督和指导,即便如此,也存在一定的风险。如果将AR与化学实验相结合,安全性将得到保证,学生在虚拟环境中的学习效率也将有很大提高。论文设计的AR化学实验有着完整的实验流程、语音指导和实验器材图。学生脱离真实的化学实验环境也可以线上动手做实验,在构建的虚拟环境中学习。随着虚拟现实的发展,AR教学环境被越来越多的人所接受,打破了传统教学方式以及时间与空间的界限,弥补了传统教学中交互性不足的问题,能够有效地调动学生的学习热情,增强学生对化学实验流程的理解。在无法进行线下授课的情形下,线上教学模式进入大众视野,对比线下的化学实验教学,AR化学实验更加安全便捷,学生可以不受学习生活中时间和地点的限制,极大地降低了教学成本,提高了教学质量,又能节约化学实验药品以及保护环境。

　　1.2系统总体设计

　　基于AR的化学实验系统整体结构如图1所示。分为两个模块：化学器材介绍模块和化学实验模块。化学器材介绍模块介绍了本系统里所需的实验器材；化学实验模块包括铜与浓硫酸的反应实验和铝热反应实验。本实验的开发首先从化学实验需求开始,确定其可实施性,虚拟现实技术与各行各业的结合已受到国内外的广泛关注；其次搜集相关资料,确定要做的化学实验,根据实验需要,以Unity为主、3Ds Max为辅,利用3Ds Max对实验仪器进行建模渲染,按照相应的实验流程,将三维实验器材导入Unity3D场景中；然后使用PS图像设计软件制作实验所需的化学仪器的扫描图片、化学药品的扫描图片、UI界面以及开始按键；最后编写C#代码利用Unity3D开发平台实现AR交互,模拟相关化学实验现象,实现虚拟现实与化学实验的结合。

　　本实验将虚拟现实与化学实验相结合,实际操作流程与人机交互技术息息相关,需设计合理的流程和布局才能更好地使学生顺利地进行操作和学习。虚拟现实体验不同于学生日常看书学习,虚拟现实与化学实验的结合是在将教材实验立体化,真实地展示在学习者眼前,使用三维模型协助学生进行立体化学习,通过UI界面、点击按钮、图片识别、语音提示等交互操作,可以更加直观地帮助学生掌握实验教学内容。

　　1.3系统流程设计

　　系统构建的流程大致分为四个步骤：数据收集、三维模型和UI设计、功能开发、发布。系统设计流程如图2所示。

　　1.3.1数据采集

　　本系统中主要针对中学的化学实验进行设计,首先挑选比较危险和较为复杂的化学实验,或含有危险药品的实验,然后选择了铜与浓硫酸实验和铝热反应实验,并收集化学实验所需的化学器材和化学药品以及相应的颜色和贴图。

　　1.3.2三维模型和UI设计

　　根据收集的实验数据,设计实验相关的实验药品和实验仪器所对应的扫描图,建立对应的三维模型,主页面的UI设计、按键和扫描页面等。

　　1.3.3功能开发

　　首先本系统的主要功能在于运用AR技术识别UI图,将化学实验器材相关的三维建模导入Unity工程后,再将化学实验器材和相应的UI图进行绑定,摆放在合适的位置,支持AR扫描识别。其次是碰撞检测功能,使用者根据提示找到相对应的图片进行扫描,与实验系统进行特征点比对,若特征点包含在特征点集中,图片识别成功,若图片识别未成功,还需找到正确的图片进行识别,直到检测到正确的图片,才可进行下一步操作,识别成功后会显示正确的摆放位置,并提示下一个步骤。本系统有多个页面,支持页面的跳转功能。

　　1.3.4发布

　　在Unity中运行程序成功后,发布到PC端进行测试。

　　2 AR化学实验的实现

　　2.1化学仪器及化学药品的模型制作

　　首先列出所需的模型,运用3Ds Max制作出化学仪器及化学药品模型,调整为合适的大小和贴图,如玻璃材质、金属材质和液体材质等。其次,将实验器材零件、固体液体实验药品进行组装,调整比例大小和位置,并添加材质和贴图。最后导出模型为FBX格式,并导入Unity3D和相对应的扫描图进行绑定。以铝热反应为例,本实验需要使用的实验器材和实验药品有：铁架台、纸漏斗、带有沙子的蒸发皿、酒精灯（广口瓶）铝粉、(广口瓶）氧化铁、（广口瓶）氯化钾、打磨好的镁条。制作出相应的实验器材后,以FBX格式导出并导入进Unity3D中,其中在化学仪器模块介绍模型时可以通过移动或旋转扫描图改变模型的位置,有利于学生观察和学习,也可以帮助学生了解和认识实验仪器,更好地预习实验。

　　2.2实验场景转换

　　本实验主要有五个场景,分别是Game1、Game2、Game3、Game4、GameMe。以铝热反应实验为例,首先从GameMe主页面依次点击化学实验和铝热反应跳转至实验二铝热反应界面,其中Game1为铝热反应的操作提示场景,Game3是铝热反应的AR扫描场景。Game1场景和Game3场景均包括ARCamera、sceneLight、ImageTarget_铁架台、lmageTarget_滤纸、ImageTarget_蒸发皿、ImageTarget_铝、lmageTarget_铁、lmageTarget_钾、lmageTarget_镁、ImageTarget_灯、EventSystem、CommonUI、safeArea Manager、Canvas。实验完成后,最后可通过场景更换脚本Game UI2.script进行场景转换返回主页面。

　　2.3 Unity3D平台搭建

　　本实验应用Vuforia实现了AR交互功能,相较其他AR开发工具,Vuforia功能更加强大,可操作性更强,在Unity3D开发平台进行开发,首先将设计好的UI界面作为主页面场景,其次将3Ds Max中制作好的实验器材导入Unity3D中,随后在Visual Studio平台编写C#语言实现相应功能,并添加进Unity3D中。

　　在Vuforia提供的SDK中,最简单、也是最常见的AR功能就是Image Target图像识别,这是最简单的对象识别,即对单一的静态的平面图像进行识别。本实验将所需的化学实验器材图片放入相应的模型Image Target中,在实验过程中将图片放到摄像头下,Vuforia会识别图片的特征点,并与已经生成的特征点进行比对,若识别出的特征点包含在相应数据包特征点集内,与之对应的化学实验器材的三维立体模型会在图片上方显示,并按照实验过程与相应模型进行碰撞检测后连接。在实验中提示扫描紫色石蕊溶液后,找到相应的图片,将其对准摄像头,可以看到一个三维立体的紫色石蕊溶液在屏幕中出现,将其靠近试管III模型即可实现倒入少量的紫色石蕊溶液,效果如图3所示；再将装有紫色石蕊溶液的试管III扫描图靠近第三个导管口,识别成功后可以实现导气管与试管III的连接。

　　场景和实验器材导入完毕后,需要在Visual Studio平台编写C#语言实现我们所需的功能,并将C#代码添加进模型对应的Inspector模块。具体方法有OnTracking Found()识别图片成功后触发,当摄像头拍摄到识别图时,模型显示在识别图上；OnTrackingLost()识别图丢失后触发,当摄像头离开识别图时,模型仍显示在屏幕上。通过上面两个方法还可以实现控制音频、视频和动画等的播放与停止,如扫描出铁架台相对应的图片后,本实验除了显示对应三维铁架台模型,还会有语音提示实验的下一步流程。

　　2.4关键代码分析

　　ARCamera是Vuforia相机的灵魂,将铁架台等实验器材图片扫描成三维立体效果,需要借助C#代码编写脚本,添加进被导入到Unity3D的实验器材模型中,其中DefaultTrackableEventHandler是追踪事件处理的脚本,该脚本注册到TrackableBehaviour,并通过OnTrackingFound方法和OnTrackingFoundLost方法传播找到和丢失的跟踪,以便在屏幕中显示AR效果。如图3所示,紫色石蕊溶液和试管III均使用了DefaultTrackableEventHandler脚本,同样,其他实验器材的AR显示功能也依赖这一脚本。

　　其中protected virtual void OnTrackingFound()中通过定义渲染Renderer、碰撞Collider和画布Canvas来从图片中读取,识别到目标时此函数被触发,同理,protected virtual void OnTrackingLost()中通过定义渲染Renderer、碰撞Collider和画布Canvas来判断目标此时是否丢失,丢失此函数被触发。

　　//OnTrackingFound

　　protected virtual void OnTrackingFound()

　　{

　　if(mTrackableBehaviour)

　　　　{

　　　　var rendererComponents=mTrackableBehavi our.GetComponentsInChildren<Renderer>(true);

　　　　var colliderComponents=mTrackableBehavi our.GetComponentsInChildren<Collider>(true);

　　　　var canvasComponents=mTrackableBehavi our.GetComponentsInChildren<Canvas>(true);

　　　　foreach(var component in rendererComponents)

　　　　component.enabled=true;

　　　　foreach(var component in colliderComponents)

　　　　component.enabled=true;

　　　　foreach(var component in canvasComponents)

　　　　component.enabled=true;

　　　　}

　　　　if(OnTargetFound!=null)

　　　　OnTargetFound.Invoke();

　　}

　　//OnTrackingFoundLost

　　protected virtual void OnTrackingLost()

　　{

　　　　if(mTrackableBehaviour)

　　　　{

　　　　var rendererComponents=mTrackableBehavi our.GetComponentsInChildren<Renderer>(true);

　　　　var colliderComponents=mTrackableBehavi our.GetComponentsInChildren<Collider>(true);

　　　　var canvasComponents=mTrackableBehavi our.GetComponentsInChildren<Canvas>(true);

　　　　foreach(var component in rendererComponents)

　　　　component.enabled=false;

　　　　foreach(var component in colliderComponents)

　　　　component.enabled=false;

　　　　foreach(var component in canvasComponents)

　　　　component.enabled=false;

　　　　}

　　　　if(OnTargetLost!=null)

　　　　OnTargetLost.Invoke();

　　}

　　3实验运行效果

　　铝热反应实验操作流程有如下几点：

　　（1）取出铁架台对应的扫描图,正对摄像头,待模型完全显示之后,将扫描图缓慢放置在桌面上,取出纸漏斗对应的扫描图,识别成功后将纸漏斗触碰到铁架台对应位置。

　　（2）取出蒸发皿对应的扫描图,识别成功后,将蒸发皿缓慢移动至漏斗下,等待模型连接成功后提示下一步操作。

　　（3）取5g氧化铁对应的扫描图和2g铝粉对应的扫描图,识别成功后,分别将其靠近铁架台上的纸漏斗模型,使其充分融合,倒入纸漏斗中。

　　（4）取氯酸钾对应的扫描图,识别成功后,将氯酸钾的扫描图靠近铁架台上的纸漏斗模型,在粉末表面均匀撒入少量氯酸钾。

　　（5）取酒精灯对应的扫描图,识别成功后放置在桌面,再取镁条对应的扫描图,靠近点燃的酒精灯,再将镁条靠近铁架台上的纸漏斗模型,插入到混合粉末中。

　　（6）最后观察实验现象,铝热反应实验如图4所示。

　　4结论

　　AR技术与教学相结合使教学不再局限于时间与空间,本文针对AR技术与化学实验的紧密融合,制作了虚实结合的增强现实化学实验平台。AR技术创造出虚拟世界和真实世界相混合的沉浸式学习环境,是未来教学发展的趋势,学生利用UI图和移动设备进行虚实混合的化学实验操作,方便快捷,无论线上还是线下,都可以帮助学生更好地记忆化学现象,同时能够节约资源,保护环境,大大增强了化学实验的安全性。在本实验中,学生能将所学的知识应用于实际情境,将学到的理论知识与实践相互结合,较之传统实验,AR技术与化学实验的结合不仅能实现虚实结合,还能解答学生对实验操作中“哪个操作程序”“哪个实验器材”“什么操作”上的疑惑,能精准提高实验者的实践操作能力,同时对实验者的操作错误予以纠正。实验表明,增强现实化学实验平台的应用能够提高学生实验操作能力和知识掌握水平,是帮助学生构建化学基础知识体系和提高实践能力的有效教学手段。

　　参考文献

　　[1]李轶.增强现实(AR)技术在教育教学中的设计与应用[J].数字教育,2018,4(05):28-31.

　　[2]陈嘉欣,占小红,杨笑.国内外VR/AR技术在化学教育的应用研究述评—基于可视化的共词分析[J].化学教学,2022(01):8-13+20.

　　[3]Keith R Bujak,Iulian Radu,Richard Catrambone,et al.Apsychological Perspective on Augmented Reality in the Mathematics Classroom[J].Computers&Education,2013(8):536-544.

　　[4]CABERO-ALMENARA J,BARROS O-O SUNA J,LLORENTE-CEJUDO C,et al.Educational Uses of Augmented Reality(AR):Experiences in Educational Science[J].Sustainability,2019,11(18).

　　[5]PLUNKETT N K.A Simple and Practical Method for Incorporating Augmented Reality into the Classroom and Laboratory[J].Journal of Chemical Education,2019,96(11):1-7.

　　[6]王罗那.增强现实技术(AR)在数学教育中的应用现状述评与展望[J].数学教育学报,2020,29(05):91-97.

　　[7]洪滔,李庆媛,吴志辉,等.VR/AR技术在中医药高校教学和实践中的探讨[J].江西中医药大学学报,2023,35(01):94-97.

　　[8]杨佳祎,孙可平.浅谈信息技术在化学物质结构建模教学中的应用[J].化学教学,2023(02):26-31+64.

　　[9]蔡苏,张鹏,李江旭,等.交互式AR教学对中学生认知能力的影响—以高中化学电解池知识点为例[J].现代教育技术,2021,31(01):40-46.

关注SCI论文创作发表，寻求SCI论文修改润色、SCI论文代发表等服务支撑，请锁定SCI论文网！

文章出自SCI论文网转载请注明出处：https://www.lunwensci.com/jisuanjilunwen/74799.html