基于增强现实技术的高中化学实验教学模式探索

摘 要：随着科技的快速发展，增强现实（AR）技术逐渐融入教育领域，为传统的高中化学实验教学带来了新的变革。在高中化学教学中，教师要提高自身的教学素质，掌握AR技术的实施要点，优化传统化学实验教学模式，锻炼学生的实验操作技能。文章探讨了基于AR技术的高中化学实验教学模式的实施方法，旨在提高学生的学习兴趣和实验效果，同时确保实验过程的安全性和可控性。

关键词：增强现实技术；高中化学；实验教学；教学模式；安全性

中图分类号：G633.8+G434   文献标识码：A   文章编号：1673-8918（2024）39-0123-04

高中化学实验教学对发展学生科学素养与实践能力具有重要意义。但传统实验教学受实验条件、资源和安全性的限制，很难完全适应学生学习的需要。增强现实（AR）技术的提出因其特有的虚实结合和实时交互等特性给高中化学实验教学带来了一种全新的可能性。

一、 AR技术应用于高中化学实验教学的优势

AR技术应用于高中化学实验教学具有显著优势，其不仅可以丰富教学手段、提升学生学习兴趣，而且可以强化实验效果、保障实验过程的安全。具体如下：

第一，AR技术因其特有的沉浸式学习体验大幅提升了学生学习兴趣。传统高中化学实验教学中学生对实验原理与步骤往往仅能通过课本或者教师讲解进行理解，此种抽象学习方式难以使学生有直观感受与深刻认识。而AR技术则是通过虚拟实验室的建设，把实验器材、试剂和操作界面以三维方式展现给学生，学生可通过AR头显或者手机等器材进行操作，走进虚拟实验环境，实时互动，观察实验现象，体验化学的精彩与神奇。这种沉浸式的学习体验使学生犹如置身在一个真正的实验室里，调动起学习热情与探索欲望，增强学习积极性与主动性。

第二，AR技术可以强化实验效果，有利于学生对实验原理及操作步骤的深入理解与掌握。虚拟实验环境下学生可按照实验课程设计自由操作实验、观察实验现象、记录实验数据。相较于传统实验教学，AR技术能够模拟出较为复杂的实验过程并呈现较多实验现象，让学生对实验原理以及操作步骤有直观了解。另外AR技术能够对学生实验操作进行实时反馈，并指出操作失误与不足之处，有利于学生及时修正与完善。该互动式学习方式有助于学生对实验原理及操作技巧的深入理解，增强实验能力及科学素养。

第三，AR技术可以保证实验过程安全和降低实验风险。实际化学实验中受化学品特殊、实验条件有限等因素影响，常常会出现一些安全隐患。如有些化学品易燃易爆、有毒有害，若操作不规范或管理混乱，极易造成事故。而AR技术则通过虚拟实验环境的搭建规避了真实实验可能带来的隐患。虚拟实验环境中学生无须真实的化学品及实验器材就能完成实验操作，从而避免化学品泄漏及爆炸事故。同时AR技术也能对实验过程可能发生的危险情况进行模拟，有利于学生对危险源及防范措施的理解，增强其安全意识及自我保护能力。除此之外，AR技术在其他领域也展现了明显的优势。如它能打破时空的束缚，使学生随时随地地进行实验学习；该系统能够提供个性化的教学方法，并根据学生的学习节奏和兴趣点来定制实验课程；该方法有助于减少实验的总成本，并降低对实验设备和化学物质的使用和浪费。

二、 AR技术在高中化学实验教学中的应用方法

（一）建设虚拟实验室

高中化学实验教学虚拟实验室的建设是推行基于AR技术的教学模式的第一步，虚拟实验室因其特有的功能与特点，给学生带来沉浸式、互动性的学习场所，使化学实验教学效果得到极大改善。建设虚拟实验室首先需结合高中化学实验教学需要与目标确定其规模与作用。例如，可以创建一个虚拟实验室，其中包括各种不同的实验区域，如无机化学、有机化学和物理化学等，并确保每个区域都配备了合适的实验设备和试剂。同时还要兼顾虚拟实验室交互性强、实时反馈功能强等特点，以保证学生能实时交互虚拟实验器材，得到即时操作反馈信息。在建立虚拟实验室时，可采用AR技术三维建模与渲染技术，把实验器材、试剂、操作界面等用三维方式展示给学生。从而使学生对实验器材、试剂的构造与作用、实验操作具体步骤及注意事项有直观认识。同时通过AR头显或者手机等器材让学生进入虚拟的实验环境并实时和虚拟的实验器材交互来观察实验现象和记录实验数据。

例如，在进行“钠和水会发生化学反应”这一实验时，教师可以在虚拟实验室环境中模拟整个实验流程。学生在AR设备上可观察到钠块遇水很快融化为小球而游来游去。同时，可对实验时产生气体、温度变化及其他数据进行观测和记录。这种沉浸式的学习体验有助于学生对实验原理与操作步骤的深入理解，增强实验能力与科学素养。虚拟实验室在模拟实验过程之外能够提供大量实验资源与实例，教师可根据教学需要在虚拟实验室内设计各种难度、种类的实验案例让学生自主选择、自主学习。同时学生也可根据兴趣与需要在虚拟实验室内自由地进行探究与学习，扩大知识面与视野。

（二）重视对实验过程的观察

以AR技术为基础的高中化学实验教学中，重视对实验过程的观察是非常关键的环节。通过对实验现象的仔细观察与分析，有助于学生对实验原理与操作步骤的深刻认识，提高实验能力与科学素养。学生观察实验过程时需注意实验器材与试剂状态的改变，实验现象发生与改变的过程，记录与分析实验数据。如做“酸碱滴定”这一实验时，要求学生通过观察指示剂颜色的变化来判断滴定终点和记录滴定时所消耗滴定剂的体积。通过对这些数据的观察与分析，有助于学生对待测溶液中酸碱浓度进行计算，进而认识其性质与成分。以AR技术为基础进行实验教学时，学生可借助AR设备在虚拟实验环境下对实验过程进行观测，该观察方式既直观、实时，又能提供多角度、多层次的观察。例如，学生可从第一人称视角，透过AR头显进入虚拟实验环境中观察实验器材及试剂状态的改变；还可借助手机等器材，从第三人称视角对实验全过程进行观察，从而理解实验现象发生、变化的全过程。另外，以AR技术为核心的实验教学能够提供大量实验数据与图像资料，学生可在AR设备上获得实验时温度、压力、浓度等实时数据，以及利用图像识别与分析技术，对实验现象进行图像资料处理。这些资料及图像资料有助于学生对实验原理及操作步骤的深入理解，培养其数据分析及图像处理的能力。为更好地指导学生，在观察实验过程中，教师可设计特定的观察任务与提问。例如，教师可让学生对实验中生成气体的颜色、气味、密度等特征进行观察与记录，分析其成因与规律；还可以让学生通过AR设备得到实验数据，并用其对实验结果进行计算分析。这些任务与问题有助于学生对实验过程进行更有目的的观察，增强其观察与分析能力。通过对实验过程的重视，以AR技术为载体进行高中化学实验教学可以较好地达到教学目标。学生通过对实验的观察，能深刻理解实验的原理及操作步骤，增强实验能力及科学素养；还可对实验数据及图像资料进行观察与分析，以培养其数据分析及图像处理能力。

（三）进行主题式的探索

以AR技术为载体的高中化学实验教学实施主题式探究活动不失为一种行之有效的教学方法，通过设置具体的实验主题与探究问题、指导学生自主探究与实践操作等方式，既能培养学生的创新精神与实践能力，也可以增强其团队协作、解决问题等能力。主题式探究活动的实施首先要明确实验主题与探究问题，实验主题要与高中化学的教学内容密切相关，要能涉及众多的知识点以及实验技能；探究问题又要有开放性与挑战性，能激发学生探究欲望与创新思维。

例如，可以设定“探讨不同催化剂对化学反应速率的作用规律”作为实验主题，引导学生设计实验方案、选择催化剂、进行实验操作、记录实验数据并分析结果。在探索过程中学生需借助AR技术建立虚拟实验室、模拟实验环境与设备、实验操作与数据记录。同时学生也需依据实验数据与现象加以分析与说明，并提出个人看法与结论。这一自主探究过程，既能培养学生实践能力与创新精神，又有助于学生学会用已学过的知识去解决现实问题。为更好地指导学生开展主题式探究，教师可给予必要的引导与支持。例如，教师可对学生实验方案的设计提出意见并加以引导，协助学生选择适宜的催化剂及实验条件等；还能给学生提供对实验数据进行分析与讲解的方法与技术，有助于学生对所学内容的深入理解与运用。另外，教师也可组织学生开展小组讨论与交流活动，使其共享探究经验与收获，互相学习与借鉴。因此，以AR技术为载体进行高中化学实验教学，既可以提升学生实践能力与创新精神，又可以培养其团队协作与问题解决能力。

（四）辅助智能化的评价和反馈

以AR技术为基础的高中化学实验教学，融入智能化评估和反馈，是增强教学效果和优化学习路径至关重要的环节。引入智能评估系统后，教师可以对学生学习进度及实验操作情况进行实时监测，及时准确地给予反馈，有利于学生对实验知识的深入理解与把握。

智能化评估与反馈系统可根据学生实验操作数据、实验结果及实验报告自动分析与评价。该系统能够通过算法来确定学生操作的标准、数据记录的准确性以及实验结果的合理性，并据此给出具体评估结果以及反馈建议。该评估方式在提高评估效率与准确性的同时，也有助于教师对学生学习情况有一个较为全面的认识。化学实验教学的智能化评估和反馈系统可运用到诸多环节，在虚拟实验室内，该系统能够实时地监测学生实验操作过程并及时地提醒其改正不规范操作。如学生做“酸碱滴定”的实验，若滴定速度过快或者对滴定终点的判断不准，该系统可通过AR设备发出提示信息或者预警，有利于学生对操作的适时调整。在实验结果分析部分，智能化评估及反馈系统能够自动给学生实验结果打分并反馈，该系统能够按照预设评分标准，对学生实验结果做出客观公正的打分和具体反馈。例如，在“探讨不同催化剂对化学反应速率的作用规律”实验中，系统可以根据学生的实验数据和结论，判断学生的探究能力、数据分析能力以及问题解决能力等情况，提出相关反馈以及建议。另外，智能化评估及反馈系统可依据学生学习情况及成绩向其推荐合适的学习资源及练习题目。通过个性化推荐、智能匹配等方式，该系统可以帮助学生更有效地学习化学知识、提升学习效果。

（五）鼓励学生创意发挥

就高中化学实验教学而言，AR技术给传统实验带来革新的同时，也成为激发学生想象的有力手段。学生借助AR技术能够超越真实的局限，自由地探索虚拟世界里化学的秘密，进而发展创新思维与实践能力。

AR技术给学生搭建了别出心裁的实验平台。传统的实验受实验条件所限，学生通常只能按设定的程序去做，很难做到个性化尝试与探究。而AR技术突破了这种桎梏，使学生能够在虚拟环境下自由地设计实验方案，调节实验参数乃至发现新的实验现象。例如，在探索“酸碱中和反应”实验时，学生可应用AR技术模拟出酸、碱在不同浓度下的混合情况，观察、对比反应速率及产物性质在不同情况下的变化规律。这一个性化实验体验既能激发学生的好奇心与求知欲，又能促使学生主动思考、大胆尝试，进而发展创新思维与解决问题的能力。另外，AR技术也可以给学生创意发挥带来大量材料与资源，学生利用AR技术很容易获得各类化学物质的特性、结构和反应机理，从而在虚拟环境下完成模拟实验。这种获取信息的便捷性，给学生带来了一个广阔的创作空间，有助于学生按照自己的爱好和思路自由地创作。以“有机合成”实验为例，学生可运用AR技术对复杂有机合成路线进行设计与模拟，并用虚拟实验证明其可行性与有效性。这一创意性实验设计在锻炼学生逻辑思维与实验技能的同时，也能使学生感受化学知识所带来的神奇与快乐。为鼓励学生的创意，教师可采取以下措施：一是创设开放性实验环境，让学生自由地选择与设计实验方案并进行实验；二是给予必要的引导与支持，以帮助学生解决创意发挥中遇到的难题。

（六）理论和实践的整合

在高中化学教学过程中，将理论知识与实际操作相结合是提升学生全面素质和创新思维的关键手段。AR技术的推出，给这一整合带来了全新的可能与契机。学生借助AR技术能够对虚拟环境下的化学现象与原理有一个直观的观察与认识，并结合实际操作展开深入探索与学习。

AR技术有助于学生加深对化学概念、原理的理解，传统的教学通常将化学概念与原理通过文字或者图片等方式展现在学生面前，不利于学生的直观感觉与认识。AR技术能够把这些抽象概念与原理变成具体的、可互动的虚拟场景，有助于学生在虚拟的环境下切身感受与感悟。例如，在对“原子结构”的学习中，学生可借助AR技术来观察原子内部结构、电子运动轨迹及原子核和电子间相互作用。这一直观感受不仅有助于学生对相关知识点的理解与掌握，而且有助于激发学生深入探究的热情与动力。AR技术对学生实践能力的提高具有促进作用，虚拟环境下，化学实验操作还能够极大地降低实验成本与风险，也增强了实验安全性与可控性。学生能够不受现实条件所限，通过多次实验尝试与调节，熟练实验技能与操作方法。另外，AR技术能模拟真实世界里很难实现的各种实验条件与情境，有助于学生从更为宽广的领域去实践与探索。例如，在讨论“化学反应速率”时，学生可通过AR技术模拟反应速率在不同温度、压力和浓度下的变化规律，从而更加深刻地了解反应速率影响因素及其变化规律。

三、 结论

随着科学技术的不断进步，教育理念也在不断更新，以AR技术为核心的高中化学实验教学模式将日益受到人们的青睐。因此，更多的学校及教育工作者应主动拥抱这一转变，在实验教学中加入AR技术，给学生营造出更加丰富、多元、安全的学习环境。

参考文献：

［1］苏榕凤，吴艳玲.5G+背景下信息化教学技术的实践应用——以高中化学实验为例［J］.中学课程辅导，2024（17）：123-125.

［2］张明号.新高考背景下高中化学实验教学的有效路径［J］.中学课程辅导，2024（17）：99-101.

［3］董芳，董辉，李建.基于BOPPPS模式的高中化学实验教学策略［J］.高考，2024（17）：113-115.

作者简介：陈玉飞（1983～），男，汉族，湖南益阳人，湖南省长沙麓山国际实验学校，研究方向：化学教学。