AR下移動端無機化學實驗探析
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摘要：無機化學的教學過程中，實驗教學是基礎部分也是關(guān)鍵部分，移動端ar無機化學實驗預習軟件的開發(fā)，打破了傳統(tǒng)實驗教學的限制，提供了全新的教學思路。利用該軟件進行實驗預習，能夠最大限度地避免實驗失誤，增強操作技能，提升實驗成功率。基于AR的移動端無機化學實驗預習軟件設計在3DsMax及Unity3D基礎之上實現(xiàn)開發(fā)，適用于Android平臺，該軟件的開發(fā)使用能夠促進無機化學教學發(fā)展，增強AR技術(shù)在化學實驗中的探索和應用。
關(guān)鍵詞：AR移動端無機化學；化學實驗軟件設計；優(yōu)勢
1基于AR的移動端無機化學實驗預習軟件應用優(yōu)勢
1.1操作簡便，不受時間場地限制
傳統(tǒng)的無機化學實驗必須在實驗室內(nèi)操作進行，因此無論是時間上還是空間上都受到了一定的限制。而且很多無機化學實驗的操作過程比較煩瑣，需要進行漫長的觀察和等待，移動端AR無機化學實驗預習軟件的應用，既不受時間空間限制也不受時間限制，不僅為學生提供了全新的預習和學習方式，手機上的操作也更為簡單容易，學生可以隨時隨地的打開手機，實現(xiàn)知識點的滲透，進行實驗預習，為實際操作提供有力保障，相關(guān)的操作和觀測也變得更加的簡單化和高效化。
1.2降低成本，貫穿綠色化學思想
無機化學實驗過涉及大量的實驗儀器以及實驗藥品，反復的操作過程中會造成相應的浪費，尤其是對于很多操作難度大的實驗來講，很難保障一次性操作成功。通過軟件進行虛擬的操作不僅能夠節(jié)省化學原材料，也能從根本上消除污染，防止化學實驗污染對環(huán)境造成的損壞，符合綠色化學思想中的減量化、再利用以及再循環(huán)的基本原則。
1.3縮短時間，提升實驗成功效率
整個實驗教學建立在扎實的基礎知識和操作技能之上，能夠幫助學生形成科學的實驗方法和思維，提高創(chuàng)新意識和實踐操作能力，更能培養(yǎng)其科學精神，實現(xiàn)化學素質(zhì)全面提高。而預習的好壞直接影響到課堂的效果，以往的預習過程當中學生不過是翻閱書籍提煉知識點，但很難掌握實驗精髓，而且對于各種實驗儀器以及設備的操作使用也會形成一個誤解。移動端AR技術(shù)實驗預習軟件中包含著大量的實驗操作視頻，學生在觀看的過程當中更能形成直觀印象抓住重點，從而促使其在真實實驗操作時提高成功率。
1.4扎實基礎，數(shù)據(jù)統(tǒng)計簡單直接
無機化學實驗涉及眾多實驗數(shù)據(jù)的記錄，很多實驗進行的過程中，需要繪制圖表、走勢圖以及運用公式完成結(jié)果計算，而各種實驗試劑用量的控制掌握也要達到精密需求。通過移動端AR技術(shù)進行虛擬化學實驗，無須手動配制試劑原料，能夠?qū)崿F(xiàn)實驗結(jié)果的智能處理，相應的數(shù)據(jù)統(tǒng)計也更加簡單直接，擺脫了煩瑣的計算過程，在計算結(jié)果上也極大程度地減少了人工計算的失誤。
1.5避免危險，夯實教學全新思路
化學實驗室是提升學生操作技能驗證、推斷結(jié)果的重要場所，但同時化學實驗室也是一個十分危險的場所。實驗的過程當中會不可避免地接觸到一些有毒的化學試劑，進行一些危險系數(shù)較高的實驗操作[1]，移動端AR技術(shù)的應用為學生提供了仿真化學實驗環(huán)境的同時，更提供了一個安全的實驗環(huán)境，能夠避免錯誤操作帶來的危險，同時也能有效減少有毒藥品的泄漏，降低化學事故的發(fā)生概率。
2AR移動端虛擬實驗與傳統(tǒng)實驗的關(guān)系
2.1與AR移動端虛擬實驗融合互補
傳統(tǒng)實驗操作不僅受到時間、空間的限制，還會受到基礎設施的限制。在全新的教育改革推動之下，大多數(shù)高校對于實驗的重視性逐漸提升，但同時也會受到基礎設施建設薄弱的制約。這在客觀程度上造成了學生實踐操作機會較少，無法將所學知識落到實處的困境。實際上對于無機化學而言，實驗教學為內(nèi)容核心，從基本技能操作到基礎分析是一個環(huán)環(huán)相扣、循序漸進的過程。可以根據(jù)課堂上所學知識，通過實驗進行技能廣度和深度的提升，才能夠培養(yǎng)學生自主學習的興趣并實現(xiàn)研究精神以及探索精神的提升。在AR移動端虛擬實驗室的輔助之下，學生可以實現(xiàn)自由操作，將理論課程和實驗性的內(nèi)容相結(jié)合，在預習和討論中形成自主學習能力，開發(fā)勇于探索的實踐精神，同時也為進行實際的實驗操作奠定基礎。
2.2與傳統(tǒng)實驗操作相互促進
虛擬實驗操作是一項全新的技術(shù)，是科學發(fā)展的深度體現(xiàn)，融合了多媒體、計算機AR技術(shù)以及網(wǎng)絡技術(shù)于一體，也克服了傳統(tǒng)實驗模式當中設備不足、設施老化的問題。同時為更多的學生提供更多的實踐機會以及知識體系的擴展，也是當前多元化教學模式的切實呈現(xiàn)。眾多高校因為成本投入的問題，很難實現(xiàn)對實驗操作設備的及時更新，而在無機化學實驗過程中，眾多精密實驗操作儀器成本極高，所以想要達到一人一機的獨立操作是非常困難的，對于AR移動端虛擬實驗室而言，會根據(jù)科學的發(fā)展以及教學體系的更新及時完成軟件升級，完善操作系統(tǒng)，能夠在提供真實、生動、逼真實驗效果的同時保證學生操作機會，并在預習和融合理論基礎的同時鍛煉自身分析能力和解決問題的能力，在有效的分析應用的過程中實現(xiàn)傳統(tǒng)實驗和虛擬實驗結(jié)構(gòu)的驗證。2.3利于綜合性人才培養(yǎng)有人說虛擬仿真實驗是紙上談兵，空有理論基礎卻難以形成直觀地體驗，并不能完全代替?zhèn)鹘y(tǒng)實驗的真實客觀性操作；有人說，傳統(tǒng)實驗是真刀真槍，想要完成科學地分析達到真正的研究目的還需通過傳統(tǒng)實驗操作來實現(xiàn)。但實際上AR移動端虛擬實驗和傳統(tǒng)實驗各具優(yōu)缺點，是一個相輔相成、相互促進的關(guān)系，AR移動端虛擬實驗通過熟悉操作流程，抓住知識重點為傳統(tǒng)實驗的操作提供基礎，能夠?qū)崿F(xiàn)學生創(chuàng)新能力、思維拓展能力的提升，幫助其形成科學研究意識；傳統(tǒng)實驗通過加強操作能力，提升掌握能力，為AR移動端虛擬實驗提供驗證，能夠?qū)崿F(xiàn)學生領(lǐng)悟能力、開發(fā)能力的提升，幫助其建立實踐出真知的思維。所以在日常教學活動中，可以將二者進行有效結(jié)合，建立一個全方位的教學體系和多元化的評價體系，才能夠從整體上提升教學進程實現(xiàn)學習評估進階，在二者的融合發(fā)展以及相互促進中達到培育綜合性人才的目的。
3基于AR的移動端無機化學實驗預習軟件設計
3.1開發(fā)設計基礎
AR技術(shù)衍生于VR基礎之上，擁有一定的沉浸感和交互感，構(gòu)建了一個虛擬與現(xiàn)實融合的世界，能夠帶來新鮮感更能增強體驗感。整個移動端AR無機化學實驗系軟件的設計和開發(fā)，構(gòu)建的是一個便攜虛擬的化學實驗環(huán)境，進行仿真實驗時擁有眾多的化學儀器也可以實現(xiàn)裝置藥品的自由添加，不僅能夠真實形象地展示各種化學實驗成果，更能提供準確的數(shù)據(jù)記錄并進行智能分析，滿足無機化學教學的預習需求。整個設計流程以資料搜集、模型制作、UI設計以及交互設計為根本流程，資料的搜集過程中，本款軟件以《無機化學實驗》教材為腳本參考，對各個單元的知識點進行歸納整理構(gòu)建單元菜單；模型制作的過程通過對實驗儀器的測量形成參考，用3DsMax作為建模軟件，建立三維虛擬實驗室同時優(yōu)化FBX文件；UI設計的重點在于各個操作界面的設計結(jié)合動畫、圖片以及整體顏色搭配來形成完整的布局；交互設計的程序較為復雜，利用Unity3D制作交互模型，通過VuforiaSDK搭載AR功能完成軟件設計開發(fā)。整個無機化學實驗軟件包含基本功能介紹、實驗流程演示、仿真實驗操作以及實驗結(jié)果討論四個模塊，提供的是更為全面的無機化學實驗預習[2]。
3.2軟件平臺組成整個移動端
AR及化學實驗預習軟件的構(gòu)建由六部分組成，分別擁有不同的功能：①編輯功能：該功能對無機化學教學過程當中涉及的圖形、文字、符號、圖表等行編輯形成課件，保存在軟件平臺當中以便提供虛擬演示。②素材庫：素材庫的選取以《無機化學實驗》為基礎搜集實驗過程當中使用到的各種圖片、視頻、動畫、文本等素材，并保證用戶在操作過程當中可以自由掌控各種素材。③同步操作：該功能與《無機化學實驗》課本當中實驗操作同步，記錄課本當中實驗操作的全部過程，能夠提供虛擬操作。④構(gòu)建工具：構(gòu)建工具能夠保證用戶根據(jù)需求進行實驗流程的設計，工具當中包含完備的素材庫，用戶在操作過程中只要按需求進行組裝就能實現(xiàn)實驗裝置的配置。⑤輔助工具：輔助工具提供的是整個實驗過程中操作所需要的各種模型以及計算軟件，例如計劃學、計算器、元素周期表以及分子模型工具等。⑥仿真工具：仿真工具以AR技術(shù)為根本，按照實驗操作規(guī)律自動生成實驗工具，能夠?qū)崿F(xiàn)虛擬信息和現(xiàn)實操作的疊加。
3.3軟件模塊功能
①主界面：移動端AR實驗預習軟件設計的主界面以簡單美觀利于操作為主、利于識別為主，實際上該主界面實現(xiàn)的也是一個目錄的功能，其主要的建立目的就是促使學生可以通過主界面形成正確的實驗預習引導。②實驗教學模塊：實驗教學是預習軟件構(gòu)建的核心，其根本宗旨在于幫助學生掌握基本理論和基本概念，培養(yǎng)其觀察思考以及解決問題的能力，同時在對實驗操作觀摩的過程當中完成操作重點的掌握而達到良好的預習效果。實驗教學模塊進行設計以《無機化學實驗》教材為基礎，通過合理規(guī)劃進行內(nèi)容拆分，每個單元配備基本功能介紹、實驗流程演示、仿真實驗操作以及實驗結(jié)果討論的功能，形成有效的化學實驗預習內(nèi)容體系，學生通過手機端點擊完成實驗操作，整個過程當中學生既能模擬操作又能自主設計，同時獲取科學的指導和真實的反饋。仿真實驗操作建立在AR基礎上，可以進行場景識別也可以通過流程圖的掃描顯示立體虛擬操作。整個仿真實驗操作系統(tǒng)包含基本介紹、實驗流程、開始實驗以及實驗討論四個步驟。基本功能介紹模塊包含的是各單元知識點的歸納以及實驗目的原理的介紹，同時也含有各類實驗儀器試劑操作的注意事項；實驗流程構(gòu)成最為復雜，包含的層次更深，能夠清楚地呈現(xiàn)出實驗的操作步驟，學生可以通過AR識圖進行掃描進入仿真世界觀看操作流程，通過開始實驗的點擊完成整個虛擬操作的全部過程，并在討論部分進行分析思考強化實驗理解。
3.4主要技術(shù)
①AR技術(shù)：AR技術(shù)是整個化學預習軟件構(gòu)建的重點，仿真系統(tǒng)的建立通過開始按鈕的點擊進入實驗步驟，選擇的仿真界面，只要進行手機掃描通過AR識圖即可調(diào)用手機攝像頭進行，并通過互聯(lián)網(wǎng)后臺的建設展現(xiàn)詳細的信息，在圖像疊加的過程當中為學生展示更加立體真實的環(huán)境，通過進一步的點擊完成整個實驗操作過程。②移動平臺：本款無機化學實驗預習軟件適合應用于android平臺，可以安裝在智能手機上使用，突破了PC端虛擬實驗軟件的限制，實現(xiàn)更為方便快捷的教學[2]。
4基于AR的移動端無機化學實驗預習軟件設計的操作應用
4.1無機化學實驗
無機化學在理工科教學過程當中擁有著重要的位置，作為化學領(lǐng)域的重要分支與有機化學相對應，主要進行的是無機物組成性質(zhì)、結(jié)構(gòu)以及反應的研究。無機化學實驗是驗證無機化學理論、實現(xiàn)科學探索的有效途徑。能夠幫助學生在實驗當中獲得感性知識，深度掌握課堂基本理論以及各種實驗的操作方法和技巧。而在此過程中通過有效的實驗預習，不僅能夠提升實驗完成效率，更能加深直觀印象保證良好教學效果。近年來，化學仿真實驗室的建設逐漸走進了眾多高校，與傳統(tǒng)實驗室相比有著明顯的優(yōu)勢，在國內(nèi)外都得到了十分重視。基于AR的移動端無機化學實驗預習軟件的設計開發(fā)，符合當今信息時代飛速發(fā)展的趨勢，是教育變革的必然也是教育教學的良好輔助[3]。
4.2實踐操作
以中國大學生計算機設計大賽全國二等獎——“水解法制備納米氧化鐵”實驗模塊為例進行移動端AR無機化學實驗預習軟件的應用分析探討：納米氧化鐵是一種多功能材料，具有良好的光學性質(zhì)、磁性以及催化性，如今已經(jīng)被廣泛應用于磁性材料、生物醫(yī)學、催化劑以及顏料領(lǐng)域當中。主流的制備方法有水熱法、微乳液法以及水解法等。通過水解法進行納米氧化鐵的制備有著工藝簡單、無污染且產(chǎn)物分散性能好等優(yōu)點。在通過AR實驗預習軟件進行“水解法制備納米氧化鐵”實驗操作時能夠有效避免具體實驗中的危險，能夠極大提升實驗成功率。在對軟件的應用過程當中，首先打開App進入主界面，在主界面會看到關(guān)于“水解法制備納米氧化鐵”實驗的全部知識點，接下來點擊進入實驗內(nèi)容，通過基本介紹流程圖的觀看完成實驗要點、操作注意事項、操作流程的進一步的了解。接下來點擊實驗，可以進行仿真實驗，通過具體操作步驟選擇進入具體實驗流程，通過AR虛擬圖像的疊加展示進行分步操作處理。在對操作步驟學習完成之后可以通過數(shù)據(jù)擬合界面點擊曲線繪制進行實驗數(shù)據(jù)的處理，該過程簡單易行，避免了煩瑣操作，保證了實驗結(jié)果的準確無誤性。整體過程完成之后，可以點擊實驗討論按鈕進入結(jié)果討論思考的環(huán)節(jié)，該環(huán)節(jié)當中實現(xiàn)了信息的互聯(lián)和共享，有助于學生進行群體討論實現(xiàn)共同進步。
5結(jié)束語
對基于移動終端無機化學實驗預習軟件設計進行了詳細的探討，并對其實踐應用結(jié)果進行驗證，表明該軟件作為無機化學基礎教學實驗的輔助軟件，能夠有效提升預習效率，解決實驗難題，并在抽象的文字當中幫助學生建立整體知識框架和直觀理解。同時，該軟件的應用不受時間和空間的限制，可以有效提升學生的積極性，值得推廣使用。
參考文獻
[1]程晶.芻議高中化學實驗教學的方法與策略[J].青少年日記（教育教學研究），2018（7）：191.
[2]周思潔，彭曉曉，陳良朋，等.基于AR的移動端無機化學實驗預習軟件設計[J].實驗室科學，2021，24（4）：83-87.
[3]時愛菊，張坤，牟少敏.無機化學虛擬仿真實驗室的應用與探索[J].山東化工，2020，49（08）：217-218.
作者:劉曉丹 單位:山東現(xiàn)代學院