国内外VR/AR技术在化学教育的应用研究述评

陈嘉欣 占小红 杨笑

摘要： 通过多元分析方法对国内外VR/AR技术在化学教育的应用进行主题提炼、热点及发展趋势分析。研究表明： VR/AR技术在化学实验教学、远程教学中的应用、技术或系统的开发及设计、对学习者的影响研究是国内外共同关注的研究主题;教学模式、教学方法或策略等方面的变革是国内特有的研究聚焦点。

关键词： VR/AR技术; 化学教育; 比较研究; 共词分析

文章编号： 10056629（2022）01000807

中图分类号： G633.8

文献标识码： B

1 引言

随着信息技术的发展，虚拟现实技术在教育教学领域的应用逐渐兴起，使教与学出现了更加多元化模式，虚拟现实技术被视为未来2～3年解决深度学习矛盾的关键技术[1]。《国家教育事业发展“十三五”规划》指出，要综合利用人工智能等信息技术来探索未来教育教学的新模式[2]。

虚拟现实（VR）是一种采用计算技术生成逼真的视觉、听觉、触觉一体化的特定范围的沉浸式交互环境[3]。增强现实（AR）作为VR技术的拓展，是将计算机形成的虚拟信息叠加到真实场景，使人们在视觉、听觉、触觉等方面增强对现实世界的体验，具有虚实结合、交互性、浸润性等特点[4]。

VR/AR技术作为一种能将化学抽象知识可视化、情境化的工具，能帮助学生从宏观、微观等多层面认识化学。同时，虚拟仿真环境为学生提供了反映真实实验的情境，给予学生参与科学实践的机会。因此，VR/AR技术在化学教学中逐步开始应用并日趋深入。

近十年來国内VR/AR技术在教育领域的应用研究逐年升温，但VR/AR技术与化学教学融合的研究还缺乏教学应用的系统化研究[5]，这在一定程度上阻碍了我国化学教学的改革和创新，梳理和明晰国内外有关VR/AR技术与化学教学融合的研究现状十分必要。

共词分析方法是一种量化的内容分析方法，与一般的内容分析方法相比，其优势在于它更为客观，能较好地克服传统文献研究法偏主观、定性归纳的弊端，能直观地呈现出领域的研究热点、主题及趋势[6]。本研究采用可视化的共词分析法，对近十年国内外VR/AR技术在化学教学领域的应用研究进行对比分析，揭示国内外该领域研究的差异，并聚焦国内该领域的研究热点及未来趋势，为未来我国VR/AR技术融入化学课程研究提出启示。

2 研究设计

本研究的英文文献以Web of Science核心合集数据库作为数据来源，检索条件为TS=（"Virtual Reality" OR "Augment Reality" OR "Virtual laboratories" OR "VR" OR "AR" OR "Enhanced Visualization" OR "GestureBased Computing" OR "3D Printing" OR "3D Printed" OR "ThreeDimensional Printing "OR "Wearable Technology" OR "Virtual Assistants" OR "Virtual and Remote Laboratories"） AND TS=（Chemistry）。中文文献以中国知网（CNKI）作为数据来源，以“虚拟现实”或“增强现实”或“虚拟仿真”或“VR/AR”或“VR”并含“化学”作为主题词进行检索，中外文献的检索时间均限为2010年至2020年11月。通读每篇文献的标题、摘要、关键词等，发现一些与本研究无关的文献，如VR/AR技术在其他领域的应用或只涉及化学教育但与VR/AR技术完全无关的文献等，人工筛除后获得有效中文文献317篇、英文文献111篇。

利用现代统计技术中的社会网络分析、聚类分析等多元分析方法，归纳出该领域的研究热点、主题与发展趋势。

3 数据处理与分析

3.1 高频关键词确定

首先，借助Bicomb共词分析软件进行关键词的提取，人工合并筛选后确定中文文献的高频词为34个，英文文献的高频词为30个，其中国内外关键词频次为10以上的约十个，因此选取前十个关键词初步研究领域热点，如表1所示。国内外VR/AR在化学教学的应用均关注在高等教育的研究，主要以实验教学为主，国外在基础教育的应用也是研究热点，国内则未出现基础教育相关高频词，说明国内VR/AR在基础教育的化学实验教学应用的研究较薄弱。此外，国内研究关注VR/AR技术带来的教学改革;国外则强调VR/AR技术对学习者实践学习的影响。

3.2 研究主题提炼——聚类分析

仅靠高频关键词无法揭示各个研究热点之间的联系，借助SPSS对高频关键词进行聚类分析，可以提炼出研究主题，聚类结果如图1（a）（b）所示。

3.2.1 国内研究主题

主题1： 虚拟实验教学促进人才培养的研究。该主题包括虚拟仿真实验教学、创新能力、人才培养、实践教学等关键词。研究主要借助虚拟实验开展实践教学，达到培养学生的实践能力、自主创新能力等未来人才培育目标。如王梅等人构建了针对条件控制类实验的高中探究性化学虚拟实验系统及对应的设计模式，并以“对H2O2分解速率的影响因素”虚拟实验为例来说明该教学模式可以培养学生的联想思维，而联想思维在该模式中又可以激发学生探究兴趣，培养创新思维，增强对化学知识的理解等多方面的作用[7]。

主题2： 基于VR技术的化学实验教学研究。该主题包括实验教学、教学改革、教学模式、应用等关键词。VR技术在国内化学教学中的应用主要以虚拟实验为主，因此该主题主要关注开发相应的VR技术应用于实验教学及带来的化学实验教学变革。如李中强以制备乙酸乙酯及工业合成氨等高中化学实验为例，展示了VR技术的安全、环保、门槛低等优势，阐述了能利用VR技术讲清实验原理;进行虚拟实验操作;支持反复观看进行实验总结等具体开展步骤，有助于学生的实践能力及学习兴趣的提升[8]。

主题3：“互联网+”时代基于虚拟现实的混合式教学方法研究。该主题包括教学方法、在线课程、线上线下教学等关键词。在互联网背景下，无机化学、物理化学等化学学科分支领域的教学中慕课等在线课程以及虚拟仿真实验平台逐渐兴起，“线上+线下”教学方法打破了时空的限制，成为独立的研究热点。如许文菊等人开发了分析化学虚拟实验平台并设计了基于平台的分析化学实验翻转课堂教学模式，即课前借助平台理解实验原理，多次虚拟操作练习，课中进行真实实验，课后获取教学评价与反馈的教学模式，能节约课中讲解时间，最大程度避免和克服学生在理解实验原理和重难点、熟悉关键操作、数据记录与处理等环节存在的经常性和普遍性问题，能有效提升教学质量[9]等。

主题4： 基于信息技术的高等教育实验室建设研究。该主题包括Unity3D、实验室建设、高校、高职等关键词。实验室的信息化建设作为教育信息化研究的一项重要内容，同样属于VR/AR平台或系统的开发及设计研究，但主要集中在从Unity3D、 VRML等信息技术的角度来探讨高等院校的实验室信息化建设的可行性、开发及应用等方面的研究。如苏学军等介绍了基于VRML与3D MAX构建的大学化学虚拟实验平台，能让学生学习实验机理、仪器的工作原理及使用方法并进行仿真操作，师生与生生之间可以在平台上进行交流互动，不仅满足教学需要，还能为远程教学及学生自主学习和继续教育提供条件[10]。

3.2.2 国外研究主题

主题1：“互联网+”背景下VR/AR技术对学习者的影响研究。该研究主题包括互联网或基于网络的学习、基于多媒体的学习、远程教学或自学等关键词。研究方向主要以基于VR/AR技术的化学教学系统设计开发及对学习者影响的效果研究。如Merchant等人构建了3D桌面虚拟现实环境对学习者特征（即感知和心理变量）的影响模型，帮助提高了桌面虚拟现实环境的有效性，以增强空间能力及科学成就，并发现基于3D虚拟现实的教学对于提高学生的化学成绩是有效的[11]; Ling等人通过基于增强的沉浸式现实技术对11年级的学生的“气体定律”知识进行测试，发现该程序能促进学生对关键知识的理解及学习化学的兴趣[12]。

主题2： 借助VR/AR/3D打印技术促进学生的实践学习/动手操作研究。当今化学教学越发强调对学生实践动手能力和探究能力的培养，实践学习/操作性学习从VR/AR/3D打印技术对学习者的影响研究中独立出来，成为一个单独的研究主题。该主题包括实践学习或操作性学习、跨学科或多学科等关键词。该主题的研究探讨了借助VR/AR技术让学生通过动手操作来获得沉浸感，培养学生的动手实践能力。同时，由于许多课程的设置越来越多学科化，需要相应地开发实践学习活动。如Ferrell等人设计了一种教育性VR活动——iMDVR应用于有机化学课程，该活动可以展示化学概念并引导学生操纵探索虚拟空间中的动态分子，结果表明该活动能提高学生的沉浸感和动手实践能力，帮助学生理解化学概念，通过对学生的访谈发现大部分学生对该活动呈积极态度[13]等。

主题3： 化学教学中的虚拟技术开发研究。该主题主要包括虚拟现实、虚拟实验室、增强现实等关键词。主要探讨了用于化学教学中的各种虚拟技术的“灵活性”或“定制性”开发。如Sampaio等人开发了一个可自定义的虚拟化学实验室平台@UMa，教师在该平台可以自主定制实验方案并让学生在该平台中执行和验证实验，改变大多数平台只能根据固有的程序来组织教学，可以满足教师多元化的教学需求，并且能相应地跟踪学生，满足学生的学习需求和克服学习困难[14]; Erdem等人创建了一个框架，使虚拟化学实验室之间能实现通信和交互，实现不同平台与资料之间的共享，实现更加灵活的教学[15]。

3.2.3 国内外主题的对比分析

通过聚类分析发现，国内外研究存在一些共同的主题： （1）VR/AR技术在化学实验教学中的应用研究;（2）VR/AR技術远程教学的应用研究;（3）VR/AR技术或系统的开发及设计研究;（4）VR/AR技术对学生的影响研究。

在共同主题中，研究成果也存在着一定的差异，如VR/AR技术对学生的影响研究主题中，国内更多为理论研究，而国外侧重学生学习效果、态度及动机等实证研究;对于VR/AR技术或系统的设计及开发研究主题，国内研究主要针对某一平台或系统的开发，而国外更关注技术开发层面的灵活性及定制性等。

此外，国内研究特有的主题有： （1）VR/AR技术与化学课程融合的教学模式、方法等改革研究;（2）基于VR/AR技术的高等教育仿真实验室建设研究。国外研究特有的主题有： VR/AR/3D打印技术支持下的跨学科/多学科领域的应用融合研究。

3.3 研究热点分析——社会网络图谱识别

为了更好地把握研究热点，借助Ucinet 6.0社会网络分析软件生成国内外研究高频关键词社会网络图谱，并采用中介中心度进行中心性可视化分析，如图2（a）（b）所示。

3.3.1 基于关键节点分析

图2（a）的国内社会网络图谱中，除了中心词“虚拟现实”外，教学改革、实验教学、教学模式等关键词的节点较大且距离中心词较近、连线较粗，说明当前国内主要关注以VR技术为支撑的化学实验教学模式等变革研究。图2（b）的国外社会网络图谱中，实践学习/操作性学习、高中/入门化学、一年级本科生、二年级本科生等关键词的节点较大，并且这些词共同形成以“实践学习/操作性学习”为核心的研究类团，表明当前国外主要关注对中、高等教育学生在互联网环境下学习范式的转变及实践能力的培养。

3.3.2 基于整体属性分析

从图谱的整体来看，可以看出国内图谱以“虚拟现实”为核心词，与“实验室教学”“教学改革”等构成核心层，国外图谱以“实践学习/操作性学习”为核心词，与“基于计算机的学习”“高中/入门化学”“跨学科/多学科”等构成核心层，核心层构成的主题结构是该领域的研究热点;国内图谱中如“实践教学”“人才培养”“中学化学”等关键词，国外图谱中如“远程教学/自学”“探究式/发现式学习”等关键词处于图谱的边缘层，反映了当前该研究领域的薄弱之处，可能发展时间不长或研究热度较小，但可能成为将来的关注方向。

3.3.3 基于中心性分析

在社会网络图谱中，当点度中心度、接近中心度较低，中介中心度较高的关键词节点则代表着未来的发展趋势[16]。在UCINET中获得关键词的三种中心度的数值，导入excel中得到三种中心度的簇状柱形图，如图3（a）（b）所示。

根据图3（a）（b）选取符合点度中心度、接近中心度较低，而中介中心度较高的关键词，如国内关键词“教学改革”、国外关键词“基于互联网的学习”。通过对国内外所有高频关键词进行分析可以得到符合该要求的关键词，国内包括教学改革、化学实验、教学模式、教学设计、实践教学、在线课程、线上线下教学、创新能力等关键词，表明国内未来的研究方向为基于VR/AR技术的化学教学变革方面的研究，具体包括开展以促进学生创新能力发展的实验、实践教学改革研究以及在线课程或线上线下混合教学模式变革研究。国外包括互联网/基于互联网的学习、基于多媒体的学习、跨学科/多学科、虚拟现实、3D打印等关键词，表明国外未来的关注方向主要为学生学习方式的转变研究，这也是当前国外研究的热点，具体包括学生借助互联网/多媒体/计算机等硬件或软件使用VR/AR/3D打印技术实现跨学科/多学科教与学等方面的研究。

4 研究结论

本研究采用可视化的共词分析法，对近十年国内外VR/AR技术在化学教育的应用研究领域的研究现状及热点进行分析，发现国内外该领域的研究热点、薄弱点及发展趋势有共同之处，也存在一定的差异，主要呈现出以下三点特征：

4.1 均重视VR/AR技术在化学学科的教学应用研究，但侧重点不同

VR/AR技术在化学教育中的应用研究逐渐转向教学研究，成为当前及今后的研究热点。但国内外侧重点有所不同，当前国内研究侧重于改进教师的教学工作，主要聚焦于具体的教学模式、方法或策略等变革。国外更侧重于VR/AR技术中对学生学习的影响，主要关注借助技术来促进学生的实践学习、探究式学习等学习范式的转变。

4.2 均聚焦于应用效果研究，但关注的层面略有不同

辅之以技术的使用促进学生学习结果的达成是国内外研究共同的目标。当前国内研究更多地从理论层面进行探讨，缺乏大量实证研究的证明，且对应用效果的实证研究主要关注相关的技术或系统对学生学习效果的影响，仅有极少部分的实证研究涉及对学生态度或动机等非认知因素的影响。国外对于VR/AR技术的应用效果研究多为通过实证研究来对系统的可用性和实际的教学效果进行验证[17]，且对学生学习结果的评价显示出更加多元化的倾向，除了关注学习者的学习效果外，也关注了技术使用下学生的学习态度、动机及学习范式等方面的改变。

4.3 研究主题系统化，但研究深度有待挖掘

当前国内外VR/AR技术在化学教学的应用领域的研究都较为系統，VR/AR技术在化学实验教学、远程教学中的应用、技术或系统的设计及开发、对学习者的影响等方面的研究是国内外共同关注的研究主题，体现了VR/AR技术在化学教学应用研究的系统化特征。国内的VR/AR技术在化学教学的应用虽然形成了较为系统化的研究主题，但研究深度仍有待挖掘。通过对比国内外研究主题的共同点和差异性，可以发现国内研究需要从理论层面的探讨拓展到相应的实证研究、对学生学习效果的分析需要更加地多元化、在技术开发层面需要更具灵活性等，做到研究广度和深度共同发展。

5 研究启示

VR/AR技术在我国化学教学领域的应用仍处于浅层阶段，其理论和实践层面仍具有很大的发展空间。

5.1 加强VR/AR技术在中学化学教学的应用

由于化学学科的抽象概念、微观知识和空间结构等教学内容对于刚接触化学的中学生而言存在一定的学习困难。借助VR/AR技术能帮助学习者拓展多维空间，有效激发对化学的学习兴趣，同时对中学课堂中有限的教学条件下提供拓展的实验教学资源。我国VR/AR技术在中学教学中的应用较少，在后续的研究中应加强VR/AR技术在中学化学的教学应用研究，如NOBOOK、 ChemLab等属于桌面式虚拟现实的虚拟实验室软件，可应用于难以在课堂实施初高中化学实验;ELEMENT 4D等AR软件配合相应的纸牌或书籍等，能在物质微观结构教学和实验教学起三维呈现、虚拟结合、沉浸学习等重要作用。这两类技术所需要的成本较为低廉且实现技术较为简单，便于在化学教学中应用。而对于一些设备条件允许的学校还可以使用沉浸式虚拟现实技术，采用头盔、传感手套等交互设备的作用下进行概念、原理、结构、实验等化学教学，帮助学生获得沉浸式互动体验，

调动学生学习化学的兴趣。

5.2 加强基于证据的教学实证研究

VR/AR技术在化学课堂中应用的教学效果是我国研究中较为缺乏的研究领域。当前国内外该领域的实证研究主要采用问卷法、纸笔测验法和访谈法来了解学生的态度、动机等及教学干预前后学业成就等的变化情况。在后续的研究可以借鉴对作业及在线交互记录等资料，使用对学习模式进行跟踪研究的内容分析法及课堂观察法等，加强基于证据的VR/AR技术应用的多维度实证研究，为VR/AR技术在化学教学应用的可持续发展提供强有力的数据支撑。

5.3 加强评价体系多元化设计

为了促进学生化学学科的深度学习，除了要求学生掌握核心知识外，需要培养学生的批判理解、迁移应用、问题解决等方面的能力。除了对学习者成绩的影响，融入新兴技术后学生学习的态度和动机等的改变也可能成为影响学习效果的因素，今后研究中要更多

关注对学生深度学习能力的要求，综合考虑学生态度、动机等多方面的因素，探索构建科学有效的基于VR/AR技术的评价体系，实现评价的多元化。

5.4 加强硬件定制化、软件开放化，实现资源的共建共享

由于不同学科所需要的技术硬件或有所不同，需要加强硬件的化学学科定制化开发，这也需要化学教师提高技术应用及开发设计能力，根据自己的教学需求设计、开发化学VR/AR应用。此外，当前我国仍无法实现VR/AR教育平台和系统之间的资源共享，需要不断探索和完善，从而实现资源的高度共享。

参考文献：

[1]NMC. Horizon report [OL]. 〈http：//cdn.nmc.org/media/2016nmchorizonreportheEN.pdf〉.

[2]国务院关于印发国家教育事业发展“十三五”规划的通知[J]. 中华人民共和国国务院公报， 2017， （5）： 43～74.

[3]张建武， 孔红菊. 虚拟现实技术在实践实训教学中的应用[J]. 电化教育研究， 2010， （4）： 109～112.

[4]汪存友， 程彤. 增强现实教育应用产品研究概述[J]. 现代教育技术， 2016， 26（5）： 95～101.

[5]高嵩， 赵福政， 刘晓晖. 国外虚拟现实（VR）教育研究存在的问题与启示[J]. 中国电化教育， 2018， （3）： 19～23+73.

[6]李亚员. 国内慕课（MOOC）研究现状述评： 热点与趋势——基于2009—2014年CNKI所刊文献关键词的共词可视化分析[J]. 电化教育研究， 2015， 36（7）： 55～60.

[7]王梅， 张学军， 唐久磊. 基于“探究性化学虚拟实验”的联想思维能力的培养[J]. 实验技术与管理， 2014， 31（7）： 108～111.

[8]李中强. 虚拟现实技术支持下高中化学实验教学的开展[J]. 教学与管理， 2018， （31）： 61～63.

[9]许文菊， 杨文婷， 周星星， 赵健敏， 柴雅琴. 分析化学实验翻转课堂教学模式设计（第1部分）[J]. 西南师范大学学报（自然科学版）， 2018， 43（7）： 176～179.

[10]苏学军， 赵媛， 张纪磊， 江炎兰. 基于Web的三维仿真虚拟实验室构建[J]. 实验技术与管理， 2011， 28（8）： 183～185.

[11]Merchant Z， Goetz E T， KeeneyKennicutt W， et al. The learner characteristics， features of desktop 3D virtual reality environments， and college chemistry instruction： A structural equation modeling analysis [J]. Computers & Education， 2012， 59（2）： 551～568.

[12]Ling C， Ruta D， Qassem L， et al. Augmented Immersive Reality （AIR） for Improved Learning Performance： A Quantitative Evaluation [J]. IEEE Transactions on Learning Technologies， 2020， 13（2）： 283～296.

[13]Ferrell J B， Campbell J P， Mccarthy D R， et al. Chemical Exploration with Virtual Reality in Organic Teaching Laboratories [J]. Journal of chemical education， 2019， 96（9）： 1961～1966.

[14]Sampaio P， Mendona， Roberto， Carreira， Sílvia. Learning chemistry with VirtualLabs@Uma： a customizable 3D platform for new experimental protocols [J]. 2014. 71（3）： 1129～1155.

[15]Erdem M B， Kiraz A， Hü， et al. A conceptual framework for cloudbased integration of Virtual laboratories as a multiagent system approach [J]. Computers and Industrial Engineering， 2016， 102（C）： 452～457.

[16]占小紅， 宋蕊， 徐冉冉. 基于共词分析的国内外中小学教材研究热点、 主题与发展趋势[J]. 全球教育展望， 2019， 48（1）： 113～128.

[17]徐鹏， 刘艳华， 王以宁. 国外增强现实技术教育应用研究演进和热点——基于SSCI期刊文献的知识图谱分析[J]. 开放教育研究， 2016， 22（6）： 74～80.