实验安全教育与增强现实技术（AR）结合的教学改革与实践

袁冰芯 李恒 贾加加

摘 要：增强现实技术（AR）可以将虚拟信息和真实环境叠加起来，具有交互式、沉浸式等优点，它可以将抽象的概念进行形象化、具体化。本文旨在探讨实验安全教育与增强现实技术（AR）结合交互教学改革与实践，而增强现实技术可以在实验教学中提供虚拟的环境和場景，使学生能够更加安全地进行实验，并且能够增强学生的学习体验和兴趣。本文将分析增强现实技术在实验安全教育中的应用。

关键词：实验安全教育；增强现实技术；改革与实践

一、概述

实验是科学研究和教学的重要手段之一，可以帮助学生更好地理解和掌握理论知识，培养学生的实践能力。然而，实验过程中也存在着一定的安全风险，如化学品的误用、电气设备的故障等。因此，在进行实验教学之前，必须对学生进行全面的实验安全教育，从而有效地预防实验事故的发生。为了提高实验安全教育的有效性和吸引力，研究人员和教育者开始尝试将增强现实技术（AR）引入实验室安全培训［1］。结合增强现实技术（AR）进行交互教学改革和实践，可以为实验安全教育带来新的思路和方法。

二、增强现实技术（AR）应用原理

增强现实技术（AR）最早于1990年被提出，随后经历了近30年的研究探索［2］。2009年全球首款增强现实浏览器被推出，能通过手机帮助用户获取当前环境的详细信息。［3］增强现实技术是一种将虚拟的数字信息与现实世界中的物体和场景相结合的技术。利用电脑图形图像技术、可视化技术将真实世界与虚拟世界进行“真实”结合的技术。［47］它可以提供虚拟的环境和场景，为学生带来更加生动、直观、互动的学习体验，并且能够增强学生的学习体验和兴趣。在实验教学中，增强现实技术可以提供实验环境、实验操作、实验过程的模拟和演示，以及实验数据的可视化和分析等功能［8］。

三、AR技术在实验安全教育方面的应用

AR可以提供与传统实验室学习方式不同的学习体验，为学生提供更加生动、丰富的实验环境和情境，使学习过程更具趣味性和吸引力。AR实验室安全培训系统是一个基于增强现实技术的实验室安全培训平台。学生可以通过智能手机、平板电脑或AR眼镜等设备运行该系统。系统利用AR技术将虚拟信息叠加到现实环境中，为学生提供了一种身临其境的学习体验。增强现实技术可以提供虚拟实验环境，使学生不必亲身参与实验，就可以进行实验的模拟和演示。在虚拟实验环境中，学生可以观察实验的过程和结果，并且能够进行实验数据的可视化和分析。这种虚拟实验环境可以有效地降低学生和教师的风险，同时也能够提高学生的学习效率和兴趣。AR技术在实验安全教育方面的应用有以下几个方面。

首先，AR技术可以模拟危险的实验场景，让学生可以在安全的环境中体验和学习如何正确地处理危险情况。通过AR技术，学生可以观察和分析危险物质的行为特征和反应过程，了解危险物质的特性和安全操作的要点，同时避免了实验过程中可能出现的危险和风险。在AR的实验环境中，学生可以随时观察、探究和学习，不受时间和场地的限制，不会因为实验设备受损而无法进行实验，同时还可以在实验中随时修改实验方案，提高实验教学的灵活性和实效性。

其次，在实验室安全培训课程中，教师可以利用AR实验室安全培训系统为学生提供模拟实验环境。在这个虚拟环境中，学生可以学习并实践如何正确使用实验器材、处理化学品、穿戴防护装备等实验操作。系统还可以模拟实验室中的潜在危险情况，如化学品泄漏、火灾等，帮助学生了解如何在紧急情况下采取正确的应对措施。

AR技术可以使实验教学变得更加生动有趣。通过AR技术，学生可以看到实验物质在实验中的行为和特性，可以更好地理解实验中的原理和过程，从而提高学生的学习兴趣和学习效果。AR技术可以使实验教学与游戏化教学相结合，通过丰富的视觉和听觉效果，提高学生对实验过程的参与度和主动性。

综上所述，AR技术在实验安全教育课程中的应用是非常有前途的。它可以提供更加生动、丰富、趣味性的实验环境和情境，让学生更好地理解实验的原理和过程，同时又避免了实验中可能出现的危险和风险。AR技术可以帮助学生更好地掌握实验技能，提高学生的学习效果和学习兴趣。

四、实验安全教育与AR技术结合的意义

实验室安全教育是非常重要的，因为实验室内存在着很多潜在的危险，如化学品泄漏、电击、火灾等。为了确保实验室工作人员和学生的安全，必须对实验室安全进行全面的教育和培训。AR技术结合实验室安全教育可以提供更加生动、直观和互动的学习体验，AR技术可以将虚拟的实验室场景与现实世界相结合，通过视觉和听觉等多种感官，使学生能够更加深入地了解实验室的危险和安全规范，提高学生的安全意识和实验技能。具体意义将通过以下几个方面进行阐述。

（一）帮助学生避免实验隐患

增强现实技术可以提供实验操作的模拟和演示，使学生能够更加熟悉实验的操作流程和技巧。在实验操作模拟和演示中，学生可以通过虚拟的场景和物体进行正确的实验操作，观察实验的过程和结果，并且能够进行实验数据的可视化和分析。但有些实验在反应过程中可能会产生易燃易爆气体，比如H2O2和KMnO4反应制氧气，在检验是否有氧气放出时，有时为了更好地观察到复燃现象，会使用纸条来代替木条。但是在复燃之后，纸条极易掉落到盛有氧气的试管中，这会使纸条剧烈燃烧，产生爆炸，造成安全事故。但是AR技术的应用可以将实验物品虚拟化，学生通过AR技术在虚拟场景中进行试验的学习，可以达到真实的效果。例如，有些反应过程会有有毒有害气体放出，但是AR技术在实验中的应用可以规避掉这一危险。这种实验操作模拟和演示可以有效地提高学生的实验技能和实验操作的熟练度，提高学生的学习效率和兴趣。同时，正确规范的实验操作可以大大降低实验过程中的安全隐患。

（二）提高实验技能

AR技术可以通过虚拟实验的方式来让学生在安全的环境下进行实验操作，从而提高学生的实验技能。在虚拟实验过程中，学生可以通过模拟真实实验的操作流程来进行实验，从而更加熟练地掌握实验技能。同时，AR技术还可以通过提供实验教学的反馈信息来指导学生进行实验操作，从而帮助学生更好地掌握实验技能。

化学作为一门科学研究的学科，需要学生有很强的动手操作能力，化学实验就成为我们检验真理和增加学生动手能力的一种重要手段。经过近几年的教学改革，化学实验成为学科教学中的必修科目。但化学实验中有许多难懂且复杂的实验操作，通过教师的讲述无法直观展示，或教师讲解内容过多，学生不能及时消化理解。这时我们可以通过AR技术将化学实验的相关内容制作成AR教材，当我们用移动设备，例如手机的APP进行扫描时，实验教材中静止的二维平面图便会展示正确的实验操作技能。通过AR技术，学生更加直观地、正确地看到实验的具体操，并且对相应实验知识的理解和实验技能的记忆便会更加深刻。只有规范的操作技能，才能有效规避实验风险。

（三）帮助学生掌握实验安全知识

在实验过程中，学生的实验安全意识十分重要。利用AR技术，可以将一些安全隐患和操作规范等信息通过虚拟现实的方式呈现出来，从而帮助学生更加深入地理解实验的安全性，从而减少实验事故的发生。同时，AR技术还可以通过虚拟实验的方式，让学生更加清晰地认识到一些危险物质的特性和使用方法，从而在实验过程中更加谨慎地操作，减少了实验安全问题的出现。

在传统实验安全教学中，教师的教学大多数是通过口述进行。这是因为在教学过程中不能够出现具有危险的教学行为，因此，他们的技能仅来源于教师的抽象描述。面对危险时需要把理论知识转化为行动，这使大部分学生不能够及时应对。但是增强现实技术参与，在实验安全教育中，可以使学生更加直观地观察到在面对危险时，应该如何处理，需要做出怎么样的应对措施。例如灭火器的操作，在传统实验安全教学中，教师只能模拟灭火器的使用：一提、二拉、三对准、四压。在没有专业消防员在场的情况下，不能进行真实演练。但是通过增强现实技术，学生可以更加直观地观察到，在面对火灾时应如何应对。当学生在实验过程中遇到危险时，能够快速回忆起应对画面，做出相应的应对措施。

（四）提高学生的学习兴趣和参与度

化学作为一门严谨的基础学科，需要学生有很强的动手操作能力。因此在化学学科学习中化学实验也就成为增强学生对化学学科学习兴趣的一种重要手段。虽然，近些年来化学实验在必修课中设置了实验课程，如增加化学趣味实验以及简单的化学小实验等，但学生的学习兴趣并没有被提高。这是由于学生实验的化学材料不具备，并且购买也很麻烦，无法做实验，学生的兴趣也就无从谈起。AR技术在化学实验中的成功应用就很好地解决了这一问题。在“镁条燃烧”实验中，镁条剧烈地燃烧，产生耀眼的白光。通过AR技术，模拟出来化学材料，通过对实验条件的设定，从而达到自己想要的实验效果。通过这一AR技术，吸引学生对学习化学的兴趣，激发学生对化学知识的求知欲望。

（五）实验数据可视化和分析

增强现实技术可以提供实验数据的可视化和分析，使学生能够更加清晰地了解实验数据的特征和规律。在实验数据可视化和分析中，学生可以通过虚拟的场景和物体进行实验数据的可视化和分析，观察实验数据的分布和变化，分析实验数据的特征和规律。这种实验数据可视化和分析可以有效地提高学生的数据分析能力和科学研究能力，同时也能够提高学生的学习效率和兴趣。

（六）降低培訓成本

传统的实验室培训需要投入大量的时间和成本。例如，为了进行化学实验的培训，需要购买实验器材和化学品，并安排专业人员进行培训。这些成本往往是很高的，而AR技术可以提供更便宜的培训方案。AR技术可以为学生提供虚拟实验室和实验操作的模拟，减少对实验器材和化学品等资源的需求，从而降低培训成本。

五、实验安全教育与AR技术结合的具体实施方案

第一，选择合适的AR平台和设备。目前市面上有很多AR平台和设备可供选择，如HoloLens、ARKit、Vuforia等，需要根据实验内容和学生需求选择合适的平台和设备。第二，需要设计合适的实验场景和模型。根据实验内容和学生需求，设计出合适的实验场景和模型，将虚拟信息融合到真实场景中，使学生可以在虚拟环境中进行实验。第三，设置合适的实验安全提示和演示。在虚拟环境中，设置合适的实验安全提示和演示，让学生了解实验过程中可能出现的危险情况，以及如何避免和处理这些情况。第四，引导学生进行实验和探索。在虚拟环境中，引导学生进行实验和探索，让他们自主发现问题和解决问题，从而培养他们的实验技能和创新意识。第五，评估实验效果和学生反馈。通过实验效果评估和学生反馈，不断改进和优化实验教学方式，提高教学效果和学生满意度。

六、结论

在本文中，我们探讨了实验安全教育与AR技术的结合，以提高实验室安全意识和技能。实验室安全是一项至关重要的任务，而AR技术的应用可以提供一种创新的方式来培养实验室安全文化。将AR技术应用于实验室安全教育，可以以视觉化的方式呈现实验室危险和安全措施，来使学生更好地理解实验室安全知识和技能。

AR技术的优势在于它可以提供互动和实时反馈。例如，在实验室安全培训中，学生可以通过AR技术模拟实验室中的危险场景，学习正确的安全程序，并在模拟场景中进行实时互动。这种实时反馈可以帮助学生更好地理解实验室安全知识，并在实践中熟练掌握安全技能。此外，AR技术也可以提供个性化的学习体验。由于每个学生的学习能力和需求不同，AR技术可以根据学生的学习进度和理解程度自动调整内容和难度，以提供最适合每个学生的个性化学习体验。这种个性化学习体验可以更好地满足学生的学习需求，促进他们的学习兴趣和积极性。在使用AR技术进行实验室安全教育时，我们也应该注意一些潜在的风险和挑战。例如，学生可能会过于依赖AR技术，而忽视实验室中的实际情况和环境。此外，AR技术需要专业人员来开发和维护，这也需要投入相应的人力和资源。

总的来说，AR技术的应用可以提高实验室安全教育的效果，为学生提供更好的学习体验，并促进实验室安全文化的培养。但是，我们需要谨慎地应用AR技术，并认真处理其中的潜在风险和挑战，以确保实验室安全教育的有效性和可持续性。

参考文献：

［1］萧铭桦，肖信，罗秀玲.基于移动增强现实技术的化学教学软件设计与开发［J］.化学教学，2020（2）：9397.

［2］刘舒雅，顾浩.基于增强现实技术的化学实验安全教育［J］.电子测试，2020，34（10）：116118.

［3］侯苗，李欢.增强现实技术在化学实验教学中的应用［J］.实验室科学，2021，39（02）：9498.

［4］张国栋，杨璞，姚志宏.基于增强现实技术的化学实验室安全教育［J］.化学试剂，2021，43（01）：1820.

［5］邵鹏，王新亮.增强现实技术在化学实验教学中的应用研究［J］.科技创新与应用，2021（13）：114115.

［6］梁金生.增强现实技术在实验室安全教育中的应用研究［J］.职业技术教育，2021（12）：129131.

［7］赵忠杰，赵鹏，王伟，等.增强现实技术在化学实验室安全教育中的应用［J］.化学教育，2021，42（01）：6064.

［8］于景晶，王珊珊.增强现实技术在化学实验教学中的应用［J］.教育教学论坛，2022，28（01）：4748.

项目基金：2021年郑州大学教育教学改革研究与实践项目（2021ZZUJGLX122）

作者简介：袁冰芯（1989— ），女，汉族，河南鹤壁人，理学博士，副教授，主要从事胶束催化和绿色化学转化相关研究工作；李恒（1986— ），男，汉族，河南新乡人，理学博士，讲师，主要从事金属有机化学和催化化学相关研究工作；贾加加（1999— ），女，汉族，河南郑州人，理学学士，主要从事胶束催化相关研究工作。