VR技術與中學化學教學

許維群

摘 要：VR是一種類似于潛水的沉浸式體驗，能夠創建與現實社會類似的環境，讓人們主動經歷、親身感受世界。在高中化學學習中有些知識涉及微觀粒子，它們用肉眼看不見，有些實驗有一定的危險性，或者有些反應速率過慢，有些反應條件過于苛刻，這些問題目前可以采用視頻、圖片配合教師的描述解決，但因為學生沒有親身感受，有些知識理解起來還不深刻。上述的問題可以通過VR技術，讓學生有直觀的感受，從而更好地理解相關知識。

關鍵詞：VR（virtual reality，虛擬現實）技術；中學化學；教學

一、VR技術簡介

虛擬現實（Virtual Reality），簡稱VR技術，也稱人工環境。 它利用電腦或其他智能計算設備模擬產生一個三度空間的虛擬世界，可以認為，虛擬現實技術綜合了計算機圖形技術、計算機仿真技術、傳感器技術、顯示技術等多種科學技術，在多維信息空間上創建了一個虛擬信息環境，提供用戶關于視覺、聽覺、觸覺等感官的模擬，讓用戶如同身臨其境一般，可以及時、沒有限制地觀察三度空間內的事物。

二、虛擬現實進入中學化學教育的優勢

1.拓展化學學習的多維度空間

虛擬現實可以打破時間和空間的限制，比如在學習教材中的科學視野“可燃冰”時，我們可以讓學生暢游在深海中去探尋可燃冰，近距離地觀察它的結構，甚至用手觸摸和感知。又比如，我們在學習“工業制取硫酸”的時候，學生可以身臨其境地觀察每個工藝流程，每一個細節。

2.激發學生學習化學的興趣

直觀體驗更能激發學習者的學習興趣。最近，我們學校引進了VR技術，建立了VR教室，我們在講解“金屬晶體的原子堆積模型”這部分知識時，就用了VR技術輔助教學。通過使用虛擬現實技術裝備，學生跟著老師進入虛擬的原子世界，動手嘗試堆積原子模型，尋找配位數，選取晶胞，“好玩”“有趣”“簡單易理解”是孩子體驗之后的普遍評價。將虛擬現實引入教學，讓學習游戲化、情境化，激發了學生主動學習的興趣。

三、虛擬現實與中學化學教學結合的實例

我們的具體操作如下：

1.課前準備

（1）集體備課。我們課題組的老師先確定課題，接著集體備課。然后與VR團隊的技術人員共同討論本節課中需要用虛擬現實技術展現的知識。

（2）VR技術制作。此階段完全是由VR團隊的技術人員完成的，此階段因為技術含量高，所以耗時最長。

2.教學實施

我們將高二年級四個同層次的理科班分成兩組，高二3班和高二8班按照原來的方式，應用圖片、乒乓球模型學習；高二5班和高二7班用虛擬現實技術學習。對于原子在二維平面的堆積，四個班的同學都很容易理解，原子在三維平面的堆積3班和8班的學生反映比較抽象，不好理解。而采用VR技術的5班和7班的學生則進行手動操作，放錯了可以重新再來，也有語音提示正確和錯誤。學生通過動手，通過多方位的切換視角觀察（視角不僅可以換方位、換角度，還可以放大和縮小），比較容易和清晰地完成了金屬原子的四種堆積方式，也比較順利地提取出了簡單立方堆積、體心立方堆積和六方最密堆積的晶胞，但不能自己提取面心最密堆積的晶胞，不過通過技術的幫助，學生能理解面心晶胞的提取。因為對晶胞有比較深刻的理解，學生在計算晶胞中的個數、配位數和原子的空間利用率時都能較好地解決。

3.檢測評價與反思

學習完成后，我們對這四個班就此節知識出題考查，結果如下表所示。

我們打算過1個月以后，再針對這節知識進行測試，檢測采用不同的方式教學學生的遺忘率如何。

四、虛擬現實與中學化學教學的結合面臨的具體問題及解決措施

1.硬件技術的局限

目前設備使用不便、硬件的處理速度遠不能滿足在虛擬世界中實時處理大量數據的需求。學生上課需要戴頭盔，有部分學生反映頭盔帶久了感覺頭暈，眼睛不舒服，在操控按鈕時也不熟練。

2.制作一個VR課件太費時

想制作出和教學內容高度匹配的VR課件需要精通教學和計算機的人才，但目前對于我們學校來說這是一個最大的難題。目前，我校和四川師范大學正在聯合制作VR課件，這就能很好地解決這個問題。

3.效果不夠理想

在虛擬現實的感知方面，有關視覺合成方面的研究較多，對聽覺、觸覺關注較少，真實性、實時性不足，基于嗅覺、味覺的設備還沒有實現商品化。此外，在交互效果方面，虛擬現實技術與人的自然交互不足，在語音識別、人工智能方面的效果尚不能令人滿意。

總之，VR虛擬現實可以改變我們的生活和教育，讓學習變得更加生動有趣。對于化學學科而言，它可以讓學生和老師近距離地體會微觀的世界，放手去做很多不敢嘗試的實驗，不限時間、地點地進入虛擬的化學實驗室，從而有更多機會體會化學的美。