素養(yǎng)導(dǎo)向下虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用

馬麗娟 楊正紅

【內(nèi)容摘要】結(jié)合化學(xué)學(xué)科與虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特點，探討如何根據(jù)化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)發(fā)展的需要，利用虛擬現(xiàn)實技術(shù)幫助學(xué)生形象化地認識物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)與化學(xué)反應(yīng)機理、設(shè)計并模擬化學(xué)實驗，進而培養(yǎng)學(xué)生宏微結(jié)合的意識與模型認知能力，促進學(xué)生科學(xué)探究能力與創(chuàng)新意識的發(fā)展，以期為化學(xué)教育工作者提供更多的教學(xué)資源和教學(xué)方向。

【關(guān)鍵詞】虛擬現(xiàn)實技術(shù) ?化學(xué)教學(xué) ?學(xué)科核心素養(yǎng)

化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)是化學(xué)學(xué)科育人價值的集中體現(xiàn)，對培養(yǎng)學(xué)生未來融入社會所需的必備品格和關(guān)鍵能力有著重要的影響。虛擬現(xiàn)實技術(shù)基于化學(xué)學(xué)科特點，通過營造自主學(xué)習(xí)的虛擬環(huán)境，讓學(xué)生在虛擬環(huán)境中與虛擬對象以各種方式產(chǎn)生交互，幫助學(xué)生感知、獲得、加工處理虛擬環(huán)境中的信息，彌補了傳統(tǒng)“離身”教學(xué)方式中出現(xiàn)的學(xué)生主體性失落、課堂教學(xué)形式化、工具化以及學(xué)生核心素養(yǎng)培養(yǎng)困難等不足，有力地促進了學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。本文將從虛擬現(xiàn)實技術(shù)的特征、在高中化學(xué)課堂教學(xué)中的應(yīng)用與問題進行論述，以期為虛擬現(xiàn)實技術(shù)在高中化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用提供借鑒。

一、虛擬現(xiàn)實技術(shù)及其特點

虛擬現(xiàn)實技術(shù)是利用三維多媒體信息處理系統(tǒng)，將現(xiàn)實事物各種變化過程進行逼真的視、聽、觸、動等多種感知功能描述，為實驗者提供生動逼真、多感觀一體化虛擬環(huán)境的技術(shù)。虛擬現(xiàn)實技術(shù)的仿真性、強交互性、開放性與多感官性能夠幫助實驗者打破時空局限，自由地進入逼真的實驗環(huán)境中進行具體的實驗操作，增強了實驗者捕捉、反饋信息的及時性與準(zhǔn)確性，為后續(xù)的學(xué)習(xí)與研究提供豐富的理論與實踐參考。其中桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)主要將計算機屏幕作為虛擬情境的觀測窗口，學(xué)習(xí)者通過計算機輸入設(shè)備與虛擬情境產(chǎn)生交互并獲得體驗，具有結(jié)構(gòu)簡單、價格低廉、操作方便的特點，在化學(xué)教學(xué)中運用最為廣泛，如Jmol、Blender、金華科仿真化學(xué)實驗室等。

二、虛擬現(xiàn)實技術(shù)在化學(xué)教學(xué)中促進學(xué)生核心素養(yǎng)發(fā)展的應(yīng)用

1.形象認識物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，培養(yǎng)學(xué)生微觀辨析與模型認知能力

以“分子的立體構(gòu)型”教學(xué)為例，傳統(tǒng)化學(xué)教學(xué)中教師普遍選擇利用圖片展示和球棍實物模型演示的方式幫助學(xué)生獲得感性體驗從而達到教學(xué)目的。但在實際教學(xué)中，由于實物教具較少，教師講授輔以少量演示的方式較為枯燥、抽象，對空間思維能力較弱學(xué)生的學(xué)習(xí)較為復(fù)雜、吃力。此外，學(xué)生座位與教師演示的空間距離也很大程度上影響著學(xué)生對演示模型的觀察。在課堂教學(xué)效率方面，啟發(fā)講授式和探究式教學(xué)均需要教師花費大量時間幫助學(xué)生進行理論推導(dǎo)，重復(fù)講解、分析共價分子空間構(gòu)型，兩種教學(xué)方式課堂效率較低。利用Jmol和Blender軟件可以向?qū)W生清晰地展示分子空間結(jié)構(gòu)和分子結(jié)構(gòu)運動軌跡。分子多維度動態(tài)的運動能幫助學(xué)生直觀地認識分子的微觀結(jié)構(gòu)與性質(zhì)的關(guān)系，啟發(fā)學(xué)生根據(jù)空間結(jié)構(gòu)模型推測并驗證特定共價分子的空間構(gòu)型。

由此可見，虛擬現(xiàn)實技術(shù)一方面能創(chuàng)設(shè)生動的情境，幫助學(xué)生獲得直接的感性體驗，深入理解物質(zhì)的結(jié)構(gòu)及組成，推測物質(zhì)性質(zhì)及其應(yīng)用，有利于發(fā)展學(xué)生宏微結(jié)合、基于認知模型進行推理的素養(yǎng)。另一方面，虛擬情境展示的動畫為教師的理論講解提供了感性支撐，學(xué)生能夠自由、自主地與虛擬情境產(chǎn)生交互，細致、高效地認識物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)，在做到教育公平的同時，也提高了課堂教學(xué)效率。

2.預(yù)演實驗方案，發(fā)展學(xué)生科學(xué)探究能力與創(chuàng)新意識

在進行氯元素及其化合物教學(xué)中，由于氯氣有毒危害較大，出于師生安全的考慮教師往往采用視頻、圖片、板書以及口述的方式代替實際的實驗操作。學(xué)生對氯氣性質(zhì)的探究性學(xué)習(xí)也被記憶化學(xué)方程式和實驗現(xiàn)象的機械學(xué)習(xí)取代，學(xué)生缺乏對化學(xué)實驗現(xiàn)象的感性認知，不利于科學(xué)探究能力的發(fā)展。一些教師雖然在課堂通過演示實驗幫助學(xué)生從實驗現(xiàn)象認識氯氣的相關(guān)性質(zhì)，但對學(xué)生觀察實驗時發(fā)現(xiàn)的新問題，通常采取“忽視”或直接講授解答學(xué)生疑惑的方式處理。實驗教學(xué)中無法給學(xué)生實驗探究的條件，只是讓學(xué)生課后改進設(shè)計環(huán)保型的實驗方案，改進方案得不到驗證，科學(xué)探究素養(yǎng)的培養(yǎng)流于形式。

利用金華科NO BOOK仿真化學(xué)實驗室不僅可以為師生創(chuàng)設(shè)安全、綠色的虛擬化學(xué)實驗環(huán)境，還可以給學(xué)生提供自主學(xué)習(xí)的條件。學(xué)生可以在課前認識實驗操作需要用到的試劑與儀器，對即將學(xué)習(xí)的化學(xué)實驗進行預(yù)演、分析與總結(jié)。課后反復(fù)演練實驗，反思總結(jié)實驗裝置與操作的不足，探究性地改進并驗證實驗方案。這不僅激發(fā)了學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)興趣，加深了對實驗操作與實驗原理的理解，提高了分析問題、解決問題與合作學(xué)習(xí)的能力，也使學(xué)生科學(xué)探究能力與創(chuàng)新意識的發(fā)展落到了實處。

3.搭建化學(xué)課堂與化工生產(chǎn)的橋梁，培養(yǎng)學(xué)生科學(xué)態(tài)度與社會責(zé)任

隨著STSE教育理念的提出，課程標(biāo)準(zhǔn)、教科書以及高考命題方向與化工生產(chǎn)的聯(lián)系越來越密切。但在實際的化學(xué)教學(xué)中，大多數(shù)學(xué)校出于對師生安全和經(jīng)濟方面的考慮，不能為師生提供參觀化工廠的條件，教師只能以少量教學(xué)圖片向?qū)W生介紹化學(xué)課程中大片段的化工知識。此外，由于化工知識科技性、綜合性較強，知識點龐雜，工藝復(fù)雜，離日常生活較遠等，學(xué)生對化工知識的學(xué)習(xí)普遍出現(xiàn)由于缺乏感性認識而難以理解化工生產(chǎn)原理的學(xué)習(xí)困難狀態(tài)。王希霞在工業(yè)制硫酸中運用動態(tài)仿真模擬技術(shù)制作水洗法二轉(zhuǎn)二吸流程動態(tài)仿真模擬界面。該模擬界面將工業(yè)制硫酸的各裝置和流程清晰地呈現(xiàn)在中學(xué)化學(xué)課堂，加強了化學(xué)與化工的聯(lián)系。教師能根據(jù)模擬的動態(tài)界面向?qū)W生詳細介紹工業(yè)制硫酸各流程的裝置、具體操作和基本化學(xué)反應(yīng)原理。學(xué)生也能通過模擬界面分析各環(huán)節(jié)反應(yīng)在經(jīng)濟、環(huán)境方面的局限，提出優(yōu)化反應(yīng)裝置的建議與方案，激發(fā)和增強了學(xué)生探究物質(zhì)性質(zhì)和變化的興趣，培養(yǎng)了學(xué)生嚴(yán)謹(jǐn)求實的科學(xué)態(tài)度和“綠色化學(xué)”的重要觀念，有利于學(xué)生科學(xué)思維與發(fā)散思維的培養(yǎng)。

三、總結(jié)與建議

虛擬現(xiàn)實技術(shù)作為現(xiàn)代教育前沿技術(shù)，在化學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用彌補了傳統(tǒng)化學(xué)教學(xué)的不足。直觀、形象的虛擬情境為提高學(xué)生化學(xué)學(xué)習(xí)興趣，促進學(xué)習(xí)方式轉(zhuǎn)變，發(fā)展各個維度的化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)提供了豐富的支撐材料，從科技創(chuàng)新的角度為未來化學(xué)教學(xué)的進一步發(fā)展提供了研究方向。但在化學(xué)教學(xué)中普遍單一采用桌面式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)，雖有簡便快捷、教學(xué)成本低的優(yōu)勢，但不能給學(xué)生帶來逼真的沉浸式體驗，后續(xù)還應(yīng)在化學(xué)教學(xué)實踐中開發(fā)實驗如頭戴式、洞穴式虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)。此外，在實際教學(xué)中教師也應(yīng)明確化學(xué)是一門以實驗為基礎(chǔ)的學(xué)科，虛擬現(xiàn)實技術(shù)只是一種輔助教學(xué)的手段，不能夠完全替代真實的化學(xué)實驗操作，學(xué)生設(shè)計并用虛擬現(xiàn)實技術(shù)預(yù)演后的實驗方案依然需要真實的化學(xué)實驗進行驗證。教師在給學(xué)生提供具象的感性認識的同時也應(yīng)注重培養(yǎng)學(xué)生的抽象思維能力和實驗操作能力，要使教師講授、化學(xué)實驗、虛擬現(xiàn)實技術(shù)形成合力，共同指向各維度化學(xué)學(xué)科核心素養(yǎng)的發(fā)展。

【參考文獻】

[1] 中華人民共和國教育部. 普通高中化學(xué)課程標(biāo)準(zhǔn)：2017年版[S]. 北京：人民教育出版社，2018：3-6.

[2] 王會亭. 從“離身”到“具身”：課堂有效教學(xué)的“身體”轉(zhuǎn)向[J]. 課程·教材·教法，2015，35（12）：57-63.

[3] 白濤. 新一代分子可視化軟件Jmol 及其教學(xué)應(yīng)用簡介[J]. 化學(xué)教育，2012 （11）：77-82.

[4] 李嘉. 虛擬現(xiàn)實技術(shù)在化學(xué)分子結(jié)構(gòu)教學(xué)上的應(yīng)用簡介[J]. 化學(xué)教育，2018，39（3）：49-54.

[5] 王希霞、陳繼生. 運用動態(tài)仿真模擬技術(shù) 優(yōu)化中學(xué)化工知識教學(xué)[J]. 化學(xué)教學(xué)，2017（6）：53-56.

[6] 樊藝?yán)佟⒍? 沉浸式虛擬現(xiàn)實技術(shù)在科學(xué)教學(xué)中的應(yīng)用述評[J]. 化學(xué)教育（中英文），2020（5）：84-90.

（作者單位：山西師范大學(xué)化學(xué)與材料科學(xué)學(xué)院;山西師范大學(xué)教師教育學(xué)院）