虛擬現實技術在化學實驗教學中的應用探索

陳芮 楊天林

摘 ?要 基于虛擬現實技術及其在化學實驗教學中的獨特優勢，針對傳統化學實驗教學中存在的不足，通過整合虛擬現實技術應用于化學實驗教學的優勢，以一氧化碳還原氧化鐵為例，探索虛擬現實技術在化學實驗教學中的應用，以期為一線教學提供借鑒和參考。

關鍵詞 虛擬現實技術;虛擬教學;化學實驗教學;情境教學;一氧化碳還原氧化鐵;虛擬實驗室

中圖分類號：TP391.9 ? ?文獻標識碼：B

文章編號：1671-489X（2020）11-0109-03

1 引言

虛擬現實（Virtual Reality，簡稱VR）是一種基于多媒體計算機技術、傳感技術、仿真技術的沉浸式交互環境[1]。VR技術的三個最突出的特征是沉浸性、想象性和交互性。

虛擬現實技術是數字圖像處理與模式識別、智能技術、多媒體技術、語音處理與音響技術、網絡技術、傳感器技術等多個信息技術分支的集成與綜合應用[2]。同時，虛擬現實技術融合了心理學、計算機圖形學、數據庫、控制學、實時分布系統、電子學、多媒體技術等[3]。也就是說，虛擬現實技術是對多種技術的綜合應用與多學科的融合發展，相比于傳統的虛擬仿真技術構建的扁平的二維環境，其構建的虛擬環境是多維度的、立體的，更接近于現實環境。基于虛擬現實技術的人機交互也更生動、自然、逼真，能最大限度給人以身臨其境的感覺，人們可以沉浸在虛擬世界中全身心地感受虛擬世界與自身的互動。

虛擬教學是基于VR技術在虛擬空間中進行教育學習的一種新型教學模式，即運用VR技術構建一個虛擬的學習環境，通過對知識點客觀、真實的模擬重現，使教師和學生在虛擬環境中完成教與學的全過程[4]。

2 虛擬現實技術應用于化學實驗教學的優勢

化學實驗教學是化學教學的重要組成?？梢哉f，化學學科的發展是以實驗為基礎的。從化學學科發展歷程來看，化學實驗是探索物質性質的重要研究方法[5]。同時，化學實驗也是學生進行探究學習的重要途徑。通常，在進行化學探究實驗之前，學生要通過查閱文獻和書籍來設計實驗方案或對已有實驗方案進行改進;在實驗過程中，學生要自主地通過積極思考、深入探究、相互協作來解決可能遇到的各種困難;實驗結束后，學生要進行數據分析和實驗反思，總結規律與經驗。化學實驗可以培養和發展學生的創新能力、團隊合作能力、交流能力、社會責任感和信息素養。

然而，當前化學實驗教學中依然存在諸多問題，例如：欠發達地區的學校往往化學實驗設施器材落后、藥品種類不全;教師不重視化學實驗教學，幾乎不進行化學實驗教學，學生死記硬背實驗原理、實驗步驟、實驗注意事項等知識點以應付考試;實驗教學僅限于按照書本完成實驗步驟，缺乏思考與探究的過程;有些化學實驗或具有一定危險性，或反應所需時間過久，或反應條件苛刻，或反應現象不明顯，不適合進行化學實驗教學。

隨著虛擬現實技術的發展，VR逐漸走進人們的生活，走入學科教學[6]。將VR技術應用于化學實驗教學，不僅可以很大程度上解決以上問題，還能夠提高實驗教學的效率，激發學生對實驗的探索興趣。VR技術應用于化學實驗教學的優勢主要表現在教學環境虛擬化、教學過程情境化、教學知識集成化、學生學習自主化四個方面。

教學環境虛擬化 ?虛擬教學，簡單地說，就是通過多種先進技術構建一個虛擬的、交互的、接近于現實環境的學習環境，學生可以通過與虛擬環境互動獲得體驗與知識，由此達到教學目的的一種教學手段。虛擬現實教學中的教學環境是非現實存在的，也就避免了現實環境條件、時間、空間對于教學的限制。傳統化學實驗教學往往不可避免地受限于教學條件，如實驗的時間、空間有限，實驗器材與實驗藥品價格昂貴與損耗嚴重，某些實驗的反應條件苛刻，等等，都在一定程度上限制了教學。利用VR技術構建的虛擬教學環境可以通過解決現實條件限制問題增加學生學習實踐的機會，從而提高學習效率。

教學過程情境化 ?情境教學是指學生在創設的真實情境中通過問題探究和問題解決，達到自主學習知識、建構意義的目的的教學[7]。情境教學認為知識只有在情境中才產生意義，情境構建是意義建構的必要前提，而意義建構是學習的目的。也就是說，學生需要通過情境主動建構知識，從而達到意義建構的目的。

虛擬教學環境的特征是沉浸性、想象性、交互性，其虛擬環境是逼真的、生動的、直觀的、互動良好的。學生沉浸于虛擬環境中可以感受多維的感官刺激，獲得近似真實的實踐體驗，以此主動地進行知識建構。因此，VR建構虛擬環境是實現情境教學的有效手段之一。化學實驗情境化可以更有效地幫助學生深化對化學與生活、生產之間關系的認識，拓寬學生對化學實驗的認知，激發學生對化學的興趣，提升學生的化學核心素養。

教學知識集成化 ?虛擬現實系統通過計算機將圖像、圖表、音頻、視頻和動畫等進行復雜集成，以人類認知特點為基礎構建教學環境，組織和展現教學知識，體現了知識信息的形式及內容的多樣性和復雜性，為學生提供動態、開放、自由的結構化認知形式，有利于學生綜合掌握和運用所學知識[5]。

傳統教學往往僅聚焦于化學學科，注重單一學科知識的系統學習，教科書以文字、圖片等方式展示實驗教學內容，展示方式是扁平、生硬的。學生難以有效地建構情境并將所學新知識與已有經驗建立聯系，難以進行多學科融合學習。傳統教學方式不可避免地會造成學科之間的割裂，且不利于學生建立學科之間的邏輯關系。虛擬教學不僅可以生動展示化學學科基本內容，也能直觀地幫助學生認識到化學與其他學科之間的聯系，從而建立起綜合的知識結構，提高學生的創新能力與實踐能力。

學生學習自主化

一是激發學生的學習動機和興趣。劉德建提出，VR教學對于學校教育的主要作用就是激發學生的學習興趣[8]。學生可以通過VR體驗真實情境，在真實情境中進行教學能最大限度地激發學生的參與興趣，提高學生的學習效率。

二是增強學生的主體地位。虛擬教學是以學生為主體的教學。傳統教學往往有固定的教學順序，即教師講解，然后學生記憶、理解、練習，最終達到教學目的。學生在傳統教學中往往是被動接受的角色。而虛擬教學則更強調學生主動參與知識建構，學生在虛擬環境中可以自主選擇、自主思考、大膽探索，在自主思考、分析、歸納、綜合的過程中進行知識建構，從而達到教學目的。這將很大程度上解決學生死記硬背，難以學以致用、學習負擔重、學習效率低等教育教學問題。

3 應用案例設計：一氧化碳還原氧化鐵

一氧化碳還原氧化鐵實驗不僅要求學生掌握實驗原理、實驗裝置與實驗現象，也要求學生掌握其實驗操作的注意事項及其原因并能夠靈活應用與遷移。各省市中考化學試卷考查本實驗時，往往聚焦于實驗操作的注意事項，例如：反應開始前通入一氧化碳氣體與點燃酒精燈的順序及其錯誤操作的后果;反應結束后停止加熱與停止通一氧化碳的順序及其錯誤操作的后果;尾氣處理及其改進;防倒吸及其錯誤操作的后果;等等。

現實中進行一氧化碳還原氧化鐵實驗教學存在很多困難，例如：實驗需持續通入一氧化碳氣體，而一氧化碳有毒;實驗裝置存在爆炸的危險;實驗需進行尾氣處理，若尾氣處理不徹底，會產生安全隱患;實驗需在通風櫥中進行，學生觀察實驗現象不方便;實驗耗時較長;等等。基于以上原因，本實驗不具備課堂現場演示或學生操作的條件。因此，教師往往采取實驗視頻播放、動畫演示等方式進行教學，而學生往往通過口訣或死記硬背的方式來記憶實驗現象、點燃酒精燈與通一氧化碳的先后順序以及錯誤操作帶來的后果。此方法雖然安全性高、耗時短、簡單快捷，卻無法激發學生的探索欲望，難以增強學生學習動機，更談不上優化學生的學習體驗，培養其化學興趣。

利用VR技術構建虛擬的化學實驗室，學生在虛擬實驗室中體驗實驗操作，可有效解決以上問題。

VR實驗案例 ?利用3D MAX軟件進行實驗室相關模型的創建和場景搭建，搜集文字、語音等素材，以Unity 3D作為VR應用程序開發引擎，根據需要編寫程序，經過調試改善后連接硬件設備，即可進行虛擬實驗。虛擬現實硬件設備分為頭戴式、桌面式、手持式。其中，頭戴式虛擬現實設備應用較為廣泛，也更適合進行化學虛擬實驗操作。頭戴式虛擬現實設備包括頭盔顯示器、數據手柄、位置追蹤器等，如圖1所示。

以矩道3D虛擬實驗室為操作平臺，虛擬實驗室環境如圖2所示。在虛擬實驗室中，學生可以按照教科書實驗圖示連接實驗儀器，依照實驗步驟進行本實驗的操作，如圖3所示。除此之外，學生還可以對實驗進行進一步探索與試誤，如選擇嘗試先加熱氧化鐵，再通入一氧化碳。如此操作后，學生將會觀察到硬質玻璃管炸裂，并聽到爆炸的聲音，如圖4、圖5所示。

師生對話與教師的積極參與是教育活動的基礎[9]。技術互動并不能完全替代教師與學生的互動，VR作為化學實驗教學的有效補充，是為了幫助教師更好地進行教育教學。虛擬實驗結束后，教師可以組織學生進行交流、分析、總結和評價。

在虛擬實驗室中，學生根據自身需要，有的嚴格按照實驗步驟進行實驗，有的對實驗進行了進一步的探索、試誤或改進。例如：先加熱氧化鐵，再通入一氧化碳;或先通入一氧化碳氣體，再點燃尾氣處理處的酒精燈;或未完全冷卻便停止通入一氧化碳;等等。不同的實驗操作將會得到不同的實驗現象和實驗結果。

實驗結束后，教師組織學生以小組形式交流各自的實驗操作過程及實驗結果，討論分析出現相應實驗現象的原因，探究實驗的改進方法。交流討論結束后，教師組織進行匯總，引導學生歸納總結各種情況下的實驗現象與原因，并進行實驗反思，形成實驗報告。VR虛擬實驗教學應用于本實驗不僅培養了學生的動手能力，還增強了學生的主體意識，培養了學生的探究能力、思考能力、合作交流能力，提高了學生的實驗安全意識。

4 結語

虛擬現實技術作為一種新型技術應用于實驗教學，依然存在設備昂貴、行業標準不完善、教育資源開發難度高等問題，但是，其在實驗教學中的優勢仍是無可比擬的。隨著VR技術的發展與相關問題的解決，VR技術在實驗教學中的應用將進一步拓展。

參考文獻

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