虛擬現實技術在中學化學實驗教學中的應用

王春

摘要：結合中學化學學科教學實例，重點介紹虛擬現實技術的基本特征、教學優勢以及在化學實驗教學中的具體應用，并對今后如何有效開展虛擬現實技術支持下的實驗教學提出了幾點思考。

關鍵詞：虛擬現實技術;化學實驗教學;實驗演示

文章編號：1005-6629（2021）05-0064-05 中圖分類號：G633.8 文獻標識碼：B

1問題的提出

2019年11月，教育部印發的《關于加強和改進中小學實驗教學的意見》中指出，教師在今后的教學中應注重將傳統實驗教學與現代新興科技進行有機融合，切實增強實驗教學的趣味性和吸引力，提高實驗教學質量和效果。對于因受時空限制而在現實世界中無法觀察和控制的事物和現象、變化太快或太慢的過程以及有危險性、破壞性和對環境有危害的實驗，可用增強現實、虛擬現實等技術手段進行呈現。由此可見，新時代背景下的中學化學實驗教學迫切需要在傳統實驗教學模式的基礎上變革教學方式，有效融合信息化技術手段，增強實驗演示效果，克服傳統實驗的局限性。隨著信息技術的不斷發展，虛擬現實技術在中學化學實驗教學中正發揮其獨特優勢，并能在學生進行實驗探究活動上起到關鍵的作用，因此，積極探索虛擬現實技術在中學化學實驗教學中的應用具有一定的研究價值和意義。

2虛擬現實技術概述

2.1虛擬現實技術的基本內涵

虛擬現實（Virtual Relity，簡稱VR）是20世紀末發展起來的一門涉及眾多學科的高新技術。它綜合利用計算機圖形學、光電成像技術、傳感器技術、多媒體技術、人工智能和人機交互等多種技術，創建一個栩栩如生的具有視覺、聽覺、觸覺、嗅覺、味覺等多種感知的計算機虛擬現實系統（如圖1所示），體驗用戶借助數據手套、頭盔顯示器、鼠標、鍵盤等交互設備沉浸于虛擬環境之中，與虛擬環境進行交互，從而產生如同真實環境的感受和體驗。

2.2虛擬現實技術的基本特征

1993年世界電子年會上，美國科學家本德（Grigore C.Burdea）和科菲特（Philippe Coiffet）共同發表了“虛擬現實系統及其應用”（Virtual Reality systems and applications）一文，文中提出了虛擬現實技術的三個極為顯著的特征：（1）沉浸性（Immersion），指體驗者處在虛擬環境中，如同沉浸在真實環境中，在自我感知上具有同樣的感受，仿佛是身臨其境。沉浸性是虛擬現實技術中最重要的特征。（2）交互性（Interactive），指體驗者處于計算機生成的這種虛擬環境中，通過專門設定的外部連接的傳感設備（虛擬現實設備）使其產生一種如同在真實環境中直接與對象發生溝通與交流的感覺，與虛擬環境進行交互，從而達到和真實客觀世界中一樣的感受效果。（3）構想性（Imagination），指體驗者在虛擬建模環境中根據所獲信息和行為，通過邏輯推理等復雜思維過程充分發揮其想象力，擴大認知范疇，從而較為深層次地認識和理解系統運行機理與運行規則，獲取自己對事物的感受和理解，實現理性與感性的高度融合。

3虛擬現實技術在中學化學實驗教學中的優勢

3.1將抽象晦澀的知識變得直觀形象

中學化學實驗教學的重點和難點在于講解和剖析實驗原理，在傳統的常規實驗教學過程中，對于較為抽象的實驗內容，很多教師希望用簡單易懂的詞語講解，達到深入淺出的目的，但往往會適得其反，無法全面系統地將實驗原理進行深度剖析。而虛擬現實技術的應用，可以很好地構建一種模擬環境，將實驗原理及實驗過程等內容以直觀形象的形式呈現出來，讓學生能透過現象看本質，有效地突破了學生的學習障礙。

3.2有利于節省實驗資源及實驗成本

在中學化學實驗教學中，教師和學生要完成完整的真實實驗需要實驗場地、大量的實驗器材及實驗藥品等，因為實驗耗材成本較大，很多學校可能無力承擔，導致學生實驗學習受限。另外，很多實驗藥品不能重復使用，導致每一次實驗都會造成不同程度的浪費。虛擬現實技術的應用緩解了實驗條件不足和實驗需求大之間的矛盾，借助含有相應軟件的計算機就能完成一個完整的實驗，學生還可以多次進行重復實驗，極大節省了硬件設施成本和資源成本，克服了學校資源短缺的困難，為更多地區學校進行實驗教學創造了有利條件。

3.3創建了靈活的實驗學習方式

傳統的學生實驗操作通常在實驗室進行，教師的演示實驗也局限于教室和實驗室;傳統的實驗教學往往是授課教師根據教材所安排的實驗教學內容設置相應的課時，學生只能在固定的時間內進行學習。將虛擬現實技術應用于化學實驗教學中，能讓學生借助計算機或相應移動設備，可以在教室、實驗室、微機房甚至是課外、家里進行實驗探究，教師和學生可以借助虛擬實驗教學平臺進行交流互動，使得學生的學習方式和教師的教學方式更加靈活和高效。

3.4提升了實驗的安全性

在中學化學實驗內容中，很多實驗因為實驗藥品自身的毒性和易燃易爆性對學生和教師的實驗安全有較大影響，并造成環境污染。將虛擬技術應用于實驗教學中，則可通過三維技術制作的高度仿真實驗，有效地避免有毒氣體的逸出以及火災和爆炸性事故的發生，讓學生在綠色化的環境下進行實驗探究，無需擔心實驗試劑、實驗器材和自身的安全問題。

4虛擬現實技術在中學化學實驗教學中的應用案例分析

隨著信息技術的快速發展，虛擬現實技術已廣泛應用于基礎教育理科實驗教學中，并在教學中發揮較為重要的作用，較好地促進了實驗教學的發展。下面結合虛擬現實技術在中學化學學科中的應用實例探討虛擬現實技術在中學化學實驗教學中的應用價值。

4.1轉變傳統教育模式，促進學生進行自主探究學習

因為長期受傳統教學觀念及應試教育的影響，教師在教學過程中過分關注學生的考試成績，教學中注重對教材理論知識的講解，忽視學生的實踐動手能力和創新精神，這種教育觀念和教育模式，較為嚴重地束縛了學生的思維，不利于學生的全面發展。新課程理念下的教學模式倡導教師在教學中積極開展探究性學習活動，主張學生在教師的引領下根據教學內容進行小組交流和合作探究。例如：在初中化學“燃燒的條件”教學中，常常因為實驗操作不夠便利、實驗藥品管控限制等原因使得教師在教學過程中往往只能根據教材實驗裝置圖進行分析講解，這種局限性導致學生對實驗內容和實驗原理理解不夠深刻，實驗操作能力和實驗創新思維不能得到很好的訓練和發展。借助虛擬現實技術實驗研究平臺，教師可以通過任務驅動方式，引導學生根據相關實驗內容進行實驗設計，自由搭建實驗裝置，自主探究物質發生燃燒需要具備的條件，并且可以多次進行驗證和操作（如圖2所示）。由此可見，虛擬現實技術在化學實驗中的應用，能很好彌補傳統實驗分組探究的局限性，有效地促進了學生的自主探究，全面提升了學生的實驗動手能力和創新思維能力。

4.2有效實現宏微結合，促進學生對知識的深入理解

在中學化學實驗教學中，有很多實驗涉及到微觀粒子的運動，傳統實驗很難通過現有的儀器進行探究和演示，這部分實驗內容因為較為抽象，導致學生在知識的理解上遇到較大的困惑。借助虛擬現實技術將宏觀現象進行微觀化仿真模擬，能有效展示構成物質的空間結構，并能動畫模擬微觀粒子在一定條件下的運動，有效突破教學難點。例如：在高中化學“酸堿鹽在水溶液中的電離”章節中涉及到食鹽晶體溶解過程的講解，學生雖然很熟悉生活中常見的食鹽，但對其晶體結構及其在水中溶解的過程很難通過肉眼去觀察和理解。借助虛擬現實技術很好地模擬了食鹽從宏觀晶體到由鈉離子（Na⁺）和氯離子（Cl^-）微粒構成的空間結構，同時用動畫模擬了食鹽晶體加入水中，在水分子的作用下溶解并發生解離，鈉離子（Na⁺）和氯離子（Cl^-）脫離晶體表面進入水中，與水分子形成能夠自由移動的水合鈉離子和水合氯離子的全過程（如圖3所示）。由此可見，虛擬現實技術在化學微觀粒子運動實驗中的應用，能很好地將微觀現象作宏觀化展示，有效地促進了學生對某些抽象內容的理解，突破了學生學習的障礙。

4.3突破空間地域限制，規避實驗安全風險

在中學化學實驗教學中，有很多實驗涉及工業生產模擬，因受實驗空間的限制，學生很少有機會親臨工業生產基地去參觀，了解工業生產的基本流程。因此，對于這方面的實驗教學內容，教師往往停留在理論知識講解的層面，學生也很難去進行實驗操作探究相關實驗原理。另外，在中學化學實驗教學中，還有很多實驗屬于危險系數較高的實驗，學生在進行實驗時可能會由于操作不慎或其他原因，使人身安全或儀器設備安全受到威脅或造成損失;對于一些高危險類的化學實驗，一般也不會安排學生去體驗。例如，在初中化學“金屬的冶煉”高爐煉鐵一節，重點介紹了實驗室通常用有毒氣體CO還原Fe₂O₃模擬工業上煉鐵。但在實際教學中，學生很難深入到煉鋼廠進行參觀和體驗，了解工業冶煉鐵的全過程，對此知識的理解不夠全面和深入，在探究工業煉鐵的基本原理的實驗上也會因為操作的復雜性和cO的毒性僅停留在理論分析上。借助虛擬現實技術可以模擬工業煉鐵的真實場景，并在探究CO還原Fe₂O₃的過程中可以從實驗正常操作進行動手實踐，也可以驗證假設實驗進行錯誤操作時造成的硬質玻璃管炸裂的場景（如圖4所示）。由此可見，虛擬現實技術在中學化學實驗中的應用，可以很好地突破時間和空間的限制，對工業生產流程和一些高危險性實驗進行有效模擬仿真，全過程展現了工業生產情景和原理，并有效避免了實驗安全事故的發生。

4.4突破時間進度限制，提升課堂教學效率

在中學化學實驗教學中，有很多實驗需要較長時間才能產生實驗現象和生成實驗結果，而現實的課堂教學時間有限，教師在課堂上操作演示這類實驗費時費力，也不容易得出相關的實驗結論，導致教師在處理這類實驗時往往以傳授知識為主，學生只能被動接受和記憶，不利于學生思維能力的發展。例如，在初中化學“金屬的腐蝕”這節內容中，教材以金屬鐵為例介紹金屬發生銹蝕需要具備的幾個條件。教師在教學過程中若要讓學生深切體會到金屬鐵發生銹蝕需要具備的幾個條件時，需要借助實驗探究每個條件對金屬鐵發生銹蝕產生的影響，而這些條件使金屬鐵發生銹蝕需要較長的時間，課堂上很難進行演示實驗。借助虛擬現實技術可以進行建構實驗場景，讓學生首先進行實驗方案設計，然后親自動手探究不同條件下金屬鐵發生腐蝕的實驗過程，并可通過虛擬仿真實驗觀看不同時間內金屬鐵發生銹蝕的實驗結果（如圖5所示）。由此可見，虛擬現實技術在中學化學實驗中的應用，可以很好地跨越時間的限制，能在較短時間內讓學生清楚地觀察到金屬鐵生銹的全過程，大大節省了實驗時間，提升了課堂效率。

5虛擬現實技術在中學化學實驗教學中應用的幾點思考

虛擬現實技術在中學化學實驗教學中雖然有著信息技術上的優勢，但其呈現方式畢竟停留在模擬和仿真層面，不能真實地再現化學實驗現象和實驗結果，因此，在中學化學實驗教學中，需要將傳統化學實驗與虛擬現實技術進行融合。現就虛擬現實技術在我國中學化學實驗教學中的應用提出幾點思考。

5.1應注重虛擬現實技術與傳統實驗進行有效融合

將虛擬現實技術合理應用到中學化學實驗教學中的確有其優勢所在，但應注意不能用虛擬仿真實驗完全代替真實實驗，走進實驗室仍然是進行實驗教學的主要形式，虛擬現實技術只能作為一種好的補充手段。實驗教學的魅力就在于，在實際操作過程中總會出現一些意想不到的實驗現象，得到意料之外的實驗結論，以此為契機，激活學生的思維，促進學生的思考，幫助學生在真實問題的解決中獲得進步。而虛擬仿真實驗是運用信息技術手段和相應軟件設置好的實驗程序，并且實驗場景處于理想狀態，與學生的真實實驗體驗和思維發展相比還是存在不足的。因此，教師在實際教學過程中需要注意充分發揮傳統真實實驗和虛擬仿真實驗各自的優勢，做好虛實融合，相互補充，凸顯虛擬現實技術在實驗教學中的應用價值，促進實驗教學質量的提升。

5.2應注重挖掘虛擬現實技術在實驗教學中的價值

當前，中學化學實驗教學中研發出來的虛擬仿真實驗產品大多是按照教材實驗內容進行仿真設計和動畫模擬展示，沒有充分考慮到虛擬現實技術在實驗中應用的價值功能，導致很多可以用傳統實驗進行演示且實驗效果不錯的實驗采用虛擬現實技術進行模擬，讓學生逐漸喪失很多觀察真實的實驗演示效果的機會，一味停留在虛擬想象的空間，不利于學生實驗素養的培養。因此，虛擬仿真實驗產品的研發需要一線教師根據實驗教學的實際需求首先確定主題，進行腳本設計，然后交給相關產品研發公司進行開發和制作，再由教師在教學中進行實踐檢驗，并進行產品完善。真正體現虛擬現實技術在中學理科實驗教學中應用的必要性，充分發揮虛擬現實技術在化學實驗教學中的功能價值。

5.3應注重創建完整的虛擬仿真實驗管理平臺

當前，中學化學實驗教學中某些虛擬仿真實驗的應用大多停留在已有的虛擬實驗產品在教學過程中的呈現和操作，并未很好地實現教師和學生的互動，也不能對學生的探究性實驗活動進行評價，更沒有真正實現互聯網平臺下虛擬現實技術與實驗教學的深度融合。因此，需要創建完整的虛擬仿真實驗平臺，既有利于學校教務對實驗教學進行規范化管理，方便教師實驗備課、資源下載、作業批改、成績評定、操作點評，還能方便于學生在課外或家里隨時隨地進行實驗探究操作練習，真正實現學生課前預習、課后練習，并及時獲得教師的在線指導。

綜上所述，將虛擬現實技術應用到中學化學實驗中是教學改革和時代發展的必然趨勢。隨著科學技術的發展，需要進一步優化虛擬現實技術，將虛擬現實技術與實驗教學進行深度融合，充分發揮其在中學化學實驗教學中的應用價值，提高學生對化學實驗的學習興趣和動手操作的實踐能力，培養更多創新型與應用型人才，全面深化我國基礎教育化學實驗教學的改革。