虛擬現實技術在高中化學實驗教學領域的設計與應用

王保安 蘇丹 李亞利 吳燕

（亳州市第三完全中學，安徽 亳州 236800）

化學是一門以實驗為基礎的學科，化學核心素養是化學學科育人價值的集中體現，對培養學生未來融入社會所需的必備品格和關鍵能力有著重要影響。虛擬現實技術基于化學特點，通過營造自主學習的虛擬環境，讓學生在虛擬環境中與虛擬對象以各種方式產生交互，幫助學生感知、獲得、加工處理虛擬環境中的信息，彌補了傳統“離身”教學方式中出現的學生主體性失落、課堂教學程式化、工具化、形式化以及學生核心素養培養困難等不足，有力地促進了學生化學核心素養的發展。

一、虛擬現實技術概述

我們所熟知的VR 技術，雖然出現時間不長，但是其應用領域卻日益廣泛，不僅影視娛樂、醫學領域會應用到VR 技術，與此同時，VR 技術在教育領域中的應用也日益普遍。通過將VR 技術引入教育領域中，能夠通過模擬真實的環境，促使學生對環境能夠具有較強的沉浸感，學生能夠在真實的情境中學習。VR 技術有幾個重要特征，具體如下：首先，VR 技術具有較強的沉浸性特征。借助虛擬現實場景，用戶仿佛置身于一個真實的世界，不僅能夠感受到觸覺、味覺、嗅覺以及運動方面的感官刺激，與此同時，還能促使用戶主動在虛擬的現實世界中沉寂，用戶能夠獲得真實的活動體驗，進而在真實的情境中完成相應的活動任務。其次，VR 技術具有較強的交互性特點。用戶身處于虛擬的空間之中，當觸碰到相關的物體的時候，希望能夠產生真實的感知體驗。與此同時，用戶在活動的過程中做出的某一個動作則往往也會使所觸碰到的物體的狀態以及位置發生變化，具有較強的交互性特點。最后，VR 技術具有多感知性特點。通過使用VR技術，能夠使人的多項感知能力得到有效激活，其范圍不僅包含上文中提到的嗅覺、味覺以及觸覺，同時也包含系統運動感知以及聽覺感知，而伴隨著相關技術的逐漸成熟，VR 技術的多感知性豐富程度也在逐漸提升，其應用范圍也會越來越廣泛。

二、虛擬現實技術應用于化學實驗的必要性和優勢

（一）必要性

將虛擬現實技術應用到中學化學實驗是課程改革的要求，在中國現行的《化學考試大綱說明》中，就寫了要求學生通過化學學習和化學實驗掌握分析問題的過程和成果，然后能夠用準確的術語進行文字、模型和圖表的分析和處理的能力。其中尤其強調了模型和模型方法這種科學思維方式和認識手段，能夠幫助學生理解一些抽象的化學概念或者分析一些化學現象，除此之外，通過模型法還能夠描述一些化學事實和對一些實驗進行科學預測，在學生的學習過程中尤為重要。其次，將虛擬現實技術應用于中學化學實驗是信息化教學發展的要求。隨著國家信息化水平的不斷提升，信息技術已經普遍運用于各個領域行業其中就包括教育領域，因為傳統的教育模式已經滿足不了新時期對教學效果的要求和期望，只有將新的信息技術應用到教學中才能適應學生的時代感和提高教學效率。并且隨著學校規模的擴大導致了學生數量的大幅增加，傳統的實驗器材已經不能夠滿足激增的學生數量，實驗器材的缺失必然會影響學生學習化學的興趣和效率。因此，虛擬現實技術應用于化學實驗是時代發展的趨勢。

（二）優勢

1.具有可重復性，提高實驗效率。利用虛擬現實技術學生可以通過計算機對化學實驗進行操作，熟悉實驗基本步驟和注意事項，為后期進行實踐時間時打下基礎和避免一些操作失誤，從而延長實驗器材的使用壽命。在化學實驗中具體實施虛擬現實技術，可以利用計算機程序對學生的模擬實驗步驟和過程進行考核，當學生對實驗的掌握達到一定程度時，通過模擬實驗也能引發學生對實驗的思考，結合模擬和具體實驗能夠過化學實驗有更深的了解和認識。

2.增強實驗操作體驗，節約資源。化學實驗是一個過程體驗感極高的過程，通過每個步驟都能發生肉眼可見的化學變化和現象，微弱的操作變化都能夠影響最終的化學現象，但是如果想要看到這些微弱的變化和差別，用真實的實驗儀器是極其浪費的，而且付出的成本和回報是不成正比的。但是通過模擬現實技術，這個過程能夠在計算機上被實現，不受到實驗室時間、空間和物品數量上的限制，并且能夠進行多次實驗，如果學生一次不能感受到化學變化的過程，在現實實驗中老師也是不會為了個別學生再重復進行一個實驗的，但是使用計算機模擬實驗就可以重復進行許多次。同時，虛擬實驗可以讓學生能夠直觀了解實驗器材的組建和現象，當實驗過程發生變化或者由于學生對實驗學習掌握的不全面導致某些實驗步驟沒有正確進行，那么在現實實驗中是極有可能造成實驗失誤導致學生有現實危險，但是在計算機上進行模擬操作就可以避免這些實驗風險，同時提醒學生注意實驗安全，能更有效地提高學生對實驗的學習效果。

三、高中化學實驗教學中影響學生實驗教學的因素

（一）教師對高中化學實驗的重視程度不高

相比傳統的教學理念而言，新課改對學生探究能力和思維能力培養的重視程度得到了明顯提升。盡管如此，仍有很大一部分教師還是堅守應試教育理念，十分重視學生的卷面分數。再加上化學實驗教學耗時比較長，而初中化學教學時間有限，為了達到“舍遠求近”的目的，有不少教師減少了學生動手操作的機會，親自動手演示，要求學生對實驗步驟和現象進行記憶。甚至還有少部分教師直接利用多媒體為學生展示實驗，通過“云實驗”的方式進行實驗教學。無論是哪種教學方式，都嚴重違背了化學學科科學性、探究性的本質，造成學生科學探究意識和能力無法得到有效發展。

（二）學生的學習動力和自控力有所欠缺

新課改下，自主學習、思考和探究的學習形式都到了大力提倡，有些教師也積極響應新課改的要求，給予學生充足的自主學習探究的時間和空間，但是最終的教學效果并不明顯。一方面是教師忽略了自身的引導作用，沒有及時給予學生正確合理的引導，導致學生無法順利地完成科學探究。另一方面是學生自身學習動力和自控力不足導致的，正處于荷爾蒙急速增長的時期，外界對其有著不可抗拒的吸引力，很容易在外界的左右下，出現各種不良學習行為。再加上他們自控能力差，不善于進行自我管理，學習態度消極等不良現象，這些因素都給高中實驗教學的效果造成了惡劣影響，從而阻礙了學生科學探究能力的發展。

四、虛擬現實技術在職業院校實訓教學中的應用分析

（一）形象認識物質微觀結構，培養學生微觀辨析與模型認知能力

選擇性必修課程“物質結構與性質”側重從物質結構、微粒間不同作用力的微觀角度分析物質性質，促進學生深入探析物質微觀結構與物質性質的關系。相關理論與模型的學習能夠豐富對物質構成規律的認識，提升學生根據認知模型進行理論推測，分析物質結構與性質的能力。以“分子的立體構型”教學為例，課程標準要求學生能夠結合實例認識特定分子的空間結構，運用價層電子對互斥理論、雜化軌道等理論與模型解釋、預測特定共價分子的空間結構，這需要學生具有較強的空間想象能力、抽象思維能力與模型認知能力。傳統化學教學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生獲得感性體驗從而達到教學目的。在課堂教學效率方面，采用啟發講授式教學需要教師花費大量時間進行理論推導，重復講解抽象知識、分析共價分子空間構型;采用探究式教學提供球棍模型讓學生自己推測分析的空間結構費時較多，且學生對于分子的空間結構依然停留在二維或三維的認識水平，兩種教學方式課堂效率較低。

（二）預演實驗方案，發展學生科學探究能力與創新意識

在進行氯元素及其化合物教學中，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。學生對氯氣性質的探究性學習也被記憶化學方程式和實驗現象的機械學習取代，學生缺乏對化學實驗現象的感性認知，不利于科學探究能力的發展。一些教師雖然在課堂通過演示實驗幫助學生從實驗現象認識氯氣的相關性質，但對學生觀察實驗時發現的新問題，通常采取“忽視”或直接講授解答學生疑惑的方式處理。實驗教學中無法給學生實驗探究的條件，只是讓學生課后改進設計環保型的實驗方案，改進方案得不到驗證，科學探究素養的培養流于形式。利用金華科NOBOOK 仿真化學實驗室不僅可以為師生創設安全、綠色的虛擬化學實驗環境，還可以給學生提供自主學習的條件。學生可以在課前認識實驗操作需要用到的試劑與儀器，對即將學習的化學實驗進行預演、分析與總結。課后反復演練實驗，反思總結實驗裝置與操作的不足，探究性地改進并驗證實驗方案。這不僅激發了學生化學學習興趣，加深了對實驗操作與實驗原理的理解，提高了分析問題、解決問題與合作學習的能力，也使學生科學探究能力與創新意識的發展落到實處。

五、虛擬現實技術在高中化學實驗的發展策略

（一）虛擬實驗和傳統實驗有機結合

虛擬和傳統化學實驗兩者各有優勢，它們不是對立的關系，傳統實驗不能完全被虛擬化學實驗所取代，同時也不能只做傳統的化學實驗，應該將兩者有機結合，相互補充，達到一加一大于二的效果。例如，有些設計類綜合實驗比較復雜，我們可以首先通過虛擬實驗模擬驗證實驗是否可行，可行后在通過傳統實驗進一步深入展開，這既節約了時間和成本，又提高了實驗效率。

（二）虛擬化學實驗教學資源共享

當前虛擬化學實驗的發展還不完善，在絕大部分院校中的規模較小，只是一種輔助教學的存在形式，在軟件開發和教學資源方面，虛擬化學實驗有很大的局限性。因此，將多個院校的教育資源進行整合，建設高校間的協作研究虛擬實驗室，可以節約資源，促進虛擬實驗系統的快速發展。

結束語：綜上所述，學校在實際組織化學教學活動的過程中，要想真正實現教學質量以及教學效率的有效提升，還需要對傳統的教學方法進行更新，教學中要合理應用新技術，使教學能夠真正做到與時俱進，通過一些科學的、先進的、現代化教學方法的應用，為學生未來更好地適應工作崗位打下良好的基礎。而從高中實訓教學的角度來講，通過V R技術的應用，不僅能夠實現對真實工作場景的模擬，使學生在最接近于真實情境的環境中參與實踐，還能使學生的學習熱情以及學習積極性都得到有效激發。