虛擬現實技術在高中化學教學中的應用

吳 燕

（亳州市第三完全中學 安徽亳州 236807）

從學科分類上來說，化學屬于理科。對于高中生來說，這門學科涉及很多復雜的概念，并不那么容易理解。同時，高中階段的化學教學活動中涉及許多實驗活動，而這類活動的開展不光涉及各種復雜知識、化學技能等方面，還存在著安全保障的問題，而傳統的高中化學教育往往不能在很大程度上“自由發揮”，而是受到各種現實因素限制，使得學生的學習效果受到影響。若在開展高中化學教學時，借助虛擬現實技術的支持，就有可能改變現狀，讓教學活動發揮更大的作用。學生們在仿真交互環境中參與各種實驗過程，不光安全上更有保證，同時學習操作的體驗也會更好，從而產生更大的學習熱情。從整體上來說，虛擬現實技術的融入，會給高中化學教學整體水平的提升帶來很大的空間，因此，有關人員應當在這方面多進行探索和實踐[1]。

一、虛擬現實概念解讀

虛擬現實（VR）是在上個世紀形成的一種創新而實用的技術內容，其中整合了多個領域的技術，如計算機以及電子信息，仿真技術等主要利用計算機來完成虛擬化的現實環境模擬，讓人們獲得環境交互感，并且沉浸其中。該技術對現實生活中各類數據加以運用，并通過計算機領域電子信號的作用讓它同設備相結合，之后它就會轉化為人類可以感知的現象，所以虛擬現實主要是計算機基礎之上形成的一類“真實”的情境。它允許用戶在數字環境中執行動作，同時感覺自己沉浸在物理環境中。虛擬現實的目的是讓參與者體驗及操縱環境，就仿佛置身真實世界一樣。就虛擬現實體驗所包含的內容來說，它并沒有具體的標準，因此虛擬現實的模式也不是固定的，不過它有一些所遵循的公認的準則，那就是環境必須由根據用戶的視角呈現，并且由同現實中大小一致的圖像所構成。同時，運行虛擬環境的系統必須能夠跟蹤用戶的運動，尤其是眼睛和頭部的運動，以便對顯示器上的圖像做出反應和更改，或啟動相關事件。

簡而言之，虛擬現實環境是通過計算機基礎上建立起的感官刺激來形成各種體驗。當時代不斷前進，更多的人在虛擬現實技術構筑起來虛擬化環境中獲得真切的體驗，并開始認識到虛擬現實技術所蘊含的巨大能量。隨著技術的不斷進步，虛擬現實有望在更多的領域和方面發揮重要的技術作用。目前，傳統教學方式已不能夠滿足學生高效學習的需求，而且也不能很好地激發他們的學習欲望。虛擬現實的深度運用能夠讓學生在學習教育活動中獲得更多的可能性。這類技術的融入打破了常規的教育模式，并有望將教育活動擴展到課堂之外。因此，越來越多的教育工作者正通過將虛擬現實引入課堂，讓學生通過沉浸式學習等更加豐富多彩的學習活動來實現更高的教學效率[2]。

二、高中化學教學活動應用虛擬現實技術的價值與挑戰分析

如今，虛擬現實技術正在幫助人們實現對各類事物的探索活動，從人體的微觀世界到太陽系的遙遠邊緣，融入真實感的虛擬現實借由生動的動畫、物理手段、空間音頻等將體驗帶入學習者的生活。例如，英特爾公司就同合作伙伴合作開發出支持虛擬現實技術基礎上的教育集成解決方案，利用強大的教室硬件為學生打造更加獨特的學習體驗。英特爾還同美國藝術博物館合作，讓觀眾有機會通過相關的展覽活動以虛擬的方式實地考察世界上其他地方的一些藝術精品，因此，虛擬現實技術不僅幫助人們更好地掌握復雜的科學概念，還為更多的人打開了文化體驗的大門。

隨著虛擬現實技術日益向前發展，國內教育工作者亦開始關注到該技術所具有的獨特優勢，并且將其視為能夠給教育活動以及教育發展帶來強大支持的創新性教學思路。虛擬現實技術已被證明能切實提高學生的學習效果和考試成績。在北京地區曾經開展的一項研究中，選擇一組學生使用虛擬現實的方式進行學習，而另一組學生則通過傳統教學方法進行學習，結果發現，VR組學生的平均得分明顯高于對照組，而后續的隨訪測試活動中依然獲得了同樣的結果。通過觀察，我們能夠發現，傳統高中化學教育活動中，教師所采取的教學方式往往是灌輸型的，不利于學生接受知識，也不容易激發出他們的學習熱情，當虛擬現實技術開始得到廣泛的發展與應用，高中化學教學擁有了進一步走向現代化的機會：若能善用虛擬現實技術，借其開發更具有真實性的教學場景，就可以顯著提高教學水平，讓化學教育呈現出嶄新的圖景。

1.高中化學教學活動應用虛擬現實技術的價值

首先，在開展高中化學教學特別是實驗教學活動的時候，教師可以以虛擬現實技術為基礎，打造虛擬實驗室環境。在這種環境中，學生能夠通過仿真實驗平臺進行各種實驗，并觀看動畫對實驗過程進行的演示，從而學習其中應該怎么操作，有哪些步驟等。在這樣的形式下，學生可以充分地以自主探索的方式展開學習，不光參與性更強，而且生動的學習體驗也可以提高他們的學習熱情和學習愿望。其次，高中階段化學課程中涉及的一些化學實驗內容往往存在一定的危險性，在過去，為了安全起見，化學教師一般會組織學生進行那些更加安全一些的實驗活動，而導致學生沒有機會參與到帶有一定危險性的實驗活動，從而在化學學習方面受到了限制，無法充分掌握各類知識點。而在虛擬現實技術的幫助下，學生就有機會參與到后一種類型的體驗中去，而不必擔心安全問題，這樣就能夠提高實驗教學乃至整體化學教學的水平。

2.高中化學教學活動應用虛擬現實技術的挑戰

目前，在高中化學教育活動中，已經有不少教師開始挖掘虛擬現實類技術的價值，并且獲得了一定的成效，但他們在應用虛擬現實技術中也面臨著一些問題。例如，要結合虛擬現實方面的技術開展教學活動，就必須用到相關的設備，讓學生通過它們來獲得交互體驗，然而這類設備的成本往往是很高的，因此，此類教學活動意味著需要龐大的資金支持，但是很多學校沒有辦法拿出這么多資金，所以虛擬現實技術在高中化學教學中的應用與推廣無法廣泛進行下去。另外，由于實現虛擬化的實驗等教學內容是基于對相關設備特別是計算機設備的特定操作來實現的，而學生在這方面的操作水平并不都是一樣的。對于那些操作水平比較高的學生，能夠獲得良好的學習、交互體驗，而若是那些操作水平不高的學生，就可能無法獲得充分體驗。除上述問題外，高中化學教師對于虛擬現實基礎上的教學也不是十分熟悉，大部分老師還是更習慣于采用過去的教學、實驗形式，短時間內不能完全轉換教學思路和習慣。這也是現階段高中化學教學活動應用虛擬現實技術所面臨的一大挑戰。

三、進一步做好虛擬現實技術在高中化學教學中應用的策略

從上面的分析可以看出，要更好地發揮虛擬現實技術在高中化學教學中的價值，還需要進一步對相關活動進行優化及改善，將結合了虛擬現實類技術的化學教學尤其是實驗教學的水準進一步提升上來。

1.教學理念及交互能力的提升

在開展化學教學活動時，高中化學教師需要提高對于虛擬教學在教育活動中價值的認識，以及現階段將其應用到現實的化學課堂教學中的一些挑戰。目前，虛擬現實類技術已經在許多行業中得到了應用，不過正如前面所分析的，要讓它在更大范圍、更大規模上為高中化學課堂提供支持，還有一些問題需要解決。除了客觀的資金的不足支持以及學生在設備操作方面的水平問題之外，教師方面也應當采取更多的措施加以改善?，F階段，教師在真實化交互環境構建方面能力還比較有限，導致高中生無法通過相關的操作學習獲得很深刻的感悟與理解。所以，教師今后在教學中應當講更多精力放在實驗交互性的構建方面，特別是要增加更多的情感交流元素，充分利用智能技術以及協同技術的幫助來提高學生學習和實驗的體驗，從而真正讓學生在相關活動中提高化學能力，尤其是實際操作能力。在開展教學活動的時候，高中化學教師還需要注意的是，不可以走入另一個極端，那就是將教學活動全部依賴于虛擬技術等相關技術上，而是應當找到傳統教學同虛擬化教學的優勢和契合點，將兩者科學合理地融合在一起，發揮更大的協同效應，從而讓教學水平的提升獲得保證。

2.完善虛擬實驗教學過程

對于那些不適合在現實中進行演示和操作的具有危險性的化學實驗活動來說，利用虛擬現實基礎上的實驗活動不光規避了危險性，而且能夠最大限度上保留實驗操作的真實性，讓學生將三維模型作為操作對象，并結合文字和聲音的提示等實現沉浸式學習。而在打造虛擬現實技術基礎之上的化學實驗活動時，教師應當進一步完善相關的教學過程，以確保學生能夠充分地投入其中，通過虛擬現實技術的幫助收獲更多的化學知識與技能。

（1）課前準備活動

在開展此類實驗教學之前，教師應當事先做好實驗內容的安排布置，首先為學生設計預習性的學習活動，以讓他們對于實驗原理部分、實驗所要達到的目的、相關的實驗步驟、在實驗過程中要用到哪些儀器設備等有一個大體上的了解，在此之后，還需要要求學生作出自己的總結，以深化他們對相關內容的掌握。

（2）老師講解活動

當學生正式參與交互性化學實驗活動之前，教師還應當再對他們進行必要的講解，可以根據前面一個環節的內容，再圍繞實驗作一些補充性的講解，特別是針對學生不容易理解的內容或是一些難點方面，更加細致、更有針對性的講解能夠讓他們為后續的虛擬實驗打下更好的基礎。這也是此類實驗教學活動同傳統實驗教學的一個比較顯著的不同。在此部分，教師會基于學生將要進行的仿真實驗活動來作一些細節性的講解。

（3）交互式實驗操作

在前面兩個部分都完成之后，教師就可以組織學生通過虛擬交互式實驗平臺進行相關的實驗。在實驗過程中，教師應當更多地發揮配合者與引導者的作用，而更多地由學生自己動手操作進行體驗，在學生完成實驗并獲得有關的實驗數據以后，還要讓他們撰寫自己的實驗報告。

（4）實驗表現評定

教師對學生在虛擬的交互式實驗活動中的表現進行評價的時候，可以從幾個方面進行考察。一是其所提交的實驗報告的評價，二是他們在實驗操作方面表現的評價，三是學生在提問方面的表現以及對老師提出的問題的回答情況等。對于這幾項考察，教師應當將實驗報告作為一個重點關注對象。

基于上述思路，教師應將更多與教學活動相關的內容考慮進去，讓虛擬實驗教學活動發揮出更多的功用，使高中化學教學朝著更加深度的方向發展。

3.結合主題教學開發交互式虛擬學習環境

如前所述，虛擬現實作為一種交互式的化學教育工具正在興起，但其在化學教育中的應用和評估仍然有限。教師可以針對這種局面，進行更多的化學教學探索，其中包括結合具體的主題和教學任務開發交互式虛擬學習環境。同虛擬現實技術類似，主題式的教學形式對于高中化學也有著非常大的價值可以挖掘。首先，這類學習活動能夠進一步強化學生的探究主動性，讓他們建立起解決問題方面更為良好的能力，包括運用所學習的化學知識來對相關問題進行解決。也因此有人提出，主題學習對高中學生提升自身的科學探究能力及創新能力方面、實現學科素養的培養是至關重要的。其次，通過主題性的學習實驗活動，學生可以建立起相對穩固的知識體系。在這一體系的作用下，他們就能夠更加深入地掌握知識，并且確保相關的知識與技能在長時間內不遺忘。這是因為在主題教學過程中，高中生更能夠站在本質上來對化學現象以及其背后的原理進行理解。基于主題教學的種種優勢，在高中虛擬交互式教學活動中，教師也可以盡可能多將這種形式的教學融合進去，讓交互式仿真教學進一步發揮作用，促進學生對相關化學知識點的理解。

結語

綜上所述，虛擬現實技術的參與，使得高中化學教學活動特別是實驗教學活動獲得了更多的機會與可能，這也是虛擬現實在教育領域中的價值體現之一。將化學課堂同虛擬的仿真式互動體驗聯系起來，是學生有機會獲得更深入地學習和參與的機會，讓自己通過沉浸式體驗練習實驗技能，掌握化學知識，并體驗化學的趣味性。然而這并不是說，目前虛擬技術在高中化學教學活動中的應用已經達到極高的水準。事實上，在這方面還有很多的工作要做，除了要積極克服硬件設備建設上的資金困難之外，也需要教師更加深入地意識到該技術在高中化學方面的重要價值和影響，尤其是它對實驗教學的關鍵促進作用，并在此基礎上進行深入的思考，以更好地解決虛擬現實技術在高中化學教學中的應用上所面臨的一些挑戰，繼而真正借助虛擬現實技術的力量形成更高水準的高中化學教育教學。