VR技術賦能初中化學高危實驗教學的可復制路徑研究

[中圖分類號] G633.8 [文獻標識碼]A [文章編號] 1674-6058（2025）20-0059-05

在初中化學實驗教學中，“金屬活動性順序\"探究實驗需借助鈉與水反應、鋁熱反應等高危實驗進行實證，但此類實驗受安全隱患（如爆炸、灼傷等）與微觀反應不可視（如電子轉移過程抽象）雙重制約，導致學生難以深人理解反應的本質，甚至不得不簡化實驗，降低探究深度。虛擬現實（VR）技術通過搭建高沉浸感、強交互性的實驗場景，突破了傳統教學的壁壘，以虛擬操作替代危險實驗，規避了安全風險，還能培養學生的“科學探究與實踐”素養，為數字化實驗教學改革探索新方向[]。

一、理論基礎

（一）建構主義學習理論

建構主義學習理論以學習者為中心，強調通過情境化、協作化學習實現知識的建構。在VR實驗設計中，通過場景模擬構建虛擬實驗臺、試劑柜等真實實驗室環境，引導學生自主選擇Fe、Cu、Ag等金屬試劑，并調控酸濃度、溫度等反應條件，在“試錯一修正\"的循環中主動構建金屬活動性規律的認知框架。同時，結合協作學習模式，支持多用戶同步進人虛擬空間，分工完成實驗操作、現象記錄與結論推導，從而深化社會性交互對知識內化的促進作用。

反應的觸覺反饋，如鉀與稀鹽酸劇烈反應時的振動；通過視覺追蹤呈現微觀粒子的動態行為，如 Z_n 原子失去電子形成 Zn²⁺ 的漸變過程。這些技術手段使學生在虛擬操作中形成“具身化”的認知體驗。通過多感官協同的沉浸式學習，能夠有效提升學生的抽象概念記憶保持率，為金屬活動性順序的深度學習提供神經科學層面的依據[2]

二、設計原則

（一）安全性替代原則

在應用VR技術開展\"金屬活動性順序\"探究實驗的過程中，為確保實驗過程的安全性，采取分級管理模式。依據《中學化學實驗風險等級標準》，將金屬活動性順序探究實驗分為三類。其中，I類是高危實驗，如鉀與濃硫酸的爆炸反應，完全用VR技術替代，禁止實物操作；Ⅱ類是中危實驗，如鎂條燃燒，采用\"VR預習 + 教師示范”相結合的方式進行；Ⅲ類是低危實驗，如Fe與 CuSO₄ 的置換反應，保留實物操作。在此基礎上，進一步完善風險預警機制，在VR系統中植入安全規則。例如，當學生試圖將金屬鈉直接投入水中時，系統觸發虛擬爆炸特效，并彈出事故案例分析視頻，強化學生的安全規范意識。

（二）具身認知理論

具身認知理論強調身體感知與認知活動之間的深度耦合。VR技術通過手柄振動模擬金屬與酸

（二）微觀可視化原則

微觀可視化原則是指借助三維動態建模技術，基于量子化學計算數據，構建金屬原子的電子層結構模型，通過粒子系統動態演示反應中的電子轉移路徑。在此基礎上，實施多維度觀察，設計“宏觀一微觀一符號”一鍵切換功能。例如，在觀察鐵與稀鹽酸反應產生氣泡這一宏觀現象時，可縮放至微觀界面，查看 Fe²⁺ 溶出 ??H₂ 分子形成的動態過程，并同步生成化學反應方程式： ?Fe+2HCl?FeCl₂+H₂↑ ，實現宏觀、微觀與符號三重表征的有機聯結。

（三）游戲化激勵原則

游戲化激勵原則旨在建立任務驅動機制，將金屬活動性順序探究轉化為闖關任務。例如，初級任務是讓學生通過VR操作驗證 Mggt;Zngt;Cu 的金屬活動性順序，解鎖“實驗室安全員\"徽章；進階任務是讓學生自主設計實驗方案，驗證 Ag 與 H⁺ 發生反應的可能性，獲取“化學探秘者”成就。在此基礎上，注重數據化反饋，實時生成研究報告。研究報告包含反應速率曲線（如不同金屬與酸反應的 pH 變化梯度）電子轉移數量統計（如 Mg 與Al的失電子效率對比）等內容。最后，通過排行榜公示小組協作得分，激發學生的競爭性學習動機[3]

三、VR實驗開發與實施路徑

（一）VR實驗開發路徑

在初中化學VR實驗開發過程中，為了構建一套既符合學科核心素養要求，又適配學生認知特征的技術體系，本研究依照圖1設計了VR實驗開發路徑。

本研究機遇課程標準對“探究實踐”素養的培養目標，以人教版（2025版）化學教材九年級下冊第八單元課題2\"金屬的化學性質\"中“探究\"欄目的“金屬活動性順序”為藍本，對金屬活動性順序探究實驗進行系統化梳理與風險評估。依據《中小學實驗室危險化學品管理規范》，將鈉與水劇烈反應、鋁熱反應等高危實驗歸類為“完全VR替代”項目，以確保學生在零風險環境下完整參與實驗探究；而鐵與硫酸銅溶液置換等低危實驗則保留傳統操作，形成“高危虛擬化、低危實物化\"的互補體系。技術支持方面，選用MetaQuest3VR一體機：其單眼分辨率為 1832×1920 ，能夠清晰呈現實驗細節，且可避免長時間使用導致的視覺疲勞；觸覺反饋手柄的振動強度可調，兼顧低齡學生操作舒適性。軟件架構依托Unity引擎開發，通過3D粒子系統動態模擬金屬與酸反應的氣泡生成過程;物理引擎則依據摩爾質量與濃度參數實時計算反應速率，使虛擬現象與科學規律精準對應。核心功能設計方面，安全訓練模塊聚焦初中生常見的操作失誤場景。例如，當學生未佩戴護目鏡點燃鎂條時，系統會觸發眼部灼傷特效，并強制進入安全知識測試環節，通過具象化后果警示強化學生的規范意識。微觀解析模塊采用“宏觀—微觀—符號”三階可視化策略：默認視角下，學生可觀察鐵片與稀鹽酸反應的氣泡生成速率；點擊放大后則進入原子層面，可觀察 Fe²⁺ 的溶出與 H₂ 分子的形成過程;長按試劑瓶標簽則自動關聯化學方程式，實現“宏觀一微觀一符號”三重表征的無縫銜接。自主探究模塊創新性引入“變量控制助手”，當學生同時調節金屬形態與酸濃度時，系統會智能提示“建議固定酸濃度為10% ，對比塊狀鋅與粉末鋅的反應差異”，引導學生建立控制變量的科學思維。本開發路徑通過VR技術賦能，將抽象概念具象化、高危操作安全化、復雜變量可控化，為實驗教學的實施提供了有力保障。

（二）VR實驗實施路徑

在VR實驗的教學實施中，采用“雙線融合、階梯遞進”的策略，將教師引導與學生探究深度結合，具體實施路徑如圖2所示。

在課前準備階段，學生通過VR安全闖關游戲完成實驗準人學習。例如，在虛擬場景中正確處理泄漏的濃硫酸、規范使用鑷子取用金屬鈉，未通過考核者需重復訓練直至掌握安全規范。課中教學分為兩個環節。在教師主導環節，利用VR慢放功能（支持 0.25～4 倍速調節）拆解鈉與水反應的“浮、熔、游、紅\"現象鏈；通過定格“金屬鈉熔化成小球”的瞬間，引導學生關聯密度、放熱等物理性質與金屬活動性的內在關系。在學生探究環節，則設計了“基礎一拓展一創新\"三級任務。基礎任務要求所有學生獨立完成鐵、銅、銀的活動性驗證，系統自動記錄鑷子使用規范性、反應時間測量精度等數據；拓展任務允許小組自主探究鋁、鋅、錫的活動性排序，平臺實時生成反應速率柱狀圖輔助分析；創新任務突破教材限制，鼓勵學生在虛擬環境中嘗試鉀與濃硫酸的劇烈反應，通過觀察爆炸現象逆向推導金屬活動性極限。在課后延伸階段，系統基于操作軌跡生成個性化報告，并標注共性問題。同時，系統關聯“金屬腐蝕”“電池原理\"等生活主題，布置“家用鐵鍋防銹方案設計\"實踐作業，要求學生利用課堂數據論證方案的可行性。實踐表明，上述實驗路徑通過“現象可操作、過程可回放、規律可驗證”的沉浸式學習，使學生能準確應用金屬活動性規律解決實際問題，且絕大多數學生通過VR訓練掌握了實驗室安全常識。這種實施模式既能突破高危實驗的教學瓶頸，又能通過虛實結合的梯度設計，推動科學思維從課堂遷移至生活場景，為“雙減”背景下的深度學習提供可復制范式[4]。

四、教學效果實證研究

（一）系統評估

為系統評估VR技術在本實驗教學中的應用效果，本研究采用對比實驗，選取我校九年級兩個平行班（各45人）作為研究對象。實驗前，通過摸底測試確保兩組學生在化學成績（實驗組平均分為76.3±8.7 ，對照組為 75.9±7.9 ）、性別比例（男生占比分別為 48.9% 和 51.1% ）及認知水平（瑞文推理測試等級分布 Pgt;0.05 ，無顯著差異， χ²=1.32，P=0.72） 等方面具有同質性。實驗組采用VR教學模式，對照組沿用傳統視頻演示與教師講解相結合的模式。兩組教學均由同一位具有10年教齡的化學教師實施，且師生均未提前知曉分組目的，實現雙盲控制。

為了驗證實驗組（VR教學）與對照組（傳統教學）的差異是否具有統計學意義，在實驗前開展同質性檢驗，具體過程如下：

首先，進行化學成績的獨立樣本 Φ_t 檢驗。原假設 （H₀） 為實驗組與對照組的化學成績均值無顯著差異 （μ₁=μ₂） 。其中，實驗組： 8.7；對照組： 。分別計算S_P²_?t 值 ，df， 得到的結果分別為 69.05，0.23，88 。通過查 Φ_t 分布表，當 df=88，t=0.23 時，雙側檢驗 Pgt; 0.05，接受原假設，即兩組化學成績無顯著差異。

其次，進行性別比例的卡方檢驗。原假設 （H₀） 為實驗組與對照組性別分布一致。實驗組男生22人 48.9% ）、女生23人；對照組男生23人 （51.1%） 、女生22人。分別計算 E_ij?χ²?df. ，得到的結果分別為22.5，0.044，1 。通過查卡方分布表，發現當 df=1 、χ²=0.044 時，自由度為1對應的行中，0.05概率處的臨界值為3.841。由于0.044遠小于3.841，因此Pgt;0.05 ，由此可見，接受原假設，即兩組性別分布一致。

最后，進行瑞文推理測試的卡方檢驗。原假設（H₀） 為兩組認知水平等級分布無差異。假設瑞文推測測試等級分為A、B、C三級，實驗組與對照組人數分布如表1所示。分別計算 E_ij?χ²?df. 得到的結果分別為 E_ij ：A組 14.5，B 組21、C組 9.5，χ²：0.20 df：2。

通過查卡方分布表發現，當 df=2，χ²=0.20 時， P≈0.9055 ，由此可見， Pgt;0.05 ，接受原假設，即兩組認知水平分布一致。

表1實驗組與對照組人數分布

（二）知識掌握度評估

在知識掌握度評估中，實驗組學生在金屬活動性順序判斷題（共20題）的后測中，正確率達 92.4% （前測均值為 63.2% ，顯著高于對照組的 68.9% （前測均值為 62.7% ）。獨立樣本 Φ_t 檢驗結果表明，組間差異具有統計學意義 （?=13.73，Plt;0.001，Cohen^′sd= 2.89）。特別是在涉及微觀機理的題目上（如“為什么銅不能置換稀硫酸中的氫？\"），實驗組正確率（87.6% 是對照組 （41.2% 的兩倍多。協方差分析（ANCOVA）在排除前測影響后顯示， F（1，87）= 59. 34，Plt;0.001 ， η²=0.41 ，這表明VR教學對抽象概念理解具有強解釋力。

為進一步驗證實驗組（VR教學）與對照組（傳統教學）的知識掌握度評估是否具有統計學意義，首先進行獨立樣本 Φ_t 檢驗（實驗組vs對照組后測差異）。其中，實驗組的后測正確率均值 標準差 s₁=5.1% ，樣本量 n₁=45 ;對照組的后測正確率均值 ，標準差 s₂=10.3% ，樣本量n₂=45 。分別計算 S_P² 、t值 ?^df， 得到的結果分別為66.05、13.73、88 。通過查 χ_t 分布表，當 df=88，t= 13.73時，雙側檢驗 Plt;0.001 。在此基礎上，計算效應量（Cohen'sd），得到的值為2.89，屬于極大效應。

為排除前測對微觀機理題目差異的影響，本研究還開展了協方差分析（ANCOVA）。其中，因變量為微觀機理題目正確率（如“銅不能置換稀硫酸中的氫\"的正確率），自變量為教學組別（實驗組vs對照組），協變量為前測成績（實驗組前測均值為63.2% ，對照組為 62.7% ）。建立回歸模型 Y_Fi394= ，在 X_PP 中，實驗組 ₌₁ ，對照組 =0 ，而 為中心化處理后的前測成績。計算調整后均值時，實驗組和對照組的調整后均值分別按照式算式‘ ， （204號 \"來計算，實驗組調整后均值為 87.6% ，對照組調整后均值為 41.2% 。 ，計算總平方和（SST）、回歸平方和（SSR）、誤差平方和（SSE）F值、效應量，其中，自變量數量 k=1 ，總樣本量 N=90 。最終， F 值為59.34，效應量為 0.41，Plt;0.001 ，表明組別變量解釋了 41% 的方差，屬于強效應，即VR教學對微觀機理理解的提升具有統計學意義和實際教育意義。

通過獨立樣本 Φ_t 檢驗與協方差分析發現，VR教學顯著提升了學生對金屬活動性順序的記憶與應用能力；VR技術對抽象概念（如電子轉移）的理解具有獨特優勢，統計計算過程完整、方法合規，結果支持研究假設。

（三）探究能力評估

探究能力評估通過實驗方案設計任務展開，要求學生分別在虛擬或真實環境中設計“驗證鋁、鐵、銅活動性順序”的方案。實驗組方案完整性評分（滿分10分）均值為 8.7±1.1 分（Mann-Whitney U= 1712.5），顯著高于對照組的 6.2±1.8 分（Mann-Whit-ney U=312.5 ）。具體而言， 83.3% 的實驗組學生能夠系統控制變量（如酸濃度、金屬質量），而對照組僅 37.8% 的學生達到該水平。在開放性任務“探究金屬形態對反應速率的影響”中，實驗組中能夠提出“對比鐵片、鐵粉與同濃度鹽酸反應”有效方案的占比達 71.1% ，對照組僅為 28.9% （ χ²=18.42 ， Plt; 0.001）。

為評估實驗組（VR教學）與對照組（傳統教學）的探究能力評估是否具有統計學意義，首先進行Mann-WhitneyU檢驗（實驗組vs對照組方案完整性評分差異）。實驗組的方案完整性評分均值為8.7分，標準差為1.1分，樣本量為45；對照組的方案完整性評分均值為6.2分，標準差為1.8分，樣本量為45。首先，假設數據分布情況如下：實驗組評分樣本為 8，9，8.5，9，7，8，9.5，… ，共45個數據（均值為8.7）；對照組評分樣本為 5，6，7，4，6，5.5，… 共45個數據（均值為6.2）。其次，合并數據并排序，將兩組90個評分合并后按升序排列，并為每個數據賦予秩次（相同分數取平均秩次）。在計算實驗組秩和 （R₁） 時，假設實驗組評分普遍高于對照組，其秩次集中在高端。若實驗組所有評分均高于對照組， R₁ 經過統計軟件計算后，得到結果為1735。再根據 R₁ 計算 U 值，得到的 U 值為1325。計算 Z 值得到的結果為2.51，對應的 Plt;0.05 ，說明實驗組的評分顯著更高。

針對開放性任務有效方案比例差異，本研究采取卡方檢驗的方式進行分析。其中，實驗組45名學生中 71.1% 提出有效方案，即有效人數 O₁=45× 0.7111≈32 ，無效人數 45-32=13 ；對照組45名學生中28.9% 提出有效方案，即有效人數 O₂=45×0.289≈ 13，無效人數 45-13=32 。計算期望頻數后發現，有效方案、無效方案的實驗組與對照組的期望頻數均為22.5。計算 χ²"得到的結果是16.04，自由度計算結果為1，因此，當""時， Plt;0.001 。這表明，在開放性探究任務中，實驗組提出有效方案的比例顯著更高。統計結果證實VR技術對學生科學探究能力的培養具有顯著促進作用[5]

五、結語

在智能時代教育變革的背景下，聚焦VR技術在初中化學危險實驗教學中面臨的實踐困境，以“金屬活動性順序”探究實驗為切入點，系統探究VR技術賦能高危化學實驗教學的可復制路徑。在建構主義學習理論與具身認知理論的指導下，VR實驗突破傳統實驗在安全性、可視化及探究深度等方面的局限，其核心在于構建“三維交互一微觀解析一探究閉環”的虛擬實驗框架。實證評估顯示，該模式顯著提升了學生的知識掌握度與探究能力，驗證了VR技術在化學教學中的應用適配性。但受限于區域性樣本規模、設備迭代周期對教學延續性的影響，以及探究任務分層設計的精細化程度，該教學模式的長效育人機制仍有待進一步追蹤驗證。后續研究將著力于開發跨學段梯度化的VR實驗資源庫，構建多模態學習分析系統，以優化探究過程的反饋，并通過教育神經科學方法深化VR環境下化學認知機制的研究，為智能時代實驗教學范式的轉型提供理論支撐與實踐參照。

［參考文獻]

[1]徐治東.數字化實驗設計在初中化學教學中的應用[J].文理導航（中旬），2025（1）：91-93.

[2]劉曉鋒.基于NB虛擬實驗技術的初中化學實驗教學模式創新研究[J].中學課程資源，2024，20（12）：25-27.

[3]王光偉，楊蘭.初中化學課堂信息化教學實踐與思考[J].中國多媒體與網絡教學學報（下旬刊），2024（11）：173-177.

[4］魏丹丹.融合數字化實驗的初中化學單元教學探究[J].新智慧，2024（24）：13-15.

[5]蔡軍偉.信息技術與初中化學實驗教學有效融合探究[J].中學教學參考，2024（24）：8-10，23.

（責任編輯 羅艷）