虚拟现实技术在化学教学中的应用现状分析

王查利，荆永君，张朋辉

（沈阳师范大学 教育技术学院，辽宁 沈阳 110034）

虚拟现实技术在化学教学中的应用现状分析

王查利，荆永君，张朋辉

（沈阳师范大学 教育技术学院，辽宁 沈阳 110034）

虚拟现实技术在教育领域的应用，带来了教育环境的进一步提升。本文在介绍了虚拟现实的概念及其类型的基础上，通过对国内外几个典型案例的研究分析，总结了虚拟现实技术在化学教学中的应用现状，并对其应用前景提出展望。

虚拟现实；化学教育；应用现状；分析

化学是一门依托实验教学的实用性很强的学科，在教学过程中其教学信息大部分都是通过实验来传递，然而，化学实验中相当一部分实验具有危险性（如氢气的验纯实验），或者实验现象不易观察（如脂化反应、核外电子运动状态）。因此，通过辅助手段来减少传统实验存在的劣势，从而增加实验对学习的促进作用，成为研究者日渐关注的问题。虚拟现实技术作为一种新兴的技术手段，能够对实验内容进行模拟仿真，不仅可以增加学生的感性认识、提高学生的动手能力，而且能够节约实验成本和减少实验危害。虚拟现实技术所具有的优势将会给教育领域特别是教育中的实验学科提供全新的学习方法、学习环境。

一、虚拟现实的概念及其类型

虚拟现实（VirtualReality，简称VR）由美国的加隆·雷尼尔（JaronLanier）于1989年正式提出，国内还有学者将其翻译为“灵境”、“虚拟环境”等。虚拟现实指的是利用三维多媒体信息处理系统，实现对现实事物各种变化过程描述具有逼真的视、听、触、动等多种感知功能的虚拟环境。通过对场景的虚拟能够为学生营造自主学习的虚拟环境，学生在虚拟环境中，能够与虚拟对象以各种方式产生交互，从而达到感知虚拟环境中的信息并获得知识和技能的目的，这样就从根本上改变了传统的 “以教促学”的方式。[1]而在具体的实现形式上，就必须要考虑虚拟现实技术的特殊性，用最恰当的方式来呈现知识是虚拟现实技术在教育中应用的关键。[2]

布鲁德（BurdgeG）在1993年的Electro93国际会议上提出了虚拟现实的三个基本特征：沉浸感、交互性、想象性。[3]

虚拟现实的沉浸感是其最根本的特征，它能够使对象完全投入到虚拟环境中去，通过亲身体验来获得对世界的感知，这样形成的知识更容易形成长时记忆。交互性是指用户在虚拟环境中能够自由操纵虚拟对象并能够得到反馈，它是虚拟现实技术区别于其他技术的核心。例如，用户可以通过传感手套用手握住虚拟环境中的水杯，能够感受到水杯的重量，当摇晃水杯时，能感受到杯中水的晃动。想象性是指用户在虚拟环境中，通过与虚拟环境的各种交互作用，从依靠单一的定量计算转变成依靠定性和定量的综合集成环境中获得感性和理性知识，从而可以加深对概念的理解。

普通意义上的虚拟现实，需要数据头盔、传感手套等昂贵设备，数据头盔提供立体图像深度暗示，它的显示范围包含人的整个视觉范围，并且将用户与现实世界完全屏蔽；传感手套采用光纤作为传感器，通过光纤而获得光强数据从而间接获知指关节的弯曲程度，最后感知手的变化。用户在使用时可以依照自身的参与程度而选择相对应的设备。

根据国内外众多学者的研究，虚拟现实系统可以分为以下四种类型。

1．桌面虚拟现实

桌面虚拟现实（DesktopVR），是指用户通过计算机的屏幕获得一个虚拟的观察通道，依靠虚拟现实的简单外部设备达到与虚拟环境的交互。由于桌面虚拟现实的沉浸感有限，导致了用户在使用过程中无法摆脱现实世界的束缚，而不能够完全沉浸在虚拟世界中，这是DVR的不足之处，然而其低廉的成本和实现技术较简单却使其有着很广阔的应用前景。[4]如汽车驾驶模拟器、金华科仿真化学实验室等都属于桌面式虚拟现实的应用。

2．沉浸式虚拟现实

沉浸式虚拟现实（ImmersiveVR）主要是指用户在数据头盔、传感手套等一些交互设备的作用下，自身的视、听觉及其他感觉大部分或完全被人为地隔绝，而完全沉浸在虚拟的世界中，［5］在与虚拟世界中的物体交互的过程中产生新的视、听及其他感觉，达到获得经验和知识的目的，这是虚拟现实系统中最有代表性和技术性的系统。多投影面沉浸式虚拟环境（CaveAutomaticVirtualEnvironment）就是较有代表性的投影式虚拟现实系统。

3．增强型虚拟现实

增强型虚拟现实（AugmentedVR），是指在用户观察真实环境中的物体的同时，将虚拟环境的图形与真实环境中的物体叠加在一起，把与真实物体有关的、储存在计算机中的信息展现给用户，达到增强现实的目的。中科院心理研究所从美国引进的IS－900运动跟踪仪和SimEye XL100A头盔，可以跟踪身体各部位的运动以及眼睛所看到的物体，并将这些信息呈现在显示仪上。这两种设备已经用于人类空间认知基础研究和增强现实研究。

4．分布式虚拟现实

分布式虚拟现实（DistributedVR）是基于沉浸式虚拟现实而产生的，主要通过计算机系统的网络功能而将多个用户连接到同一虚拟环境中，实现信息共享提高协同工作的效率。分布式虚拟现实使虚拟现实上升到另外一种高度。[6]例如军事演习的虚拟战争模拟就是分布式虚拟现实的应用。

虚拟现实在教育领域中的出现，带来了学习效果的提高、思维活动方式的改善等一系列教育功能的优化。从目前来看，教育领域中虚拟现实的运用并没有大规模化，其根本原因在于虚拟现实的软硬件成本还没有降低到教育系统能够广泛接受的程度。目前教育中应用的相关的虚拟现实系统多属于桌面虚拟现实。

二、虚拟现实的研究现状

1．国外研究现状

美国作为虚拟现实技术的发源地，其研究水平基本上代表了国际虚拟现实发展的水平。目前美国在该领域的基础研究主要集中在感知、用户界面、后台软件和硬件四个方面。虚拟现实在航空航天、医疗、建筑等行业的应用已经比较广泛和深入，但在教育中的应用还未完全普及。

在国外研究成果中，应用于化学领域比较有代表性的学习软件如下：

（1）ChemLab

ChemLab由美国Corel公司于1996年推出。它是一个交互式的化学实验模拟工具，通用的实验装置和步骤用于模拟一步一步执行化学实验，如图1所示。该软件以任务为主线，首先，由教师制定一系列学习任务和学习目标，学生在领会学习任务和目标的前提下，通过引导而最大程度地独立完成实验。ChemLab的功能比较突出，但实验器具和试剂偏少，实验模块之间的自由构建功能体现不足，扩展功能也很有限并且不具备味觉和触觉功能。[7]

（2）IrYdiumChemistryLab

IrYdiumChemistryLab软件由美国CarnegieMellon大学基于Java开发，有很好的跨平台性，但运行速度不是很快。它的优点在于学生通过网络来查看学习进度，充分利用空闲时间进行自主学习；将化学药品的属性直接展现在屏幕上，方便学生直接使用，如图2所示。但是该软件只设置了部分实验，实验药品和装置都不是很充足，在实验范围的广度上有待提升；针对学习者在实验中可能产生的错误没有做出预测，缺乏错误的提示和纠正功能。

2．国内研究现状

虚拟现实技术在国内的地位处于日渐上升的阶段，多个领域都相继引入虚拟现实并取得了较好的成果。目前，虚拟现实技术在教育领域中主要应用于航空航天、建筑、医疗、规划、设计、电子电路等学科教学中，而在化学实验教学中的应用还未得到大范围的推广。目前，国内有代表性的虚拟化学实验系统主要有以下几种：

（1）浙江大学有机化学虚拟实验室

浙江大学有机化学虚拟实验室，是基于Web的虚拟实验，如图3所示，该系统的实验内容主要从基本操作、制备实验和分离实验三个方面，实现对有机化学实验的虚拟操作。整个实验系统内容全面、界面清晰、操作步骤明晰并伴有操作提示，能够让学习者在提示作用下快速完成实验内容。但对于错误的实验完全屏蔽并且每一步都有提示，缺乏对学习者能力的检测与监测。

（2）金华科仿真化学实验室

金华科仿真化学实验室，软件界面设计灵活，实验内容较丰富，实验过程具有严谨的科学性和开放的交互性，既是化学课堂中的教学平台，也是化学教师的课件制作平台和学生的交互式学习平台。该虚拟实验系统由仿真化学实验室、三维分子展示（如图4所示）、中学化学小百科三部分组成。仿真化学实验室的设计界面是二维结构，用户可以按照自己的需要搭建实验器材，独自进行实验。在实验整体性上有自己的优势，并且能够清晰地看到发光、气泡等现象，不足之处在于它没有对实验过程中可能存在的错误进行分析，并给出错误提示和更正处理。

（3）东师理想初中化学虚拟仿真实验室软件

东师理想初中化学虚拟仿真实验室软件，囊括了整个初中化学实验内容，对全部实验仪器做了总结并给出了图形介绍，每个实验内容又分为操作演示、虚拟操作、实验仪器展示、实验介绍四个部分。该软件通过实验介绍阐述实验的教学目标以及实验的实用性和重要性，用语音和图形把实验操作和注意事项展现给学生，最后通过学生自己的虚拟操作达到理解实验的目的，如图5所示。整个教学过程思路清晰、目标明确，学生按照既定的操作步骤在操作提示的引导下自主搭建实验器材，独立完成实验，这既锻炼了学生的动手能力，又能够避免真实实验的危险。此系统在实验流程上还属于线性的，缺乏发散思维和创新思维的引导，通过既定的仪器完成既定的实验任务是该系统的不足之处。

从技术领域来说，目前应用于化学学科教学中的虚拟现实系统大部分都是二维的结构，金华科仿真化学实验室以及东师理想初中化学虚拟仿真实验室中涉及的分子结构模型是三维呈现。虚拟现实技术目前主要采用建模工具软件，如 3DSMAX、MultigenCreator、Maya、Solid-Works等，进行环境建模；再利用虚拟现实技术开发工具和平台提供的强大引擎和SDK工具包实现场景的实时绘制、仿真和交互操作等功能；最后优化并生成特定文件格式的虚拟现实产品并发布。目前使用的虚拟现实技术的开 发 工 具 和 平 台 有 Java3D、OpenGVS、VRML、Cult3D、EON、Quest3D、Virtools等，不同的技术各有其特点。

虚拟实验系统在技术上已经很容易实现，但在教与学的方式还需要进一步改善。以上系统都只是采用传统的以教为中心的教学模式，整个学习过程只是按照既定的教学步骤而进行，不能对学生的思维进行引导；实验过程中不能突出对学生技能的训练，缺乏对学生的智慧技能以及协作学习能力的考察；对学生在实验中所出现的错误没有作出预测并及时更正也是以上系统所缺乏的功能。[8]

三、虚拟现实技术的应用前景

虚拟现实技术的蓬勃发展，必然使教育领域产生一种全新的改革，对于实验性的学科来说，受到的影响更大。化学学科实验过程的复杂性、现象的隐蔽性以及操作的危险性等都直接影响了学生对实验数据的获取以及对实验结果的认知。虚拟现实的出现，让实验性学科的研究者和教学者感到焕然一新。

虽然虚拟现实有着无可或缺的技术优势和良好的发展前景，但是也还有其自身的缺陷：从理论方面来看，它仍然需要更有依据性的理论作为支撑，虚拟现实系统以其独特的实现方式得到了众多学者的青睐，但在国内教育技术领域还没引起足够的重视；[9]从技术方面来说它仍然需要性价比更高的设备来为教育系统服务，目前虚拟现实技术的发展，还只是延伸了计算机的接口，侧重于研究人的感知系统和肌肉系统与计算机的连接作用问题，而对于“大脑是怎样储存和加工处理人在实践中所得到的感知信息，并使之成为人对客观世界的认识”这一重要过程的研究还有待进一步深入。[10]只有真正涉及这些问题并能够以技术实现时，信息处理系统与人的关系才能够明朗化，才能够让虚拟现实的发展更快速，更有针对性。

纵观虚拟现实的应用现状，虚拟现实技术在与化学学科整合后，其日后的研究应主要包括以下几个方面：虚拟现实中有关教与学的理论；虚拟现实技术所带来的虚拟实验的积极影响与它所带来的负面问题；虚拟情境中参与对象的行为变化的监测；虚拟现实中的有关教与学的多模式发展研究。

[1]赵志刚.虚拟现实技术对实验教学的影响[J].中国电化教育，2007（12）.

[2]张力.应用虚拟现实技术提高网络教学质量的研究[J].电化教育研究，2003（6）.

[3]周思跃，龚振邦.虚拟现实定义的探讨[J].计算机仿真，2006（9）.

[4]黄剑玲，邹辉.基于虚拟现实技术的实验教学系统及其特点[J].中国电化教育，2009（4）.

[5]李敏，刘刚，王力.虚拟现实技术在化学反应工程实验教学中的应用[J].计算机与应用化学，2006（10）.

[6]李鸣华.分布式虚拟学习环境的设计与应用研究[J].电化教育研究.2009（4）.

[7]蔡邦宏.化学实验的真实再现—CorelChemLab软件的应用[J].计算机与应用化学.2006（10）.

[8]宋正国，刁秀丽.虚拟实验教学环境研究现状及趋势探悉[J].现代教育技术，2009（12）.

[9]李凌云，王海军.网络虚拟实验系统研究现状与发展趋势[J].现代教育技术，2008（4）.

[10]王琳琳，刘洪利.虚拟现实下的颐和园[J].首都师范大学学报，2009（1）.

（编辑：金冉）

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1673-8454（2012）09-0060-04