VR技术与中学化学教学

许维群

摘 要：VR是一种类似于潜水的沉浸式体验，能够创建与现实社会类似的环境，让人们主动经历、亲身感受世界。在高中化学学习中有些知识涉及微观粒子，它们用肉眼看不见，有些实验有一定的危险性，或者有些反应速率过慢，有些反应条件过于苛刻，这些问题目前可以采用视频、图片配合教师的描述解决，但因为学生没有亲身感受，有些知识理解起来还不深刻。上述的问题可以通过VR技术，让学生有直观的感受，从而更好地理解相关知识。

关键词：VR（virtual reality，虚拟现实）技术；中学化学；教学

一、VR技术简介

虚拟现实（Virtual Reality），简称VR技術，也称人工环境。 它利用电脑或其他智能计算设备模拟产生一个三度空间的虚拟世界，可以认为，虚拟现实技术综合了计算机图形技术、计算机仿真技术、传感器技术、显示技术等多种科学技术，在多维信息空间上创建了一个虚拟信息环境，提供用户关于视觉、听觉、触觉等感官的模拟，让用户如同身临其境一般，可以及时、没有限制地观察三度空间内的事物。

二、虚拟现实进入中学化学教育的优势

1.拓展化学学习的多维度空间

虚拟现实可以打破时间和空间的限制，比如在学习教材中的科学视野“可燃冰”时，我们可以让学生畅游在深海中去探寻可燃冰，近距离地观察它的结构，甚至用手触摸和感知。又比如，我们在学习“工业制取硫酸”的时候，学生可以身临其境地观察每个工艺流程，每一个细节。

2.激发学生学习化学的兴趣

直观体验更能激发学习者的学习兴趣。最近，我们学校引进了VR技术，建立了VR教室，我们在讲解“金属晶体的原子堆积模型”这部分知识时，就用了VR技术辅助教学。通过使用虚拟现实技术装备，学生跟着老师进入虚拟的原子世界，动手尝试堆积原子模型，寻找配位数，选取晶胞，“好玩”“有趣”“简单易理解”是孩子体验之后的普遍评价。将虚拟现实引入教学，让学习游戏化、情境化，激发了学生主动学习的兴趣。

三、虚拟现实与中学化学教学结合的实例

我们的具体操作如下：

1.课前准备

（1）集体备课。我们课题组的老师先确定课题，接着集体备课。然后与VR团队的技术人员共同讨论本节课中需要用虚拟现实技术展现的知识。

（2）VR技术制作。此阶段完全是由VR团队的技术人员完成的，此阶段因为技术含量高，所以耗时最长。

2.教学实施

我们将高二年级四个同层次的理科班分成两组，高二3班和高二8班按照原来的方式，应用图片、乒乓球模型学习；高二5班和高二7班用虚拟现实技术学习。对于原子在二维平面的堆积，四个班的同学都很容易理解，原子在三维平面的堆积3班和8班的学生反映比较抽象，不好理解。而采用VR技术的5班和7班的学生则进行手动操作，放错了可以重新再来，也有语音提示正确和错误。学生通过动手，通过多方位的切换视角观察（视角不仅可以换方位、换角度，还可以放大和缩小），比较容易和清晰地完成了金属原子的四种堆积方式，也比较顺利地提取出了简单立方堆积、体心立方堆积和六方最密堆积的晶胞，但不能自己提取面心最密堆积的晶胞，不过通过技术的帮助，学生能理解面心晶胞的提取。因为对晶胞有比较深刻的理解，学生在计算晶胞中的个数、配位数和原子的空间利用率时都能较好地解决。

3.检测评价与反思

学习完成后，我们对这四个班就此节知识出题考查，结果如下表所示。

我们打算过1个月以后，再针对这节知识进行测试，检测采用不同的方式教学学生的遗忘率如何。

四、虚拟现实与中学化学教学的结合面临的具体问题及解决措施

1.硬件技术的局限

目前设备使用不便、硬件的处理速度远不能满足在虚拟世界中实时处理大量数据的需求。学生上课需要戴头盔，有部分学生反映头盔带久了感觉头晕，眼睛不舒服，在操控按钮时也不熟练。

2.制作一个VR课件太费时

想制作出和教学内容高度匹配的VR课件需要精通教学和计算机的人才，但目前对于我们学校来说这是一个最大的难题。目前，我校和四川师范大学正在联合制作VR课件，这就能很好地解决这个问题。

3.效果不够理想

在虚拟现实的感知方面，有关视觉合成方面的研究较多，对听觉、触觉关注较少，真实性、实时性不足，基于嗅觉、味觉的设备还没有实现商品化。此外，在交互效果方面，虚拟现实技术与人的自然交互不足，在语音识别、人工智能方面的效果尚不能令人满意。

总之，VR虚拟现实可以改变我们的生活和教育，让学习变得更加生动有趣。对于化学学科而言，它可以让学生和老师近距离地体会微观的世界，放手去做很多不敢尝试的实验，不限时间、地点地进入虚拟的化学实验室，从而有更多机会体会化学的美。