面向中学实验的虚拟现实技术

刘之帆+阎炜

摘要：虚拟现实技术应用于中学实验课堂具有一定的先进性和优越性。本文介绍了虚拟现实技术特点，并从实验的安全、效率、成本等方面阐述了虚拟现实技术在中学实验中的应用。

Abstract： The application of virtual reality technology （VR） in the experiment classroom of middle school has advantage and superiority. In this paper， the characteristics of VR are introduced， and the applications of VR in the experiment classroom of middle school are expounded from the aspects of experiment safety， efficiency and cost.

关键词：虚拟现实；中学实验；应用

Key words： virtual reality；the experiment of middle school；application

中图分类号：G424.31 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）33-0197-02

0 引言

实验教学在中学学习中占有举足轻重的重要性。亲手操作实验，观看实验现象，有助于学生们对知识的理解与记忆，激发他们对自然科学的兴趣，逐步引导他们学习并掌握科学研究的方法和养成良好的学习习惯。尽管我国对基础教育投入不断增强，但中学实验的开展还面临诸多问题，如在我国中学通常实行班级授课，每班几十人，很难保证每一个学生正确的进行实验操作，达到预期的教学效果[1]；有些实验具有一定的危险性，如制备Cl2、SO2等有毒性气体等；有些实验操作較为复杂，学生们很难完全理解，而重复操作又耗时等。这些条件限制了实验课程在中学教学中所应发挥的重要作用。

虚拟现实（Virtual Reality），简称VR技术，是利用电脑模拟产生一个三维空间的虚拟世界，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、没有限制地观察三维空间内的事物。用户进行位置移动时，电脑可以立即进行复杂的运算，将精确的三维世界视频传回产生临场感。该技术集成了计算机图形、计算机仿真、人工智能、感应、显示及网络并行处理等技术的最新发展成果，是一种由计算机技术辅助生成的高技术模拟系统，所以人可以在这个虚拟世界做任何想做的事情。因此，将VR技术引入中学实验教学中具有重要的积极的意义。

1 VR技术的特点

1.1 沉浸感

通俗的讲就是当配带上VR眼镜时，你看到的是一个和真实世界场景完全相同的模拟世界，仅从感官上无法区分虚拟和现实。这个特点避免了播放演示视频时的枯燥无味。

1.2 交互性

所谓交互性就是人在完全逼真的虚拟世界里，可以在场景里做一些和现实中一样的动作。人和VR场景可以实时互动。比如你可以拿起VR场景里桌子水壶将水倒入杯中。此项技术允许人们在虚拟世界里进行“真实”的操作[2]。

2 VR技术在中学实验中的应用

2.1 实验过程的安全和绿色

有些化学实验具备一定的危险性，如制备出的Cl2、SO2等，两者均是具有刺激性气味的有毒气体；Na与水反应会生成 “火球”等。如果采用现实方法来进行操作，对于初学者来说有可能因操作不当而造成危害；但如进行演示实验又无法让学生们体会到做实验的乐趣与实验成功的喜悦之情。因此，采用VR技术便可做到“一举两得”甚至“一举多得”。很多高危险性实验均可以通过VR来操作，提高实验的安全性。且实验操作不受时间、地点的限制，可以做到“随心所欲”。

2.2 对于耗时较长、步骤繁琐的实验，学生可以通过VR短时间来操作完成

加热是中学实验中许多反应的必须条件，如还原糖的测定、银镜反应等。若直接采用酒精灯加热，则耗时较长。还比如生物中的孟德尔的遗传定律，用果蝇做实验往往要好几个月的时间。而VR可以在短时间内（一堂课）完成，节省了教学时间，提高了教学效率。

对实验步骤的理解是理解实验的第一步，理解了实验步骤有助于对实验原理、现象的理解。但有些实验操作繁琐，步骤过多，实验中加入的试剂较多，且药剂的加入有特定的顺序。如叶绿素的提取实验、DNA的粗提取与鉴定等。仅仅依靠上课的一次操作难以完全理解。而VR技术特有的交互性便可帮助同学们在虚拟的世界里做“真实”的操作，且不限次数，直到学生们完全理解与掌握为止。

2.3 VR实验不需要实验原料，从而可以降低实验成本

有些实验需要比较贵重的实验器材，且贵重实验器材对放置环境具有一定的要求，很多学校难以进行配备，只得进行演示实验或播放录像，削弱了学生们的积极性。若采用VR技术进行实验的操作和理解，其优点之一是无需准备实验器材和实验原料，只需开发出相应的软件即可，不仅节省了学校的空间，而且降低了实验教学的成本。

2.4 VR技术可以让学生们更好地认识微观世界

微观结构决定宏观性质。目前中学接触微观世界的主要途径是显微镜，其对微观结构的放大倍数有限。VR技术可以将宏观实物深入到原子水平，加深学生们对宏观实物的理解，并具有“身临其境”的效果。如DNA的双螺旋结构、晶体的内部结构和原子排列方式等等。VR技术极大地扩充了学生们对微观世界的理解，有利于激发学生们的学习兴趣。且VR模拟实验加入原理解析可以让学生更好地理解实验现象。

2.5 VR实验可以更好的让学生掌握实验流程

有些实验现象较为复杂，不仅动手部分、注意事项较多，且需要观察的现象也较多，这便限制了实验在课堂教学中的作用。如观察细胞的有丝分裂，前期准备步骤多，制片较困难。VR可以在不浪费实验原料的基础上，任由学生重复，从而在不断的反复操作中深刻理解实验流程并记忆实验现象，促进学生们的学习。

3 结语

随着现代科学技术的不断发展，科学技术走进课堂，服务教学已经成为一种趋势。从以前的观看演示实验视频，到最近的虚拟现实，无疑说明了科学技术对课堂学习的一种促进作用。而这种促进作用在实验课程中体现的尤为重要。它不仅能够解决做实验难，实验成功率低，实验地点受限等难点，而且也极大地提高了学生们对做实验的积极性，让学生们喜欢做实验，甚至爱上做实验，并能够从实验中体会学习的乐趣所在。相信在不久的将来，虚拟实验技术定会进入实验课堂，从而发挥其方便老师教学，开拓学生视野的优势。

参考文献：

[1]梁宇涛.虚拟现实技术及其在实验教学中的应用[J].实验技术与管理，2016（3）：81-85.

[2]高洪波.中国虚拟现实（VR）产业发展现状、问题与趋势[J]. 现代传播，2017（2）：8-12.

[3]陈应清.用信息化手段整合中学实验教学模式[J].中国教育技术装备，2012（35）.endprint