利用VR技术开发高中化学实验的教学实践研究

刘瑞淇，刘赟宇，王宝金

（1.天津中学，天津 300384；2.天津职业技术师范大学、天津中德应用技术大学，天津 300222）

高中化学课程中教师讲到“水入酸”实验，会产生酸液飞溅现象，飞溅的高温腐蚀液十分危险。类似实验还很多，出于安全考虑，很多类似的实验无法尝试，目前的教学方式大都是通过文字语言描述使学生理解。因此，应用VR技术虚拟化学实验过程，使学生能够“身临其境”感受到实验的真实效果，既安全又生动。本文通过VR技术设计化学实验，并通过实践分析验证学习效果。

一、VR技术

VR是Virtual Reality的缩写，即虚拟现实技术，在20世纪60年代被首次提出，VR可将体验者带入创造的虚拟三维空间，打造完全在现场的感觉，核心是产生沉浸感，使用者可以达到一种进入其他时空的感觉，带来更加身临其境的体验。对教育领域来说，VR技术可以虚拟科技场景，形象有趣地将抽象的科学知识呈现出来，VR的“身临其境”，与教育学领域中的“情景构建”理论非常契合。

高中课程中学习到的化学反应实验，本身涉及的知识抽象、领域广泛，青少年对化学反应了解少，尤其是危险化学反应，比如，高中化学课程讲到“水入酸”实验，由于实验会产生酸液飞溅现象，十分危险，一般只做理论说明，不能真实实验，导致学生对实验的危险性认识不足。因此，如何应用VR技术来虚拟实验过程，替代化学课程中的危险类化学实验，增强学生对实验的认识，提高安全意识，并通过实践验证学习效果，是本文研究的主要问题。

二、技术调研与分析

1.技术基础

虚拟现实技术是仿真技术的一个重要方向，是一门富有挑战性的前沿学科和研究领域。虚拟现实技术主要包括模拟环境、感知、自然技能和传感设备等方面。虚拟现实技术具有多感知性、存在感、交互性、自主性等特征，2004年之后虚拟现实技术开始进入普及应用阶段。

2.开发软件

虚拟现实软件、虚拟现实引擎已经非常成熟，常见软件包括VRP、Quest 3D、Unity等，Unity3D是一款虚拟现实、跨平台应用程序开发引擎，可以轻松创建诸如三维视频游戏、建筑可视化、实时三维动画等类型互动内容的多平台的综合型游戏开发工具，目前Unity2017个人版免费，专业版有30天全功能试用期。

3.硬件设备

硬件设备包括数据手套、数字头盔、头部跟踪、动作捕捉。此外，还有位置追踪器、VR眼镜，其中VR眼镜可以结合手机实现最简单有效的虚拟现实效果，目前常见的VR眼镜有 HTC Vive、Facebook Oculus Rift、Sony PlayStation VR、SamsungGearVR、GoogleCardboard。

4.交互方式

虚拟现实被很多业内人士认为是下一个时代的交互方式，它比平面图形交互拥有更加丰富的形式，常见的交互方式包括眼部跟踪、动作捕捉、语音识别、手势识别、传感器等。

5.确定方案

结合上述技术调研结果，考虑成本问题，我们确定采用Unity软件开发虚拟实验，暴风魔镜VR眼镜和安卓手机展示虚拟实验的方案。具体见表1。

虽然这个方案里使用的设备只有手机和VR眼镜，但是使用起来却很方便，正如现在人们使用智能手机来听音乐，效果并不是最好的那个，但是至少可以随时随地听，使用很方便，使用手机学习也是这样，设计的实验可以随时进行，简单方便。使用虚拟现实技术替代危险化学实验，需要考虑将危险化学实验的实验步骤、实验效果及技术关键点通过虚拟的方式展示出来，从化学实验用品准备到实验操作步骤、注意事项、安全知识、效果呈现，结合化学实验进行技术分析后确定项目采用的技术路线，认为此方案可行性强。同时，考虑该方案的知识性、便捷性、趣味性和功能性于一体，利用虚拟现实技术设计充满趣味性、真实性、交互性的虚拟场景，形象展现化学实验的基础知识。

表1 开发方案

因此，VR化学实验设计的技术路线如下：首先梳理高中化学的知识体系，归纳整理出由于危险不能实际操作的化学实验，设计实验平台整体风格；然后以“水入酸”实验为例开展工作，进行虚拟场景的具体内容开发，制作各个场景所需要的虚拟三维模型、材质、贴图，制作相关文字及语音资料；最后搭建虚拟场景、编写控制程序，通过VR眼镜和手机，采用真实感和趣味性的人机交互手段形成实验的具体内容，并通过学习体验总结学习效果。

三、开发过程

Unity虚拟现实设计流程主要包括MAX制作模型、导入Unity、设计相机代码、设计 UI、build。具体包括：①通过Unity的菜单确定基本的视图、比例和结构；②建立场景里面的坐标系统和向量；③创建基本的场景，开发游戏对象、组件、脚本；④导入网格、材质、贴图、动画等基本元素；⑤确定游戏对象、组件、脚本彼此之间的关系；⑥设定摄像机、灯光、地形、渲染、粒子系统、物理系统等；⑦向量的加减法、光照法线贴图、内存管理、图形优化等。

图1 模型创建

本实验的具体开发过程如下：

首先，模型创建（3D MAX），如图1所示。

第二，场景搭建(Unity)：下载并安装Unity，打开软件，新建项目。

第三，UI设计(Unity)和脚本编写（Visual Studio）：开发玻璃棒搅拌程序脚本和VR具体实现程序脚本 (具体脚本略)。

第四，调试完善。

最后作品展示，如图2所示。

图2 作品展示

图3

四、设计实验教程

实验仪器：智能手机、VR眼镜。

设计高中化学“酸水混合”虚拟实验教程如下：

首先，在手机打开“suanshuirongye”程序。

第二，将手机放入VR眼镜，如图3。

第三，佩戴VR眼镜，尝试转头并观察四周的场景，熟悉实验室环境。

第四，将屏幕中的提示“黄标点”移动到装有“酸”的烧杯，这个烧杯将被拿起，将酸缓慢注入装有 “水”的烧杯中，同时玻璃棒进行搅拌，记录实验过程和现象，完成“酸入水”实验，如图4。

第五，同理，将屏幕中的提示“黄标点”移动到装有“水”的烧杯，这个烧杯将被拿起，将水注入装有“酸”的烧杯中，观察随后发生的现象，分析、记录实验现象，完成“酸入水”实验；

第六，实验结束，在实验报告中填写实验内容、注意事项、总结心得和收获。

图4

五、效果验证

1.调查数据

为了验证虚拟化学实验设计的实际效果，通过专家评价法，确定主要评价指标，并设计了科学有效的调查问卷，在学习过程中发放调查问卷反馈学习效果。最后利用统计学知识，根据事物的随机性规律收集、分析调查数据并得出结论。

2.调查数据分析

调查问卷发放给中学生、大学生及教师各10名，要求独立完成，调研内容主要体现学习效果、学习兴趣、情境效果、便捷性、可靠性五个方面的情况，问卷按照中学生、大学生、教师分成三组，选项包括差、较差、一般、较好、好五个级别（对应分值1-5分），根据结果统计每组的平均值。

重点对中学生的调研问卷进行了分析，在课外学习活动中随机发放问卷，学生来自南开中学、天津中学、天津一中、42中、耀华中学等学校，很多学生对VR之前有了解，体验过VR，对于虚拟化学实验的优点，点赞人数最多的是 “有吸引力”，认为能够提高自己的学习兴趣（占被调研人数的80%）；其次是“操作便捷”“情境效果佳”“立体感强”“对学习有帮助”（分别占被调研人数的60-70%）；同时，分值统计结果中，按平均分统计（满分5分），“操作便捷”4.6 分、“运行可靠”4.6 分、“学习效果”4.47 分、“总体感受”4.4、“情境效果”4.3 分、“学习兴趣”4分、“增强自信”4分，学生对虚拟化学实验的各项指标打分都在4分（大于或等于）以上，认可度高，说明大家很容易接受这种实验方式。

同时，对10名大学生、10名教师也进行了随机问卷调查与数据统计，发现大家的观点类似，都认为这种实验方式很容易接受，能够提高学习效果，同时，也有人提出目前这样的教学资源还很少，随着技术进步，希望今后这样的学习方式能够在更多的学科领域推广普及。

图5 评价指标雷达图

根据三组不同类型人员调查的结果，得到各项评价指标的雷达图，如图5所示。

被调查的30个人大部分都认为此化学虚拟实验就其“总体感受”“学习效果”“操作便捷”“情境效果”方面都有一定的优势，在未来也具备较大的发展空间。尤其是“情境效果”方面，普遍体现出了利用 VR技术具有较强立体真实感的优势。但不可否认在教师组的“运行可靠”指标比较低（3.7分），实验初期请几位教师体验时，由于第一版的虚拟实验模型较多、贴图复杂，造成运行速度较慢，要想制作成细腻度较高的虚拟展厅教学系统，对于系统的软件硬件都是个考验，因此，后面对系统进行了修改调试，将模型和贴图进行了简化处理，修改后软件运行速度明显好转。相信随着设备软硬件技术的不断进步，未来的虚拟化学实验设计会更加可靠、效果也会更好。

六、结论

虚拟现实场景对青少年群体有着特别的吸引力，学生戴上VR眼镜，即可重现跨时空场景以及现实中难以实现的或肉眼无法观察到的物体的多维展示。具体到化学实验来讲，由于很多化学实验存在危险性或实验成本较高，若用实物进行，从安全和经济角度考虑都不理想，同时，有些看不见的、原理性的知识，仅靠实物也无法直观看到。而借助VR技术形成真实的沉浸感，使学生“沉浸”到学习环境中，实现用户和环境的深度交互，同时具有携带方便、成本低廉的特点，因此易于推广，可更好地引起学生的兴趣并激发其想象力和创新力。

同时，VR具备的“身临其境”特性和教育的“情景构建”理论不谋而合，利用VR沉浸式体验替换抽象枯燥的板书教学，认知过程充满乐趣，通过情境教学更加符合教育认知规律，从而提高学习效果。因此，VR技术非常适合在化学、物理、生物、地理等学科的教学中推广应用。总之，VR虚拟现实技术将对未来学习方式的升级起到巨大的推动作用，未来课堂将更多应用情境教学，带来更多精彩的体验式学习。