基于VR技术的初中化学实验创新教学实践与探索

乔静 唐文军

【内容摘要】本文主要利用VR技术，来突破初中化学实验教学中的瓶颈。首先，通过实验纠错环节，让学生大胆操作，从错误中学习正确的操作方法。其次，通过进行高危高爆实验，满足学生好奇心，提高学习兴趣。最后，通过微观粒子实验教学，突破教学的重难点，让学生理解反应的本质。

【关键词】VR技术  科学探究  实验教学  学习兴趣

科学探究是化学教学的核心，也是新课程改革的方向。而实验教学又是科学研究中重要的一环，用实验的方法来学习化学，符合教学的需要，不仅可以培养学生浓厚的学习兴趣，而且可以后续学习打下坚实的基础①。在传统实验教学过程中，由于条件的限制，很多实验无法开设，学生虽然有兴趣，急于探索，但是教师无法满足学生的要求。例如书本上有一些高危高爆有毒的实验，教师因为担心学生的安全，而直接取消，采用讲解或者视频的方式代替。看似解决了问题，实际压制了学生探究的兴趣，不利于化学的学习。另外在学习酸碱盐时，由于溶液里的粒子不可见，学生虽然可以看到实验现象，但无法理解溶液中微粒之间的反应过程，从而很难理解复分解反应的本质。还有在学习原子结构时，因为看不见，摸不着，这对于学生形成直观感知非常困难。这些问题每天都在真实上演，而在传统实验教学中是无法解决的难题②，而现在拥有了VR技术，就可以轻松的解决上述问题。VR技术（虚拟现实技术）在近几年兴起，因为它具有“沉浸感、真实感、趣味性”等显著特征，被广泛应用于教育领域。笔者有幸参与了VR技术应用于化学实验教学的实践应用，以下是我的一些感想和经验，希望可以抛砖引玉。

一、利用VR技术，实验纠错环节让学生不再怕错

利用VR技术，制作相应的VR课件，学生可以带上头盔进入虚拟实验室，通过手柄来操作实验，完成危险实验的探究，因为它足够逼真，可以反复操作，且不具有任何危险，学生可以尽情享受化学实验的乐趣。如高锰酸钾制取氧气的实验过程中，学生好奇为什么要先撤导管后撤酒精灯，如果不这样做，会怎么样？在传统实验教学中，我们会告诉学生，千万不可以这样，因为会倒吸炸裂试管。但是学生就是想试怎么办？利用VR课件，就可以解决这个问题，我们会让学生按照他的意愿来实验，利用特效，让学生看到试管炸裂的情境，明白错误操作所带来的危害。既满足了学生好奇心，也让学生了解正确操作的重要性。还有就是在讲解浓硫酸稀释实验时，我们会告诉学生一定要将浓硫酸加入水中，切不可反过来。我们都知道青少年学生就是喜欢不走寻常路，每次学生问到为什么不可以时，老师只能说“危险”，这是实验教学中尴尬之处。而有了VR课件，学生就可以将水倒入浓硫酸中，感受浓硫酸四溅的真实场景，从而真正体会到实验的危险之处。又例如在讲解一氧化碳还原氧化铁的过程中，一定要先通一氧化碳，然后再点燃酒精灯，如果顺序错误，将会导致试管炸裂，对学生造成伤害。利用VR课件，学生可以选择错误操作，体会操作错误带来的严重后果。从而学会正确的操作方法，重新按照正确的方法来进行实验。错误也是学习的一种宝贵资源，我们应该充分利用VR技术的特殊性，让学生完成试错。这对于学生今后的学习将产生深远的影响，可以让学生学会严谨实验的重要性，有助于培养学生的化学核心素养。

二、利用VR技术，高危高爆实验不再是难题

在传统实验教学中，由于场地、时间、空间的限制，很多实验无法开展和完成。而拥有了VR技术，就为这一切插上了腾飞的翅膀，让一切成为可能。如在开展高炉炼铁教学时，由于没有条件，我们只能拿着书上的图片，跟学生讲解，“纸上谈兵”。利用VR技术，构建的钢铁冶炼厂的场景，学生带上头盔，就可以瞬间进入到虚拟的钢铁冶炼厂，在上千度的钢铁熔炉里翱翔，真正实地“看到”钢铁厂炼铁的全过程，从而加深对书本知识的理解，让学习更有深度。另外，在水的净化一节中，会讲解自来水的净化过程，书上提供的仅仅是一个图片，不够真实，学生很难真正理解净水的全过程。而带上头盔，就进入了虚拟世界，可以参观“猎德污水处理厂”，可以用过手柄控制，仔细研究每一个环节，与书本上的知识对应起来，将知识灵活应用，真正做到生活和學习有机结合，学以致用。在探究可燃性气体爆炸实验中，因为具有危险，很多学校都选择不做。而利用VR技术做成的VR课件，如面粉爆炸，氢气爆炸实验，可以让学生近距离的观察实验过程，完全不必担心安全问题。还可以反复多次观察，体验化学实验的神奇，促进学生学习兴趣的提升。

三、利用VR技术，微观粒子触手可及，突破教学重难点

在初中化学教学中，宏观——微观——符号“三重表征③”一直是学习的重点与难点，由于微观世界看不见、摸不着，非常抽象很难理解，这为实验教学带来了极大的困难。而利用VR技术，可以制作VR课件，如元素周期表，只要带上头盔，用激光笔轻轻点击如钠原子，就可以在眼前看到原子内部的结构，核外电子分三层排布，绕核高速飞行。再点击原子核，就可以看到质子和中子从核中飞出，在你眼前排布好它的个数和带电情况。非常生动形象，这可以化抽象为具体，提高学生直观教学的理解能力。利用在讲解酸和碱的中和反应时，我们只能看到实验现象，但是内部微观粒子如何反应，我们并不知道。通过VR技术，深入溶液内部，就可以看到Na+和Cl-在溶液中来回无规则运动，H+和OH-结合成水分子的过程，这对于学生理解中和反应的实质起到了很好的促进作用，这也为后续复分解反应的发生条件以及本质的理解起到了很好的铺垫，可以很好地突破教学的重点与难点。在讲解复分解反应发生的条件时，学生一直都比较迷茫，为什么有些可以交换，有些不可以交换？依据到底是什么？有了VR课件，学生可以点击溶液，看到溶液中离子运动的场景，从而更加容易理解电离过程，看待物质不再是一个物质，而是离子。两种溶液在混合过程中，也可以点击微观世界，可以看到溶液中的离子选择性结合全过程，从而明白只有生成气体、水和沉淀，复分解反应才能发生的事实，真正理解复分解反应的实质就是：溶液中离子反应，减少的过程。

随着科学技术的发展，互联网+教育的研究也变得逐渐热门。而VR技术具有明显的优势，应用前景广泛。近年来教育部门连续发文推动VR技术在实验教学中的应用，与教育的深度融合是不可阻挡的潮流和趋势④。另外，随着中考实验改革方案的出台，初中化学实验的要求必然越来越高，对学生实验能力的考查也提上日程。面对考试的压力，学校师资和实验场地、药品的不足的问题将会凸显，而依托VR技术建设的虚拟化学实验室，可以很好地满足学生学习和练习的需要。这将极大的缓解学生实验开设不足的问题，还能让学生脱离时间和空间的限制，自由地进行实验。虽然现在囿于技术的局限以及成本等原因，还没有大面积地进行推广，但是未来我深信它会更多地应用于教学，改变教学模式，提升教学效率，让之前的不可能变为可能。与传统实验教学相辅相成，弥补不足，推动化学实验创新教学的发展，促进学生的全面发展。

【注释】

① 李鸣华. 人工智能及其教育应用[M]. 北京：科学出版社，2008：122-123.

② 胡小强. 虚拟现实技术[M]. 北京：北京邮电大学出版社，2005：2-3.

③ 吴荣华、严晓梅. VR技术实现化学的三重表征教学[J]. 中学化学教学参考，2019（1）：52-54.

④ 张莉、路虹剑. 沉浸式虚拟现实技术在科学教学中的应用研究[J]. 计算机教育，2019（12）：11-15.

（作者单位：广东省广州市泰安中学;广东省广州市华颖外国语学校）